Carlos Fernández Tadeo. CFT & Asociados, S.L., Febrero 2008

Los pilotes prefabricados hincados son una buena alternativa para la cimentación de estructuras en terrenos flojos y blandos, ya sea trabajando como pilotes flotantes, que transmiten la mayor parte de la carga por rozamiento a través del fuste, o como pilotes columna, que trabajan predominantemente por punta.

En España se vienen empleando desde hace varias décadas, ampliándose cada vez más su utilización. Sin embargo, aún es frecuente encontrar casos en que su construcción no está acompañada por modernas técnicas de control de calidad, que permiten, por una parte, ajustar los diseños de estas cimentaciones y abaratar su coste, así como adquirir una adecuada confianza de que su ejecución se ha realizado correctamente. El Código Técnico de la Edificación ha permitido corregir esta laguna, incluyendo las pruebas dinámicas de carga y el control electrónico de la hinca como elementos imprescindibles para el control de ejecución de estos pilotes.

Fase de proyecto

Como en todos los proyectos de cimentaciones, es fundamental disponer de un buen reconocimiento geotécnico. Los ahorros que en estos casos genera el disponer de un buen estudio geotécnico suelen ser importantes, ya que se puede afinar mucho más en el cálculo y diseño del pilotaje. Por desgracia, todavía se encuentran casos de reconocimientos poco profundos, que ni siquiera alcanzan la profundidad del pilote recomendado, faltos de ensayos de campo (SPT, piezocono, etc.), con pocos ensayos de laboratorio, y con recomendaciones poco justificadas.

La escasez de información geotécnica del terreno y la falta de experiencia de muchos proyectistas en este tipo de pilotaje permite que, en numerosas ocasiones, el diseño del pilote quede en manos de las empresas especializadas que ofertan su ejecución. Esta es una práctica desaconsejable en esta fase de proyecto, ya que no garantiza la mejor opción técnica y económica para el promotor o propietario. En realidad, el diseño del pilotaje hincado no es de gran complicación, si se dispone de un buen estudio geotécnico y se siguen los criterios de normas y manuales reconocidos como el Código Técnico de la Edificación CTE DB-SE C: Cimientos, la antigua NTE-CPP de pilotes prefabricados de hormigón armado, la ROM 0.5-05 de Puertos del Estado, y otros similares (Figura 1). También puede ser de ayuda la asesoría de algún consultor geotécnico independiente con experiencia.

Los pilotes se deben proyectar correctamente según los criterios técnicos que figuran en estas normas y manuales, llegándose a unas estimaciones de cargas por punta y por fuste, unas longitudes de pilote, unos asentamientos máximos, unos rozamientos negativos, efectos de grupo y demás cuestiones técnicas que sirven para proyectar adecuadamente el pilotaje. No es recomendable seguir el criterio, como a veces argumentan algunas empresas de pilotaje, de que el único método de diseño posible es cargar el pilote a su tope estructural en proyecto y luego en obra hincarlo hasta que dé "rechazo" según alguna fórmula semiempírica, que normalmente tiene más de 100 años. Esta manera de proyectar y construir conduce a problemas en la ejecución, como: longitudes de pilote diferentes de las que cabría esperar según el estudio geotécnico y los cálculos de capacidad; descontrol presupuestario consiguiente; inseguridad sobre la capacidad real de carga de los pilotes; modificaciones del proyecto de encepados y estructura, y otros similares.

Al calcular los pilotes hincados debe tenerse en cuenta que las normas más modernas, como el CTE y la ROM 0.5-05 de Puertos del Estado, permiten diferentes coeficientes de seguridad en función del método de cálculo utilizado y de los controles que se hagan en obra. En su artículo 2.4 el CTE DB-SE C describe los coeficientes de seguridad generales que se deben utilizar en el proyecto geotécnico. En lo referente a pilotes, indica los siguientes coeficientes parciales γ_R de minoración de la resistencia del terreno al hundimiento

siendo,

(1)  Métodos de cálculo basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas (largo plazo).

(2)  Métodos de cálculo basados en fórmulas analíticas (corto plazo), métodos basados en pruebas de carga hasta  rotura y métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de carga.

Resulta evidente la gran ventaja económica que suponen los ensayos de carga estáticos y dinámicos en un proyecto en el que el haya un número significativo de pilotes.

Fase de contratación

La selección y contratación de una empresa especializada en la construcción e hinca de pilotes prefabricados de hormigón armado es bastante sencilla, ya que hay muy pocas empresas en España que trabajen este tipo de pilote, y las que hay son grandes y solventes. Lo que resulta importante es conocer los requisitos técnicos y de control que se deben exigir en la contratación, que pueden resumirse así:  

• Descripción completa de la tipología de pilotaje ofertada, características, sistema de hinca. A ser posible avalada por reconocimientos oficiales del sistema tipo DITE o similar.

• Justificación de que con la maquinaria de hinca que se va a utilizar se podrán alcanzar las profundidades especificadas en el proyecto, sin quedarse cortos los pilotes, ni dañarlos por exceso de hinca. Esta justificación debe hacerse mediante programas de ordenador que utilicen la teoría de la ecuación de la onda, ya que el impacto del martillo se transmite a lo largo del pilote como una onda de choque. Los más utilizados internacionalmente son GRLWEAP, TNOWAVE (Figura 2) y Microwave.

• Presentación de las curvas de hinca para cada tipo de pilote y martillo a utilizar. Estas curvas relacionan gráficamente la resistencia a la hinca y el "rechazo" o penetración para un determinado número de golpes, y permiten tener previsto a priori cuál es el momento en que debe detenerse la hinca, siempre que estemos en la longitud y el estrato de suelo previstos en proyecto. Estas curvas de hinca se pueden obtener de fórmulas semiempíricas antiguas como la de Hiley o la holandesa, pero hoy día es más recomendable utilizar los mismos programas de ordenador citados antes, que se basan en el método más preciso de la ecuación de la onda.

• Plan de control de calidad a implantar en la ejecución, tanto en la fase de prefabricación de pilotes en planta como en la de hinca en obra. Deben incluirse pruebas finales de ejecución mediante ensayos dinámicos y estáticos de carga, y ensayos de integridad estructural por el método sónico con martillo de mano.

Fase de ejecución

Es frecuente que en obra se realice una primera tanda de hinca de pilotes repartidos por todo el solar que se va a construir, al objeto de zonificar el terreno y comprobar las hipótesis geotécnicas del proyecto. También es habitual que algunas de estas primeras hincas se controlen electrónicamente, mediante los denominados ensayos dinámicos de carga con analizador electrónico de hinca.

El ensayo dinámico consiste básicamente en dejar caer una masa importante desde una cierta altura -el martillo de hinca- sobre la cabeza del pilote, instrumentando la misma (Figura 3), (Figura 4) y (Figura 5), para efectuar después cálculos por ordenador a partir de la respuesta obtenida del pilote. Se utilizan para ello modelos matemáticos que simulan el comportamiento del pilote y su interacción con el suelo por medio de la ecuación de la onda. Los programas más utilizados son CAPWAP y TNOWAVE.

Con estos ensayos se obtiene una estimación de capacidad de carga por fuste y por punta, así como una estimación de curva carga-asiento del pilote en comportamiento estático (Figura 6). La norma aplicable para el ensayo en obra es la ASTM D 4945 "Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Piles". Este ensayo tiene una larga tradición en pilotes hincados, también en España, y desde hace más de 20 años se utiliza también en pilotes "in situ", aunque en nuestro pais se utiliza desde hace menos años. Los contratistas de pilotaje tienen equipos para realizar la toma de datos en obra, y también los programas de ordenador necesarios para el tratamiento de datos en oficina, realizando estos ensayos como autocontrol de calidad. El control de calidad externo o control de recepción por parte del promotor se realiza mediante la intervención de consultores especializados independientes, que disponen de equipos de toma de datos y de software informático propio. En este caso es necesario prever que el contratista deberá facilitar su martillo de hinca para la realización de las pruebas en obra.

Es habitual dejar pasar algunas semanas, o al menos varios días, desde la hinca hasta la realización del ensayo dinámico, ya que las características resistentes del terreno van aumentando con el paso del tiempo. Inmediatamente después de la hinca, el terreno alrededor del pilote está alterado y no tiene tanta capacidad de carga como después de un tiempo suficiente para que vuelva a consolidarse alrededor del pilote. Este efecto es más importante en suelos arcillosos y menos en suelos arenosos o en pilotes resistentes predominantemente por la punta.

El Código Técnico de la Edificación especifica estos ensayos en algunos casos. En su artículo 5.4.4, dedicado también a los ensayos de pilotes, el CTE DB-SE C: “Cimientos” considera necesario realizar pruebas dinámicas de hinca contrastadas con pruebas de carga estáticas en los pilotes prefabricados hincados utilizados en la cimentación de edificios de categorías C-3 y C-4, que corresponden a las construcciones de más de 10 plantas, sin contar los sótanos, y a los conjuntos monumentales o singulares.

El ensayo de integridad estructural que se realiza en los pilotes hincados es mediante método sónico con martillo de mano, también denominado en algunas parte como de "impedancia mecánica". Consiste en generar una onda sónica mediante un martillo de mano que golpea la cabeza del pilote. Esta onda es reflejada por las discontinuidades del pilote, por su punta, o por cambios de sección o variaciones del terreno que lo rodea. Los movimientos consiguientes de la cabeza del pilote son captados por un acelerómetro, que envía los resultados a un ordenador portátil o una PDA. En un ensayo normal, en la pantalla del ordenador aparece una curva de velocidades con dos picos, el primero es el impacto del martillo y el segundo el reflejo de la onda en la punta del pilote.

En pilotes hincados, para realizar el ensayo sónico se requiere que el pilote esté descabezado o al menos retirada la parte superior dañada durante la hinca. En pilotes muy largos, con esbeltez (relación longitud/diámetro) mayor que 30 ó 40, es difícil detectar el rebote de la onda sónica en la punta, ya que la señal se suele perder, aunque sí se pueden detectar defectos en la parte superior del pilote, que es la que más sufre en la hinca. En pilotes en arcilla el alcance es del orden de 15 ó 20 diámetros, ya que la arcilla se adhiere mucho al pilote, lo que favorece la dispersión de la onda sónica hacia el terreno y dificulta la detección de la punta. También puede suceder que la onda rebote en una junta de unión entre elementos de un pilote largo, aunque esto sucede, sobre todo, en juntas próximas a la superficie. En cuanto al momento de hacer el ensayo, sucede lo contrario que con los ensayos dinámicos de carga, ya que no interesa que el terreno se adhiera mucho al pilote para que la onda sónica no se disperse, por lo que deben hacerse cuanto antes tras la hinca.

Conclusión

Los modernos métodos de control de calidad de pilotes prefabricados hincados permiten ajustar los diseños de estas cimentaciones y proporcionan unas herramientas de control de calidad que reducen significativamente las incertidumbres asociadas a este tipo de cimentaciones especiales, además de abaratar su costo.