La prueba de integridad de pilotes PIT consiste en la generación de un pulso mediante un impacto en la cabeza del pilote y el registro de las reflexiones de dicho pulso a lo largo del cuerpo con el fin de identificar posibles variaciones o interrupciones de la sección que se ven reflejadas en variaciones en la señal registrada con respecto a la condición de un pilote sin problemas.
Para verificar las condiciones anómalas en los pilotes, en primera instancia se debe identificar lo que se espera de la señal de un pilote normal.
La PIT se realiza en pilotes excavados y fundidos en sitio, por lo que es necesario pensar en las condiciones normales de construcción de un pilote de este tipo.
En la Figura 1 se muestra un caso de suelos blandos como los encontrados en la Sabana de Bogotá, donde se aprecia que en los primeros 40 m de profundidad se tienen suelos con pesos unitarios entre 13 kN/m3 y 14 kN/m3, contenido de humedad entre 100% y 150%, correspondiente a una porosidad entre el 60% a 80%, y una baja resistencia entre 20 kPa y 30 kPa. En estos rangos de variación se presentan localmente valores más bajos y altos que se pueden identificar en ensayos como el piezocono con un registro continuo.
Perfil típico de suelos blandos en la zona norte y occidente de la Sabana de Bogotá
Al realizar una perforación en suelos blandos, inicialmente se generan deformaciones por convergencia del suelo hacia la excavación y en el momento en que se funde el concreto, la presión hidrostática a lo largo de la columna en el pilote genera empujes laterales por encima de los que tenía el suelo originalmente dado a que el peso unitario del concreto fresco es casi el doble del suelo.
Al producirse empujes hidrostáticos con lo cual se generan expansiones laterales por deformación del suelo o en algunos casos por fractura hidráulica al superar la resistencia en zonas donde es muy baja en el perfil del suelo.
Estos procesos implican que la forma del pilote quede con zonas que muestran expansiones tanto de manera general como puntual.
El cálculo de expansiones del pilote a partir de soluciones elasto-plásticas como en la siguiente figura, permite apreciar cómo la expansión acumulada total en el pilote sería del orden del 20%, pero que localmente hay secciones del pilote que podrían tener expansiones hasta del 100%.
Expansiones con una presión interna en el perfil de suelos ilustrado en la Figura 1
Dado que el perfil del pilote tiene expansiones, no se puede esperar que en una prueba de integridad se tenga un registro como el de un pilote ideal de sección uniforme, por lo que se debe buscar identificar con las expansiones normales del terreno cuál podría ser el tipo de señales que se registrarían en una prueba de integridad PIT.
Adicionalmente, al realizar un registro sintético con las expansiones de la figura 2, se muestra que debido a las expansiones se generan picos por las reflexiones en la señal de respuesta por los cambios de sección (ver figura 3).
Estas variaciones en la señal se consideran como normales ya que no implican ningún tipo de daño en el pilote, y son inevitables debido a la condición natural del suelo. Frecuentemente los picos se interpretan como daños sin considerar las condiciones reales del pilote.
Respuesta teórica calculada para un pilote con expansiones en el ensayo PIT
Por otra parte, el proceso constructivo del pilote no sólo implica variaciones en su sección viéndose reflejadas en los resultados del ensayo, sino que adicionalmente, para el caso de Bogotá usualmente se hacen excavaciones para sótanos posterior a la construcción de los pilotes y las pruebas se realizan luego de excavar.
Debido a la baja rigidez de los suelos y dependiendo de la profundidad y la extensión de las excavaciones, así como, del tiempo transcurrido, el suelo presenta un efecto rebote o expansión por alivio de esfuerzos debido a la excavación.
Estas deformaciones de expansión del suelo varían dependiendo del proceso de excavación y del sitio en particular con respecto al avance de dicho proceso. Las expansiones pueden ser significativas, del orden de centímetros, aunque normalmente no se miden o no se aprecian debido a que al mismo tiempo que se está excavando, se avanza con el proceso constructivo.
El perfil de expansiones varía con la profundidad siendo menor en la medida que aumenta. Los pilotes no se expanden de la misma forma que el suelo con lo cual se producen desplazamientos relativos entre el suelo y los pilotes, siendo suficientes para movilizar total o parcialmente la fricción entre los pilotes y el suelo.
Debe recordarse que la fricción se moviliza con deformaciones relativas pilote-suelo pequeñas, menores a 2 cm o 3 cm, por lo tanto, durante la fase de excavación los pilotes se ven sometidos a esfuerzos de tensión por esta interacción con el suelo que fácilmente pueden llegar a ser del 100% de la capacidad de carga real del pilote.
En esto no tiene cabida ningún tipo de factor de seguridad. Esta situación puede fácilmente generar tensiones que superen la resistencia a la tracción del concreto generando fisuras si éste no tiene refuerzo.
Los esfuerzos de tensión incluso pueden generar pequeñas fisuras en las secciones con refuerzo si son de magnitud suficientemente grande. Por lo tanto, en los ensayos de integridad deben aparecer reflexiones debidas a estas fisuras del concreto.
En general estas fisuras no representan un peligro para los pilotes ya que una vez se aplican las cargas de compresión debidas al peso de la estructura, estas se cierran y el pilote mantiene su integridad para efectos de cargas verticales. Cuando el pilote deba soportar cargas o momentos laterales, será importante tener en cuenta la situación de fisuras existentes ya que podrían representar un peligro para el pilote.
Ejemplos de registros de PIT de pilotes en el perfil de suelos de la Figura 1
Finalmente, en la siguiente figura (5) se ilustra el cálculo de cargas por tensión generadas por el alivio de excavación de 2 sótanos en el perfil de suelos de la figura 1, donde se aprecia que hacia 20 m de profundidad se generan tensiones suficientemente grandes para superar la resistencia del concreto que deberían ser compensadas a mayor profundidad a lo largo del pilote si este mantiene el refuerzo suficiente para soportar dichas cargas.
Dependiendo de la cantidad de refuerzo, es posible que no sea suficiente para soportar las cargas, de manera que se generan varios tramos a lo largo del pilote en donde se repite el proceso de cargas de tensión y compensación en el tramo inferior del pilote pudiéndose generar varias secciones fisuradas especialmente en pilotes largos.
En la figura se ilustran resultados de pruebas PIT que evidencian la presencia de anomalías que se pueden explicar por efecto de estas fisuras por tensión.
Generalmente estas fisuras no son de peligro para los pilotes, pero evidencia un mecanismo de interacción suelo estructura con los pilotes debido a los procesos de excavación que debería tenerse en cuenta tanto en los estudios geotécnicos como en el diseño estructural de las cimentaciones con pilotes en suelos blandos.
Pie de figura: Balance de cargas en pilotes por interacción suelo-estructura
Las Pruebas de Integridad de Pilotes representan una herramienta de trabajo que evalúa la continuidad, posibles variaciones y defectos en secciones permitiendo identificar no sólo el estado del pilote sino disminuir el margen de incertidumbre que existe en la construcción de cimentaciones profundas.
Credito: Argos - Medellin, Colombia
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