Cada vez es más frecuente ejecutar las cimentaciones profundas mediante la técnica de pilotes prefabricados hincados. Los pilotes de hormigón se prefabrican en planta, se transportan por carretera a la obra y se instalan en el terreno mediante un martillo de hinca.
El proceso tiene ventajas e inconvenientes, como todo. Entre las primeras está que el contratista principal no tiene que aportar hormigón para los pilotes, ni retirar tierra excavada y residuos, y la obra es mucho más limpia. Entre los inconvenientes destaca que en muchos casos es difícil estimar a priori la longitud que tendrán estos pilotes al final del proceso de hincado, por lo que la medición real puede diferir bastante de la prevista.
Otra ventaja de los pilotes hincados es que su proceso de instalación con el martillo permite conseguir una cierta indicación de la resistencia con que ha quedado cada pilote individual. En esta otra entrada del blog se amplía la información sobre las tecnologías existentes: «¿Cómo compruebo que mis pilotes prefabricados hincados tienen resistencia suficiente?»
Allí se explica que la técnica de comprobación más utilizada es la de pruebas de carga dinámica sobre los pilotes prefabricados hincados, aprovechando el golpeo del mismo martillo de hinca que está instalando los pilotes e instrumentando éstos para captar la fuerza y la velocidad de la onda generada por el impacto.
A partir de estas ondas, se puede calcular la resistencia del pilote y su comportamiento carga-asiento en condiciones estáticas, utilizando programas de cálculo electrónico, como se explica en la entrada citada.
Pero las pruebas de carga dinámica (DLT «Dynamic Load Test») no son lo mismo que las tradicionales pruebas de carga estática, en las que se aplica la carga al pilote en escalones mediante un gato hidráulico, y el asentamiento de la cabeza del pilote se mide directamente. Siempre se ha considerado que las pruebas estáticas (SLT «Static Load Test») son las que más se acercan al comportamiento real del pilote en servicio, puesto que se aplican unas cargas reales y se miden asentamientos reales, sin necesidad de cálculos de ordenador complicados que siempre incluyen un cierto grado de interpretación subjetiva.
Los códigos de diseño geotécnico piden que las pruebas dinámicas (DLT) se contrasten con pruebas estáticas (SLT). Tal es el caso del Código Técnico de la Edificación español (CTE) y de otros. Ver otra entrada de este blog titulada «Utilización de pruebas de carga en el diseño de pilotes».
Hasta ahora no había normas españolas para la realización de pruebas de carga de pilotes, pero ya hay tres normas europeas aprobadas que UNE tiene en fase de publicación en español, tal como se indica en el enlace del párrafo anterior. Pero lo que no dice ningún código ni ninguna norma, ni español ni internacional, es como se hace ese contraste entre DLT y SLT. Es decir, los códigos técnicos más o menos obligatorios dicen que hay que hacer contrastes entre pruebas dinámicas y estáticas, pero no está definido en ningún sitio como se hace ese contraste y en base a cuales criterios.
A continuación, voy a exponer algunas consideraciones sobre las circunstancias reales que se va a encontrar el técnico que afronte un contraste entre pruebas de carga de pilote realizadas por diferentes técnicas.
¿Cuál es la carga de hundimiento en una prueba estática?
Hay casos muy evidentes, como el de la gráfica de la prueba real en un micropilote que figura a continuación, en la que se alcanzó una carga máxima de unas 100 t y luego el micro siguió bajando sin posibilidad de estabilizar la carga más que en un valor inferior de 80 t. Aquí está claro que la carga de hundimiento es de 100 t.
Este no es el caso más normal en una prueba SLT. Lo usual es que al aumentar la carga el asentamiento también se incremente progresivamente, sin producirse un punto de hundimiento claro, como se ve en el siguiente gráfico carga-asiento de una prueba estática real.
¿Cómo se determina la carga de hundimiento del pilote en este caso? Hay muchos criterios. A continuación expongo lo que dicen los códigos geotécnicos españoles al respecto:
- El Código Técnico de la Edificación CTE dice que se produce el hundimiento «cuando la carga vertical sobre la cabeza del pilote supere la resistencia del terreno causando asientos desproporcionados». Es decir, el CTE deja el criterio de definir la carga de hundimiento del pilote tras una prueba SLT en manos de los responsables técnicos del proyecto, pudiendo haber criterios diferentes sobre lo que se considera «desproporcionado».
- Las Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas de Puertos del Estado Español ROM 0.5-05 dicen que se produce el hundimiento del pilote con descensos de su cabeza «iguales o superiores al 10% de su diámetro». En el caso de la gráfica anterior, se trataba de un pilote prefabricado de sección 40 x 40 cm, lo que significa un diámetro equivalente en pilote circular de 46,2 cm. Si se considera que el hundimiento se produce al alcanzar un asiento igual al 10% del diámetro (46,2 mm), en la misma gráfica anterior comprobamos que se llegó a 4,2 MN de carga en la prueba sin alcanzar el criterio de hundimiento.
- La Guía de Cimentaciones en Obras de Carreteras del Ministerio de Fomento dice que se produce el hundimiento «cuando las cargas verticales agotan la resistencia del terreno a compresión». En el caso del gráfico carga-asiento anterior, la determinación del momento en que la resistencia del terreno «se agota» queda al criterio subjetivo de quien interprete la prueba.
Hay otros criterios en los códigos internacionales que son más precisos a la hora de asignar la carga de hundimiento del pilote a partir de los resultados de una prueba SLT en que la curva carga-asiento muestra un crecimiento progresivo sin un pico máximo claro.
El primero de estos criterios es el de Davisson, muy difundido en Norteamérica y que es el recomendado por Pile Dynamics Inc., los creadores de uno de los sistemas electrónicos de pruebas de carga dinámica PDA y del software de análisis Capwap, el más utilizado en España. A continuación figura un gráfico con la aplicación de este criterio para la misma prueba SLT anterior, que define la carga última del pilote como el punto en el que la curva carga-asiento del pilote obtenida en la prueba cruza con una recta elástica del pilote supuestamente aislado y trabajando como columna (segmento azul), que tiene como origen un asiento inicial de 4 mm + b/120, siendo b el diámetro equivalente del pilote, y como pendiente EA/L, siendo E (Módulo elástico del pilote), A (sección transversal), L (Longitud). La carga de hundimiento obtenida con esta construcción gráfica para este pilote es de 3,8 MN.
El segundo de estos criterios para determinar la carga de hundimiento en la prueba es el que figura en la norma internacional de prueba de carga estática de pilotes EN ISO 22477-1 (en fase de publicación por UNE en España), que define la carga de fluencia como aquella a la que el pilote empieza a tener asientos que no estabilizan bien bajo carga mantenida. Por simplificar, en los gráficos carga-asiento anteriores se ha dibujado solo la última lectura de cada escalón de carga, pero si ponemos todas las lecturas de asiento en cada escalón de carga tenemos una curva como la siguiente, en la que se aprecia mejor la estabilización de asientos en cada escalón.
Si dibujamos cada uno de los asientos medidos en el periodo de estabilización de cada escalón en función del tiempo de mantenimiento del escalón en escala logarítmica, tenemos esta otra gráfica.
Y si calculamos a partir de esta gráfica anterior un factor de fluencia para cada escalón de carga, definido en la norma EN-ISO como el cociente entre el incremento de asiento y el logaritmo del tiempo (o como la pendiente de cada tramo de escalón), tenemos este otro gráfico Carga – Factor de Fluencia.
El punto de máxima curvatura de esta línea (o el punto de corte entre las asíntotas de su tramo inicial y del final) indica la carga de fluencia. De acuerdo con esta definición, la carga a la que la fluencia se convierte en excesiva en la gráfica anterior, que se considera como carga de hundimiento, estaría en 3,5 MN aproximadamente.
Como consecuencia de lo anteriormente expuesto, se puede afirmar que no hay una respuesta única a la pregunta hecha antes sobre como podemos deducir la carga de hundimiento del pilote tras realizar una prueba de carga estática vertical a compresión. En el caso real anterior:
- El criterio de ROM 0.5-05 dice que la prueba no alcanzó el hundimiento, por lo que la carga de hundimiento del pilote sería > 4,2 MN.
- Otros códigos geotécnicos españoles no definen un método preciso para obtener la carga de hundimiento.
- El criterio norteamericano de Davisson da una carga de hundimiento de 3,8 MN.
- El criterio de la norma EN-ISO da una carga de hundimiento de 3,5 MN.
¿Cuál es la precisión de las pruebas de carga dinámica?
Antes de entrar de lleno en el argumento del contraste entre pruebas dinámicas y estáticas de carga de pilotes, conviene conocer algunos aspectos importantes referentes a las pruebas dinámicas.
El primero es el tiempo transcurrido desde la hinca del pilote hasta su prueba. El avance del pilote en la hinca va produciendo la rotura del suelo. Eso implica que al finalizar la hinca el pilote tiene menos resistencia que la que tendrá al cabo de un tiempo, cuando el suelo haya podido recuperar sus propiedades resistentes. En suelos granulares eso puede requerir pocos días, pero en suelos cohesivos requiere normalmente varias semanas. Si hacemos la prueba DLT al finalizar la hinca para aprovechar que el martillo ya lo tenemos sobre el pilote, la resistencia del pilote obtenida en la prueba va a ser inferior a la que tendrá después de un tiempo de reposo. Esta recuperación de resistencia se denomina «setup» en inglés, y puede llegar a ser un factor de 10 en algunos suelos cohesivos. Hay excepciones: en algunos suelos la resistencia no aumenta con el tiempo sino que disminuye (relajación), pero son casos muy raros que se pueden encontrar en la literatura especializada.
En pilotes hincados, esto pasa tanto si las pruebas son SLT como si son DLT, por lo que a la hora de realizar contrastes entre ambas pruebas hay que tener en cuenta este efecto. Lo más adecuado sería realizar las dos pruebas sobre un mismo pilote casi simultáneamente, pero esto no suele ser posible en la realidad de las obras. Sería ideal disponer entonces de unos datos de «setup» para cada tipo de suelo, pero eso no existe desgraciadamente, dado que la variabilidad es enorme. En definitiva, los resultados de las pruebas de carga sobre pilotes hincados por cualquier método están relacionados con el tiempo transcurrido desde la hinca hasta la prueba.
A continuación hay un gráfico carga-asiento con un contraste real entre una prueba DLT y una SLT sobre sendos pilotes prefabricados hincados iguales, situados en el mismo encepado a poca distancia. La prueba dinámica se realizó 6 días después de la hinca y la estática 53 días después de la hinca.
El segundo aspecto importante a considerar en las pruebas DLT es que su resultado depende de la energía aplicada por el impacto del martillo en la prueba. Es decir, si el golpe es flojo, la resistencia del pilote medida en la prueba será pequeña. Y si el golpe es fuerte, la resistencia puede ser superior. El motivo es que si el golpe es flojo se movilizará poco rozamiento lateral y poca compresión en la punta, por lo que la reacción del suelo -que transmite el sistema de ondas que se forma en el pilote y que capta la instrumentación- será pequeña, sin llegar a alcanzar la capacidad de carga real de ese pilote. Eso puede pasar por varios motivos, entre ellos: a) el martillo utilizado en la prueba no suministra energía suficiente; b) no se pueden dar golpes más fuertes porque se alcanza el límite de resistencia del material del pilote.
En las pruebas estáticas también puede suceder algo similar, cuando el sistema de aplicación de la carga (gato + reacción) no es capaz de alcanzar la carga de hundimiento del pilote, o cuando expresamente se realiza una prueba de carga sin el objeto de alcanzar el hundimiento. En estos casos, algunos autores han recomendado metodologías numéricas y gráficas para extrapolar los resultados de las pruebas, buscando determinar una carga de hundimiento. Mi opinión es que entonces ya no estaríamos hablando del resultado de una prueba de carga, sino de una pura especulación teórica, que no tiene mucho que ver con lo que es una prueba experimental.
El tercer aspecto importante a tener en cuenta es el componente subjetivo que tienen las pruebas DLT. Es decir, operadores diferentes trabajando con el mismo software sobre un mismo fichero de datos tomado en una prueba dinámica en obra pueden obtener resultados de resistencia del pilote muy diferentes. Los estudios más modernos hablan de diferencias de resultados entre operadores de hasta un 40% o más. El motivo es que los modelos matemáticos que contienen los programas de análisis de DLT son bastante complejos, con decenas de parámetros que el operador puede modificar para ajustar lo más posible el modelo a los datos reales de la prueba. Para evitar este problema se ha desarrollado otro método de pruebas de carga de pilotes que se denomina prueba de carga rápida (RLT «Rapid Load Test» en inglés), en el que también se golpea la cabeza del pilote con una maza, pero con el impacto muy amortiguado con dispositivos especiales, lo que simplifica mucho el análisis posterior de los datos y elimina el componente subjetivo del operador. Más información en esta otra página del blog «Pruebas de carga rápida en pilotes».
Es decir, no solo es importante que los equipos y el software utilizados en DLT tengan una reputación contrastada y que se tengan en cuenta los efectos del paso del tiempo y de la energía aplicada en la prueba, sino que resulta más importante todavía que los técnicos que utilizan estas herramientas estén debidamente formados y tengan amplia experiencia, tanto los que realizan las pruebas y toman los datos en obra como los que luego realizan en gabinete el análisis de los datos y la modelización con el software.
¿Es factible realizar contrastes entre pruebas DLT y SLT?
Los códigos de diseño de pilotes recomiendan contrastar las pruebas dinámicas DLT con pruebas estáticas SLT, pero hemos visto que no es tan sencillo ni directo. Se deben tener en cuenta algunos factores importantes, entre ellos los siguientes:
- El método utilizado para la determinación de la carga de hundimiento a partir de la curva carga-asiento en la prueba estática.
- La influencia del tiempo transcurrido desde la hinca hasta las pruebas.
- La energía aplicada en las pruebas.
- La formación y la experiencia de los técnicos que realizan las pruebas.
A continuación, figura un ejemplo real con otro gráfico carga-asiento con un contraste realizado en similares condiciones que el anterior. La prueba dinámica se realizó 21 días después de la hinca y la estática 75 días después de la hinca. El criterio de Davisson para la prueba SLT da una carga de hundimiento de 2,9 MN, prácticamente igual que la prueba DLT.
En geotecnia estamos acostumbrados a utilizar varios ensayos o pruebas diferentes para determinar un cierto parámetro del suelo que nos interese tener en cuenta para diseñar una cimentación. Pero ya nadie se pone a contrastar el SPT con el cono estático, o el presiómetro con la placa de carga. Es más, solemos considerar como muy positivo el poder disponer de varios ensayos diferentes para así conseguir una visión más completa del problema geotécnico desde distintos ángulos. Del mismo modo, los contrastes entre pruebas DLT (o RLT) y SLT no tienen por qué ser una norma, sino simplemente una oportunidad más de obtener información relevante sobre nuestro proyecto de pilotaje.
Lo importante es hacer pruebas de carga sobre los pilotes para comprobar su comportamiento real ante las cargas de diseño, dadas las incertidumbres que dejan otros métodos de cálculo. Los métodos de prueba a utilizar en cada caso podrán elegirse en función de las circunstancias particulares de cada proyecto y de la disponibilidad de equipos de prueba. Probablemente lo óptimo sea hacer el mayor número posible de pruebas diferentes y adaptar luego los coeficientes de seguridad al programa de pruebas realizado.
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