Pilotes: qué son, tipos y cálculo de su capacidad

Los pilotes son columnas largas y esbeltas de concreto, acero o madera que se hincan o se construyen dentro del terreno para llevar la carga de una estructura, a través de suelos blandos o compresibles, hasta estratos más firmes. Cada pilote resiste por fricción a lo largo de su fuste y por apoyo en su punta, y un encepado de concreto armado lo une a la columna que soporta. Son el tipo de cimentación profunda que más se usa.

Un pilote prefabricado cuadrado de 450 mm de lado, hincado a través de 6 m de arcilla blanda y 12 m de arena medianamente densa, recibe los 1.100 kN de una columna. ¿Los resiste?

Esa pregunta es la que responde el diseño de pilotes antes de que alguien pida el concreto. La respuesta sale de dos revisiones que deben cumplirse a la vez: la capacidad geotécnica, lo que el suelo alrededor y debajo del pilote puede resistir, y la capacidad estructural, lo que resiste la sección del propio pilote. Este artículo repasa los tipos de pilotes y cómo se instalan, y después desarrolla la primera revisión con los métodos que se usan a mano y un ejemplo resuelto con todos los números a la vista.

Para qué sirven los pilotes

Un pilote lleva la carga más allá del suelo que no puede soportarla. Conviene usar pilotes de cimentación cuando:

• el suelo cercano a la superficie es blando o compresible (arcilla blanda, limo, turba, relleno suelto) y una zapata fallaría o se asentaría demasiado;
• la carga es grande y concentrada, como en las columnas de un edificio alto, las pilas de un puente o la cimentación de una máquina, y una zapata tendría que ser enorme para repartirla;
• hay que resistir tracción o cargas laterales, como el viento sobre una torre, la subpresión bajo un sótano o el empuje sobre el estribo de un puente;
• el agua puede socavar una cimentación superficial, o una arena suelta saturada puede licuarse en un sismo, y el apoyo tiene que quedar por debajo de esa zona.

Los pilotes no siempre son la respuesta. Cuando el problema está en los primeros metros, puede bastar con mejorar el terreno o con una losa de cimentación; la comparación entre zapatas, losas y pilotes, con un proceso para decidir, está en cimentaciones superficiales vs profundas. Y si la cimentación que falla ya está bajo un edificio, el trabajo es un recalce, a menudo con micropilotes.

Tipos de pilotes

Los pilotes se clasifican según cómo transmiten la carga, según su material y según cómo se instalan. Las clasificaciones se cruzan: un pilote prefabricado de concreto es un pilote hincado de desplazamiento y, en casi cualquier terreno, trabaja a la vez por fuste y por punta.

Según cómo transmiten la carga

Los pilotes de punta atraviesan el suelo blando y se apoyan en roca o en un estrato denso de arena o grava, que recibe la mayor parte de la carga en la punta. Los pilotes de fricción, o flotantes, terminan en un suelo no más resistente que el de arriba, típicamente un depósito grueso de arcilla, y llevan casi toda su carga por el fuste; son comunes en las arcillas blandas de la Ciudad de México. La mayoría trabaja de las dos formas, y el nombre solo dice qué parte domina: el pilote del ejemplo resuelto saca el 64 % de su capacidad última de la punta.

Otros dos nombres vienen de la carga. Los pilotes de tracción sujetan la estructura contra el levantamiento, como una torre bajo el viento o la losa de un sótano empujada por el agua, y en ellos solo resisten el fuste y el peso propio. Los pilotes con carga lateral toman fuerzas horizontales de viento, oleaje o empuje de tierras, a flexión si son verticales; los pilotes inclinados, colocados en ángulo, convierten parte de la carga horizontal en carga axial.

Según su material

Según cómo se instalan

El cálculo de la capacidad es el mismo para todos. Cambian los factores del método: un pilote hincado moviliza más fricción en el fuste que uno preexcavado en el mismo suelo, porque el hincado densifica el suelo que lo rodea y la perforación lo relaja.

Cómo se instalan los pilotes

Pilotes hincados

Una piloteadora sostiene el pilote en su guía, vertical o con la inclinación de diseño, mientras un martillo lo hinca: de caída libre, diésel o hidráulico, o un vibrador en suelos granulares. Se registran los golpes de cada tramo de penetración. El hincado termina en la cota de diseño, o cuando el rechazo, la penetración por golpe, cumple el criterio fijado de antemano con un análisis por la ecuación de onda y comprobado en obra con ensayos dinámicos (ASTM D4945). Los prefabricados más largos que un tramo se empalman sobre la marcha, y al final todos se descabezan a la cota del encepado. Una preperforación ayuda a pasar una capa dura, y el monitoreo de vibraciones protege las construcciones vecinas.

Pilotes preexcavados

Una perforadora rotatoria abre el hueco. Donde las paredes se derrumbarían o entraría el agua, el hueco se sostiene con una camisa metálica temporal (el ademe) o con un fluido de perforación, lodo bentonítico o polímero. Se limpia el fondo, se baja el armado y el concreto se cuela de abajo hacia arriba con tubo tremie, desplazando el lodo; la camisa se retira mientras el concreto sigue fresco. Una vez colado, ese concreto ya no se ve, así que estos pilotes suelen revisarse después con ensayos de integridad de baja deformación (ASTM D5882).

Pilotes de hélice continua (CFA)

Una hélice de vástago hueco se enrosca en el terreno hasta la profundidad final en una sola pasada. Al extraerla, se bombea concreto o mortero por el vástago hasta la punta, de modo que el hueco nunca queda abierto, y el armado se introduce después en el concreto fresco. Se ejecutan rápido, sin camisa ni lodos y con poco ruido y vibración. Su calidad depende de que el caudal de concreto acompañe la velocidad de extracción de la hélice, y las máquinas modernas registran las dos cosas pilote por pilote.

Micropilotes y pilotes helicoidales

Los micropilotes se perforan con equipos pequeños, a menudo con camisa, se arman con una barra o un tubo de acero y se inyectan con lechada, a veces a presión. Esos equipos caben en sótanos y en espacios de poca altura, y por eso los micropilotes son la solución habitual para recalzar estructuras existentes. Los pilotes helicoidales son fustes de acero con una o más placas en hélice que se enroscan con un cabezal hidráulico montado en una excavadora; el par de instalación se registra y se correlaciona con la capacidad.

El encepado

Con los pilotes instalados, se demuelen sus cabezas hasta la cota de descabezado para que el acero quede a la vista, y encima se cuela el encepado de concreto armado, que según el país también se llama dado o cabezal. El encepado une los pilotes de cada columna y les reparte su carga.

Tamaños típicos de los pilotes

El ancho de un pilote depende de su carga y de cómo se instala, y su largo, de la profundidad del estrato resistente. Estos rangos son frecuentes, y hay proyectos fuera de ellos:

El largo va de pocos metros, donde el terreno firme está cerca de la superficie, a 30 m o más en depósitos blandos profundos, y los pilotes marinos son aún más largos.

Desventajas de los pilotes

Donde una zapata funciona, los pilotes cuestan más y tardan más, y además traen sus propios riesgos:

• El hincado hace ruido y transmite vibraciones que pueden dañar edificios e instalaciones vecinas. Muchas zonas urbanas lo limitan o lo prohíben.
• Los pilotes de desplazamiento empujan el suelo hacia los lados. En arcilla saturada pueden levantar el terreno y los pilotes ya hincados, que luego hay que volver a hincar.
• El largo de un prefabricado se decide antes de conocer bien el terreno, así que en obra se empalman o se cortan, y un hincado duro puede fisurarlos.
• Los preexcavados y los de hélice continua se cuelan sin verlos. Un estrangulamiento, una inclusión de suelo o los sedimentos que quedan en el fondo son defectos que nadie ve, y por eso se les hacen ensayos de integridad.
• La perforación saca material que hay que retirar de la obra, y si está contaminado necesita una disposición especial.
• Un pilote no se puede inspeccionar una vez en el terreno. Su capacidad se apoya en correlaciones hasta que una prueba de carga la confirma, y reparar un pilote defectuoso suele obligar a agregar pilotes a su lado y a rediseñar el encepado.
• Algunos suelos mueven el pilote en lugar de sostenerlo. Un relleno que se asienta o una arcilla en consolidación lo arrastran hacia abajo (la fricción negativa, más adelante), y una arcilla expansiva puede levantarlo.

Capacidad de carga de un pilote

Todo pilote se revisa dos veces. La capacidad geotécnica exige que la fricción del fuste más el apoyo de la punta, divididos entre un factor de seguridad, igualen o superen la carga de servicio; casi siempre manda en suelo blando y fija el largo del pilote. La capacidad estructural comprueba que la sección soporte la carga de diseño sin aplastar el concreto, pandearse ni sobreesforzar el acero; manda en terreno muy firme, donde un pilote corto alcanza una capacidad geotécnica enorme. Las dos aparecen en el ejemplo resuelto.

Hay una tercera revisión que no está en la ecuación de capacidad y a menudo decide en la práctica: el asentamiento. Un pilote puede tener factor de seguridad de sobra y aun así asentarse más de lo que tolera la estructura, y eso lo responden la estimación de asentamientos y la prueba de carga.

La capacidad última de un pilote a compresión es la suma de la resistencia por punta y la resistencia por fuste:

$R_{ult} = R_b + R_s$

donde $R_b$ es la resistencia por punta, que da el suelo bajo la punta, y $R_s$ la resistencia por fuste, que da el suelo a lo largo del pilote. La calculadora y los docs de Rischio escriben la misma suma como $Q_u = Q_p + Q_s$.

El fuste se moviliza primero, con desplazamientos pequeños, y la punta al final, con desplazamientos del orden del 10 % del diámetro del pilote. Un diseño que se apoya en la punta tiene que aceptar ese desplazamiento o comprobarlo con una prueba de carga.

Fricción en arcilla: el método α

En arcilla saturada, la medida natural de la fricción del fuste es la resistencia no drenada $c_u$. El método α trabaja con esfuerzos totales:

$R_{s,\text{arcilla}} = \alpha \, c_u \, A_s$

donde $A_s = P \cdot L$ es el área del fuste (perímetro por largo empotrado) y $\alpha$ es un factor de adherencia que relaciona la fricción unitaria máxima con $c_u$. En arcillas blandas $\alpha$ se acerca a 1, y en arcillas más firmes baja, porque el fuste no moviliza en el contacto toda la resistencia no drenada del suelo. Hay dos formas habituales de fijarlo. Las curvas de adherencia de Tomlinson relacionan $\alpha$ directamente con $c_u$: para $c_u = 40$ kPa dan un $\alpha$ de 0,85 a 0,90, así que un valor de diseño de 0,80 es conservador, y es el que usa el ejemplo. La práctica API RP 2GEO, en cambio, hace variar $\alpha$ con la profundidad a través de $\psi = c_u/\sigma'_v$, con $\alpha = 0.5\,\psi^{-0.5}$ para $\psi \le 1$ y $\alpha = 0.5\,\psi^{-0.25}$ para $\psi > 1$, lo que en el perfil del ejemplo da un promedio de 0,49. La tabla de sensibilidad del ejemplo muestra cuánto vale esa diferencia.

El método α sirve para el comportamiento no drenado: la carga llega rápido, la arcilla no alcanza a drenar y la resistencia la gobierna $c_u$, sin que intervenga el esfuerzo efectivo.

Fricción en arena: el método β

La arena drenada no tiene $c_u$: su resistencia en el fuste es friccional y crece con el esfuerzo efectivo que la aprieta contra el pilote,

$f_s = \beta \, \sigma'_v$

donde $\sigma'_v$ es el esfuerzo efectivo vertical a la profundidad considerada y $\beta$ combina el coeficiente de empuje lateral $K$ con el ángulo de fricción entre el suelo y el pilote, $\delta$:

$\beta = K \tan\delta$

Para arena normalmente consolidada, una simplificación habitual toma $K = K_0 = 1 - \sin\phi'$ y $\delta = \phi'$:

$\beta = (1 - \sin\phi')\tan\phi'$

que para una arena medianamente densa con $\phi' = 32°$ da $\beta = 0.294$. El ángulo $\phi'$ sale de un ensayo de corte directo o triaxial, o de correlaciones con el SPT. La fricción unitaria crece con la profundidad, porque $\sigma'_v$ crece, así que la resistencia por fuste es la integral de $f_s$ a lo largo del tramo en arena; en un perfil uniforme se reduce al esfuerzo efectivo promedio por el área del fuste.

Punta en arena: la correlación de Meyerhof con el SPT

La resistencia por punta de un pilote hincado en arena se estima casi siempre con el número de golpes del SPT, y la correlación de Meyerhof (1976) sigue siendo la de uso común:

$q_b = 40 \, N_{60} \, \frac{L_b}{D} \le 400 \, N_{60} \quad \text{(kPa)}$

donde $N_{60}$ es el promedio de golpes del SPT en la zona de apoyo, $L_b$ el empotramiento del pilote en el estrato resistente y $D$ el ancho del pilote. Meyerhof la propuso con el número de golpes sin corregir; hoy se aplica con $N_{60}$, promediado en la zona de apoyo, desde unos 10 diámetros por encima de la punta hasta 3 por debajo. La relación $L_b/D$ se limita a 10: pasados diez diámetros de empotramiento, la punta deja de crecer. Ese tope pertenece a esta correlación, y no hay que confundirlo con la profundidad crítica, una regla aparte que el motor de Rischio aplica al fuste. Con $N_{60} = 25$, da $q_b = 400 \times 25 = 10\,000$ kPa.

Los 10 MPa son la presión de falla que estima la correlación. Las presiones de servicio quedan muy por debajo, pero un diseño que se apoya tanto en la punta tiene que demostrar que el asentamiento es aceptable, y la forma honesta de hacerlo es una prueba de carga.

Qué método usar

Ejemplo resuelto: pilote hincado en arcilla sobre arena

Una columna transmite una carga de servicio de 1.100 kN, y hay que diseñar un pilote con un factor de seguridad de 2,5.

Datos

Toma $\gamma_w = 9.81$ kN/m³. Sobre el nivel freático la arcilla se trata como húmeda, con el mismo peso unitario que saturada, así que su peso unitario efectivo es de 18,0 kN/m³ por encima del nivel freático y de $18.0 - 9.81 = 8.19$ kN/m³ por debajo. El de la arena es $20.0 - 9.81 = 10.19$ kN/m³.

Paso 1: esfuerzo efectivo vertical

Los esfuerzos se muestran con un decimal. El nivel freático está a 1,5 m, así que la arcilla de encima no tiene presión de poros:

$\sigma'_{v,1.5} = 1.5 \times 18.0 = 27.0 \text{ kPa}$

Bajo el nivel freático, la arcilla suma esfuerzo efectivo con su peso unitario sumergido:

$\sigma'_{v,6} = 27.0 + 8.19 \times 4.5 = 27.0 + 36.9 = 63.9 \text{ kPa}$

Luego vienen los 12 m de arena hasta la punta, a 18 m:

$\sigma'_{v,18} = 63.9 + 10.19 \times 12.0 = 63.9 + 122.3 = 186.2 \text{ kPa}$

El esfuerzo efectivo promedio en el tramo de arena, de 6 a 18 m, es:

$\sigma'_{v,\text{prom}} = \frac{63.9 + 186.2}{2} \approx 125 \text{ kPa}$

Paso 2: fuste en la arcilla

Con el método α en los 6 m de arcilla:

$R_{s,\text{arcilla}} = \alpha \, c_u \, P \, L_{\text{arcilla}} = 0.80 \times 40 \times 1.80 \times 6.0 = 345.6 \text{ kN}$

Paso 3: fuste en la arena

Primero el coeficiente β para $\phi' = 32°$, con $\sin 32° = 0.530$ y $\tan 32° = 0.625$:

$\beta = (1 - \sin 32°)\tan 32° = 0.470 \times 0.625 = 0.294$

Y la resistencia por fuste en los 12 m de arena:

$R_{s,\text{arena}} = \beta \, \sigma'_{v,\text{prom}} \, P \, L_{\text{arena}} = 0.294 \times 125 \times 1.80 \times 12.0 \approx 794 \text{ kN}$

Paso 4: resistencia por punta

El pilote se empotra $L_b = 12$ m en la arena portante, así que $L_b/D = 12/0.45 = 26.7$, por encima del tope de 10. La correlación de Meyerhof limita entonces la presión en la punta:

$q_b = 400 \times 25 = 10\,000 \text{ kPa}$

$R_b = q_b \, A = 10\,000 \times 0.2025 = 2025 \text{ kN}$

Paso 5: capacidad última y admisible

$R_{ult} = R_{s,\text{arcilla}} + R_{s,\text{arena}} + R_b = 345.6 + 794 + 2025 \approx 3165 \text{ kN}$

$R_{adm} = \frac{R_{ult}}{FS} = \frac{3165}{2.5} = 1266 \text{ kN}$

Paso 6: decisión

La capacidad admisible, 1.266 kN, supera los 1.100 kN de la columna, así que el pilote cumple en lo geotécnico, con un factor de seguridad real de:

$FS = \frac{3165}{1100} = 2.88$

La punta aporta 2.025 de los 3.165 kN, el 64 % de la capacidad, y solo se moviliza después del desplazamiento que necesita, así que el diseño debe confirmar el asentamiento y, en un proyecto real, hacer una prueba de carga estática. Falta la revisión estructural: en estado límite último la carga de diseño es $1100 \times 1.35 = 1485$ kN, y el concreto solo, un C30/37 con $f_{cd} = 0.85 \times 30/1.5 = 17$ MPa ($\alpha_{cc} = 0.85$ según el EN 1992-1-1), resiste $0.2025 \times 17\,000 = 3442.5$ kN sin contar el acero. La sección tiene margen de sobra, y lo que queda por revisar en este pilote es el hincado y los esfuerzos de manejo.

Sensibilidad al factor de adherencia

El $\alpha$ es el dato menos acotado del ejemplo, así que conviene ver cuánto mueve el resultado:

El ejemplo resiste todo el rango: incluso la integración de API, el tratamiento más conservador, deja un factor de seguridad de 2,76 frente a los 2,5 requeridos. El margen lo da la punta, que no depende de $\alpha$, y por eso importa la prueba de carga: la correlación puede ser optimista o pesimista con la punta, y solo la prueba dice cuál de las dos.

El mismo pilote en la calculadora

Para probar otros pilotes y estratos, la calculadora de capacidad de carga de pilotes resuelve los métodos α y β con el motor de Rischio, grupos incluidos. Toma $\alpha$ de una tabla en función de $c_u/p_a$ y, en la punta, el $N_q^\ast$ de Meyerhof en lugar de la correlación con el SPT, así que para este pilote sus números no coinciden con los del cálculo a mano.

Abre con su propio ejemplo, un pilote hincado de 0,5 m y 15 m de largo que atraviesa arcilla blanda y se apoya en arena densa. Describe un pilote, circular o cuadrado, hincado o preexcavado, con hasta tres estratos de arcilla o arena, y te devuelve la resistencia por fuste de cada estrato, la de la punta, la capacidad última y el factor de seguridad frente al 3,0 que Rischio pide por defecto. Con más de un pilote, revisa también el grupo como bloque.

Con el pilote de este ejemplo, la calculadora da $Q_u$ = 1.421 kN, menos de la mitad de los 3.165 kN de arriba, y un factor de seguridad de 1,29. El fuste en arcilla casi no cambia: 320 kN, con $\alpha = 0.74$ de la tabla. El fuste en arena baja a 589 kN porque el motor deja de aumentar el esfuerzo efectivo por debajo de la profundidad crítica, $15D = 6.75$ m. La mayor parte de la diferencia está en la punta, donde el tope de Meyerhof, $0.5\,p_a N_q^\ast \tan\phi'$, deja $q_p$ en 2.531 kPa, la cuarta parte de los 10.000 kPa de la correlación con el SPT, y la punta en 512 kN. Los dos caminos son métodos reconocidos, y cuando discrepan tanto en el mismo pilote, una prueba de carga decide entre ellos. Los docs explican el método del motor para el fuste y la punta, y la herramienta de pilotes de Rischio guarda el modelo y saca la memoria de cálculo.

Grupos de pilotes

Pocas veces una columna descansa en un solo pilote, y la capacidad de un grupo no es el número de pilotes por la capacidad de uno. Intervienen tres mecanismos:

• La eficiencia. Los pilotes cercanos se hacen sombra: sus zonas de fricción se superponen y cada uno moviliza menos que si estuviera solo.
• La falla en bloque. Si los pilotes están bastante juntos, el grupo entero falla como un solo bloque grande, con la fricción en el perímetro del grupo más la punta del bloque, y eso puede dar más o menos que la suma de los pilotes según la separación.
• El asentamiento del grupo. Un grupo se asienta más que un pilote solo con la misma carga media. En arcilla se suele estimar como el de una losa equivalente a unos dos tercios del largo de los pilotes.

Eficiencia de Converse-Labarre

La estimación más sencilla de la eficiencia de un grupo es la fórmula de Converse-Labarre:

$\eta = 1 - \frac{\theta \left[ (n-1)m + (m-1)n \right]}{90 \, m \, n}$

donde $m$ y $n$ son los números de pilotes en cada dirección y $\theta = \arctan(D/s)$ en grados, con $D$ el ancho del pilote y $s$ la separación entre ejes.

Para un grupo de $3 \times 3$ pilotes de 450 mm separados $3D = 1.35$ m:

$\theta = \arctan\left(\frac{0.45}{1.35}\right) = \arctan(0.333) = 18.4°$

$\eta = 1 - \frac{18.4 \times (2 \times 3 + 2 \times 3)}{90 \times 9} = 1 - \frac{221}{810} = 0.73$

La eficiencia es del 73 %, así que el grupo de 9 pilotes resiste $9 \times 0.73 = 6.6$ veces la capacidad de uno, y no 9 veces. La otra revisión es la del bloque, y cuál manda depende de la geometría y del suelo. En arcilla no drenada el bloque suele controlar con separaciones cortas, de unos 2 a 3 diámetros; en arena suelta el grupo puede incluso ganar capacidad por la densificación. El motor de Rischio hace esa revisión en todo grupo: compara la capacidad del bloque con la suma de los pilotes individuales y se queda con la menor, como explica la página de grupos de pilotes de los docs.

Fricción negativa y arranque

Hay dos efectos que hacen trabajar el fuste al revés:

• La fricción negativa. Si el suelo alrededor del pilote se asienta más que el pilote, por ejemplo bajo un relleno nuevo sobre arcilla blanda o por un descenso del nivel freático, el fuste tira del pilote hacia abajo en lugar de sostenerlo. Ese arrastre suma carga al pilote y al estrato de apoyo. No hay una fórmula universal: el EN 1997-1 (apartado 7.3.2) pide estimarlo a partir del asentamiento del suelo respecto al pilote, y en la práctica se combate con un recubrimiento deslizante en la parte alta del fuste o sumando la fuerza de arrastre a la carga de diseño.
• El arranque. Un pilote a tracción solo resiste con su fuste, $R_s$, más su peso propio. Los códigos aplican un factor parcial a la resistencia por fuste en tracción, porque la fricción en tracción suele ser menor que en compresión.

Pruebas de carga

El cálculo es una estimación hecha con parámetros del suelo que también son estimados, y la prueba de carga lo comprueba en obra. Hay dos familias:

• La prueba estática de carga sostenida. La carga se aplica por incrementos y cada uno se mantiene hasta que la velocidad de asentamiento baja del límite del código. En Estados Unidos el procedimiento sigue la ASTM D1143/D1143M; con los Eurocódigos está en el EN 1997-1, apartado 7.5 (7.5.2), y la resistencia medida se convierte en valor característico con los factores de correlación $\xi$ de los apartados 7.6.2.2 (compresión) y 7.6.3.2 (tracción). Con ella se acepta el pilote o se revisa el diseño.
• Los ensayos dinámicos. Se vuelve a golpear el pilote con un martillo y se instrumenta (ASTM D4945), o se analiza el hincado con la ecuación de onda. Son más rápidos y baratos que una prueba estática, pero miden la respuesta a un evento dinámico, y por eso suelen especificarse en una parte de los pilotes junto con una o dos pruebas estáticas.

El número de pruebas de cada proyecto lo fijan el código y la variabilidad del terreno: más cuando los golpes del SPT se dispersan, menos cuando el perfil es uniforme. En cada país manda su reglamento, como la NSR-10 en Colombia, la Norma E.050 en Perú, las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Cimentaciones en la Ciudad de México o el Código Técnico de la Edificación (DB SE-C) en España, y es el que rige los factores de diseño y las pruebas de la obra.

Errores comunes

• Sumar fuste y punta sin pensar en el desplazamiento. La punta de un pilote hincado necesita moverse cerca del 10 % de su ancho para movilizarse, y la de un preexcavado puede necesitar más. Si la estructura no tolera ese movimiento, hay que descontar el aporte de la punta o ajustar el programa de pruebas.
• Usar $c_u$ en un problema drenado. El método α exige condiciones no drenadas. Con una carga drenada a largo plazo, como la de un terraplén alto junto al pilote, se usan parámetros drenados y un método en esfuerzos efectivos.
• Olvidar el nivel freático. El método β necesita esfuerzos efectivos, y la diferencia entre 20 y 10 kN/m³ en el caso saturado puede separar un pilote que cumple de uno que no.
• Promediar $N_{60}$ en todo el perfil. La correlación de la punta usa los golpes de la zona de apoyo, cerca de la punta, y no los de la parte alta de la arena.
• Confiar a ciegas en el tope del SPT. Los 10 MPa en la punta son una estimación de falla y no un valor de servicio; al pilote lo protegen el asentamiento calculado y la prueba de carga.
• Tratar el grupo como pilotes independientes. Con separaciones cortas mandan la falla en bloque y el asentamiento del grupo, y la revisión de Converse-Labarre o la del bloque no son opcionales.

Preguntas frecuentes

¿Qué son los pilotes en construcción?

Son columnas largas de concreto, acero o madera que se hincan o se construyen dentro del terreno para llevar la carga de una estructura hasta estratos firmes, por fricción a lo largo del fuste y por apoyo en la punta. Se usan cuando el suelo cercano a la superficie no soporta la carga o se asentaría demasiado con zapatas.

¿Cuál es la diferencia entre pila y pilote?

En México, pila es un elemento colado en sitio de gran diámetro, del orden de 0,6 m o más, y pilote es uno más esbelto, hincado o colado en sitio. En otros países se dice pilote para los dos, y a la pila se le llama pilote preexcavado. El cálculo es el mismo: resistencia por punta más resistencia por fuste.

¿Cómo se instalan los pilotes?

Los hincados se clavan con un martillo o un vibrador hasta la cota de diseño o hasta el rechazo. Los preexcavados se construyen perforando el hueco, sostenido con camisa o con lodo si hace falta, bajando el armado y colando el concreto con tubo tremie. Los de hélice continua se perforan con una hélice hueca y se llenan con concreto bombeado por ella mientras se extrae. Al final se descabezan y se cuela el encepado.

¿Cuál es la diferencia entre zapatas y pilotes?

La zapata apoya la carga en el suelo cercano a la superficie y la reparte en un área; el pilote la lleva a profundidad y la entrega por fricción a lo largo del fuste y por apoyo en la punta. La zapata se revisa por capacidad portante, que puedes calcular con la calculadora de capacidad portante, y por asentamiento; el pilote, por fuste, punta, grupo y asentamiento. Si el suelo superficial aguanta, la zapata es más sencilla y rápida de construir, y sus tipos están en la guía de cimentaciones superficiales.

¿Cuándo usar pilotes de cimentación?

Cuando el estrato firme está profundo y el suelo de arriba es blando o compresible, cuando las cargas son grandes y concentradas, cuando hay que resistir tracción o cargas laterales, como en muelles y torres, o cuando la socavación o la licuación pueden dejar sin apoyo una cimentación superficial.

¿Qué es mejor, construir sobre pilotes o sobre una losa (radier)?

Depende del suelo. Si el estrato superficial soporta la carga y los asentamientos de la losa son aceptables, la losa, que en Chile y otros países se llama radier, suele ser más sencilla y rápida de construir. Si el suelo es blando hasta gran profundidad o la losa se asentaría demasiado, se usan pilotes. Entre las dos opciones está la losa sobre pilotes, en la que los pilotes se ponen para reducir el asentamiento de la losa.

¿Qué factor de seguridad lleva un pilote?

En la práctica usual, 2,0 cuando la capacidad se confirma con una prueba de carga estática, y de 2,5 a 3,0 cuando sale solo del cálculo, como en el ejemplo. El EN 1997-1 no usa un factor global: trabaja con factores parciales y factores de correlación $\xi$. El motor de Rischio pide 3,0 por defecto, y en cada proyecto manda el reglamento del país.

Referencias

• EN 1997-1:2004+A1:2013, Eurocódigo 7: Proyecto geotécnico. Parte 1: Reglas generales, apartados 7.3.2 (fricción negativa), 7.5 (pruebas de carga) y 7.6 (pilotes con carga axial).
• FHWA NHI-16-009, Design and Construction of Driven Pile Foundations, volumen I (GEC 12), Federal Highway Administration, 2016.
• ASTM D1143/D1143M, Standard Test Methods for Deep Foundation Elements under Static Axial Compressive Load, ASTM International.
• ASTM D4945, Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Deep Foundations, ASTM International.
• ASTM D5882, Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations, ASTM International.
• Meyerhof, G. G. (1976), Bearing capacity and settlement of pile foundations, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 102(GT3).
• API RP 2GEO, Geotechnical and Foundation Design Considerations, American Petroleum Institute.
• Burland, J. B. (1973), Shaft friction of piles in clay: a simple fundamental approach, Ground Engineering, 6(3), 30-42.
• USACE EM 1110-2-2906, Design of Pile Foundations, US Army Corps of Engineers.