PRUEBA DE INTEGRIDAD DE PILOTES ( E Y R PILOTAJES )

Las pruebas de integridad de pilotes se vienen ejecutando intensivamente en el mundo a partir de

los aos 80's como control de calidad de cimentaciones profundas. E y R Espinosa y Restrepo,

viene realizando estos ensayos desde mayo de 1995 con resultados ampliamente satisfactorios y

confiables. Es as como hemos participado en mas de 400 proyectos realizando el control de

calidad de las cimentaciones profundas en Colombia, Panam y Per.

En la actualidad se cuenta con dos consolas de ensayos PIT (PIT - X y PIT - V) para ejecutar

pruebas a nivel nacional e internacional sumadas al personal tcnico ofrecido por esta consultora

con una amplia trayectoria tanto en su realizacin como su anlisis.

PIT

En la construccin de pilotes, el elemento resultante deber satisfacer las premisas bsicas de

diseo para transferir las cargas de la estructura de manera segura al subsuelo manteniendo su

integridad durante el funcionamiento normal a carga axial as como durante el sismo y posterior a

este.

En pilotes pre-excavados, dado su proceso constructivo, podran presentarse cuellos,

ensanchamientos, cortes u otras discontinuidades resultando un comportamiento de inferior calidad

al estimado en su diseo. Por lo anterior, se hace necesario tener a disposicin un sistema de

prueba que permita la inspeccin de los pilotes de una manera rpida, confiable y de bajo costo.

FUNDAMENTOS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

La prueba de integridad de Pilotes es descrita por Rausche et al (1) y se presenta a continuacin:

Una onda unidimensional es aplicada a un pilote elstico de gran longitud en relacin con su

dimetro. Durante el golpe, la onda viaja a lo largo del pilote a una velocidad de propagacin c la

cual es funcin del mdulo elstico del elemento y de la densidad. La fuerza aplicada F y la

velocidad de la partcula v en cierto punto estn relacionadas por la siguiente expresin

Teniendo un rea transversal A se tiene la constante de proporcionalidad Z dada por la expresin

donde Z es llamada la impedancia dado que es una medida de resistencia del pilote al cambiar la

velocidad de propagacin de la onda.

Suponiendo que en cierto punto del pilote la impedancia cambia de un valor Z1 a Z2, cuando el

esfuerzo viajando hacia abajo se encuentra con dicho punto, parte de la onda es reflejada hacia

arriba y parte transmitida hacia abajo para que las ecuaciones de continuidad y equilibrio sean

satisfechas y se tiene:

Para un pilote uniforme se tiene que Z1 = Z2 y entonces Farriba y Fabajo no se generan y por tanto

la onda viaja sin sufrir cambios. El caso extremo de discontinuidad de la pata del pilote donde Z2

es igual a 0 entonces la onda Fabajo ser reflejada completamente y ser igual a Farriba pero con

signo contrario. Cualquier reduccin de rea o en el mdulo elstico generar una onda reflectiva

de traccin; de lo contrario de ser un ensanchamiento o aumento en el mdulo elstico se generar

una onda de compresin.

Bajo el mismo principio de funcionamiento se han desarrollado dos tipos de pruebas. La prueba de

baja deformacin (Low strain) que es utilizada por el PIT la cual genera una excitacin con una

masa pequea induciendo una baja deformacin sobre la cabeza de pilote y la prueba de alta

deformacin (Higa Strain) que es utilizada por el PDA (Pile driving analizer) cuya diferencia bsica

es la masa del elemento utilizado para inducir la excitacin inicial y por consiguiente la frecuencia y

la amplitud de la onda que baja a lo largo del pilote.

Entre las ventajas y desventajas de uno y otro mtodo se encuentran las siguientes:

a) Dado el tamao de la masa de la prueba de alta deformacin, su ejecucin no es tan sencilla;

resulta ms til para pilotes hincados y de hecho fue este su origen en 1964 en la CASE

WESTERN RESERVE UNIVERSITY. En contraste la prueba de baja deformacin requiere un

martillo con una masa hasta de 5 kilogramos y por tanto su ejecucin es rpida, sencilla y

econmica.

b) El ensayo de alta deformacin presenta menores limitaciones dado que por la gran masa que se

utiliza para la excitacin inicial genera una onda de mayor amplitud y la distancia que viaja sin

amortiguarse es mayor. Con respecto al ensayo de baja deformacin estos puntos se discuten

ampliamente en los prximos numerales y por lo tanto preferimos no tocarlos ahora.

c) La frecuencia de la onda generada por el ensayo de alta deformacin es menor y por tanto

podra pasar por alto defectos pequeos que el ensayo de baja deformacin con su onda de

frecuencia mayor detecta fcilmente.

No sobra anotar que la prueba PIT se encuentra estandarizada por la norma ASTM D 5882 y las

normas ICE y EUROCODE.

PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO PARA PRUEBAS PIT

Para realizar la prueba es necesario preparar con anterioridad en la cabeza del elemento como

mnimo dos secciones de 10 x 10 cms, dependiendo de las dimensiones de la seccin transversal

del mismo, las cuales deben ser lo ms lisas posibles y estar totalmente secas. As mismo, el

concreto deber tener por lo menos 7 das de fundido para garantizar la suposicin de velocidad de

propagacin de la onda.

El acelermetro es conectado a la consola mediante su cable y pegado sobre la cabeza del pilote

en la zona previamente preparada de 10 * 10 cms sobre el concreto unido a l por una capa de

parafina que debe ser lo ms delgada posible para evitar que se distorsione la seal garantizando

que no se mueva o vibre durante la ejecucin de la prueba. La consola deber permanecer en un

lugar cercano al operario y al punto donde se instale el acelermetro para evitar que este se suelte.

En la pantalla de la consola de lectura aparecen diferentes factores relacionados con los tamaos

tericos de los elementos (Longitud, Dimetro), as como las constantes del martillo tales como

masa, factores de calibracin, velocidad de propagacin de la onda y factores de ganancia de

fuerza y aceleracin.

Del otro lado de la consola se conecta un martillo instrumentado o sin instrumentar que transmite a

la consola la fuerza de la excitacin inducida por este. Existen dos martillos, como se menciona

anteriormente, uno instrumentado (900 gr.) y otro no instrumentado (5000 gr.). El primero se utiliza

en elementos cuya longitud sea menor a 20.0 mts y dimetro hasta de 90 cms; el segundo se

utiliza especialmente en barretes de seccin amplia y longitudes mayores a 20.0 mts. Lo anterior

no impide que se pueda lograr una curva de similares caractersticas al intercambiar las

condiciones de los elementos. Despus de definir que martillo utilizar se procede a generar la onda

en la cabeza del elemento por medio de un golpe. Se debe tener, en lo posible, una posicin

cmoda para poder lograr una buena curva. Este golpe debe ser muy firme y tan fuerte como sea

necesario para lograr que la pata del elemento que se esta probando sea muy clara. Se debe

anotar que los factores de amplitud, de fuerza y velocidad o aceleracin pueden ser manipulados

mediante multiplicadores de ganancia en la consola y estos no afectan la fidelidad de los

resultados. La superficie en que se debe dar el golpe ha de estar muy plana, sin contaminacin

alguna y limpia de piedras o trozos libres de concreto ya que estos pueden alterar la onda. En

algunos casos resulta conveniente pulir la superficie para garantizar la mejor prueba posible, en

especial cuando se trata de rectificar o corroborar algn resultado dudoso o malo.

INTERPRETACION

Esta es la parte ms importante de toda la prueba y su calidad depende randemente de la bondad de

los registros tomados en elterreno y de la experiencia del profesional que realiza el anlisis.

Inicialmente se utiliza el programa PIT-W, el cual permite utilizar una serie de comandos que mejoran y

tratan de hacer ms clara la curva resultado. Entre los principales parmetros que se pueden manipular

(Sin alterar la realidad del elemento) se encuentran magnificacin exponencial a partir de cualquier

punto hasta la pata, filtro de ondas altas, pivoteo de la curva y variacin de la velocidad de propagacin

de la onda, con base en este primer anlisis se determina la localizacin de la pata del pilote y sus

caractersticas generales de seccin haciendo el primer diagnstico del elemento.

A continuacin se emplea el programa PROFILE que posee diferentes filtros para lograr una curva fiel a

la realidad y un perfil del elemento ensayado.

De acuerdo con el Record No.1447 del RESEARCH BOARD TRANSPORTATION a continuacin se

plantean algunos puntos a tener en cuenta relacionados con la prueba de Integridad de Pilotes:

CLASIFICACIN DE REGISTROS SEGN EL NDT (NATIONAL DEPARTMENT OF

TRANSPORTATION)

Categora A - Indicacin clara de un pilote en buen estado.

Es aquel que muestra la excitacin inicial y la excitacin final (de la pata) con el registro relativamente

plano entre estas dos.

Categora B - Clara indicacin de un defecto serio.

Es aquel que refleja cambios de impedancia y/o variaciones de la longitud del elemento. En el

diagnstico se debe tener en cuenta que varios tipos de daos pueden ser detectados por la prueba

PIT, sin embargo algunas no tales como:

Variaciones muy pequeas de impedancia registradas en un tramo corto de pilote el cual puede reflejar posibles microfisuras del concreto.

Ms de 2 variaciones grandes de impedancia las cuales hacen el anlisis a partir de dicho punto casi imposible.

Una fisura total har indetectable la pila de concreto despus de dicho punto.

Degradacin de la calidad del concreto o una reduccin de la seccin transversal que se desarrolle muy gradualmente (por ejemplo 5 mts) . Ej. Contaminacin u hormiguero.

La longitud del pilote estar dada con una precisin de mximo el 5%.

Un defecto que genere un variacin en la seccin de menos del 20% no necesariamente podra ser detectada. Se debe anotar que variaciones de tal magnitud son en general irrelevantes.

Defectos que se encuentren a mayor distancia del alcance de la onda, Como regla de dedo gordo se ha fijado una longitud de 30 veces el dimetro; sin embargo, este valor depende de la dureza del

suelo. El NDT reporta un pilote con una longitud de 40 veces su dimetro el cual muestra registros

de la pata bastante claros. Se debe anotar que esta oficina dada la baja consistencia de los suelos

de Bogot y utilizando un martillo de gran masa ha ensayado satisfactoriamente pilotes con

longitudes hasta de 50 veces su dimetro.

Daos que si pueden ser detectados por la prueba PIT incluyen:

Elementos que queden arriba del 5% ms cortos (10% si no hay registro patrn).

Fisuras totales como las causadas por la retraccin de fraguado de la longitud no reforzada o por el golpeo del equipo de construccin o por movimientos de la masa de suelo.

Cambios de impedancia superiores al 20% siempre y cuando la profundidad del dao este dentro del rango de accin de la onda.

Categora C.- Indicacin de un posible pilote defectuoso.

Son aquellos que pese a que reflejan una variacin de impedancia inadmisible pueden estar vindose

afectados por:

La existencia de ensanchamientos en la parte superior del elemento cubierta por la excitacin inicial podra inducir que un anlisis de impedancias simples tomar como rea de referencia dicho

ensanchamiento y por tanto el retorno a la seccin nominal aparecera como una reduccin

inadmisible.

Anlisis cuantitativos de variaciones de menos del 20% en la impedancia posiblemente no podran realizarse.

Categora D - Informacin no concluyente.

Es el caso tpico de pilotes que se han ensayado antes y despus de descabezar el concreto

contaminado y al revisar los resultados estos no son consistentes. Pilotes ensayados sobre un dado

preparado con mortero tambin podra reflejar resultados inconsistentes.

Algunos comentarios con respecto a resultados obtenidos

En la actualidad el programa de ensayos de Integridad de Pilotes ha realizado del orden de 10.000

pruebas a nivel nacional cuya base de datos se esta procesando para tener un anlisis estadstico de

los resultados obtenidos con datos de inters tal como tipo de pilote, geometra, descripcin de

discontinuidad, longitud de refuerzo etc. De acuerdo con los resultados preliminares se tiene que del

orden de un 20 a 30% de los pilotes ensayados presentan variaciones en su seccin que podran

clasificarse de pequeas a medias que generan cambios de impedancia en la onda.

Tan slo un 2 a 3% de la poblacin ensayada presenta daos mayores que ameritan revisar el elemento

por algn otro sistema (ver prximo numeral), reemplazar o reparar el elemento. Es importante anotar

que en todos los casos que se ha predicho un dao mayor en el pilote y se ha bajado a corroborarlo,

este se ha encontrado.

En cuanto a las causas de los seccionamientos debemos anotar que deben estudiarse caso a caso y nicamente el ingeniero de suelos y/o el equipo interdisciplinario involucrado en la obra podra estar en capacidad de determinar las causas. Sin embargo, a continuacin se plantean algunas factores que afectan:

a) Problemas especficos de Obra.-

Generados por derrumbes por la estratigrafa unida con la localizacin especfica del elemento podran

aparecer discontinuidades inaceptables. Adicionalmente, esfuerzos de traccin durante la extraccin del

tubo tremie podran afectar la zona no reforzada especialmente cuando el suministro del concreto ha

sido lento.

b) Retraccin de fraguado.-

An cuando por las condiciones ideales de fraguado podra reducir la ocurrencia de dicho fenmeno, se

tiene que es prctica comn reforzar una pequea longitud de la totalidad del elemento haciendo que la

longitud no reforzada sea especialmente vulnerable ante su incapacidad de soportar esfuerzos de

traccin.

c) Tracciones generadas por rebote elstico del suelo en proyectos multistanos.-

Este es una de las causas que a juicio de esta oficina es la de mayor ocurrencia dada la naturaleza muy

blanda de los suelos de Bogot unida con la prctica de construir pilotes de gran longitud con refuerzos

cortos.

An cuando se dice que las causas b y c son irrelevantes para la solicitacin axial de los pilotes es

preocupante la integridad estructural de los pilotes durante el sismo y flexiones inducidas por el eventual

desplome del pilote.