La etapa de investigación de la capacidad portante y el control de calidad es un pilar determinante para la seguridad y la viabilidad económica de cualquier proyecto de ingeniería civil.
En este contexto, los ensayos geotécnicos aplicados a las fundaciones actúan como instrumentos para validar el desempeño de los elementos estructurales in situ.
Más que una simple verificación, estos ensayos permiten confrontar las premisas establecidas durante la fase de diseño con la respuesta real del sistema fundación-suelo, garantizando el cumplimiento riguroso de las especificaciones del proyecto.
Estas verificaciones proporcionan parámetros precisos sobre la capacidad portante y el comportamiento de deformación de los pilotes cuando reciben los esfuerzos de servicio.
La interpretación de estos datos es fundamental para mitigar riesgos de asentamientos excesivos o fallas estructurales.
De acuerdo con la naturaleza de la solicitud y los objetivos del análisis, los métodos de evaluación se dividen en dos categorías principales: ensayos estáticos y ensayos dinámicos.
Los ensayos estáticos determinan la capacidad portante de las fundaciones a través de la aplicación de cargas conocidas de forma creciente y en etapas de tiempo iguales.
Simultáneamente, el equipo registra los desplazamientos correspondientes, que se monitorean hasta alcanzar la carga máxima programada. Enseguida se ejecuta la descarga.
Los ensayos dinámicos, por su parte, buscan verificar el comportamiento de la interacción entre el elemento de fundación y el suelo mediante la aplicación de una fuerza de impacto en la cabeza del pilote, permitiendo la evaluación de la capacidad portante y de la integridad del pilote.
1- Ensayos Estáticos
Prueba de Carga Estática (PCE)
La Prueba de Carga Estática (PCE) se ha consolidado como el método más confiable para determinar la capacidad de soporte y el comportamiento tensión-deformación de una fundación. Su objetivo central es establecer la correlación entre la carga aplicada y el desplazamiento vertical (asentamiento) del elemento, permitiendo la construcción de la curva carga-asentamiento.
El ensayo se realiza mediante la aplicación de cargas conocidas y crecientes sobre la cabeza del pilote. La fuerza es generada por gatos hidráulicos y absorbida por un sistema de reacción que puede hacerse a través de tirantes en los elementos cercanos, o por un sistema de reacción helicoidal.
Figura 1, Realización del ensayo de PCE
El equipo aplica la carga en etapas, con intervalos de tiempo definidos por la norma NBR 16903/2020.
El equipo monitorea estos intervalos hasta que se alcance la carga máxima programada, que típicamente corresponde a dos veces la carga de trabajo prevista en el proyecto, o hasta la caracterización de la falla geotécnica y la pérdida de la fricción lateral del elemento.
Simultáneamente, el equipo registra los desplazamientos (asentamientos). Enseguida, se ejecuta la descarga del pilote.
El principal producto de la PCE es el gráfico carga versus desplazamiento, una herramienta analítica donde la curva se construye a partir del trazado de los puntos estabilizados al final de cada etapa.
El análisis de esta curva desempeña un papel fundamental, ya que permite determinar la capacidad portante última y predecir cómo se comportará la estructura bajo las cargas reales de servicio.
Figura 2, Gráfico Carga x Desplazamiento
Este gráfico es la representación de la respuesta de la fundación y del suelo al cargado. La curva descendente sirve como parámetro para la visualización y comprensión de los resultados, facilitando la comparación entre diferentes resultados. La curva superior representa la carga, y la inferior, la descarga.
Ensayo de Placa (Prueba de Carga Estática sobre Placa)
El ensayo de placa se realiza cuando hay interés en definir la capacidad de soporte superficial del suelo, el coeficiente de reacción vertical y la estimación de asentamientos para fundaciones directas.
En esta metodología, se aplica una carga estática sobre una placa de acero rígida, generalmente con diámetros de 30 cm, 45 cm u 80 cm, o formatos cuadrados equivalentes, posicionada directamente sobre el suelo a investigar.
El cargado se lleva a cabo por medio de gatos hidráulicos. Para viabilizar la aplicación de la fuerza, se requiere una estructura de reacción robusta, se acostumbra a utilizar el peso operacional de maquinarias pesadas, como excavadoras hidráulicas, retroexcavadoras o camiones cargados, siempre que la masa de estos equipos exceda significativamente la carga máxima a ser alcanzada en el ensayo, para evitar el levantamiento del sistema.
El principal resultado consiste en el gráfico de la relación entre carga aplicada y desplazamiento vertical de la placa, expresado por medio de la curva carga versus desplazamiento, de forma análoga al ensayo de Prueba de Carga Estática (PCE).
Figura 3, Realización de un Ensayo de Placa
2- Ensayos Dinámicos
Ensayo de Integridad de Pilotes (PIT), Baja Deformación
El PIT (Pile Integrity Test) se destina a la verificación de la integridad estructural de los pilotes y consiste en un ensayo no destructivo.
Por ser un método rápido, práctico y de fácil ejecución, el PIT permite la evaluación de muchos pilotes en un corto intervalo de tiempo, agregando una ventaja para verificar la integridad cuando se compara con ensayos dinámicos más complejos.
Figura 4, Realización de un ensayo PIT
El ensayo consiste en la aplicación de un golpe de baja energía en la cabeza del pilote, generalmente con el auxilio de un martillo manual.
Un acelerómetro se fija en la cabeza del pilote para registrar la propagación de la onda de tensión generada por el impacto.
A medida que la onda se propaga a lo largo del fuste, ocurren reflexiones siempre que hay variaciones en las propiedades geométricas o mecánicas del pilote, como cambios de sección o defectos en el material.
Figura 5, Resultados del ensayo PIT
El resultado del ensayo se presenta en la forma de un gráfico de velocidad en función de la profundidad, cuya interpretación permite identificar posibles anomalías.
Reflexiones positivas indican reducciones de sección, y reflexiones negativas se asocian a aumentos de sección, que no siempre representan problemas estructurales.
Aunque el PIT no proporciona directamente la capacidad portante del pilote, se consolida como herramienta ampliamente utilizada para el control de calidad y la verificación de la integridad en masa.
Prueba de Carga Dinámica (PDA)
El PDA (Pile Driving Analyzer) es el ensayo dinámico que tiene como objetivo central la evaluación de la capacidad portante y de la integridad del pilote.
Este procedimiento funciona como una herramienta de verificación del desempeño del elemento estructural, permitiendo diagnosticar si el pilote mantiene su continuidad física y si posee la resistencia necesaria conforme al proyecto.
El PDA se realiza por medio de la aplicación de un ciclo de golpes sucesivos en la cabeza del pilote, generando una fuerza de impacto que permite medir la interacción entre el elemento de fundación y el suelo. Esos golpes se interrumpen cuando ocurre la ruptura del bloque o cuando se alcanza dos veces el valor de la carga del elemento.
Figura 6, Ejecución de Ensayos de Carga Dinámica
Durante la ejecución del ensayo, sensores de deformación y acelerómetros se fijan en el pilote para registrar los valores de fuerza y velocidad asociados a la propagación de las ondas de tensión.
A partir de esos registros, se obtiene información como la longitud total y la longitud hincada del pilote, la resistencia a la penetración durante el ensayo, los valores de fuerza de compresión y desplazamiento, además de propiedades dinámicas del material, como módulo de elasticidad, densidad y velocidad de propagación de las ondas.
La interpretación de los datos se realiza con base en la Teoría del Análisis de Ondas, por medio del método numérico CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program).
Este análisis permite estimar la capacidad portante estática equivalente del pilote, además de descomponer la resistencia total en componentes de resistencia de punta y de fricción lateral.
Además, el análisis de las ondas proporciona datos para la verificación de la integridad estructural del pilote a lo largo de su longitud.
Figura 7, Resultados del ensayo PDA
Ensayos Geotécnicos
Los ensayos geotécnicos aplicados a las fundaciones desempeñan un papel fundamental en la verificación del desempeño estructural y en la reducción de los riesgos asociados al comportamiento del suelo y de los pilotes.
La aplicación de ensayos estáticos y dinámicos posibilita evaluar la capacidad portante, la integridad estructural y el comportamiento de los asentamientos de los sistemas de fundación, proporcionando fundamentos técnicos tanto para la validación de los proyectos como para el control de calidad de la ejecución.
Mientras que los ensayos estáticos, como la Prueba de Carga Estática y el Ensayo de Placa, proporcionan una representación directa de la relación carga-desplazamiento, permitiendo analizar el comportamiento de deformación de la fundación, los ensayos dinámicos, como el PIT y el PDA, viabilizan verificar la integridad de los pilotes y, en el caso del PDA, también estimar la capacidad portante.
Así, la elección adecuada de la metodología, unida a la correcta interpretación de los resultados, contribuye de forma decisiva para asegurar la seguridad, el desempeño y la durabilidad de las obras de ingeniería.
Referencias Bibliográficas:
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CINTRA, J. C. A.; AOKI, N.; TSUCHIYA, T.; GIACHETI, H. L. Ensayos estáticos y dinámicos de fundaciones. São Paulo: Oficina de Textos, 2013.
