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PARTE C. CIMENTACIONES
PROFUNDAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
UNIDAD DE POSGRADO
Dr. Ing. Jorge E. Alva Hurtado
Msc. Ing. Álvaro J. Pérez Zúñiga
www.jorgealvahurtado.com
C.1. INTRODUCCIÓN

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5.22. Cimentación por Pilares.- Cimentación profunda, en la cual la relación
Profundidad/Ancho (Df/B) es mayor o igual que 5, siendo Df la profundidad
enterrada y B el ancho enterrada del pilar. El pilar es excavado y vaciado en el sitio.
5.23. Cimentación por Pilotes.- Cimentación profunda en la cual la relación
Profundidad/Ancho (d/b) es mayor o igual a 10, siendo d la longitud enterrada del
pilote y b el ancho o diámetro del pilote.
5.25. Cimentación Profunda.- Aquella que transmite cargas a capas del suelo
mediante pilotes, pilares u otros elementos que transmitan las cargas no
comprendidas en el numeral 5.26.
5.26. Cimentación Superficial.- Aquella en la cual la relación Profundidad/Ancho
(Df/B) es menor o igual a 5, siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho
o diámetro de la misma.
DEFINICIÓN
Norma E-050. Suelos y Cimentaciones (2018):
¿Cuándo usar Cimientos Profundos?
• Los suelos superiores son débiles y/o las cargas estructurales tan altas que los
cimientos superficiales serían demasiado grandes.
Una buena regla general para los edificios es que los cimientos superficiales dejan de ser
económicos cuando el área total de las zapatas excede aproximadamente una cuarta
parte del área de la huella del edificio.
• Los suelos superiores están sujetos a erosión o socavación. Esto sería especialmente
importante con cimentaciones para puentes.
• La base debe penetrar a través del agua, como las de un muelle.
• Se requiere una gran capacidad de tracción (la capacidad de tracción de un cimiento
superficial se limita a su peso muerto).
• Se requiere una gran capacidad de carga lateral.

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¿Cuándo usar Cimientos Profundos?
• Habrá una futura excavación adyacente a los cimientos y esta excavación socavaría los
cimientos poco profundos.
En algunas de estas circunstancias, una platea de cimentación puede ser apropiada, pero
la alternativa más común es algún tipo de cimiento profundo.
Una cimentación profunda es aquella que transmite una parte o la totalidad de la carga
aplicada a suelos muy por debajo de la superficie del suelo.
Estos cimientos típicamente se extienden a profundidades del orden de 10 a 20 m por
debajo de la superficie del suelo, pero pueden ser mucho más largos, tal vez
extendiéndose hasta 45 m.
Se han utilizado longitudes incluso mayores en algunas estructuras marinas, como las
plataformas de perforación petrolera. Dado que los suelos generalmente mejoran con la
profundidad y este método moviliza un mayor volumen de suelo, las cimentaciones
profundas a menudo pueden soportar cargas muy grandes.
• Pilotes hincados:
Consisten en elementos
estructurales prefabricados
que se clavan en el suelo.
TIPOS DE CIMIENTOS PROFUNDOS

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• Pilotes perforados:
Son un tipo de pilote
vaciado (colado) en el lugar
que se construye
perforando un orificio,
colocando el acero de
refuerzo en el orificio y
luego llenándolo con
concreto.
TIPOS DE CIMIENTOS PROFUNDOS
• Pilotes de barrena: Son
otro tipo de pilote de
vaciado in situ que se
construye con un taladro de
vástago hueco. La lechada
se bombea a través de la
barrena mientras se extrae
del orificio, luego el acero
de refuerzo se coloca en la
lechada fluida. Hay dos
tipos, pilotes de perforación
in situ y pilotes de
desplazamiento perforado
TIPOS DE CIMIENTOS PROFUNDOS

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También está disponible una variedad de otras tecnologías de pilotes. Aunque no se
utilizan tan ampliamente, cada uno de estos métodos especializados tiene sus propias
ventajas únicas que son útiles en determinadas situaciones. Éstas incluyen:
• Pilotes con bombas hidráulicas, que son similares a los pilotes hincados excepto que
el pilote se empuja en lugar de golpear en el suelo.
• Los cimientos inyectados a presión (también conocidas como pilotes Franki) se
construyen golpeando concreto húmedo en un agujero revestido, que forma una base
expandida y compacta los suelos adyacentes.
• Los micropilotes se asemejan a pilotes perforados de muy pequeño diámetro (menor
a 30 o 40 cm).
• Los pilotes helicoidales consisten en tornillos de acero que se aprietan en el suelo.
• Anclajes, que es un término amplio y se refiere a cimientos profundos que están
destinados principalmente a resistir cargas de tracción.
Pilotes
Barrenados
Sin
desplazamiento
Barrena continua
Desplazamiento
medio
Barrena con
desplazamiento
parcial
Alto
desplazamiento
Barrena con
desplazamiento
completo
Pilotes Hincados
Alto
desplazamiento
Madera
De concreto
prefabricado
Tubos con punca
cerrada
Bajo
desplazamiento
Pilotes H
Tubos de Punta
Abierta
Hincados en
Hoyos
preescavados o
inyectados
Pilotes Excavados
Sin
desplazamiento
Excavación sin
Soporte
Hoyo abierto
Excavación con
soporte
Entubado (Casing)
temporal
Entubado (Casing)
permanente
Lleno de lodo
Clasificación de Pilotes (Adaptado de Prezzi y Basu, 2005 y U.S. Army, 1998)

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PARTES DE UN PILOTE
PILOTES HINCADOS
Pilotes prefabricados de
concreto pretensado
Secciones Típicas

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PILOTES HINCADOS
Martillos. IZQ martillo de un acto, DER martillo de dos actos
PILOTES HINCADOS
Cabezal y configuraciones típicas (adaptado de CRSI, 1992).

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PILOTES EXCAVADOS
Barrena con
dientes
endurecidos
Barrena de
enraizamiento
en forma de
espiral
Barril
sacatestigos
Arriba: Barrena de
cangilones; y
Abajo brocas de
percusión de
varios rodillos
(Fuente: ADSC - The International Association of Foundation Drilling).
PILOTES EXCAVADOS
Construcción de un pilote excavado, en seco

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PILOTES EXCAVADOS
Las ventajas:
• Los costos de movilizar y desmovilizar un equipo de perforación son a menudo
mucho menores que los de un martillo.
• El proceso de construcción genera menos ruido y vibración.
• Los ingenieros pueden observar y clasificar los suelos excavados durante la
perforación y compararlos con las condiciones de diseño.
• La longitud del pilote puede cambiar fácilmente durante la construcción para
compensar las condiciones imprevistas del suelo.
• La base puede penetrar a través de suelos con guijarros o cantos rodados,
especialmente cuando el diámetro del pilote es grande. También es posible penetrar
muchos tipos de lecho rocoso.
• Por lo general, es posible sostener cada columna con un eje grande en lugar de
varios pilotes, eliminando así la necesidad de cabezal.
PILOTES EXCAVADOS
Las desventajas:
• El éxito de la construcción depende en gran medida de las habilidades del
contratista.
• El hincado de pilotes empuja el suelo hacia un lado, aumentando así los esfuerzos
laterales en el suelo y generando más capacidad de fricción lateral. Sin embargo, la
construcción del hoyo elimina el suelo , por lo que los esfuerzos laterales permanecen
constantes o disminuyen. Este efecto se compensa, al menos parcialmente, por una
superficie de contacto más rugosa entre el concreto y el suelo y el coeficiente de
fricción correspondientemente más alto.
• El hincado de pilotes densifica el suelo debajo de la punta, mientras que la
construcción del pilote excavado no lo hace. Por lo tanto, la capacidad de carga del
extremo de la unidad en los ejes puede ser menor.
• Las pruebas de carga a gran escala son muy caras.

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CAISSONS
Vista Planta
La palabra Caisson se deriva del francés caisse, que significa cofre o caja. Describe
una caja hueca o cilindro prefabricado que se hunde en el suelo hasta la profundidad
deseada y luego se rellena con hormigón, formando así una base.
Los cajones se han utilizado con mayor frecuencia en la construcción de pilares de
puentes y otras estructuras grandes que requieren cimentaciones debajo de ríos y
otros cuerpos de agua porque los cajones pueden flotar hasta el sitio de trabajo y
hundirse en su lugar.
Vista Corte
C.2. PILOTES: TRASFERENCIA DE
CARGA

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Cimiento
Superficial
Cimiento
Profundo
Suelo
Superficial
Suelo
Profundo
Fricción
Lateral, Ps
Resistencia
Punta, Pt
Comparación de los
Mecanismos de transferencia
de carga en cimentaciones
superficiales versus pilotes
Transferencia de cargas estructurales: (a) cargas axiales de compresión, (b) cargas
axiales tracción y (c) cargas laterales.
(a) (b) (c)

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TRANSFERENCIA DE CARGA AXIAL
Los pilotes transfieren las cargas axiales aplicadas al suelo a
través de dos mecanismos: Por punta y fricción lateral.
La resistencia de punta es el resultado de la compresión carga
entre el fondo del pilote y el suelo, y por lo tanto es similar a la
transferencia de carga desde las zapatas superficiales al suelo
subyacente.
La resistencia a la fricción lateral, es el resultado de la fricción
deslizante a lo largo del perímetro del pilote y la adherencia
entre el suelo y el pilote.
Sea q la resistencia de apoyo de la punta, entonces:
Pt es la carga axial movilizada entre la punta del pilote y el suelo
subyacente y At es el área de contacto de la punta del pilote.
TRANSFERENCIA DE CARGA AXIAL
El valor de f casi siempre varía a lo largo de la pila, ya que el tipo de suelo y las
condiciones de esfuerzos in situ varían con la profundidad.
La resistencia de fricción lateral de la unidad movilizada, f, es la fuerza lateral
transferida desde el pilote al suelo, Ps, por unidad de área de contacto lateral del
pilote, As:
q′ = resistencia neta en la punta
Los pilotes transfieren una carga axial aplicada hacia abajo (o de compresión), P, al
suelo a través de una combinación de punta y fricción lateral:

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ÁREAS DE CONTACTO
Pilotes de Sección Cerrada:
El contacto cimiento-suelo ocurre a lo largo de una superficie bien definida
alrededor de su perímetro.
Esto incluye prácticamente todos los pilotes excepto los pilotes en H y los pilotes de
tubería de extremo abierto. Debido a su geometría simple, es fácil calcular las áreas
de contacto de fricción lateral y de la punta, At y As.
El valor de diseño de At es simplemente el área de la punta del pilote (es decir, el
área de sección transversal sólida), mientras que As para un estrato particular es el
área de la superficie de cimentación en contacto con ese estrato.
Los pilotes de sección cerrada con bases agrandadas, como los pozos perforados
con fresado inferior o las inyectadas a presión, son un poco más complejas. Usamos
el área de la base completa para calcular At, pero consideramos As solo en la parte
recta del eje, ignorando el lado de la ampliación.
ÁREAS DE CONTACTO
Pilotes de Sección Abierta:
Los pilotes de sección abierta (incluidos los pilotes de tubos de
acero de extremo abierto y los pilotes de acero en H) son aquellos
que tienen contactos mal definidos entre la base y el suelo.
Estos contactos mal definidos hacen que sea más difícil calcular
At y As. Cuando se hincan pilotes de tubería de extremo abierto,
inicialmente corta el suelo, y el área de apoyo de la punta, At, es
igual al área de la sección transversal del acero.
Sin embargo, el suelo ingresa al interior de la tubería a medida
que el pilote avanza hacia abajo. En algún momento, la tierra
dentro de la pila se incrusta rígidamente y comienza a moverse
hacia abajo con la pila. Entonces se ha convertido en un tapón de
suelo, y el área de apoyo de la punta se convierte en el área de la
sección transversal del pilote y el tapón de suelo. En otras
palabras, el pilote ahora se comporta casi igual que una tubería
de extremo cerrado.

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ÁREAS DE CONTACTO
Pilotes de Sección Abierta:
En pilotes de tubería de acero de extremo abierto, el tapón de suelo puede
considerarse incrustado rígidamente cuando la relación de empotramiento a
diámetro, D/B, es mayor de 10 a 20 (en suelos cohesivos) o de 25 a 35 (en suelos
sin cohesión).
CAPACIDAD DE CARGA
Hay una serie de enfoques diferentes para determinar la capacidad de carga
nominal de la punta, qn, y la capacidad de fricción del lado de la unidad nominal, fn,
todos son una combinación de teoría y empirismo en diferentes grados.
En términos generales, los métodos se pueden clasificar en tres grupos:
• Pruebas de carga estática, que consisten en construir un prototipo de pilote de
tamaño completo en el sitio del proyecto, aplicar una serie de cargas de prueba y
determinar experimentalmente la capacidad del pilote.
• Métodos de análisis estático, que consisten en calcular las capacidades unitarias
con base en las propiedades del suelo y otros factores.
• Métodos dinámicos, que utilizan un análisis de la cinemática del hincado de
pilotes u otras cargas dinámicas para determinar la capacidad estática del pilote.
Cada método tiene sus propias ventajas, desventajas, incertidumbres y
metodologías, y cada uno es aplicable a situaciones específicas.

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CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE ÚLTIMO
El estado límite último geotécnico (ULS) aborda la transferencia de cargas axiales
del pilote al suelo y la capacidad del suelo para soportar estas cargas.
En otras palabras, estos métodos aplican los valores de Pn y Pu, al proceso de
diseño. Hay dos metodologías para hacerlo: diseño de esfuerzos admisibles (ASD) y
diseño de factor de carga y resistencia (LRFD).
El ULS estructural aborda la capacidad estructural del propio pilote para soportar los
esfuerzos inducidos por la carga estructural. Una vez más, se utilizan los métodos
ASD y LRFD.
CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE ÚLTIMO
Diseño de esfuerzos admisibles (ASD).
𝑃𝑢 =
𝑃𝑛
𝐹𝑆
Factor de Seguridad.
• El tipo e importancia de la estructura y las consecuencias de la falla - Los cimientos
para estructuras críticas, como puentes importantes, deben tener un factor de
seguridad más alto
• El tipo de suelo: utilice un factor de seguridad más alto en suelos cohesivos.
• La variabilidad espacial del suelo. Los perfiles de suelo erráticos son más difíciles de
evaluar y, por lo tanto, justifican el uso de un factor de seguridad más alto.
• La minuciosidad del programa de exploración del subsuelo.
• El tipo y número de pruebas de suelo realizadas.
• La disponibilidad de resultados de pruebas de carga estática y/o dinámica a gran
escala en el sitio o cercanas.
• La probabilidad de que las cargas de diseño ocurran realmente durante la vida útil de
la estructura: es poco probable que algunas estructuras, como los edificios de oficinas,
produzcan las cargas vivas de diseño, mientras que otras, como los tanques,
probablemente lo harán.

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CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE ÚLTIMO
Método de control durante la construcción
Factor de Seguridad
Compresión (1) Tensión
Prueba de Carga Estática con Análisis de Ecuación de Onda 2.00 (2) 3.00 (2)
Prueba de Carga Dinámica con Análisis de Ecuación de Onda 2.25 4.00
Pilotes de Prueba con Análisis de Ecuación de Onda 2.50 5.00
Análisis de Ecuación de Onda 2.75 5.50
Fórmulas de Hinca (3)
3.50 6.00
(1) Hannigan et al. 2006
(2) Si el programa de prueba de carga estática es muy extenso, los factores de
seguridad para cargas hacia abajo y hacia arriba podrían reducirse a
aproximadamente 1.7 y 2.5, respectivamente.
(3) Hannigan y et al. se refiere específicamente a la fórmula de Gates.
CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE DE SERVICIO
Los diseños de pilotes cargados axialmente también deben satisfacer los requisitos del
estado límite de servicio (SLS). El asentamiento es un requisito importante de SLS para
la carga en compresión y el levantamiento para la carga en tensión.
Los valores permitidos deben determinarse utilizando los métodos discutidos en las
clases anteriores, y el diseño debe satisfacer el siguiente criterio:
, asentamiento total. a, asentamiento admisible.

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CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE DE SERVICIO
Movilización de la resistencia.
Ninguna de estas resistencias (punta o fricción) puede desarrollarse sin la
correspondiente deformación (asentamiento) del pilote. Por lo tanto, además de evaluar
las capacidades nominales, también debemos saber algo sobre el asentamiento
requerido para movilizar estas capacidades.
TRANSFERENCIA DE CARGA LATERAL
Carga lateral aplicada a
un pilote
Distribución uniforme de los esfuerzos
cuando la carga lateral es nula. A medida
que aumenta la fuerza cortante, los
esfuerzos laterales aumentan en la dirección
del desplazamiento del pilote y disminuye en
el lado opuesto del pilote.