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SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERA GEOTCNICA A.C.

Anlisis de la estabilidad de perforacin para pilas STABILITY ANALYSIS DURING DRILLING OF BORED PILES

Walter I. PANIAGUA Z.1, Cecilia HERNANDEZ G.2

1 Pilotec, Ciudad de Mxico, Distrito Federal, Mxico. 2 Pilotec, Ciudad de Mxico, Distrito Federal, Mxico.

RESUMEN: Se presenta una descripcin de las herramientas analticas, desarrolladas por diversos autores, con las que se cuenta para el anlisis de la estabilidad de perforaciones para pilas: estabilidad de las paredes con lodo bentontico, y estabilidad del fondo y las paredes con ademes. Se revisan las ventajas y limitaciones de estos mtodos, y se presentan ejemplos de aplicacin de esta problemtica.

ABSTRACT: This paper includes a review of the analytical tools, developed by different authors, for the analysis of the stability of drilling for bored piles: stability of the walls with drilling mud, and stability of the bottom and walls with casings. Advantages and limitations of these methods are mentioned, and examples of the problematic are shown.

1 INTRODUCCION

El diseo y construccin de cimentaciones profundas coladas en el sitio, conocida como pilas de cimentacin, ha tenido un incremento notable en las ltimas dcadas, a nivel mundial. Las herramientas para el diseo, as como los equipos de construccin han presentado avances importantes.

Desde el punto de vista del procedimiento constructivo, las preocupaciones se han enfocado a dos aspectos fundamentalmente: 1) realizar una perforacin estable, durante todo el proceso; y 2) realizar esta perforacin con la mayor eficiencia posible, en tiempo y costo.

En este trabajo se revisan algunas herramientas analticas, que permiten analizar la estabilidad de las perforaciones para pilas, tomando en cuenta las propiedades mecnicas del suelo. Por supuesto, al presentarse variaciones espaciales en la estratigrafa y propiedades, estas herramientas muestran sus limitaciones.

Los procedimientos de clculo presentados, incluyen la posibilidad de incorporar el lodo de perforacin (bentontico, con polmero sinttico, o con lodo espontneo), as como ademes metlicos en una porcin de la longitud de perforacin. Se incluyen algunos ejemplos al respecto.

Al incorporar este tipo de anlisis en la prctica de la construccin de pilas de cimentacin, se complementan los criterios empricos, usados comnmente, y se tiene un mejor conocimiento de los fenmenos involucrados.

2 ESTABILIDAD EN LAS PAREDES DE LA PERFORACIN

Al construir pilas, con ayuda del efecto estabilizador de lodos de perforacin, es necesario analizar previamente, con ayuda de frmulas adecuadas, la factibilidad de que realmente se produzca dicho efecto.

La densidad y columna del lodo interviene directamente en la presin de la columna de lodo que estabiliza las paredes.

Las frmulas de anlisis que aqu se presentan (Schmitter et al, 1976) se desarrollaron con base en la teora de Rankine para el caso de empujes activos en suelos, comparando por un lado el empuje activo del suelo (EA) ms el hidrosttico del agua fretica (EH) contra el empuje hidrosttico del lodo bentontico (EL).

Dado que en todo momento se debe cumplir que: E! > E! + E! (1)

2 Anlisis de estabilidad de perforacin para pilas.


Para asegurar la estabilidad de las paredes de la perforacin, podra entonces definirse un factor de seguridad (FS), como la relacin:

= !! + ! (1) Aplicando esta idea a la estabilidad de

perforaciones circulares, se obtienen las siguientes expresiones:

Suelos friccionantes

FS = ! !! ! + ! ! (2) Suelos cohesivos

FS = ! ! ! + ! ! 4 ! (3) Donde:

L peso volumtrico del lodo

peso volumtrico del suelo

w peso volumtrico del agua

peso volumtrico sumergido del suelo

c cohesin del suelo

ngulo de friccin interna del suelo

Ka coeficiente de empuje activo, segn Rankine

N! = tan! 45 + 2 (4) F! = 1 m! 1 ! (5)

El resto de las variables se definen en la figura 1.

En casos de gran inestabilidad, es posible ademar la parte superior de la perforacin dejando que el lodo bentontico llene el resto.

Se presenta un ejemplo de aplicacin, en el cual se ha supuesto un suelo cohesivo (aplica la ec. 3), con resistencia no drenada de 3 t/m2, peso volum-trico de 1.2 t/m3, nivel de agua superficial de 3 m y profundidad de perforacin de 12 m.

Fig. 1, Definicin de variables para el anlisis de estabilidad de una perforacin (Schmitter et al, 1976).

En la figura 2 se muestra una grfica de la variacin del factor de seguridad de la estabilidad de la perforacin vs la posicin del nivel del lodo estabilizador, representada con la variable n, que es la razn entre la profundidad del lodo, respecto de la profundidad de la perforacin. El clculo se muestra para diferentes valores de peso volumtrico de lodo.

Fig. 2 Factor de seguridad vs altura de lodo bentontico.

Se sealan dos condiciones: n=0.75, con el nivel de lodo coincidiendo con la profundidad del nivel de agua en el suelo, con un factor de seguridad apenas superior a uno; el segundo caso n= 1.0, donde el nivel del lodo se encuentra al nivel de la superficie del suelo, con un factor de seguridad de 2.0. Se hace notar que las curvas son prcticamente iguales para los diferentes valores del peso volumtrico del lodo.

Se concluye que la variable de ms influencia, en la estabilidad de la perforacin, es la altura del lodo dentro de la misma; se debe mantener el lodo de per-foracin en un nivel cercano a la superficie; de lo

Niv

el d

e te

rren

o

Niv

el fr

etic

o

-

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Fact

or d

e S

egur

idad

n= Nivel del lodo / Prof. de la zanja

Peso volumtrico del lodo 1.03 t/m3 1.07 1.05

PANIAGUA W. et al. 3


contrario, es difcil estabilizar la perforacin, inde-pendientemente de las propiedades del lodo.

3 ESTABILIDAD EN EL FONDO DE LA PERFORACIN

La condicin general se muestra en la figura 2 (Ponimatkin, 1996), e incluye la perforacin utilizando ademe metlico y lodo bentontico. Cuando se perfora con ademe, est debe ser hincado, a la mxima profundidad posible, y posteriormente se har la extraccin de slo una parte del volumen de suelo. La parte restante del suelo (tapn), se deja en el fondo para crear presin, que en conjunto con la presin del lodo bentontico, que se vierte durante la perforacin, proporcionara la estabilidad del fondo.

La altura mnima del tapn de suelo y la columna de lodo dentro de la perforacin se pueden determinar con las ecuaciones que se presentan ms adelante, en las que intervienen la posicin del ademe, caractersticas del lodo bentontico, as como las propiedades mecnicas del suelo.

El tapn mencionado anteriormente se retirar durante al terminar la perforacin o cuando el ademe llegue a suelo estable.

Fig. 3, Diagrama de la perforacin donde: (1) y (2) son la superficie y fondo de la excavacin, respectivamente, (3) ademe metlico, (4) tapn de suelo, (5) lodo bentontico, (6) excavaciones vecinas, (7) zona elstica del suelo (Ponimatkin, 1996).

3.1 Condiciones de estabilidad del fondo utilizando ademe y lodo bentontico.

En trminos generales el fondo de la excavacin se considera estable s durante la perforacin el volumen de suelo extrado es igual al volumen del ademe que se retira.

La parte mas delicada para la estabilidad del fondo de la excavacin con ademe es cuando la primera extraccin de suelo termina. Bajo estas circunstancias, ser necesario impedir movimiento en el fondo.

En consecuencia, se formar una zona plstica de un radio limitado R1 en el fondo de la perforacin. El resto del suelo se encuentra en la fase de deformacin elstica, y por lo tanto no se producen deformaciones riesgosas en la superficie del suelo.

Con esta teora, se crea una ecuacin de equilibrio que involucra el empuje del suelo lateral de la excavacin y la suma de empujes tanto del tapn del fondo como de el lodo bentontico, los cuales darn estabilidad al fondo.

Durante el hincado del ademe, se aade la presin del extremo inferior del ademe, a la presin del suelo y a la presin del lodo en la parte inferior, lo que mejora las condiciones de estabilidad. El criterio de estabilidad al hincar el ademe es la ausencia de un aumento en el nivel del fondo de la excavacin y, en consecuencia, del nivel de lodo con respecto a la superficie.

Lo anterior permite la conclusin de que el criterio de estabilidad del fondo de la excavacin es la siguiente desigualdad, conocida como condicin principal:

P! !! (6) PB es la presin del tapn de suelo y el lodo

bentontico y F es la presin mnima del tapn de suelo que dar estabilidad a la zona de suelo plstico.

P! = (!H! + A) exp 2 H! tan 0.5!0.5 A (7)

F = 3P! 1 sin! 4C!cos!3 + sen! (8) Donde:



A = 2C! + R!!2 tan 0.5! (9)

C1 cohesin del tapn de suelo

C2 cohesin del suelo en zona plstica P0 presin total del suelo

R1 radio del ademe metlico

R2 radio en la zona plstica

1 ngulo de friccin del tapn de suelo

2 ngulo de friccin del suelo en zona plstica

coeficiente de empuje del suelo m peso especfico del lodo bentontico

p peso especfico del suelo

Hm altura del lodo bentontico

HP altura del tapn de suelo

n factor de seguridad

c factor de seguridad

La solucin se encuentra por prueba y error utilizando las ecuaciones (6), (7) y (8), a partir de los valores del peso volumtrico del lodo, su posicin dentro de la perforacin.

Si no se cumple la condicin principal (ecuacin 6), se deber aumentar la longitud del tapn del suelo y/o el peso volumtrico del lodo bentontico.

3.2 Condiciones de estabilidad del fondo utilizando nicamente lodo bentontico.

De igual forma considerando la condicin principal: P! = !Z (10) F la presin del suelo lateral

F = C!tan! C!tan! + P!(1 sen!) !! !! C!ctg! 11 ! = 2 sen!1 sen! (12)

Para ! = 0 se simplifica la formula:

F = P! 1 sen! C!cos! (13) En este caso, la solucin se encuentra por prueba

y error utilizando las ecuaciones (6), (10) y (11), a partir de los valores del peso volumtrico del lodo, su posicin dentro de la perforacin, y la relacin R1/R2 0.4.

4 CASOS DE APLICACION

Caso 1. Se conoce el caso de la construccin de pilas de cimentacin, en un relleno hidrulico, figura 4. La posicin del nivel de agua cercana a la superficie, y los rellenos sueltos, motivaron a que la perforacin se hiciera utilizando lodos de perforacin, y colocando un ademe metlico en una porcin de la longitud de la pila.

Durante el proceso de perforacin, se present una falla del fondo, que se comunic a la superficie, figura 5. Se considera que este mecanismo de falla, es similar al propuesto por Vsic, figura 6, pero en sentido inverso.

Fig. 4, Construccin de pilas de cimentacin en relleno hidrulico, utilizando ademe metlico parcial, y lodos.

Fig. 5, Falla de fondo en la perforacin de una pila, comunicada a la superficie.

PANIAGUA W. et al. 5


Fig. 6, Mecanismo de falla para un cimiento profundo, segn Vsic (tomado de Lambe y Whitman, 1981).

Es posible que este tipo de falla se pueda evitar, extendiendo la longitud del ademe metlico dentro de la perforacin, as como incrementando el peso volumtrico del lodo bentontico.

Caso 2. Se realiz la perforacin para pilas de cimentacin, en arenas finas sueltas hasta 1.8 m de profundidad, con nmero de golpes a la penetracin estndar entre 2 y 6. Subyaciendo a la arena fina suelta, se encuentra una unidad de arena fina de color gris oscuro, de compacidad mediana, con nmero de golpes de la penetracin estndar entre 23 y 30, que alcanza hasta 7m de profundidad. Finalmente, bajo la arena gris se encuentra una arena densa con ms de 50 golpes de la penetracin estndar que se extiende hasta la profundidad mxima explorada (30 m).

El objetivo consista en construir pilas de cimentacin de 120 cm de dimetro, hasta 20 m de profundidad. Como primer procedimiento constructivo, se eligi perforacin con sistema de hlice continua (CFA), con doble cabeza rotaria, que permiti instalar un ademe metlico, de forma alternada a la perforacin, hasta la profundidad de desplante, figura 7.

La perforacin se realiz en forma exitosa, conteniendo las paredes con el ademe metlico; sin embargo, al retirar la hlice continua para continuar con la colocacin de acero de refuerzo y concreto, se present una falla de fondo, llenando el interior del ademe con suelo en estado suelto, entre 6-8 m arriba de la profundidad de desplante. Una posible solucin, consista en colocar el ademe metlico por debajo del nivel de desplante; sin embargo, las limitaciones del equipo no lo permitieron.

Despus de intentar sin xito diversas modificaciones al sistema, se opt por cambiar el procedimiento constructivo por perforacin intermitente, utilizando perforadoras con kelly telescpico, y estabilizando la perforacin con lodo bentontico, en toda la longitud, y con ademe metlico los primeros 3 m, figura 8. Con este procedimiento no se tuvieron contratiempos de importancia en la perforacin de pilas. Inclusive, se realizaron pruebas de carga (11 pruebas) y de integridad (al 100% de las pilas, 900 ensayes), con lo que qued demostrada la viabilidad del segundo procedimiento.

Fig. 7, Procedimiento constructivo I: perforacin con hlice continua y ademe, utilizando una cabeza rotaria doble.

Fig. 8, Procedimiento constructivo II: perforacin con Kelly telescpico, lodo bentontico y ademe metlico en una porcin de la perforacin.

Para este caso, en la figura 9 se muestra la variacin del factor de seguridad de la estabilidad de



la perforacin PB/ n/ c, vs la altura del tapn de suelo, representada con la variable Hp, tomada desde el fondo de la excavacin. El clculo se muestra para diferentes ngulos de friccin del suelo.

Fig. 9 Factor de seguridad PB/ n/ c vs altura del tapn de suelo.

Se observa que la variable de ms influencia en la estabilidad del fondo, es la altura del tapn de suelo, siendo el factor de seguridad directamente propor-cional a ste; adems, se insiste en la importancia de mantener el lodo de perforacin en un nivel cercano a la superficie; de lo contrario, es difcil estabilizar la perforacin.

5 CONCLUSIONES

Durante la construccin de pilas de cimentacin, en la etapa de perforacin, la estabilizacin de la misma cobra especial importancia. Tomando en cuenta la necesidad de estabilizar las paredes y el fondo de la perforacin, se puede comentar lo siguiente:

En este trabajo se presentan herramientas analticas desarrolladas por varios autores- para calcular la estabilidad de las paredes de perforacin, y del fondo de la misma. Es posible incluir en el clculo la posicin del lodo bentontico (u otro) y del ademe metlico, en su caso.

Las herramientas estn basadas en conceptos clsicos de mecnica de suelos, y utilizan los

parmetros de resistencia no drenada y ngulo de friccin interna del suelo, adems del peso volumtrico, y las propiedades fsicas del lodo bentontico (peso volumtrico y posicin dentro de la perforacin).

En caso de existir variaciones estratigrficas y/o heterogeneidades importantes, este enfoque se ver limitado. Asimismo, el cuidado en la determinacin de los parmetros se ver reflejado en los resultados obtenidos.

Se considera conveniente utilizar este enfoque, complementado con los criterios empricos, para disear el procedimiento constructivo ms adecuado en cada proyecto.

REFERENCIAS Lambe W. y Whitman R.V. (1981). Mecnica de

suelos, Limusa, Mxico, D.F. Ponimatkin, P.U.(1996), Stability of the bottom and

walls of holes during drilling in weak soils near existing structures, Hydrotechnical Construction, Vol. 30, N 8. Traducido de Gidrotekhnicheshoe Stroitelstvo, N 8 pp.47-50 Agosto 1996.

Schmitter J., Snchez B., Ponce J.A. y Orozco, M. (1976) Accin estabilizadora de lodos bentonticos en cimentaciones. Memorias del Simposio Cimientos Profundos Colados en Sitio, Sociedad Mexicana de Mecnica de Suelos, Mxico.

Angulo de friccin 1=2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Facto

r de

segu

ridad

PB/n/

c

Altura del tapn de suelo Hp, m

30

38

35