FRICCION NEGATIVA EN PILOTES

FRICCION NEGATIVA EN PILOTES• El fenómeno de la fricción negativa puede describirse como la acción de una nueva

carga a lo largo del fuste debido a la consolidación del suelo adyacente a la cara del pilote. Como los pilotes se moverán menos que el terreno circundante, este tenderá a “colgarse” de sus fustes, induciendo en aquellos unas tensiones que pueden considerarse producidas por un cierto rozamiento de signo contrario al resistente. Para esta situación la condición de diseño será:

Donde: N Pilote = carga normal actuante a nivel de pilote Q fricción negativa = fricción negativa que se genera en la cara o fuste del pilote Q pilote = capacidad de carga del pilote aislado

Npilote + Qfricción negativa < Qpilote

• De acuerdo con Tomlinson (1995), el cálculo de la fuerza total por fricción negativa en el fuste es un tema de gran complejidad en el que el factor tiempo juego un rol de gran importancia. La máxima fricción negativa es la máxima fricción que puede ser movilizada en la interfase de contacto y su valor pico puede ser calculado exactamente de la misma manera en la que se calcula la resistencia por fricción en el diseño de pilotes. la fricción negativa unitaria en el fuste fs. es comúnmente estimada mediante las expresiones:

Donde :  Cu = adhesión no drenada al suelo-pilotes. α = factor empírico de adhesión v’ = esfuerzo efectivo vertical a la profundidad a la que se evalúa fs K = coeficiente de presión de tierras = ángulo de fricción entre el suelo y el pilote

• En el caso de un pilote cuya punta descansa en un estrato muy rígido, la fricción negativa puede producirse en una gran porción del fuste, dado que la punta funcionaría con un apoyo con una capacidad mínima o nula de desplazamiento. La distribución de la fricción negativa a lo largo del fuste sería similar a la mostrada en la FIGURA,• En la que desde la superficie la

fricción sobre el fuste aumenta con el incremento del esfuerzo efectivo, para disminuir cerca de la punta del pilotea causa de la disminución del desplazamiento relativo suelo-pilote. La transición en el tiempo de fricción positiva a fricción negativa se presenta de la siguiente forma.

Transición de fricción positiva en el fuste (izquierda), a fricción negativa(derecha)

• En el caso de pilotes por fricción o flotantes, por equilibrio de fuerzas no es posible que la fricción negativa se desarrolle en todo el fuste. Dado que la fricción negativa se convierte en una fuerza de arrastre que empuja el pilote hacia abajo, este presenta un incremento en sus asentamientos, por lo que siempre existirá una cierta porción del fuste sometida a fricción positiva que garantiza cierta capacidad portante del elemento . Los nuevos asentamientos pueden inducir el hundimiento del pilote; así mismo, es posible que los asentamientos requeridos para alcanzar el equilibrio sean inadmisibles para la funcionalidad de la estructura.

Fellenius (1984) establece que un pilote puede ser cargado axialmente en seis formas diferentes, las cuales se muestran en la Figura 4-5, en la que la punta del pilote reposa sobre el plano z-z.

• Modo A: El pilote es sometido a una carga aplicada en su cabeza; como resultado se presenta una deformación hacia abajo de los estratos de suelo, como se muestra a la izquierda del pilote, y la generación de resistencia en el fuste hacia arriba (positiva). El pilote está sometido a compresión lo que teóricamente resulta en un efecto de relación de Poisson (acortamiento de la longitud e incremento del diámetro del pilote) y en un aumento del coeficiente de presión de tierras Ks. Adicionalmente, la resistencia positiva del fuste transfiere carga del pilote al suelo y como consecuencia de ello se presenta un aumento del nivel de esfuerzos efectivo en el suelo. Tanto el efecto de la relación de Poisson, como el aumento del esfuerzo efectivo, resultará en un incremento de la resistencia por el fuste.

• Modo B: El pilote es sometido a una carga de extracción aplicada en su cabeza, lo que resulta en una deformación hacia arriba de los estratos del suelo y en el desarrollo de fricción negativa. Este modo está caracterizado por una disminución de la presión lateral y un decremento de los esfuerzos efectivos. El pilote se encuentra sometido a tensión.

• Modo C: Se presenta consolidación y subsidencia de los estratos de suelo, por lo que se genera fricción negativa en el fuste del pilote. El pilote está sometido a compresión.

• Modo D: La carga de extracción del pilote se aplica desde la punta del elemento, y el comportamiento del mismo es similar al del pilote del caso C.

• Modos E y F: El modo E refiere una prueba en la que la carga se aplica en la base del pilote (hacia abajo) y cuya utilidad sería simular el comportamiento del pilote en el modo F, en el se presenta expansión del suelo por encima del plano Z-Z. En ambos casos los pilotes están sometidos a tensión.

De acuerdo al método Β de “Resistencia por fricción” presentado por Braja M. Das, el esfuerzo superficial negativo (hacia abajo) sobre el pilote es :

Si el relleno está arriba del nivel freático, el peso específico efectivo ɣ´ f , debe ser reemplazado por el peso específico húmedo.

La fricción negativa ocurra bajo las siguientes condiciones, entre otras:

• 1. Si un relleno de suelo arcilloso se coloca sobre un estrato de suelo granularen el que se hinca un pilote, el relleno se consolidará gradualmente; esto ejercerá una fuerza de arrastre sobre el pilote durante el periodo de consolidación.

• 2. Si un relleno de suelo granular se coloca sobre un estrato de arcilla blanda , se inducirá el proceso de consolidación en el estrato de arcilla y ejercerá entonces una fuerza de arrastre sobre el pilote.

• 3. El abatimiento del nivel freático incrementará el esfuerzo vertical efectivo sobre el suelo a cualquier profundidad, lo que inducirá asentamientos por consolidación en la arcilla. Si un pilote se localiza en el estrato de arcilla ,quedará sometido a una fuerza de arrastre.

• 4. Operaciones de hincado y ensayos de carga que pueden producir esfuerzos negativos en la parte superior del fuste cuando la carga es liberada y el fuste se expande hacia arriba. El deslizamiento y la fricción negativa resultantes deben ser equilibrados por fricción positiva en la parte inferior del fuste o por carga puntual aplicada en la corona del pilote.

Se produce por consolidación del terreno

• Consolidación natural (es decir por peso propio) de un relleno reciento poco compactado.

• Consolidación provocada por un terraplén: carretera en terraplén que llega a puente que cimenta mediante pilotes.

• Consolidación inducida por variación del nivel freático • Consolidación inducida por cambio de estructura del suelo (arcillas tixotrópicas)

causada por la propia hinca de los pilotes.• El terreno se cuelga del pilote ya que éste no permite el desplazamiento relativo

en el contacto. Si el pilote fuese muy liso, el resultado sería que su cabeza iría saliendo. Comportamiento ideal de la interfase terreno-pilote:

• La fricción negativa, como ya se analizó, no es más que una carga adicional a resistir por la cimentación al colgarse el suelo consolidable en las caras del pilote. Sin embargo, la mayoría de los enfoques evalúa la fricción negativa sin tener en cuenta la relación entre la consolidación del suelo y el desplazamiento o acortamiento del pilote, considerando que todo el espesor del estrato compresible genera fricción negativa. El objetivo del modelo presentado estará dirigido entonces a determinar a que profundidad los desplazamientos del pilote y del suelo son iguales, o lo que es lo mismo, a que profundidad es que se comienza a generar la fricción negativa

• La fricción negativa se puede presentar en suelos sujetos a asentamientos de un estrato compresible, asentamiento de un suelo colapsable a causa de humedecimiento, asentamiento asociado a licuefacción o por asentamiento asociado al abatimiento del nivel freático, entre otras causa probables. En las etapas iniciales del proceso de consolidación, el relleno transmite toda la carga resistida por adherencia hacia la punta del pilote.

• Un mayor nivel del asentamiento se traduce en un efecto de desplazamiento del pilote hacia abajo, proceso que es conocido como desplazamiento de arrastre – down drag - y que está asociado a unas cargas de arrastre - drag load.

c) Condición de fricción negativa

d) diagrama de fuerzas para fricción negativa

RESISTENCIA POR FRICCION EN EL FUSTE VS FRICCION NEGATIVA

La fricción negativa puede ocurrir en los siguientes casos:

• Un pilote hincado a través de una arcilla blanda sensible llega a un estrato relativamente incompresible. El remoldeo de la arcilla durante el hincado puede ser suficiente para causar asentamiento. Las arcillas blandas marinas o de estuario pueden ser particularmente susceptibles a desarrollar fricción negativa.

• Un pilote hincado a través de una arcilla blanda llega a un estrato relativamente incompresible con sobrecarga en la superficie. Normalmente una arcilla blanda que suprayace a una arcilla dura no tiene problemas. Sin embargo, la carga en la superficie producirá asentamiento que puede generar fricción negativa en el pilote. El drenaje de áreas pantanosas puede tener un efecto similar.

• Un pilote hincado a través de relleno recientemente colocado llega a un estrato compresible o relativamente incompresible. La fricción negativa resultará de la consolidación del relleno. En rellenos antiguos la fricción negativa disminuye o no existe. Actualmente es imposible predecir con precisión la fricción negativa que se producirá en un pilote.Sin embargo, la máxima fuerza que se desarrollará por fricción negativa puede evaluarse si se asume la distribución de esfuerzos de fricción propuesta por Tomlinson (1987). Aunque dicho autor diferencia los casos entre estrato compresible e incompresible en la base, el mismo procedimiento puede emplearse en todos los casos con suficiente precisión.

Los efectos de la fricción negativa pueden reducirse o eliminarse si se protege la sección del pilote dentro del relleno o de la arcilla blanda. Como alternativa se puede cubrir el pilote con una membrana plástica de baja fricción o con una capa de bitúmen. Si se emplea bitumen debe tenerse mucho cuidado en su aplicación para asegurar que éste se adhiere bien al pilote y tiene un espesor mínimo de 3 milímetros.