PRUEBAS EN PILOTES DE CONCRETO

PRUEBAS DE CALIDAD, INTEGRIDAD Y CAPACIDAD EN PILOTES DE CONCRETO

INTRODUCCIÓN

Desde hace varias décadas se vienen implementando diferentes aplicaciones tecnológicas para verificación de diferentes parámetros dadas las incertidumbres existentes en el proceso de diseño, construcción y operación de pilotes y/o barretes preexcavados e hincados en concreto, éste artículo, pretende resumir los ensayos más usados en años recientes para evaluar la calidad, integridad y capacidad de pilotes hincados y preexcavados, evaluaciones que se deberían incorporar en proyectos con cimentaciones profundas de acuerdo al grado de complejidad, métodos constructivos, riesgos geológicos e importancia de garantizar la estabilidad.

ENSAYOS CON APLICACIÓN DIRECTA DE PROPAGACIÓN DE ONDAS

En esta categoría se encuentran ensayos para pilotes que mediante la trasmisión de ondas de compresión a bajas o altas deformaciones, permiten obtener una respuesta con información del estado del pilote y en el caso de mayor energía de impacto, obtener información de la capacidad del suelo circundante. 

Ensayo sónico de integridad de pilotes. Pile Integrity Test (PIT).

Norma de referencia: ASTM D5882 – 16 Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations

Descripción general: Luego del descabece de concreto contaminado en pilotes preexcavados tipo Kelly o de tornillo se precede a preparar la superficie para instalar un acelerómetro para tomar registros de cambios de velocidad ante el impacto de un martillo manual y obtener así respuesta por reflexiones al interior del concreto del pilote asociadas a expansiones, reducciones de sección, fisuras y/o posibles discontinuidades.

Prueba PIT en Pilote Preexcavado
Figura 1. Prueba PIT en pilote preexcavado. Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Interpretación: Dada la aplicación de la teoría de propagación de ondas es necesario el uso de software especializado que permita analizar las reflexiones mediante filtros de señal en rangos que no alteren significativamente los datos y permitan entender el estado del pilote. Se deben usar velocidades consistentes para las edades y resistencia del concreto. Considerar particularidades de construcción del pilote, así como el perfil de suelos

Figura 2.Señal típica para pilote de tornillo contínuo.
Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Alcances y aplicaciones: Validación de la profundidad de construcción, identificación de la profundidad dónde se ubican expansiones, reducciones de sección transversal, fisuras y discontinuidades. Para pilotes existentes es posible estimar su longitud mediante varios acelerómetros.

Limitaciones: En pilotes de gran profundidad y/o diámetro es posible que la onda de impacto se disipe y no sea posible identificar la punta. En pilotes hincados es muy probable que el ensayo evalúe solamente el primer elemento de la junta.

Ensayo sónico Cross Hole Logging (CSL).

Norma de referencia: ASTM D6760-16 Standard Test Method for Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by Ultrasonic Crosshole Testing

Descripción general: El ensayo consiste en descender por diferentes pares de tubos previamente instalados, una sonda trasmisora de ultrasonido a altas frecuencias y una sonda receptora para obtener el tiempo de viaje de onda de compresión en la distancia entre tubos y obtener así la velocidad de onda en el concreto. Al obtener un perfil de información en profundidad se pueden identificar zonas con menor calidad y/o discontinuidades en el concreto por el descenso significativo de la velocidad y/o la energía en la trasmisión del pulso

Figura 3. Prueba CSL en pilote de 60cm de diámetro y 3 tubos preinstalados. Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Interpretación: Los equipos de instrumentación diseñados para la prueba permiten realizar un diagnóstico preliminar en campo y obtener información para análisis posterior con software especializado para identificar los primeros tiempos de arribo (FAT), velocidades de onda y energía del pulso para identificar cambios significativos de estos parámetros en profundidad.  Existen diferentes rangos de cambios de velocidad y energía que deben ser analizados para dar un diagnóstico acorde a la realidad constructiva del pilote.

Figura 4. Perfil de velocidad de onda y energía del pulso entre tubos. Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Alcances y aplicaciones: Ensayo adecuado para pilotes preexcavados de diámetros desde 60cm (al menos tres tubos de acceso) y profundidades variables. Permite identificar con precisión posibles defectos y/o discontinuidades tanto en profundidad como en un sector específico en la sección transversal del pilote. Para pilotes con diagnóstico de “soft toe: punta suave” puede mejorarse el proceso de limpieza de la punta.

Limitaciones: El ensayo solo permite evaluar la integridad y calidad del concreto al interior del acero de refuerzo. Se recomienda que el concreto tenga al menos 7 días de fundido o más para evitar identificar zonas de fraguado de concreto lento que lleven a conclusiones precipitadas de baja calidad en el concreto.

Prueba de carga dinámica de alta deformación (PDA).

Norma de referencia: ASTM D4945-17 Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Deep Foundations.

Descripción general: Mediante la preparación de un cabezal en el pilote se lleva a cabo la instalación de acelerómetros y deformímetros en la sección transversal de tal manera que ante la caída libre de un martillo de hincado o una masa con guía se logre impactar y propagar ondas de esfuerzos a altas deformaciones a lo largo del pilote. En el viaje de las ondas de compresión se obtienen reflexiones de fuerza y velocidad que son asociadas a la condición del pilote y suelo, logrando estimar la capacidad estática del pilote y otros parámetros al aplicar la teoría de propagación unidimensional de ondas.

Figura 5. Sensores y montaje de prueba dinámica de pilotes PDA. Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Interpretación: Para una adecuada interpretación es necesario llevar a cabo una correcta instalación de sensores funcionales y calibrados en concreto sano del cabezal, la masa de impacto debe caer libremente. Los ingenieros a cargo de la prueba deben tener experiencia y estar capacitados en el entendimiento de la prueba y tipos de señales obtenidas. En oficina es necesario contar con experiencia y capacitación en la interpretación mediante el software CAPWAP® que es el más usado a nivel mundial y local.

Figura 6. Resultados de interpretación ensayo PDA mediante CAPWAP®. Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Alcances y aplicaciones: La prueba PDA permite validar la calidad, integridad y principalmente calcular la capacidad estática de pilotes preexcavados e hincados con una aproximación +/- del 15% respecto a la real, siempre y cuando sea bien interpretada por ingenieros experimentados. Permite durante el hincado validar esfuerzos de tensión críticos y realizar el diseño y pruebas de hincabilidad de pilote.

Limitaciones: Debe llevarse a cabo por ingenieros capacitados y experimentados. Ideal que cuenten con certificación internacional. En pilotes Offshore se recomiendan sensores a prueba de agua o sumergibles.

APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN EN PILOTES

En esta categoría se detallan ensayos que mediante el uso de sensores tales como inclinómetros, extensómetros, deformímetros, celdas de carga, entre otros, permiten obtener información sobre el estado de construcción y capacidad.

Prueba de verticalidad de pilotes hincados y/o preexcavados

Norma de referencia: ASTM D6230 – 13. Standard Test Method for Monitoring Ground Movement Using Probe-Type Inclinometers.

Descripción general: Para validar el cumplimiento de la recomendación dada por la Norma Sismo Resistente Colombiana NSR-10, la desviación vertical del pilote no deberá ser mayor a 3/100 de la longitud para pilotes con capacidad de carga por punta, ni de 6/100 en otros casos. La forma más práctica y económica para poder identificar la posición final de construcción de pilotes preexcavados o instalación de pilotes hincados es mediante el paso de una sonda inclinométrica a lo largo de tubería inclinométrica ranurada.

Figura 7. Montaje y ensayo de verticalidad en pilote hincado. Fuente: GEOANDINA- i S.A.S

Interpretación: Se usa una hoja de cálculo o software del fabricante de la sonda para reportar la posición absoluta de los ejes A y B para la tubería inclinométrica y poder así determinar la desviación por eje respecto a la vertical.

Figura 8. Resultados de posición absoluta de pilote en los ejes del inclinómetro. Fuente: Geoandina i

Alcances y aplicaciones: Aparte de determinar la verticalidad, si se llevan a cabo mediciones posteriores durante etapas constructivas de excavación se obtiene información de desplazamientos acumulados, magnitud y vector de movimientos, así como la tasa de movimiento en el tiempo.

Limitaciones: En pilotes preexcavados se debe instalar la tubería previamente al vaciado del concreto. En pilotes hincados se deben preparar módulos especiales para posterior instalación del inclinómetro una vez instalado el pilote en el suelo.

Ensayo de celda Osterberg en pilotes preexcavados.

Norma de referencia: Para la aplicación de la carga. ASTM D1143 – Standard Test Method for Piles Under Static Axial Load.

Descripción general: Consiste en la instalación de un sistema de celdas de carga de sacrificio al interior del pilote que ante la aplicación de carga desde la superficie por medios hidráulicos genera la separación del pilote y la carga es aplicada en los dos segmentos simultáneamente. El segmento inferior permite evaluar la resistencia por punta y el segmento superior por fricción.

Figura 9. Montaje típico de ensayo bidireccional con celda de carga Osterberg Fuente: www.loadtest.com

Interpretación: Requiere el conocimiento de curvas de carga-desplazamiento en el tiempo y teorías de comportamiento asociadas al tipo de suelo circundante y condiciones particulares del ensayo y pilote.

Figura 10. Resultados de curvas carga-desplazamiento para falla por fricción o falla por punta. Fuente: Loadtest.com

Alcances y aplicaciones: Permite evaluar la capacidad por punta y fricción de cimentaciones preexvacadas desde abajo hacia arriba con mayor precisión, especialmente por la instrumentación más detallada del fuste (deformímetros, extensómetros y celdas de carga). Recomendado para pilotes que requieran movilizar cargas de más de 2000 toneladas y diámetros superiores a 80cm.

Limitaciones: Ensayo de alto costo pero con información única que podría justificar la inversión según el tipo de proyecto y aprovechamiento de la información para optimización en la construcción de pilotes.

Conclusiones: algunos de estos ensayos se usan con frecuencia en nuestro país y otros podrían ser implementados en los proyectos para aprovechar la información y la reducción de riesgos que el conocimiento del estado final del pilote, suelo y capacidad brindan para la estabilidad de las estructuras y en muchos casos, para la optimización en la construcción de cimentaciones.

Ing. Víctor Hugo Restrepo Botero MIC, MBA
Gerente Técnico – Geoandina i SAS

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