Pilotaje

Las cimentaciones que se basan en pilotes hincados suelen tener grupos de pilotes conectados por una zapata (un gran bloque de hormigón en el que se incrustan las cabezas de los pilotes) para distribuir cargas que superan la capacidad de un solo pilote. Las zapatas y los pilotes aislados se conectan normalmente con vigas de cimentación para unir los elementos de la cimentación; los elementos estructurales más ligeros se apoyan en las vigas de cimentación, mientras que los elementos más pesados ​​se apoyan directamente en la zapata.

Los sistemas de cimentación sobre pilotes son soluciones de cimentación profunda que se utilizan para transferir las cargas de los edificios a través de terrenos débiles o inestables hasta capas de suelo o roca más resistentes y estables. Consisten en hincar o perforar elementos largos, con forma de columna, conocidos como pilotes, en el terreno para soportar las estructuras superiores. Ideales para terrenos con suelos blandos, compresibles o variables, las cimentaciones sobre pilotes proporcionan resistencia, estabilidad y reducen el asentamiento, lo que las hace esenciales para muchos proyectos de construcción modernos. ^{[ 1 ]}

Una cimentación monopilote utiliza un único elemento estructural, generalmente de gran diámetro, para soportar todas las cargas (peso, viento, etc.) de una gran estructura sobre la superficie.

En los últimos años se ha utilizado un gran número de cimentaciones monopilote ^{[ 2 ]} para la construcción económica de parques eólicos marinos de fondo fijo en ubicaciones submarinas de aguas poco profundas . ^{[ 3 ]} Por ejemplo, el parque eólico Horns Rev en el Mar del Norte, al oeste de Dinamarca, utiliza 80 grandes monopilotes de 4 metros de diámetro hundidos a 25 metros de profundidad en el lecho marino, ^{[ 4 ]} mientras que el parque eólico Lynn and Inner Dowsing, frente a la costa de Inglaterra, entró en funcionamiento en 2008 con más de 100 turbinas, cada una montada sobre una cimentación monopilote de 4,7 metros de diámetro en profundidades oceánicas de hasta 18 metros. ^{[ 5 ]}

El proceso de construcción típico para la cimentación de un monopilote submarino de turbina eólica en arena incluye hincar un gran pilote hueco de acero, de unos 4  m de diámetro y paredes de aproximadamente 50 mm de espesor, a unos 25  m de profundidad en el lecho marino, a través de una capa de 0,5  m de piedra y grava de mayor tamaño para minimizar la erosión alrededor del pilote. Se coloca una pieza de transición (con elementos preinstalados como un sistema de desembarco para embarcaciones, protección catódica , conductos para cables submarinos, brida de la torre de la turbina, etc.) en el pilote hincado, y se retira la arena y el agua del centro del pilote, sustituyéndolas por hormigón . Se aplica una capa adicional de piedra aún más grande, de hasta 0,5  m de diámetro, en la superficie del lecho marino para una protección contra la erosión a largo plazo. ^{[ 3 ]}

Los pilotes con base ensanchada tienen bases ensanchadas, formadas mecánicamente, que pueden alcanzar hasta 6  metros de diámetro. Su forma es la de un cono invertido y solo pueden formarse en suelos o rocas estables. El mayor diámetro de la base permite una mayor capacidad portante que la de un pilote de fuste recto.

Estos pilotes son adecuados para suelos expansivos que suelen estar sujetos a variaciones estacionales de humedad, o para estratos sueltos o blandos. También se utilizan en condiciones normales del terreno cuando la rentabilidad es favorable. ^{[ 6 ]}

La cimentación sobre pilotes ensanchados se utiliza para los siguientes tipos de suelo:

• Suelo arcilloso negro. Este tipo de suelo se expande al entrar en contacto con el agua y se contrae al secarse. Por ello, aparecen grietas en las construcciones realizadas sobre este tipo de arcilla. Para corregir este defecto, se utiliza un pilote ensanchado en la base.
• Baja capacidad portante. Suelo obsoleto (suelo de relleno).
• Suelo arenoso cuando el nivel freático es alto.
• Donde aparecen fuerzas de elevación en la base de los cimientos.

Un pilote de perforación continua, también conocido como pilote de barrena de hélice continua (CFA), se forma perforando el terreno con una barrena de hélice continua de vástago hueco hasta la profundidad o resistencia requerida. No se requiere revestimiento. A continuación, se bombea una mezcla de lechada de cemento por el vástago de la barrena. Mientras se bombea la lechada, la barrena se retira lentamente, transportando el suelo hacia arriba a lo largo de las hélices. Se forma un conducto de lechada de cemento fluida hasta el nivel del suelo. Se puede instalar refuerzo. Las innovaciones recientes, junto con un estricto control de calidad, permiten colocar jaulas de refuerzo a lo largo de todo el pilote cuando sea necesario.

Los pilotes perforados generan mínimas molestias y se utilizan con frecuencia en emplazamientos sensibles al ruido y al medio ambiente. Generalmente, no son adecuados para suelos contaminados debido a los elevados costes de eliminación de residuos. En estos casos, un pilote de desplazamiento (como los pilotes Olivier ) puede ofrecer la misma rentabilidad que un pilote perforado con un impacto ambiental mínimo. En terrenos con obstrucciones, cantos rodados o rocas, los pilotes perforados son menos adecuados, ya que puede producirse un rechazo por encima de la cota de la punta del pilote prevista.

Las perforadoras de barrena helicoidal seccional pequeña también se pueden usar para cimentaciones de losa sobre pilotes. Estas producen el mismo tipo de pilote que una perforadora de barrena helicoidal continua, pero con equipos más pequeños y ligeros. Este método de hincado de pilotes es rápido, rentable y adecuado para la mayoría de los tipos de terreno. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En las cimentaciones de pilotes perforados, estos se conectan con vigas de cimentación sobre las que se apoya la estructura, a veces con columnas de gran peso que recaen directamente sobre los pilotes. En algunas construcciones residenciales, los pilotes se extienden por encima del nivel del suelo y se utilizan vigas de madera que se apoyan en ellos para soportar la estructura. Este tipo de cimentación crea un espacio de acceso bajo el edificio donde se pueden instalar cables y conductos durante la construcción o la remodelación. ^{[ 8 ]}

En el hincado de pilotes por chorro de agua, se utiliza agua a alta presión para instalar los pilotes. ^{[ 9 ]} El agua a alta presión corta el suelo con un chorro potente y permite la instalación del pilote. ^{[ 10 ]} Una ventaja del hincado de pilotes por chorro de agua es que el chorro lubrica el pilote y ablanda el terreno. ^{[ 11 ]} Este método se utiliza en Noruega. ^{[ 12 ]}

Los micropilotes son elementos de pequeño diámetro, generalmente inferior a 300 mm, que se perforan y se rellenan con lechada in situ. Su capacidad de carga suele derivarse de la fricción lateral, aunque también pueden soportar la punta en roca dura. Los micropilotes suelen estar fuertemente reforzados con acero, que constituye más del 40 % de su sección transversal. Se pueden utilizar como soporte estructural directo o como elementos de refuerzo del terreno. Debido a su coste relativamente elevado y al tipo de equipo necesario para su instalación, se emplean con frecuencia en zonas con restricciones de acceso o condiciones de terreno muy difíciles (cantos rodados, escombros de construcción, karst, sensibilidad ambiental) o para la rehabilitación de estructuras existentes. En ocasiones, en terrenos difíciles, se utilizan como elementos de cimentación para nuevas construcciones. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen proyectos de recalce , puentes , torres de transmisión y estabilización de taludes . ^{[ 7 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

El uso de un trípode para la instalación de pilotes es uno de los métodos más tradicionales de hincado. Si bien los costos unitarios suelen ser más elevados que en la mayoría de los otros sistemas de pilotaje, presenta varias ventajas que han garantizado su uso continuado hasta la actualidad. El sistema de trípode es fácil y económico de transportar a la obra, lo que lo hace ideal para trabajos con un número reducido de pilotes.

El tablestacado es un método de hincado que utiliza láminas delgadas de acero entrelazadas para crear una barrera continua en el terreno. Su principal aplicación se encuentra en muros de contención y ataguías, construidos para facilitar la ejecución de obras permanentes. Normalmente, para la instalación de tablestacas se utilizan martillos vibratorios, grúas en T y perforadoras sobre orugas.

Los pilotes soldados, también conocidos como pilotes rey o muros de Berlín, se construyen con perfiles de acero en forma de H espaciados entre 2 y 3  metros aproximadamente, y se hincan o perforan antes de la excavación. A medida que avanza la excavación, se insertan tablillas de madera horizontales (entablado) detrás de las alas de los pilotes en forma de H.

Las presiones horizontales del terreno se concentran en los pilotes debido a su rigidez relativa en comparación con el entablado. El movimiento y la subsidencia del suelo se minimizan instalando el entablado inmediatamente después de la excavación para evitar la pérdida de suelo. El entablado puede construirse con madera, hormigón prefabricado, hormigón proyectado y placas de acero, según la separación entre los pilotes y el tipo de suelo.

Los pilotes de cimentación son más adecuados en condiciones donde una buena construcción de muros no provoque hundimientos, como en el caso de arcillas sobreconsolidadas, suelos por encima del nivel freático si tienen cierta cohesión y suelos bien drenados que se pueden drenar eficazmente, como las arenas.

Entre los suelos inadecuados se incluyen las arcillas blandas y los suelos sueltos que permiten grandes movimientos, como las arenas sueltas. Además, no es posible extender el muro más allá del fondo de la excavación, y a menudo se requiere drenaje.

Los pilotes de tornillo , también llamados pilotes helicoidales o cimentaciones de tornillo , se utilizan como cimientos desde mediados del siglo XIX en faros construidos con pilotes de tornillo . Estos pilotes son tubos de hierro galvanizado con aletas helicoidales que se introducen en el terreno mediante maquinaria hasta la profundidad requerida. El tornillo distribuye la carga al suelo y su tamaño se ajusta en consecuencia.

Los pilotes de succión se utilizan bajo el agua para asegurar plataformas flotantes. Los pilotes tubulares se hincan en el lecho marino (o, más comúnmente, se dejan caer unos metros en un lecho marino blando) y luego una bomba extrae el agua por la parte superior del tubo, tirando del pilote hacia abajo.

Las proporciones del pilote (diámetro y altura) dependen del tipo de suelo. La arena es difícil de penetrar, pero ofrece una buena capacidad de sujeción, por lo que la altura puede ser tan corta como la mitad del diámetro. Las arcillas y los lodos son fáciles de penetrar, pero ofrecen una baja capacidad de sujeción, por lo que la altura puede ser hasta ocho veces el diámetro. La naturaleza porosa de la grava implica que el agua fluiría a través del terreno durante la instalación, provocando un flujo por convección (donde el agua asciende por los puntos más débiles del suelo). Por lo tanto, los pilotes de succión no se pueden utilizar en fondos marinos de grava.

En latitudes altas donde el suelo está continuamente congelado , los pilotes adfreeze se utilizan como método principal de cimentación estructural.

Los montones de hielo para congelación obtienen su resistencia de la unión del suelo congelado que los rodea con la superficie del montón.

Los cimientos sobre pilotes anticongelantes son particularmente sensibles a las condiciones que provocan el deshielo del permafrost. Si un edificio se construye incorrectamente, puede derretir el suelo subyacente, lo que resultaría en una falla del sistema de cimentación.

Las columnas de piedra vibrada son una técnica de mejora del terreno que consiste en colocar columnas de árido grueso en suelos con drenaje deficiente o baja capacidad portante para mejorar sus propiedades.

En el ámbito de las estructuras marinas, los pilotes de apoyo (también conocidos como pilotes de horca) se construyen para proporcionar soporte temporal a los componentes de dichas estructuras durante las obras de rehabilitación. Por ejemplo, al retirar un pontón fluvial, la parte frontal se fija a un pilote de apoyo para sostenerla. Se trata de pilotes convencionales, generalmente con una cadena o un gancho de sujeción.

Los muros de pilotes secantes se construyen dejando espacio entre pilotes alternos (hembras, 1) para la posterior construcción de pilotes (machos, 2). La construcción de los pilotes macho implica perforar el hormigón en el orificio de los pilotes hembra para insertar los pilotes macho entre ellos. En el pilote macho se instalan las jaulas de refuerzo de acero, aunque en algunos casos también se refuerzan los pilotes hembra.

Los muros de pilotes secantes pueden ser de hormigón duro/duro, duro/intermedio (firme) o duro/blando, según los requisitos de diseño. El hormigón duro se refiere al hormigón estructural, mientras que el hormigón firme o blando suele ser una mezcla de mortero menos resistente que contiene bentonita. Todos los tipos de muro pueden construirse como voladizos autoportantes o apuntalarse si el espacio y el diseño de la subestructura lo permiten. Cuando los acuerdos de medianería lo permiten, se pueden utilizar anclajes al suelo como tirantes.

Un muro de lodo es una barrera construida bajo tierra con una mezcla de bentonita y agua para impedir el flujo de agua subterránea. Una zanja que colapsaría debido a la presión hidráulica del suelo circundante no se derrumba, ya que el lodo equilibra dicha presión.

Como su nombre indica, los pilotes de madera están hechos de madera .

Históricamente, la madera ha sido un recurso abundante y disponible localmente en muchas zonas. Hoy en día, los pilotes de madera siguen siendo más económicos que los de hormigón o acero. En comparación con otros tipos de pilotes (de acero u hormigón), y dependiendo de la procedencia y el tipo de madera, los pilotes de madera pueden no ser adecuados para cargas pesadas.

Una consideración fundamental respecto a los pilotes de madera es que deben protegerse de la putrefacción por encima del nivel freático . La madera dura mucho tiempo por debajo del nivel freático. Para que la madera se pudra, se necesitan dos elementos: agua y oxígeno. Por debajo del nivel freático, el oxígeno disuelto es escaso, aunque haya abundante agua. Por lo tanto, la madera tiende a durar mucho tiempo por debajo del nivel freático. Un ejemplo es Venecia , que ha tenido pilotes de madera desde sus inicios; incluso la mayoría de los pilotes más antiguos siguen en uso. En 1648, el Palacio Real de Ámsterdam se construyó sobre 13.659 pilotes de madera que aún se conservan hoy en día, ya que se encontraban por debajo del nivel freático. La madera que se va a utilizar por encima del nivel freático se puede proteger de la putrefacción y los insectos mediante diversas formas de conservación de la madera mediante tratamiento a presión ( cobre cuaternario alcalino (ACQ), arseniato de cobre cromado (CCA), creosota , etc.).

El empalme de pilotes de madera sigue siendo bastante común y es el más sencillo de realizar entre todos los materiales de pilotaje. El método habitual consiste en hincar primero el pilote líder, luego insertar un tubo de acero (normalmente de 60 a 100  cm de longitud, con un diámetro interno no inferior al diámetro mínimo de la punta) hasta la mitad de su longitud en el extremo del pilote líder. A continuación, se inserta el pilote seguidor en el otro extremo del tubo y se continúa hincando. El tubo de acero simplemente garantiza que las dos piezas se alineen durante el hincado. Si se requiere capacidad de elevación, el empalme puede incorporar pernos, tornillos para madera, clavos o similares para proporcionarle la capacidad necesaria.

El hierro fundido puede utilizarse para pilotes. Estos pueden ser dúctiles .

Los pilotes tubulares son un tipo de cimentación de pilotes de acero hincados y son una buena opción para pilotes inclinados ( aboceados ).

Los pilotes tubulares pueden hincarse con extremo abierto o cerrado. En el caso de los pilotes con extremo abierto, se permite que la tierra entre por la parte inferior del tubo. Si se requiere un tubo vacío, se puede utilizar un chorro de agua o una barrena para extraer la tierra del interior tras la hinca. Los pilotes tubulares con extremo cerrado se construyen cubriendo la parte inferior del pilote con una placa de acero o una zapata de acero fundido.

En algunos casos, los pilotes tubulares se rellenan con hormigón para proporcionar mayor capacidad de momento o resistencia a la corrosión. En el Reino Unido, esto generalmente no se hace para reducir costos. En estos casos, la protección contra la corrosión se logra mediante un espesor de acero de sacrificio o mediante el uso de un acero de mayor calidad. Si un pilote tubular relleno de hormigón se corroe, la mayor parte de su capacidad de carga se mantendrá intacta gracias al hormigón, mientras que se perderá en un pilote tubular vacío. La capacidad estructural de los pilotes tubulares se calcula principalmente en función de la resistencia del acero y la resistencia del hormigón (si está relleno). Se considera la corrosión según las condiciones del sitio y los códigos de construcción locales. Los pilotes tubulares de acero pueden ser de acero nuevo fabricado específicamente para la industria de pilotaje o de revestimiento tubular de acero recuperado previamente utilizado para otros fines, como la exploración de petróleo y gas.

Los pilotes H son vigas estructurales que se hincan en el suelo para cimentaciones profundas. Se pueden cortar o unir fácilmente mediante soldadura o empalmes mecánicos. Si el pilote se hinca en un suelo con un pH bajo , existe riesgo de corrosión; en estos casos, se puede aplicar epoxi de alquitrán de hulla o protección catódica para ralentizar o eliminar el proceso de corrosión. Es común prever cierto grado de corrosión en el diseño sobredimensionando la sección transversal del pilote de acero. De esta forma, el proceso de corrosión puede prolongarse hasta 50 años.

Los pilotes de hormigón suelen fabricarse con armadura de acero y tendones de pretensado para obtener la resistencia a la tracción necesaria, soportar la manipulación y el hincado, y proporcionar suficiente resistencia a la flexión.

Los pilotes largos pueden ser difíciles de manipular y transportar. Se pueden usar juntas para unir dos o más pilotes cortos y formar un pilote largo. Las juntas se pueden usar tanto con pilotes de hormigón prefabricado como pretensado.

Un pilote compuesto es un pilote formado por elementos de acero y hormigón unidos extremo con extremo para formar un único pilote. Se trata de una combinación de diferentes materiales o de diferentes formas, como tuberías y vigas en H, o acero y hormigón.

Maquinaria de construcción utilizada para hincar pilotes en el suelo: ^{[ 16 ]}

• La hincadora de pilotes es un dispositivo para colocar pilotes en la posición designada.
• El martillo hidráulico diésel es un dispositivo que se utiliza para clavar pilotes en el suelo.
• El martillo hidráulico es un equipo de trabajo desmontable de excavadoras hidráulicas, máquinas hidroficadas (rompedoras de roca estacionarias, cargadoras, manipuladoras, martillos para hincado de pilotes) que se utiliza para procesar materiales resistentes (roca, tierra, metal) o elementos de hincado de pilotes mediante el impacto de fragmentos que caen y son dispersados ​​por un fluido a alta presión.
• La hincadora de pilotes vibratoria es una máquina que se utiliza para hincar pilotes en suelos arenosos y arcillosos.
• La hincadora de pilotes a presión es una máquina para hundir pilotes en el suelo mediante la transmisión de fuerza estática. ^{[ 17 ]}
• Taladradora universal.

Maquinaria de construcción utilizada para construir pilotes de reemplazo: ^{[ 16 ]}

• Barrena helicoidal seccionada o barrena helicoidal continua
• perforación de circulación inversa
• Perforación concéntrica con broca anular