Introducción a cimentaciones profundas

INTRODUCCION A LAS FUNDACIONES PROFUNDAS
UFPS OCAÑA PLAN DE ESTUDIO DE INGENIERIA CIVIL Prof. Romel Gallardo A. 1

6. FUNDACIONES PROFUNDAS
Las fundaciones profundas se emplean cuando el suelo superficial no cumple con los requisitos
de capacidad de soporte para la construcción de una cimentación superficial o cuando los
asentamientos calculados son excesivos. Esta situación se presenta cuando se construyen
estructuras de un gran peso cimentadas sobre suelos con una baja capacidad portante (arcillas
blandas o arenas muy sueltas) y se puede encontrar o no un estrato competente o roca (caso
a y b).
Otras condiciones que definen el uso de cimentaciones profundas son:
1. Cuando la cimentación va a estar sometida a fuerzas horizontales, las cimentaciones
profundas resisten por flexión mientras soportan las cargas verticales. Este es el caso de
estructuras de gran altura que están sometidas a fuerzas grandes de viento y/o sísmicas
(caso c).
2. Cuando se encuentran suelos expansivos y colapsables con espesores considerables bajo
la superficie del terreno (caso d).
3. Cimentaciones que pueden estar sometidas a fuerzas de levantamiento (efecto de
subpresión) en estructuras tales como: torres de transmisión, plataformas fuera de la costa
y losas de sótanos debajo del nivel freático (caso e).
4. Los estribos y pilas de puentes se ven sometidos generalmente a efectos de erosión del
terreno bajo ellos, lo cual representaría una pérdida de capacidad de carga en una
cimentación superficial, más no para el caso de una cimentación profunda (caso f)
Figura 1. Condiciones para el uso de Cimentaciones Profundas Tipo Pilotes
En general una cimentación se considera como profunda cuando, por requisitos de diseño, la
profundidad de cimentación, D, es varias veces mayor que el ancho de la cimentación, B. D >
B.

Entre las principales fundaciones profundas se encuentran:
A. Las fundaciones profundas hincadas denominadas comúnmente como pilotes hincados
B. Las fundaciones profundas preexcavadas.
Su utilización depende del suelo de cimentación y de los equipos disponibles.
En una cimentación profunda se analizan dos tipos de fuerzas resistentes como son la
resistencia en el fuste (fricción superficial) y la resistencia en la base. En lo que respecta a la
asignatura Geotecnia el análisis de capacidad portante se realizará al caso de los pilotes.
Entre los pilotes hincados se pueden encontrar pilotes de madera, de concreto y pilotes
metálicos.
Las fundaciones preexcavadas más comunes son los pilotes preexcavados, las pilas y los
caissons. Las pilas difieren de los pilotes en el diámetro de la excavación. En una pila el
diámetro es superior a 30“, y en un pilote es diámetro de la excavación es menor de 30”. La
capacidad portante de la pila se calcula teniendo en cuenta sólo la resistencia en la base y para
su cálculo se puede emplear la teoría utilizada en el diseño de las fundaciones superficiales.
Existen diferentes métodos, teóricos y empíricos, para determinar la capacidad de carga de
una cimentación profunda, pero en realidad todavía no existe un método preciso para evaluar
el comportamiento de este tipo de cimentación debido, entre otros, a lo complejo que puede
resultar su análisis y al manejo de parámetros de diseño como el coeficiente de presión lateral
de tierras y el ángulo de fricción entre el suelo y el pilote los cuales son difíciles de determinar
tanto en el laboratorio como en el campo.
6.1 Tipos de fundaciones profundas
Existen dos tipos de fundaciones profundas como son: las fundaciones profundas hincadas
(Pilotes) y fundaciones profundas preexcavadas (Pilotes preexcavados, Pilas y Caissons). Su
utilización depende del suelo de cimentación y de los equipos disponibles. En el diseño de los
pilotes tiene más importancia la fuerza de fricción del fuste del pilote con el suelo circundante y
en las Pilas y Caissons es más importante la capacidad de carga de la base de la cimentación,
la cual se calcula teniendo en cuenta los métodos de Meyerhof o Hansen.
6.1.1 Fundaciones profundas hincadas (de desplazamiento)
Cuando el estrato de cimentación es muy profundo, la carga de la columna o de la pila se
transfiere a ese estrato por medio de pilotes. Los pilotes son elementos prefabricados de
madera, hormigón o acero o combinados. Dependiendo del tipo de material se pueden tener
pilotes individuales que pueden resistir hasta 1,500kN. Aunque los pilotes comúnmente son
hincados a golpes de martillos diseñados para ese propósito, actualmente se utiliza grandes
vibradores y la inyección de agua a presión, eliminándose el sistema de golpes a martillo. Los
pilotes se introducen a determinada profundidad dentro de la roca o suelo y el conjunto de
pilotes llegan a una base de hormigón armado denominado cabezote o dado. Teniendo la
forma y el tamaño del cabezote, sea aislado o continuo, se diseñará estructuralmente en forma
semejante a la zapata apoyada directamente sobre el terreno con la diferencia de que en este
caso, en lugar de cargas uniformemente repartidas, se tienen cargas concentradas
representadas por cada pilote.
Los pilotes se deben diseñar para que resistan el transporte y el hincado y deben soportar la
carga tanto en su base como en cualquier parte de su estructura. Deben estar provistos de
sistemas de protección en la punta y en la corona para resistir los golpes durante el proceso de
hincado.

6.1.1.1 Pilotes de madera
El pilote de madera es el más económico, pero, para una misma carga axial, generalmente se
necesitarán un mayor número de pilotes de madera que de concreto y por tanto la base o
zapata también será mayor.
Figura 2. Pilote en madera
La carga admisible que puede resistir es de 200kN y dependen del diámetro del pilote y la
clase de madera a emplear. Estos pilotes son vulnerables al hincado y necesitan tratamiento
para evitar su descomposición temprana. La longitud puede ser hasta de 20 m.
6.1.1.2 Pilotes de hormigón
Estos pilotes pueden ser prefabricados o fundidos in situ.
Un pilote de hormigón puede tener una mayor longitud que un pilote en madera y no tiene
problemas de corrosión como en el caso de los pilotes metálicos.
El diámetro del pilote varía de 12” a 24” para pilotes de sección rectangular con armadura de
refuerzo y longitudes hasta de 10m.
Para pilotes preesforzados se pueden lograr longitudes de hasta de 20m.
Ventajas:

1. Pueden ser sometidos a hincado de alto impacto.
2. Son resistentes a la corrosión.
3. Pueden combinarse fácilmente con una superestructura de concreto.
Desventajas:
1. Para los prefabricados es difícil cortarlos a una medida precisa.
2. Son difíciles de transportar.
6.1.1.3 Pilotes metálicos
En edificios altos de gran peso se emplean pilotes de acero, los cuales pueden ser a base de
tubos (con extremos abiertos o cerrados) o de perfiles H laminados, que se introducen en la
roca. Con estos pilotes se alcanza más fácilmente una mayor profundidad que con los pilotes
de hormigón o madera. Cuando el pilote debe penetrar a través de grava densa, lutitas y roca
blanda se les adaptan puntas o zapatas de hincado.
Aunque los pilotes de acero son mucho más costosos, su costo está justificado en los grandes
edificios, que suelen representar una importante inversión financiera.
Los pilotes también pueden ser construidos en tubería metálica llena de concreto con
diámetros de 8” a 30” con una longitud hasta de 30 m.
Ventajas:
1. Se pueden adaptar fácilmente a la longitud deseada.
2. Pueden resistir altos esfuerzos de hincado.
3. Pueden penetrar en estratos duros tales como grava densa y roca blanda.
4. Poseen alta capacidad de carga.
Desventajas:
1. Relativamente costosos.
2. Contaminación acústica durante el hincado.
3. Sujetos a la corrosión.
4. Los pilotes H pueden pandearse durante el hincado.
6.1.2 Fundaciones profundas preexcavadas (o perforados)
Dependiendo del sistema constructivo este tipo de fundación se puede dividir en Pilotes
preexcavados y Pilas.

6.1.2.1 Pilotes preexcavados
En algunas ocasiones sucede que cuando se desea llegar al nivel de cimentación existe la
necesidad de atravesar un estrato intermedio que contiene grava gruesa dificultando la
operación de la maquinaría de pilotaje y muchas veces no pueden llegar a la profundidad
deseada al chocar con una roca demasiado grande. En estas condiciones la mejor opción es
construir pilotes preexcavados, los cuales son fundamentalmente fundaciones profundas
construidas fundiendo concreto en un hueco excavado con un equipo de perforación con el
propósito de transmitir la carga a niveles profundos. A menudo se les construyen ampliaciones
en la punta en forma de campana (cimentación acampanada) para aumentar su área de
contacto y por consiguiente su capacidad de carga.
6.1.2.2 Pilas
Existen diferencias fundamentales entre las pilas y los pilotes, entre las cuales se tienen:
1. La pila tiene un diámetro superior a 30” o 0.76 m y el pilote menor a 30”.
2. Una sola pila puede reemplazar a un conjunto de pilotes.
3. Las pilas se funde en un hueco preexcavado en forma manual.
2. El pilote preexcavado se hinca mediante el empleo de equipos de perforación.
3. La capacidad portante de la pila trabaja teniendo en cuenta sólo la capacidad de carga en
la base y para su cálculo se puede emplear la teoría utilizada en las fundaciones
superficiales.
4. La capacidad portante del pilote considera la resistencia en el fuste y en la base del pilote.
5. El empleo de pilas requiere la utilización de una canasta de refuerzo en la zona superior la
cual se encarga de disipar los momentos transmitidos por la estructura hasta una
profundidad igual a L/2. Después de L/2 los cambios de temperatura no son considerables
y se puede obviar el refuerzo por temperatura.
6. La construcción de pilas requiere que la profundidad del estrato de cimentación no sea muy
profundo.
Existen dos sistemas constructivos básicos para la construcción de las fundaciones profundas
preexcavadas las cuales son: mediante el hincado de camisas metálicas y mediante el empleo
de lechada o suspensión mineral.
Las pilas también pueden ser construidas mediante el empleo de cajas prefabricadas de
concreto reforzado, generalmente denominado Caissons. Este término se utiliza para referirse
a los anillos prefabricados de concreto en forma de cajones
Los anillos son enterrados en el sitio por sistemas de excavación manual en su interior. Las
anillos se utilizan como un recubrimiento de la excavación lo cual da lugar para que los
trabajadores puedan hacer la excavación manualmente y se pueda inclusive utilizar dinamita
para romper y sacar las rocas grandes que dificultan la excavación.
Este sistema es utilizado especialmente para trabajar bajo agua con sistemas de bombeo
continuo para realizar la excavación. Como la excavación se realiza por métodos manuales,
hace de está una actividad riesgosa especialmente cuando se requiere equipos para controlar
el nivel del agua.

El sistema constructivo consiste en hacer una excavación generalmente de 1m de profundidad
e introducir en la excavación un anillo de concreto para de esta forma poder seguir con la
excavación hasta llegar a la profundidad deseada. Posteriormente se funde el fondo para
conformar la superficie de cimentación.
Para la construcción se requiere que los cajones sean lo suficientemente pesados para que se
hundan por su propio peso (la fricción lateral debe ser menor que el peso del Caisson).
Debido a los costos de mano de obra y el riesgo para los trabajadores este sistema no es muy
recomendado.
6.2 Clasificación de los pilotes basada en el procedimiento de instalación
1. Gran Desplazamiento: Corresponden a pilotes hincados y fundidos in situ, a pilotes de
concreto reforzado o preesforzado, prefabricados e hincados y a pilotes de madera.
En estos pilotes el suelo que ocupa el pilote una vez hincado es desplazado totalmente
hacia abajo y a los lados. Lo anterior permite una densificación del material en los
alrededores del pilote.
2. Pequeño Desplazamiento: Ejemplos de estos pilotes son las secciones de acero laminado
(pilotes H), los atornillados de punta helicoidal y los tubos y secciones huecas con extremo
abierto, que permiten remover el suelo durante la penetración.
Al ser hincados realizan desplazamiento de material pero debido a su configuración el
volumen de material desplazado es bajo.
3. Sin Desplazamiento: Corresponden a pilotes perforados pre-excavados y fundidos in situ.
6.3 Funciones de los pilotes
1. Pilote de Punta: Transmite cargas a través de agua o suelos blandos hasta estratos con
suficiente capacidad portante, por medio del soporte en la punta del pilote.
2. Pilote de Fricción, Flotante: Transmite cargas a un cierto espesor de suelo relativamente
blando mediante fricción desarrollada sobre la superficie lateral del pilote, a lo largo de la
longitud del mismo. Utilizado cuando no se encuentran estratos para proveer suficiente
soporte en la punta.

Figura 3. Pilotes de Punta y de Fricción
3. Pilote de Fricción Compactación. Compacta suelos granulares relativamente sueltos incrementando
su compacidad y por ende su capacidad de carga por fricción y por punta.
Figura 4. Pilote de Fricción Compactación.
4. Pilotes de Tensión. Les permite evitar el desplazamiento hacia arriba de estructuras sometidas a
fuerzas de levantamiento (presión hidrostática), o al trabajar conjuntamente con pilotes a
compresión, configurar mecanismos resistentes a momentos de volcamiento sobre la fundación,
como los producidos por cargas actuantes en la parte superior de estructuras de gran altura.
Figura 5. Pilote de Tensión
5. Pilotes de Anclaje. Configuran mecanismos de anclaje resistentes a empujes horizontales de
tablestacados u otras estructuras. Usualmente están combinados pilotes a tensión y compresión.

Figura 6. Pilote de Anclaje
6. Pilotes Inclinados. En un pilote inclinado la componente horizontal de la capacidad axial de carga
del pilote se puede aprovechar para resistir fuerzas horizontales.
Figura 7. Pilotes Inclinados
6.4 Capacidad de carga en cimentaciones profundas
En la norma NSR-10 en lo referente a cimentaciones con pilotes se establece lo siguiente:
 “La capacidad de un pilote individual debe evaluarse considerando separadamente la
fricción lateral y la resistencia por la punta con las teorías convencionales de la mecánica
de suelos…”
 Además en la NSR-10 en el numeral H.4.4 se establece para pilotes al igual para las
cimentaciones superficiales el diseño tanto para el estado límite de falla como para el
estado límite de servicio. En el primero “se deberá verificar que la cimentación diseñada
resulte suficiente para asegurar la estabilidad de la edificación en alguna de las siguientes
condiciones:”
a) Falla del sistema suelo-zapatas, o suelo-losa de cimentación, despreciando la
capacidad de los pilotes.
b) Falla del sistema suelo-pilotes, despreciando la capacidad del sistema suelo-zapatas o
suelo-losa, para lo cual debe considerarse que la carga de falla del sistema es la menor
de los siguientes valores: 1) suma de las capacidades de carga de los pilotes
individuales; 2) capacidad de carga de un bloque de terreno cuya geometría sea igual a
la envolvente del conjunto de pilotes; 3) suma de las capacidades de carga de los
diversos grupos de pilotes en que pueda subdividirse la cimentación, teniendo en
cuenta la posible reducción por la eficiencia del grupo de pilotes…”.
Para el Estado Límite de Servicio “los asentamientos de cimentaciones con pilotes de fricción
bajo cargas de gravedad se estimarán considerando la penetración de los mismos y las
deformaciones del suelo que los soporta, así como la fricción negativa…”, “…para pilotes por
punta o pilas los asentamientos se calcularán teniendo en cuenta la deformación propia bajo la
acción de las cargas, incluyendo si es el caso la fricción negativa, y la de los materiales bajo el
nivel de apoyo de las puntas…”.
6.4.1 Análisis Estático de Carga Última.

La capacidad individual de carga del pilote debe evaluarse considerando separadamente la
resistencia última en el fuste del pilote (fricción lateral) y la resistencia en la base del pilote
(resistencia en la punta), así:
Qu= Qfu+Qbu-W+m*D*Ab
Donde:
Qu= Capacidad de carga última individual del pilote.
Qfu = Resistencia última en el fuste del pilote.
Qbu= Resistencia última en la base del pilote.
W= Peso del pilote.
Qm= m*D*Ab = Carga de suelo previamente soportada a nivel de base.
Figura 8. Análisis estático
Normalmente los dos últimos términos de la ecuación de capacidad de carga última de un
pilote se consideran similares y se anulan. De acuerdo a lo anterior la capacidad de carga
última estará dada por:

6.4.2 Mecanismo de transferencia de carga
Figura 9. Mecanismo de Transferencia de carga en pilotes
a) La carga sobre el pilote se incrementa gradualmente de cero a Q en z=0 (superficie del
terreno). Parte de esta carga es resistida por la fricción lateral, Q1, desarrollada a lo largo
del fuste y parte por el suelo debajo de la punta, Q2.
b) La variación de la carga Q(z), tomada por el fuste del pilote a cualquier profundidad z, se
representa según la curva 1 de la figura anterior.
c) La resistencia por fricción por área unitaria a cualquier profundidad z se determina como:
d) Si la carga Q en la superficie del terreno se incrementa gradualmente, la resistencia
máxima por fricción a lo largo del fuste del pilote será totalmente movilizada cuando el
desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea aprox. de 5 a 10 mm, independiente
del tamaño y de su longitud L. La resistencia máxima de punta (Qp) no será movilizada hasta
que la punta del pilote se desplace de 10 a 25% del ancho (o diámetro) del pilote. (El límite
inferior se aplica a pilotes de gran desplazamiento y el superior a pilotes sin desplazamiento).
e) Bajo carga última, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote se da por
Punzonamiento. Es decir, se desarrolla una zona triangular, I, en la punta del pilote, que es
empujada hacia abajo sin producir ninguna otra superficie visible de deslizamiento. En
suelos de arenas densas y suelos arcillosos firmes se desarrolla parcialmente una zona
cortante radial, II.

6.4.3 Capacidad de Carga de la Punta, Qp.
La capacidad de carga en la punta (base) del pilote se puede determinar con las ecuaciones para
determinar la capacidad de carga de fundaciones superficiales de Meyerhof o Hansen.
Cuando L/d>4 Meyerhof recomienda usar Nc= 9.
El tercer término de la expresión usualmente presenta valores pequeños y se despreciable.
Entonces, la carga última de la base del pilote puede expresar como:
La carga de punta del pilote es:
Donde: Ap = área de la punta del pilote.
c’ = cohesión del suelo que soporta la punta del pilote.
qp = resistencia unitaria de punta.
= esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote.

6.4.4 Resistencia por fricción, Qs.
La resistencia última en el fuste del pilote, Qfu = Qs, puede ser evaluada por integración del
esfuerzo cortante (que representa la fricción en el fuste) sobre el área del fuste.
Donde
P= Perímetro del pilote.
i= Esfuerzo cortante entre el pilote y el suelo.
L= Longitud del fuste del pilote.
Figura 10. Capacidad individual de carga del pilote
Lo anterior también se puede expresar como:
Donde p = perímetro de la sección del pilote.
ΔL = longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes.
f = resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z ()

6.5 Métodos para calcular la capacidad de carga en punta, Qp
6.5.1 Método de Meyerhof (1976).
6.5.1.1 Suelos sin Cohesión.
La capacidad de carga de pilotes en arenas crece con la profundidad de empotramiento, hasta un
máximo a una relación de empotramiento Lb/d = (Lb/d)cr. Para suelo homogéneo Lb=L. Más allá de la
relación de empotramiento crítico, el valor de qp permanece constante. Ver Figura 11.
Figura 11. Variación de la Resistencia Unitaria de Punta en arena homogénea
(Ver Figura 12)
Figura 12. Variación de los valores máximos de Nq’ con ’ (según Meyerhof, 1976)
La resistencia en punta no debe exceder de:

Donde pa = presión atmosférica (=100 KPa o 2000 lb/pie2
)
Φ’ = ángulo efectivo de fricción del suelo del estrato de apoyo.
A partir del Ensayo de Penetración Estándar SPT.
(En suelo granular homogéneo con L=Lb)
Donde (N1)60 = valor promedio corregido del N del ensayo SPT cerca de la punta del pilote
(Aproximadamente 10d arriba y 4d debajo de la punta del pilote)
6.5.1.2 Suelos Cohesivos (=0). Arcillas Saturadas en condiciones No Drenadas.
Donde cu = Su = Cohesión No Drenada o Resistencia al Cortante No Drenada del suelo
debajo de la punta del pilote.
6.5.2 Método de Vesic (1977).
Para estimar Qp propuso un método basado en la teoría de expansión de cavidades. De acuerdo a
esta teoría basada en parámetros de esfuerzos efectivos, se tiene:
Donde = esfuerzo efectivo normal medio del terreno al nivel de la punta del pilote
=
Ko = coeficiente de presión de tierra en reposo =
De acuerdo con la teoría de Vesic,
Con Irr = índice de rigidez reducida para el suelo.

Δ = deformación volumétrica unitaria promedio en la zona plástica debajo de la punta del
pilote.
Para el caso en que no hay cambio de volumen (arena densa o arcilla saturada), Δ=0, luego Irr = Ir
En la Tabla 1 se puede obtener los valores de y .

Tabla 1. Valores de y .

Tabla 1 (Continuación)

Tabla 1 (Continuación)
Los valores de Ir se pueden aproximar de acuerdo al tipo de suelo:
Tipo de suelo Ir

Arena 70 – 150
Limos y Arcillas (condición drenada) 50 – 100
Arcillas (condición no drenada) 100 - 200
Tabla 2. Índice de rigidez del suelo
6.5.3 Método de Coyle y Castello (1981) para estimar Qp en arenas.
Los valores de se pueden obtener mediante la Figura 13.
Figura 13. Variación de con L/d (según Coyle y Castello, 1981)
6.5.4 Otras correlaciones para calcular Qp con los resultados del SPT.
Shioi y Fukui (1982)
Pilote perforado, arena
Pilote perforado, arena gravosa
Pilote hincado, todos los suelos.

Tener en cuenta que N60 es el promedio cerca de la punta del pilote (4d abajo y 10d arriba de la
punta del pilote)
6.6 Métodos para calcular la capacidad de carga por fricción, Qs
6.6.1 En Arenas.
Figura 14. Resistencia por fricción unitaria para pilotes en arena.
6.6.1.1 Ecuación Básica de la Mecánica de suelos
La profundidad crítica L’ es de entre 15 y 20 veces d. Se puede tomar L’ = 15d.
Donde, K = coeficiente de presión efectiva de tierra.
= Esfuerzo vertical efectivo a la profundidad bajo consideración.
 = ángulo de fricción entre suelo y pilote.
El coeficiente K varía con la profundidad así:

 Es igual a Kp de presión pasiva de Rankine = en la parte superior del pilote.
 Es menor que Ko de presión en reposo a una profundidad mayor.
Se pueden utilizar los valores de la Tabla 3.
Tipo de pilote K
Perforado con o sin chiflón
Hincado, de bajo desplazamiento. a 1.4
Hincado, de alto desplazamiento. a 1.8
Tabla 3. Valores del coeficiente de presión de tierras
El Valor de K también se puede determinar con la Figura 15.
Figura 15. Relación entre la Densidad Relativa y el Coeficiente de presión de Tierra, K
Para determinar  se puede utilizar la relación de Bhusan (1982) para pilotes de gran
desplazamiento:
, con Dr = densidad relativa (%)
También se puede utilizar la siguiente tabla para los valores de 
Material del Pilote 
Concreto liso 0.75’
Concreto rugoso 0.80’
Acero liso 0.70’
Acero rugoso 0.75’
Madera 0.75’
Tabla 4. Valores de  para diferentes tipos de pilotes hincados

6.6.1.2 Según Coyle y Castello (1981), propusieron que:
Donde, = presión de sobrecarga efectiva promedio
 = ángulo de fricción entresuelo y pilote = 0.8’
K = coeficiente de presión lateral de tierra, Figura 16.
Figura 16. Variación de K con L/d (según Coyle y Castello, 1981)
6.6.1.3 Correlación con resultados de pruebas de penetración estándar.
a) Meyerhof (1976).
Para pilotes hincados de gran desplazamiento.
Para pilotes hincados de bajo desplazamiento.
b) Briaud y otros (1985).
En un suelo muy homogéneo se puede tomar el valor medio del N60 y así
6.6.2 En Arcillas

6.6.2.1 Método  de Vijayvergiya y Focht (1972)
Donde, = esfuerzo vertical medio para toda la longitud de penetración.
cu = resistencia cortante media no drenada (Φ=0)
 = varía con la profundidad de la penetración del pilote. Figura 17.
Figura 17. Variación de  con la longitud de penetración de un pilote (según McClelland, 1974)
Cuando se tienen suelos estratificados se debe realizar lo siguiente, teniendo en cuenta la
Figura 17):

Figura 18. Aplicación del método  en suelo estratificado
6.6.2.2 Método 
 (Randolph y Murphy,1985)
Donde,  = factor empírico de adhesión. Figura 19.
Figura 19. Variación de  con

6.6.2.3 Coduto (1994)
Figura 20. Relación del factor  y Cu en pilotes pre-excavados (Coduto 1994)
Figura 21. Relación del factor  y Cu en pilotes hincados (Coduto 1994)
6.6.2.4 Método .
La resistencia unitaria por fricción en el pilote se determina con base en los parámetros de
esfuerzo efectivo de la arcilla en un estado remoldeado (c’=0).
Donde, = Esfuerzo vertical efectivo.

 = KtanR
R = ángulo de fricción drenada de la arcilla remoldeada.
K = coeficiente de presión de tierras.
para arcillas normalmente consolidadas.
para arcillas preconsolidadas.
6.7 Capacidad de carga neta y admisible de punta
El factor de seguridad recomendado por el manual NAVFAC DM-7.2 (1982) es de 2.0 para
cargas transitorias y de 3 para cargas permanentes.
De acuerdo a la NSR-10 en el numeral H.4.7.1 Tabla H.4.7-1 los factores de seguridad
indirectos mínimos para capacidad portante de punta de cimentaciones profundas es:
Condición
FS indirecto para capacidad portante
mínimo (Diseño)
Carga Muerta + Carga Viva Normal 3.0
Carga Muerta + Carga Viva Máxima 2.5
Carga Muerta + Carga Viva Normal + Sismo
de Diseño Seudo estático.
1.5
Tabla 5. Factores de Seguridad indirectos mínimos
6.8 Asentamiento elástico de pilotes
El Asentamiento total de un pilote bajo una carga de trabajo vertical Qw, está dado por:
Donde = asentamiento elástico del pilote.
= asentamiento del pilote causado por la carga en la punta del pilote.
= asentamiento del pilote causado por la carga transmitida a lo largo del
fuste del pilote.
Donde Qwp = carga en la punta del pilote bajo condición de carga de trabajo.
Qws = carga por resistencia de fricción bajo condición de carga de trabajo
Ap = área de la sección transversal del pilote
L = Longitud del pilote.

Ep = módulo de elasticidad del material del pilote.
ε = coeficiente de distribución de la resistencia por fricción unitaria a lo largo del
fuste. Para distribución de f uniforme y parabólica ε=0.5 y ε=0.67 para
distribución triangular.
Donde d = ancho o diámetro del pilote.
qwp = carga puntual por área unitaria en la punta del pilote = Qwp/Ap
Es = módulo de elasticidad del suelo en o bajo la punta del pilote.
μs = relación de Poisson del suelo.
Iwp = factor de influencia = 0.85
De acuerdo a Vesic (1977) se puede obtener Se(2) con la siguiente ecuación:
Donde qp= resistencia última en la punta del pilote.
Cp = coeficiente empírico. Tabla 5.
Tipo de suelo Pilote hincado Pilote perforado
Arena (densa a suelta) 0.02 – 0.04 0.09 – 0.18
Arcilla (firme a blanda) 0.02 – 0.03 0.03 – 0.06
Limo (denso a suelto) 0.03 – 0.05 0.09 – 0.12
Tabla 6. Valores típicos de Cp
Donde p = perímetro del pilote.
L = longitud de penetración del pilote.
Iws = factor de influencia = (Vesic, 1977)
Una expresión de Vesic (1977) para Se(3) es:
Donde Cs = constante empírica =

6.9 Fricción Negativa.
La fricción negativa es una fuerza de arrastre hacia abajo ejercida sobre el pilote por el suelo
circundante, lo cual ocurre bajo condiciones tales como:
1. Al colocar un relleno de material arcilloso sobre un suelo granular y, en estos se hinca un
pilote, el relleno se consolidará gradualmente; esto ejercerá una fuerza de arrastre sobre el
pilote (Figura 22 a) durante el periodo de consolidación.
2. Si se coloca un relleno de suelo granular sobre un estrato de arcilla blanda (Figura 22b),
inducirá el procesos 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.
Figura 22. Fricción negativa
Se debe evaluar la fricción negativa dado que en algunos casos la fuerza de arrastre es
excesiva y ocasionará falla de la cimentación.
Para las situaciones 1 y 2 se tienen dos métodos tentativos para el cálculo de la fricción
negativa.
6.9.1 Caso 1: Relleno de arcilla sobre suelo granular
De manera similar al método , el esfuerzo superficial negativo (hacia abajo) sobre el pilote
esta dado por:
Donde, K’ = Ko = 1-sen’ = coeficiente de presión de tierra
= esfuerzo vertical efectivo a cualquier profundidad z en el relleno arcilloso.
 = ángulo de fricción suelo-pilote  0.5-0.7’

La fuerza de arrastre total sobre el pilote será.
Donde, Hf = Altura del relleno
= peso específico efectivo del relleno.
Si el relleno se encuentra arriba del nivel freático, el peso específico efectivo, debe ser
remplazado por el peso específico húmedo.
6.9.2 Caso 2. Relleno de suelo granular sobre arcilla.
Para este caso el esfuerzo de fricción negativa existe de z=0 a z=L1, y se denomina
profundidad neutra. La profundidad neutra se define como (Bowles, 1982)
Donde, ’f y ’ = pesos específicos efectivos del relleno y del estrato de arcilla
subyacente, respectivamente
Para pilotes de punta, la profundidad neutra se supone localizada en la punta del pilote (es
decir, L1 = L – Hf).
La fricción negativa unitaria a cualquier profundidad desde z=0 a z=L1 es:
Donde, K’ = Ko = 1-sen’ = coeficiente de presión de tierra
= ’fHf+’z esfuerzo vertical efectivo a cualquier profundidad z en la arcilla
 = ángulo de fricción suelo-pilote  0.5-0.7’
Si el suelo y el relleno están arriba del nivel freático, los pesos específicos efectivos deben
reemplazarse por pesos específicos húmedos. En algunos casos los pilotes se recubren
con material bituminoso en la zona de arrastre para evitar este problema.

CIMENTACIONES PROFUNDAS
Ejemplo 1: Pilote en Arena (C = 0)
Un pilote de concreto tiene 16 m de longitud (L) y la sección transversal de 410 mm x
410 mm. El pilote se encuentra embebido en una arena para la cual y
calcule le carga de punta última , por medio de:
a. El método de Meyerhof
b. El método de Vesic. Tomar
Solución:
Parte a.
Para (de la figura 12)
(A nivel de la punta)
Verificación:
Parte b.
De la tabla 1 con y

Parte c.
Ejemplo 2: Pilote en Arena
Para el pilote del ejemplo 1 determinar la resistencia por fricción y evaluar la
capacidad de carga admisible del pilote con . Tomar y
Solución:
Para arena homogénea en los 16 m de longitud del pilote se
tiene
Parte a. Ecuación Básica

Parte b.
Parte c.
Parte d.
Ejemplo 3: Pilotes en Arcillas Estratificadas
Un pilote tubular hincado en arcillas como se muestra en la figura tiene un diámetro
exterior de 406 m y un espesor de pared de 6.35 mm
a. Calcule la capacidad de carga de punta por Meyerhof
b. Calcule la resistencia por fricción por el método . Tomando para todos
los estratos de arcilla Los 10 m superiores de arcilla, esta es
normalmente consolidada. El estrato inferior de arcilla tiene una tasa de
preconsolidacion “OCR” de 2
c. Estime la capacidad admisible del pilote con

Solución:
a. La capacidad de carga de punta en un suelo cohesivo de acuerdo a
Meyerhof (1973) es:
b. Método :
Se determina para el nivel de cada estrato de arcilla:
Z = 0 m
Z = 5 m
Z = 10 m
Z = 30 m

Dado que el perfil de suelo es estratificado se tiene que
Prof. (m)
Prof.
Prom.
(m)
c. Método :
Como se tiene un suelo con un variable se determina un promedio ponderado de
este parámetro:
Valor promedio de : (del diagrama de se tiene):
Valor : Figura 16: Para

d. Método :
Estratos superiores desde a la arcilla es NORMAMENTE
CONSOLIDADA
Estrato 1:
Estrato 2:
Estrato 3:
e.

Ejemplo 4: Asentamiento Elástico de Pilotes
Un pilote de concreto preesforzado precolocado de 12 m de largo esta hincado
completamente en una capa de arena homogénea . El pilote es de sección
transversal cuadrada y sus lados miden 305 mm. El de la arena es y
la carga de trabajo admisible es de . Si son
contribuidos por la resistencia a la fricción y por la carga de punta, determine
el asentamiento elástico del pilote. Use
y
Solución:
(Asentamiento
elástico del
pilote)

(Asentamiento causado por la carga en la punta del
pilote)
(Asentamiento causado por la carga transmitida
por fricción)
Ejemplo 5: Fricción negativa relleno granular sobre estrato arcilloso
Para un pilote hincado en una bahía con el perfil estratigráfico de la figura, determinar
la carga debida a la fricción negativa. El pilote trabaja por punta descansando sobre
roca. Tomar

Solución: Corresponde al caso 2
Ejemplo 6: Fricción negativa. Relleno arcilloso sobre suelo granular
De acuerdo a la figura se tiene . El pilote es circular en sección transversal
con un diámetro de para el relleno de arcilla que esta arriba del nivel
freático, y Determinar la fuerza total de arrastre. Use

Solución:
Ejemplo 7: Fricción negativa. Relleno granular sobre suelo arcilloso
Para la figura
y . El nivel freático coincide con la parte superior del estrato de arcilla.
Determine la fuerza de arrastre. Suponga
Solución:

a. Se determina la profundidad del nivel neutro :
Se tomo en vez de porque el relleno se encuentra sobre el N.F
b.
Ejemplo 8: Pilotes en suelo arcilloso
Calcular la carga admisible de un pilote de de diámetro, el cual se hincara
en un deposito de arcilla de gran espesor. La arcilla presenta un estrato superior
de con y en el estrato inferior un
respecto a la carga ultima inmediata del pilote
Solución:Utilizando el método de se tiene:
a. :
Esfuerzos Efectivos:

Z = 0 m
Z = 10 m
Z = 20 m
Dado que el perfil de suelo es estratificado se tiene que
Prof.
(m)
Prof. Prom.
(m)
b.
c.
Ejemplo 9: Pilotes en arena. Con resultados SPT
Un pilote de acero liso de de diámetro y de de longitud es hincado en un
deposito de arena gruesa. Calcular la capacidad de carga ultima del pilote utilizando
las ecuaciones teóricas y las ecuaciones empíricas de Meyerhof, basadas en el ensayo
SPT. El nivel freático se encuentra a de profundidad. El peso unitario saturado
de la arena es de
En el ensayo SPT se encontraron los siguientes resultados:

N 10 15 20 25 30 30
Z (m) 0 - 4 4 - 8 8 - 12 12 - 16 16 - 20 20 - 25
Solución:
a. Utilizando ecuaciones teóricas: Se debe definir el en función del N del
SPT con la ecuación Peck, Hanson y Thornburn (1974)
Z (m)
N
(golpes/pie)
K
( )
0-4
4-8
8-12
12-16
16-20
20-25
10
15
20
25
30
30
30.05º
31.5º
32.9º
34.3º
35.61º
35.61º
0.55
0.60
0.65
0.70
0.74
0.74
21.04º
22.05º
23.03º
24.01º
24.93º
24.93º
0.38
0.41
0.43
0.45
0.46
0.46
36
108
160
192
224
-
28.83
101.81
171.37
231.76
292.19
∑=825.96
1. Resistencia en el fuste:
y entre
a para acero liso
Los datos se recopilan en la tabla anterior
Se determina

En este caso la arena no es homogénea, luego realizo el mejor cálculo por capas
homogéneas. Ver tabla.
2. Resistencia ultima de punta (en la tabla) con la ecuación de Meyerhof se
tiene:
Se calcula para un
Se toma para entre y
Ahora
Como
Por Vesic:
Para un y
Para
Para

3. Capacidad de carga ultima:
b. Utilizando ecuaciones basadas en resultados del SPT:
Z N
0-4
4-8
8-12
12-16
16-20
10
15
20
25
30
20
30
40
50
60
75.40
113.10
150.80
188.50
226.20
∑ = 754 kN

Ejercicio 1 (Bowles):Estimar la longitud del pilote requerida para soportar una carga
axial de por el sistema suelo – pilote mostrado en la figura. El tubo de
de diámetro será llenado con concreto antes de cargarlo. Utilizar
1. Determinar:
a. Determinar por el método
b. Determinar por Meyerhof
Rta:
2. Determinar:
a. Determinar por el método
b. Determinar por Meyerhof
Rta:
Ejercicio 2: Un pilote cuadrado de concreto reforzado con de lado se hinca en
un manto de arena relativamente homogéneo hasta una profundidad de el nivel
freático se encuentra en la superficie del terreno.

Los valores medios de N del SPT son los de la siguiente tabla. Determinar la
capacidad de carga última y admisible.
Prof. (m) N (SPT)
Presión de
sobrecarga
1.5
3.0
4.5
6.0
7.5
9.0
10.5
12.0
4
6
6
8
10
12
14
14

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