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EFECTOS DE LA HINCA DE PILOTES EN SUELOS TIXOTRÓPICOS
Gastón Laporte Molina1
RESUMEN Este tema trata sobre aspectos geotécnicos y estructurales del diseño de pilotes hincados en suelos marinos con comportamiento especial; específicamente en el proyecto de construcción del Puesto 5-6 de Puerto Moín, Limón, Costa Rica (Muelle Taiwanés); proyecto donde se hincaron cerca de 800 pilotes tubulares de acero de 0,45 y 0,57m de diámetro y longitudes de 25 a 35 m. Las condiciones geotécnicas del subsuelo marino (arcillas con un comportamiento subnormal tixotrópico) requirieron hacer la revisión de los criterios originales de diseño, la realización de pruebas de carga y la verificación –durante el proceso constructivo con fórmulas dinámicas de hinca- de la capacidad de carga última de los pilotes. Se pretende compartir la experiencia adquirida con la hinca de estos pilotes, destacando la validez o precisión de los métodos de la mecánica de suelos, la determinación de la capacidad de carga mediante las fórmulas dinámicas de hinca y el método de ecuación de onda en comparación con los resultados de prueba de pruebas de carga a escala real. También se hace referencia a las limitaciones que tienen los códigos actuales vigentes con relación a estructuras especiales como son obras marítimas tipo muelles u otras similares.
ABSTRACT This paper refers to geothechnical and structural aspects of piles driven into clays with special, or subnormal, behavior; specifically during the construction of the so called “Taiwanese pier” (position 5-6), in Puerto Moín, Limón. The project involved close to 800 piles with diameters of 0.45 and 0.57 m and lengths ranging from 25 to 45 m. Marine subsoil consisted mainly of clays with a subnormal behavior, specifically a tixotropic one; because of these conditions pile load tests were carried out together with a revision on pile design criteria and, during construction, a verification of dynamic driving formulas; all to verify pile ultimate load carrying capacity. The aim is to share the experience on the validity and precision of traditional soil mechanics methods, the determination of pile capacity by means of dynamic formulas and wave equation analysis and a comparison of these values with load test methods. A reference is made on the limitations of local design codes related to special structures such as piers.
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INSUMA S.A., Apartado: 2128-1002 Paseo de Estudiantes; correo-e:
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INTRODUCCIÓN Durante los últimos años, Costa Rica ha presentado una disminución en la capacidad operativa de Puerto Moín, Limón. Con el fin de mejorar la eficiencia portuaria, ampliar la capacidad de carga en el puerto y fortalecer el turismo, la Junta Administrativa de Desarrollo Económico de la Vertiente Atlántica (JAPDEVA) ha construido el muelle Taiwanés, Puesto 5-6, de 250 m de longitud y proyecta la construcción de otro puesto (Puesto 5-7 del muelle) como extensión hacia el sur del Muelle Taiwanés. La subestructura del Puesto 5-6 considera la hinca de aproximadamente 800 pilotes de acero hincados en arcillas subnormales, distribuidos en 76 ejes con diámetros de 0,45 y 0,57m y longitudes variables entre 25 y 35 m, Figura 1. Previo a la recepción de las ofertas para la construcción del puesto 5-6 uno de los oferentes -quien a la postre resultaría ser el adjudicatario-llevo a cabo ocho pruebas de carga en el sitio del proyecto. Los resultados de estas pruebas de carga fueron inferiores a los esperados por el diseñador; lo que sugería que las longitudes de hinca de pilotes -estimadas en los documentos de licitación- podrían aumentar sensiblemente, afectando de manera importe el costo final de la obra. Ante esta perspectiva se recomendó llevar a cabo una revisión de las cargas de diseño de los pilotes, de los criterios geotécnicos de diseño y de los controles de campo necesarios para la aceptación de la hinca de cada pilotes; todo con el fin de optimizar sus longitudes de hinca.
Figura 1. Sección transversal del muelle . Al inicio del proceso de hinca del proyecto se presentó una discrepancia entre la capacidad de soporte real (obtenida de las pruebas de carga) y la calculada teóricamente, de aquí surgió la necesidad de llevar a cabo pruebas de carga adicionales para calibrar de mejor manera las formulas dinámicas. Por esta razón se llevaron a cabo ocho pruebas de carga; llevando a cabo un análisis integral del proceso de hinca y de los resultados obtenidos en estas pruebas. En general, las pruebas de carga hechas en pilotes hincados en las arcillas duras con martinete vibratorio mostraron valores de capacidad de soporte bajos cuando se realizaron inmediatamente después de la hinca. Los pilotes a los que se les practicó la misma prueba varios días después, presentaron valores de resistencia muy superiores a los primeros. Esta tendencia de aumento de capacidad de carga de los pilotes con el transcurso del tiempo, puede explicarse considerando las diferentes características geotécnicas del subsuelo. El fenómeno de tixotropía en las arcillas donde se hincaron los pilotes, es una hipótesis que respalda ese cambio en la resistencia, sumado a la generación de presión de poros producto de la vibración.
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PERFIL DEL SUBSUELO Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA Se dispone de la información proveniente casi en su totalidad de los resultados de perforaciones realizadas con el método de penetración estándar (SPT), incluyendo además varios estudios geofísicos relacionados con el diseño del muelle y para los problemas de dragado de la dársena. En la zona del proyecto, en primer término es importante considerar que el perfil del subsuelo es heterogéneo a lo largo de la Bahía de Moín debido a las diferencias en las características geotécnicas y al cambio del espesor de los sedimentos que sobreyacen a las arcillas que forman parte de la Formación geológica “Río Banano”, “Miembro Arcillas Moín”. Un perfil estratigráfico describe la secuencia de colocación del suelo transportado y el espesor de los estratos. La finalidad de estos perfiles es: •
Indicar cómo la historia geológica influye sobre las características del terreno.
•
Dar valores típicos de las propiedades del terreno.
•
Mostrar claramente la variabilidad del comportamiento del suelo con la profundidad.
•
Ilustrar la forma de presentación de datos referentes al terreno.
Utilizando los datos presentados por INSUMA S.A en el informe de noviembre del 2002, así como, los resultados de investigaciones anteriores, fue posible generar un perfil estratigráfico. Se contó con los resultados de las pruebas de penetración estándar, la extracción de núcleos, las descripciones visuales de las muestras recuperadas, y los resultados de algunas pruebas de caracterización realizadas en el laboratorio. Son tres las capas que conforman el subsuelo de la zona del Muelle de Hierro. La capa superior está compuesta por una mezcla de arcilla arenosa de color gris, combinada con fragmentos coralinos y otros sedimentos marinos. En algunas perforaciones se encontró un relleno granular, superpuesto a esta primera capa. Este relleno se perforó con el método de rotación y está compuesto por bloques de lava y fragmentos coralinos. Las dos capas inferiores están constituidas por arcillas de alta plasticidad, de color gris y de alta consistencia. Las características entre ambas capas son muy similares, la diferencia entre ambas capas es la resistencia, ya que la capa de arcilla inferior presenta mayor resistencia, por lo que la perforación de la misma requiere la aplicación del método de rotación con diamante, mientras que la capa superior se perforó con SPT. El espesor de la capa de arcillas es de aproximadamente de 40 m, de acuerdo a los resultados de SPT, método a rotación y a investigaciones geofísicas. De acuerdo a estos antecedentes y tomando en cuenta que a partir del contacto entre las dos capas de arcilla, el valor de la resistencia aumenta muy lentamente con la profundidad, se puede asegurar que no existe una capa dura cercana al extremo inferior de las perforaciones realizadas. La capa de arcilla en la que se cimentaron los pilotes es la que presenta menor resistencia, por lo que tiende a ser más problemática como material de soporte de cimentaciones profundas. Los pilotes del Muelle Taiwanés apoyados en estas arcillas marinas presentaron discrepancias entre los resultados de algunas pruebas de carga con respecto a la capacidad de carga utilizada en le diseño. En el cuadro Nº 1 se resumen algunas de las características geotécnicas de las diferentes capas que conforman el perfil estratigráfico. Estas características incluyen algunos parámetros de los materiales, obtenidos a partir de pruebas de laboratorio y documentados en los informes ya mencionados. En la cuadro Nº 2 se resumen los rangos de NSPT, para cada perforación y su promedio por capa.
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Cuadro 1. Características de las diferentes capas que conforman el perfil estratigráfico [6]. Capa
Descripción
Clasificación SUCS
Parámetros de corte
NSPT
Relleno granular
Bloques de lava mezclados con fragmentos coralinos
GP
c = 0, γ = 16 kN/m3
-
1
Arcilla limo arenosa, de color gris, con fragmentos coralinos
CL
φ´=20º, c´=0, φu = 0, cu =2.5 ton/m2
1> X X X X X
Cálculo estático
X
Fórmula dinámica
X
X
X
X
X
Medición dinámica y análisis Prueba de carga estática Factor de seguridad
X
3,5
X X
X
Ecuación de onda
X
2,75
2,25
X X
X
X
2,00
1,90
Uniform Building Code Si bien el Uniform Building Code no define un factor de seguridad para cimentaciones profundas en su edición de 1997 dice, en su artículo 1607.5 “Reduction of live load” que para cargas de almacenamiento superiores a las 100psf (500 kg/m2) no se debería hacer ninguna reducción salvo en las columnas (en este caso los pilotes) donde las cargas temporales de diseño podrían reducirse en un 20%. De esta forma, considerando que el factor de seguridad se define como la relación entre la carga última entre la carga de diseño, reducir las cargas axiales de diseño de los pilotes implica indirectamente un aumento de hasta un 25% (1/0,8=1,25) en el factor “real” de seguridad para esta carga así corregida. Esto es, bajo el supuesto de que el factor de seguridad mínimo es de 2,5 (y considerando que la carga temporal es el 75% de la carga de diseño), la reducción sería similar a reducir el factor de seguridad de 2,5 a 2.
Design of Pile Foundations, Engineering and Design" U.S. Army Corps of Engineers
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En este caso los factores de seguridad se aplican a la capacidad última de los pilotes, definiéndolos no solo en función de la probabilidad de ocurrencia de las cargas sino también de la forma en que se determine esta capacidad; los criterios se resumen en el cuadro siguiente: Cuadro 10. Factores de Seguridad USACE Método para determinar capacidad
Teórica o emperica verificada con pruebas de carga Teórica o empírica verificada con analizador de hinca Teórica o empirica NO verificada con pruebas de carga
Condición de carga Usual Inusual Extrema Usual Inusual Extrema Usual Inusual Extrema
Factor mínimo de seguridad Compresión Tensión 2,0 2,0 1,50 1,50 1,15 1,15 2,50 3,0 1,90 2,25 1,40 1,70 3,0 3,0 2,25 2,25 1,70 1,70
Por lo que, después de analizar los diferentes Códigos para definir factores de seguridad y cargas de diseño para pilotes se concluye que es prudente analizar las condiciones de diseño particulares y definir el factor de seguridad con un criterio que garantice razonablemente la seguridad de la obra y su costo.
CONCLUSIONES •
A pesar de poseer una fracción arcillosa menor que la limosa, el suelo tiene índices de plasticidad tales que lo clasifican como CH (arcilla inorgánica de alta plasticidad). Si a este hecho se le suma que los coeficientes de permeabilidad son bajos, podría decirse que efectivamente se trata de una arcilla, con presencia de limos. Sin embargo, hay que destacar que a pesar de que la fracción arcillosa sea menor que la de limos, las partículas arcillosas son muy activas, y de esta forma ejerzan mayor influencia en sus propiedades geotécnicas.
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En cuanto a la plasticidad del suelo posterior al remoldeo, ésta disminuye ligeramente con el tiempo. Este comportamiento sugiere la ocurrencia del fenómeno de tixotropía en el suelo, aunque no de forma extrema, por lo que se requiere mayor análisis tanto mecánico como mineralógico.
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El suelo es propenso a cambios de volumen en función de la humedad, ya que se considera como activo, según los altos índices de actividad obtenidos. Este hecho sugiere la presencia de material con potencial de expansión alto, tales como las montmorillonitas; sin embargo, queda por confirmar la presencia de material hinchable por medio de pruebas de expansividad.
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El suelo arcilloso de Moín se clasifica como medianamente sensible, si se compara la resistencia de una muestra inalterada y una remoldeada, lo que sugiere un comportamiento tixotrópico del suelo, aunque no en su grado máximo, tal y como se manifestó en los párrafos anteriores.
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Las arcillas son susceptibles al remoldeo, ya que se comporta como una arcilla medianamente dura en estado natural, sin someterse a vibración o remoldeo. Sin embargo, al ser remoldeadas o estar sometidas a cargas vibratorias, se comportan como suelos blandos, caso demostrado con los resultados de resistencia a la compresión simple, por lo que se podría afirmar que el suelo es potencialmente tixotrópico. IX Seminario Nacional de Geotecnia San José, Costa Rica – Noviembre 2006
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La hinca de pilotes puede influir en la resistencia a corto plazo del mismo, ya que se trata de un suelo sensible al remoldeo, compactación y vibración. Esta situación queda confirmada tomando en cuenta que en la mayoría de los pilotes a los que se les realizó la prueba de carga, aumentaron su resistencia con le tiempo.
REFERENCIAS 1. Castillo, R. (1993), Geología de Costa Rica. 2ª edición. Editorial Universidad de Costa Rica, San José. 2. Consorcio CWI (2002), Ampliación: Análisis de la hinca de los pilotes hasta el eje 46 y pruebas de carga. Informe, JAPDEVA, agosto. 3. Consorcio CWI (2002), Análisis de la hinca de pilotes hasta el eje 46. Análisis de las pruebas de carga. Informe, JAPDEVA, abril. 4. Díaz, J.A. & Santamarina, J.C. (1999), XI Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica. Thixotropy: the case of Mexico city soils.Cataratas de Iguazú. 5. González, M. (2003), Caracterización geotécnica de las arcillas marinas de Moin. Tesis para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniera Civil. Universidad de Costa Rica. 6. INSUMA S.A. (2002), Investigación geotécnica para el Muelle 5-7 (Terminal de Hierro) Puerto Moín, Limón. San José, Noviembre. 7. Laporte, G. (1989), Proyecto de ampliación de Muelle de Moín. Estudio Geotécnico. Cimentación del Muelle Moín. Limón, julio. 8. Taylor, D.W. (1969), Fundamentos de la mecánica de suelos. Editorial Continental, Barcelona. 9. Tomlinson, M. J & Boorman, R. (1995), Foundation design & construction. Sexta edición. Editorial Longman Scientific & Technical, Singapore.
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