Cimentacin compensada con pilotes de friccin para reducir los asentamientos de los edificios en arcillas volcnicas de gran comprensibilidad de la ciudad de MxicoResumenEl uso de pilotes de friccin en cimentaciones compensadas aparecen para abrir un nuevo horizonte en el diseo en lugares como la ciudad de Mxico donde se encuentran depsitos de arcilla altamente compresibles.l autor describe el diseo y el comportamiento de algunas cimentaciones en sitios donde se asume que los depsitos de arcilla son altamente compresible comparados con otros lugares en la ciudad.Los asentamientos observados durante las exploraciones del subsuelo revelaron el comportamiento de pilotes de friccin usados en edificios. Los asentamientos fueron mucho menores comparados con los estimados para el mismo edificio pero sin pilotes. Se alcanzo una gran economa debido a que los pilotes de friccin carried solo con una fraccin de la carga total del edificio. Adems, desde que los pilotes fueron diseados sin soporte desde el estrato profundo, las caractersticas no deseables de los asentamientos de la calzada lejana al edificio, adems del bien conocido hundimiento de la superficie de la ciudad de Mxico, fue eliminado.El edificio "la Azteca" con un peso total de 1 a 2 kg/cm2 fue construido en una parte de la ciudad de Mxico donde los depsitos de arcilla son altamente compresibles.La investigacin del subsuelo muestra que en este sitio en especial el primer estrato competente esta a 32 m de profundidad, el uso en el corazn de la ciudad de pilotes de punta, est prohibido. Se encontr que el nico estrato competente para soportar las pilas era un estrato de arcilla encontrado a una profundidad de 42 m de profundidad. Sin embargo, la idea fue abandonada debido a los altos costos de las pilas, las cuales tuvieron que ser diseadas no solo para soportar el peso total del edificio sino tambin la friccin negativa inducida por la subsidencia del suelo de la superficie.Para que los pilotes alcanzaran la profundidad de 42 m deban penetrar todos los depsitos de arcilla compresible los cuales se encuentran fuertemente afectados por la reduccin de los niveles piezomtricos. La subsidencia del terreno causada por la compresin de estos estratos es muy grande; por lo tanto los problemas podran crearse en los accesos del edificio.Una cimentacin totalmente compensada, por otro lado, fue tambin indeseable debido a las costosas precauciones especiales podran necesitar hacer una excavacin profunda en arcillas suaves. Un gran empuje se puede obtener y la recompresin podra ser muy grande debido a la alta compresibilidad de las arcillasFinalmente, el autor decide recomendar una cimentacin compensada con pilotes de friccin los cuales, de acuerdo a los clculos de mecnica de suelos, dieron un aceptable asentamiento. El peso del edificio est parcialmente compensado por una excavacin de 6 m de profundidad, y por 83 pilotes de friccin de 40 cm de dimetro y 24 m de largo.EL peso total del edificio es de 7950 t. La carga compensada por los 6 m de excavacin es de 5790 t, y por lo tanto los pilotes toman una carga de 2160 t o el equivalente a 26 t por pilote. El rea de la cimentacin y la disposicin se muestra en la figura 7.Los clculos y observaciones de los asentamientos son comparados en la figura 9. Los asentamientos observados resultaron en alrededor de uno y media veces de los asentamientos estimados que pudieran tener lugar si la misma cimentacin est siendo diseado sin pilotes de friccin. Los clculos de asentamientos para cimentaciones con pilotes de friccin compensada son del mismo orden de magnitud y tendencia de los asentamientos observados.Este artculo discute tambin el probable comportamiento de los pilotes de friccin debajo de la cimentacin, con el propsito de justificar las hiptesis de trabajo que estn siendo usadas en el diseo.Caractersticas del subsueloSe localiza en la zona lacustre ocupada en la zona poniente de la parte central de la ciudad de Mxico. Esta localizacin es conocida particularmente por la alta compresibilidad del subsuelo, muchos edificios de ms de 6 plantas y con cimentaciones completamente compensadas sufrieron grandes asentamientos. El perfil estratigrfico se muestra en la figura 1. Las tpicas series de depsitos lacustres de arcilla volcnica con grandes contenidos de agua comienza a los 6 m y se extiende hasta los 40.5 m de profundidad, y estn delimitados por una serie de depsitos aluviales de grava fina andesitica, arena y limo arcilloso que continan a grandes profundidades, Arena Tarango II.Los depsitos lacustres de arcilla volcnica estn intercalados con arena fina y estratos de limo. Los especialmente significativos para el anlisis de asentamientos estn marcados en el perfil del suelo. La primera capa de los depsitos de arcilla blanda, Tacubaya I a V, exhiben un gran contenido de agua que en algunos lugares est por encima de 400%. El segundo estrato semi-rgido de arcilla, acilla de Tarango I, muestra un promedio de contenidos de agua de alrededor de 175 % y es consecuentemente menos compresible. Se podra observar que el contacto horizontal a los 35.1 m de profundidad, entre el primero y segundo deposito de arcilla, los tpicos depsitos de arenas I aluviales de Tarango conocida como la primera formacin dura est ausente. La mayora de los edificios con pilotes de punta en el corazn de la ciudad descansan en esta formacin.Para encontrar la fuente de la subsidencia en superficie se instalaron piezmetros en los estratos previos a las profundidades de 42, 37, 28, 22, 14 y 8 m respectivamente. Se observo que practicante no hay descenso del nivel piezomtricos desde la superficie hasta una profundidad e 28 m. La presin vertical efectiva del subsuelo prcticamente permanece sin cambios arriba de esta profundidad. Sin embargo desde los 28 hasta los 42 una importante reduccin de las presiones piezomtricos toma lugar y la presin efectiva se incrementa; a los 36 m de profundidad a 0.9 kg/cm2 y a los 42 a 2 kg/cm2. Esta situacin demuestra que la subsidencia en superficie tiene lugar primeramente debido a la compresin de las capas V de las arcillas de Tacubaya y de los depsitos de arcilla I de Tarango.Las curvas de compresibilidad obtenidas de los ensayos de consolidacin ensayadas en arcillas volcnicas a diferentes profundidades se muestran en la figura 2. De estas curvas se nota la gran compresibilidad de estos materiales, especialmente para presiones mayores a las crticas de compresin Pb. El valor de Pb determinado a partir de la curva se muestra en el perfil del suelo. La comparacin del Pb con la sobrecarga efectiva es altamente significativa en los anlisis de asentamientos.Investigacin de la fuerza cortante.El esfuerzo cortante ltimo a lo largo del eje de los pilotes tiene que ser investigado para comprender mejor el comportamiento de los pilotes de friccin usados para el diseo de la cimentacin. Muestras no saturadas de arcilla cerca del eje de los pilotes en otras partes de la ciudad fueron recuperadas en excavaciones abiertas, La investigacin se realizo durante varios meses. De los resultados de las pruebas hechas en las muestras y en observaciones de campo de las arcillas cerca del eje de los pilotes, se dieron las siguientes conclusiones:(a) Una pequea muestra de perfectamente remodelada y consolidada arcilla se observo cerca del eje de los pilotes que no exceda el 5 % del dimetro del pilote, as daba incremento del esfuerzo cortante de acuerdo a la ecuacin S=0.53K0pvDonde Ko=0.75 es la relacin entre la presin horizontal y vertical.(b) El agua contenida cerca del eje de los pilotes cerca de los pilotes muestra que prcticamente no hay consolidacin de la arcilla durante la inclusin del pilote o despus. Este hecho se explica si se considera que el exceso de presin de poro inducido durante la colocacin del pilote produce momentneamente una reduccin en la presin efectiva y una correspondiente tendencia para la expansin de las arcillas en la direccin vertical. Sobre la disipacin del exceso de presin de poro, la presin vertical efectiva asume un valor inicial. Por lo tanto, no se aprecia consolidacin en las arcillas que tienen lugar bajo estas condiciones, excepto muy cerca del eje del pilote donde una capa delgada de arcilla remodelada consolidada debida a la completa descompresin estructural.El esfuerzo cortante natural de la arcilla aproximadamente de 0 a 5qu es afectada por la colocacin de los pilotes alrededor de un dimetro de distancia del eje del pilote. Cerca del eje el esfuerzo cortante de la arcilla se reduce alrededor del 60%. Por lo tanto el cortante desarrollar en una arcilla semi-distribuida. Por lo tanto el cortante se desarrollar en la arcilla de forma semi-distribuida a una distancia de alrededor de 1r del centro del pilote con una fuerza cortante de aproximadamente :

Para investigar la resistencia al cortante en la cual los pilotes de friccin comienzan a ceder es necesario investigar un mnimo de valores de resistencia al cortante por medio de las dos formulaciones previamente citadas.Un anlisis de la fuerza cortante por unidad de longitud de un pilote de concreto de 40 cm de dimetro, usando las ecuaciones antes dadas, fue realizado y se muestra en la figura 5. El promedio de los valores de qu para cada capa de arcilla a una profundidad de 27 m se muestra tambin en la figura 5.Para este particular caso el mnimo valor de fuerza cortante es obtenido con una combinacin de las formulaciones ya citadas. despus de la integracin entre 2 y 24 m de profundidad con una fuerza total de 55 t se obtuvo para la carga ltima necesaria para movilizar el esfuerzo de cortante total del suelo a lo largo del eje del pilote. Debido a la alta compresibilidad de la arcilla el punto resistente no juega un papel preponderante hasta presentarse grandes asentamientos de los pilotes y la fuerza cortante a lo largo del eje ha sido casi completamente movilizado.Dos ensayes en pilotes fueron realizados con una seccin de 40 cm de dimetro empujados lentamente con gatos de 2 a 24 m de profundidad. Los resultados de los ensayos se reportan en la figura 6. El ensayo de carga No.1 fue hecho a los 28 das despus de que el pilote fue empujado. La duracin de los ensayos fue de 6 das, y esto permiti que el mximo asentamiento de los pilotes ocurriera para cada incremento de carga. El mximo incremento de carga alcanzado fue de 100 t. el siguiente incremento de carga no fue soportado por los pilotes; la carga se soltaba hasta 79 t y un asentamiento continuo ocurra bajo esta carga. El ensayo de carga No 2 fue realizado 20 das despus de hincar los pilotes y la prueba dur 3 das, situando una carga total de 70 t.El terreno fue hincado dentro del terreno en etapas a una velocidad de 0.4 cm/sec. La carga mnima requerida est dada por la curva marcada como A en la figura 6b. Al inicio de cada etapa despus de 10 a 20 minutos, una carga mayor fue requerida para romper el "freezing effect". En un anlisis de los registros de hincado se identifico que el punto de resistencia jugaba un papel importante durante la parte del hincado.El punto resistente a los 24 m de profundidad alcanza un mnimo valor de 20 t bajo la condicin de hincado previamente mencionada. Este hecho fue demostrado nuevamente en todas los pilotes excavados en la misma zona. En el ensayo No 2, El cual podra considerarse un ensayo de carga rpida para el punto de resistencia, puede interpretarse usando los resultados explicados ms adelante en este artculo (paper). La carga total en el pilote es igual a la suma del esfuerzo de friccin ultimo de 55 t, adems el punto resistente no es menos a 20 t, as nos da una carga total de 75 t. Estos clculos de carga son sorprendentemente cercanos a las mediciones de carga ultima en la prueba 2( Fig 6a).AsentamientosLa proposicin de construir despus de una compensacin total produce una red de incrementos de presin a 6 m de profundidad de 0.326 kg/cm2. La presin total, incluyendo incrementos de esfuerzo, estn dados por la curva A (Fig 8).Para reducir el empuje durante la excavacin y su subsecuente asentamiento el autor recomienda una excavacin preliminar de 3.5 m de profundidad, correspondiente a la profundidad del basamento (creo que se refiere a la cimentacin). se recomienda que los subsecuente 2.5 m de excavacin, en el cual la estructura de la cimentacin esta situada, deberia estar hecha en trincheras rellenas con concreto, y los subsecuentes espacios excavados entre las vigas de concreto deben ser llenados con agua mientras la sub estructura se encuentra en construccin. la reduccin en la presin efectiva debido a la excavacin de 3.5 m solo es equivalente a 0.384 kg/cm2 (FIG 1). La cuerva B en la Fig 8 muestra una reduccin con la profundidad.Un asentamiento estimado fue calculado usando informacin obtenida de ensayos en el subsuelo y las curvas A y B en la figura 8. La tabla 1 muestra los clculos. Los asentamientos totales obtenidos fueron del orden de 100 cm. Los valores se consideraron conservadores considerando que algunos lugares la presin critica era alcanzada. Un anlisis de asentamientos ms preciso fue hecho en funcin del tiempo tomado en cuenta los periodos de construccin y el efecto secundario usando los anlisis de asentamientos descritos en otra parte (aqu ira una referencia a otro paper que no quise anotar =P ). Los resultados se reportan en la figura 9 curva a.Los asentamientos para la cimentacin compensada sin pilotes es considerada muy grande. LA experiencia en la ciudad de Mxico muestra que los asentamientos diferenciales entre edificios debera rondar 10 cm en el primer ao y un total de menos de 30 cm que no deber excederse en un periodo largo, en pro de evitar daos a construcciones vecinas y vas pblicas.Los grandes asentamientos mencionados arriba favorecieron la decisin de la implementacin de pilotes de friccin para cuidar el exceso de presin de 0.326 kg/cm2. Los 83 pilotes usados fueron hincados a una profundidad de 24 m dentro de los depsitos de arcilla no afectados por la reduccin de la presin piezometrica, as se asegura que en el futuro la construccin seguir al suelo en lugar de emerger por encima del mismo.Los pilotes de friccin serviran solo para reforzar los depsitos entre 6 y 24 m de profundidad, y tambin para reducir la expansin durante la excavacin y la recompresin de la altamente compresible arcilla al rededor de los pilotes. El exceso de carga de 0.326 kg/cm2 producidos por la carga de 26 t por pilote. bajo estas circunstancias los bloques formados por el suelo y los pilotes se asume que acturan como una unidad, transmitiendo el exceso de presion de forma favorable a su base y a los estratos menos compresibles de arcilla.Los esfuerzos totales en el subsuelo bajo las condiciones son calculados por los metodos actuales y se muestran en la curva C de la figura 8. La red de incrmentos de presin usada para los asentamientos calculados se dan en la Tabla 2. Los asnetamientos totales obtenidos fueron del orden de 37 cm. Los asentamientos vs tiempo tambien se estimaron y se registraron en la curva b de la figura 9.Los asentamientos observados comienzan en cada columna del edificio tan pronto como las (supongo que son como contratabes) vigas fueron colocadas en el subsuelo. El promedio de los asentamientos observados estn referidos al centro de gravedad del rea cargada y registradas en la Fig. 9, curva c. Desafortunadamente el edificio fue diseado de tal manera que la torre de los elevadores ms pesados, escaleras y servicios sanitarios. Sin embargo, al da (se refiere a la fecha del articulo) los asentamientos diferenciales tiene solo un orden de 3 cm adems de haber incrementado de forma notoria.ConclusionesDesde los asentamientos calculados y observaciones registradas en la figura 9, la gran ventaja de usar una cimentacin compensada con pilotes de friccin puede ser notoria. Las siguientes conclusiones pueden resumirse de los casos presentes y otras cimentaciones resueltas de forma similar. por el autor con la misma filosofa.a. Usando pilotes de friccin los asentamientos en depsitos de arcilla de alta compresibilidad se reducen considerablemente.b. un cuidadoso estudio y una apropiada interpretacin de la estratigrafia, condiciones hidrostticas y propiedades delos suelos fue necesaria para obtener una adeucad informacin de tal forma que se disee de forma exitosa la cimentacin combinada (compensada con pilotes de friccin).c. Los pilotes de friccin, diseados con una fuerza cortante por debajo del esfuerzo cortante de la arcilla alrededor del eje del pilote acta como una unidad con el suelo. As, la consolidacin de la arcilla debajo de los pilotes parece ser eliminada. El exceso de presin es tomado por las capas ms profundas y menos compresibles de arcilla.d. El uso de cimentaciones con pilotes de friccin elimina los asentamientos diferenciales entre la construccin y la superficie del suelo, causados en esta particular zona por la reduccin de los niveles piezomtricos de agua a profundidades mayores que los 28 m.Aqu van agradecimientos a un montn de personas que no ubico =P XD XD XD XD........