Cálculo micropilotes: tipos, carga de hundimiento, tope estructural, resistencia a flexión y cortante y mucho más

¿Qué es un micropilote?

Los micropilotes son un tipo de cimentación profunda o especial de sección circular y de diámetro generalmente inferior a 300 mm, perforados en el terreno, armados con tubería circular y/o barras corrugadas e inyectados con cemento, mortero o resinas especiales.

Tipos de micropilotes

Los micropilotes pueden clasificarse en tres tipos en función del sistema de inyección:

• Micropilotes tipo IU Inyección Única y Global

Son micropilotes inyectados en una sola fase y en todo el cuerpo del micropilote. Habitualmente se utiliza este tipo de micropilotaje en suelos granulares, rocas sanas y suelos cohesivos duros.

• Micropilotes tipo IR Inyección Repetitiva

Los micropilotes son inyectados en toda la longitud de perforación varias veces con válvulas antirretorno. Se suelen utilizar en rocas blandas y fracturadas y en suelos granulares gruesos.

• Micropilotes tipo IRS Inyección repetitiva selectiva

Se inyectan en varias fases y en tramos localizados del micropilote. Los micropilotes son frecuentemente recomendados en suelos granulares y en suelos cohesivos (salvo los suelos de consistencia muy dura).

Existen numerosos diámetros de micropilotes pero a continuación se recogen los diámetros de micropilotes más habituales en España:

Diámetro perforación (mm)	Diámetro micropilote (mm)	Diámetro armadura tubular (mm)
120	114,3	60,3-73,0
140	133,0	60,3-73,0-88,9
160	152,4	73,0-88,9-101,6
185	177,8	88,9-101,6-114,3-127,0
200	193,7	101,6-114,3-127,0-139,0
225	219,1	114,3-127,0-139,0-168,3

Diámetros micropilotes, diámetros perforación y diámetros armadura tubular. Modificado Guía para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera.

Conviene recordar que la tabla recoge los diámetros de micropilote, perforación y armadura más frecuentes pero debe comprobarse siempre que se cumplen los recubrimientos mínimos de lechada o mortero. Así mismo deben emplearse centradores para que la armadura no descanse sobre las paredes de perforación.

Obviamente, este artículo recoge sólo pinceladas del cálculo de un micropilote. Si realmente quieres aprender y convertirte en un especialista en micropilotes, inscríbete a nuestro curso de diseño, cálculo y ejecución de micropilotes. Puedes ver toda la información del mismo haciendo clic en el enlace anterior.

Aplicaciones micropilotes

Pueden distinguirse cuatro aplicaciones principales:

• Cimentación y/o recalce de estructuras

Son muy utilizados en rehabilitación de edificios que han sufrido alguna patología en la cimentación mediante recalces con micropilotes o en nuevas cimentaciones que requieran el uso de maquinaria pequeña o entornos complicados de cimentación. Para mayor información puedes ver el siguiente enlace.

• Muros de contención en excavaciones

En algunas circunstancias donde los terrenos de excavación son inestables, la excavación es profunda y de reducido tamaño y/o afecciones próximas se emplean pantallas de micropilotes para la contención de tierras. Si la excavación no es muy profunda también podrían utilizarse distintos tipos de entibaciones como las muestras en el enlace anterior.

• Estabilización de deslizamientos

Es frecuente el empleo de una pantalla de micropilotes de una o varias filas para la estabilización de carreteras a media ladera que puedan o hayan sufrido deslizamientos.

• Sostenimientos en túneles

Se emplean en sostenimiento de túneles mediante el empleo de “paraguas de micropilotes” tanto en bocas de túnel como en pasos de terrenos complicados.

Ventajas e inconvenientes del micropilotaje

Los micropilotes pueden presentar las siguientes ventajas e inconvenientes respecto a otras técnicas geotécnicas:

Ventajas uso micropilotes

• Los equipos y maquinas micropilotes son muy versátiles y pueden trabajar en zonas de reducido espacio y difícil acceso.
• Pueden perforar cualquier tipo de terreno incluidos cimentaciones antiguas de hormigón.
• Dado que la perforación es similar a la de un sondeo, es posible la testificación de los detritus de perforación, detección del nivel freático y/o zonas blandas o cavidades.
• Facilidad de ejecución y posibilidad de adaptarse a posibles condiciones cambiantes del terreno.

Inconvenientes uso micropilotes

• Coste elevado.
• Los procesos de cálculo, en muchos casos, son empíricos por lo que deberían contrastarse con otros métodos.
• La calidad del micropilote depende en gran medida del proceso de ejecución.

Cálculo micropilotes

A continuación, se presentan las comprobaciones específicas más habituales en el campo de los micropilotes cuyo desarrollo se basa en la Guía para el proyecto y ejecución de micropilotes en obras de carretera del Ministerio de Fomento de España. Únicamente se consideran a continuación los micropilotes perforados con armadura tubular de acero. Otro tipo de micropilotes quedan fuera del alcance de este cálculo. En cualquier caso, se recomienda consultar la citada Guía par mayor información.

Comprobación de la carga de hundimiento de micropilotes perforados.

La capacidad resistente del micropilote debe cumplir:

R_c,d≥E_c,Ed

Donde:

R_c,d: Resistencia de cálculo frente al fallo por hundimiento.

E_c,Ed: Esfuerzo axil de cálculo con las acciones mayoradas

La resistencia de cálculo frente al hundimiento viene determinada por la expresión general:

R_c,d = R_p,d + Rf_c,d

siendo:

R_p,d: Resistencia por punta de cálculo

R_fc,d: Resistencia por fuste de cálculo

El cálculo de la resistencia por punta R_p,d: suele despreciarse en la mayoría de los casos debido a la reducida sección de la punta por lo que no ha sido incluido en el post. En cualquier caso, puede consultarse la normativa para mayor información.

En cuanto a la resistencia por fuste viene definida por:

R_fc,d = A_L· r_fc,d

Donde:

A_L: Área lateral del pilote obtenida a partir del diámetro nominal del micropilote.

r_fc,d:  Rozamiento unitario por fuste frente a esfuerzos de compresión.

En ausencia de pruebas de carga específicas, según la Guía de Micropilotes, puede determinarse el rozamiento unitario por el método de correlaciones empíricas:

Éste se obtiene según la siguiente expresión:

r_fc,d = r_f,lim / F_r

Donde:

r_f,lim: Rozamiento unitario por fuste obtenido a partir de la siguiente figura:

Rozamiento unitario límite por fuste

Como puede verse el rozamiento unitario puede estimarse a partir del N del ensayo SPT,  resistencia a compresión simple o presión límite del presiómetro.

F_r: coeficiente de minoración el cuál se considera igual a 1,45 para micropilotes que tengan una función estructural inferior a 6 meses y un coeficiente de 1,65 para micropilotes que tengan una función estructural superior a 6 meses.

Para no extender el artículo en exceso solo se han incluido los tipos de terrenos más habituales. Para más información es recomendable consultar la Guía de Micropilotes.

Comprobación estructural de los micropilotes

Resistencia estructural a compresión de micropilotes (tope estructural)

Al igual que para la capacidad portante, para calcular el tope estructural del micropilote se ha seguido la Guía para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera del Ministerio de Fomento, la cual considera que:

N_c,Rd ≥ N_c,Ed

siendo:

N_c,Rd: Resistencia estructural a compresión del micropilote o máxima capacidad que se le puede asignar al micropilote

N_c,Ed: Esfuerzo axil de cálculo a compresión (acciones mayoradas).

La resistencia estructural del micropilote puede calcularse según la siguiente fórmula:

N_c,Rd = (0.85·A_c·f_cd + A_s·f_sd + A_a·f_yd) · R/(1.20·F_e)

siendo:

A_c: Sección neta de lechada o mortero, restando armaduras. Para determinarla debe emplearse el diámetro nominal del micropilote.

f_cd: Resistencia de cálculo del mortero o lechada de cemento a compresión:

f_cd = f_ck/γ_c

• f_ck: Resistencia característica de la lechada de cemento o mortero a compresión simple, a los 28 días.
• γ_c: Coeficiente parcial de seguridad para la lechada o mortero. Se debe tomar un valor de γ_c= 1,50 siguiendo las directrices de la Guía.

A_s: Sección total de las barras corrugadas de acero.

f_sd: Resistencia de cálculo del acero de las armaduras corrugadas. Debe considerarse menor o igual que 400 MPa:

f_sd = f_sk/γ_s ≤ 400 MPa

• f_sk: Límite elástico del acero de las armaduras corrugadas
• γ_s: Coeficiente parcial de seguridad para el acero de las armaduras corrugadas. Se debe tomar un valor γ_s= 1,15.

f_yd: Resistencia de cálculo del acero de la armadura tubular. Se debe tomar un valor menor o igual que 400 MPa:

f_yd = f_y/γ_a ≤ 400 MPa

f_y: Límite elástico del acero de la armadura tubular.

γ_s: Coeficiente parcial de seguridad para el acero de la armadura tubular. Se debe tomar un valor de γ_a = 1,10.

A_a: Sección de cálculo de la armadura tubular de acero:

siendo:

d_e: Diámetro exterior nominal de la armadura tubular.

r_e: Reducción de espesor de la armadura por efecto de la corrosión, que puede obtenerse del siguiente cuadro:

Tipo de terreno	Vida útil requerida al micropilote (años)
	5	25	50	75	100
Suelos naturales sin alterar	0,00	0,30	0,60	0,90	1,20
Suelos naturales contaminados o suelos industriales	0,15	0,75	1,50	2,25	3,00
Suelos naturales agresivos (turbas, ciénagas, etc.)	0,20	1,00	1,75	2,50	3,25
Rellenos no agresivos sin compactar	0,18	0,70	1,20	1,70	2,20
Rellenos agresivos sin compactar (cenizas, escorias, etc.)	0,50	2,00	3,25	4,50	5,75

Reducción de espesor de armadura por efecto de la corrosión re.

d_i: Diámetro interior nominal de la armadura tubular.

F_u,c: Coeficiente de minoración del área de la armadura tubular en función del tipo de unión (compresión). Se deben adoptar los valores del cuadro siguiente:

Tipo de unión	Fu,c
Mediante manguitos exteriores doblemente roscados, sin disminución de sección	1.0
De rosca machihembrada con sección ensanchada
De rosca machihembrada, sin sección ensanchada y con contacto a tope en ambos extremos
Otras uniones diseñadas específicamente para no sufrir pérdidas de resistencia
Resto de casos	0.5

Coeficiente Fu,c

F_e: Coeficiente de influencia del tipo de ejecución, que tiene en cuenta el tipo de terreno y el tipo de revestimiento empleado durante la perforación según el siguiente cuadro:

Tipo de terreno y de perforación	Fe
Terreno con nivel freático por encima de la punta del micropilote y perforación sin revestir, sin empleo de lodos	1.50
Terreno con nivel freático permanentemente bajo la punta del micropilote y perforación sin revestir, sin empleo de lodos	1.30
Cualquier tipo de terreno perforado con lodos	1.15
Cualquier tipo de terreno perforado al amparo de revestimiento recuperable	1.05
Micropilote con tubería de revestimiento dejada «in situ» de forma permanente (camisa perdida)	1.00

Coeficiente Fe.

R: Factor empírico de pandeo o coeficiente de reducción de la capacidad estructural del micropilote por efecto del pandeo, el cual se debe tomar como se indica a continuación.

Debe considerarse el efecto del pandeo, aplicando un factor de reducción menor o igual que la unidad (R ≤ 1), cuando:

• El micropilote este ejecutado en arena con compacidad floja a media o suelo cohesivo con consistencia blanda a media.
• El micropilote se encuentre en zonas denominadas libres, sin coacción lateral, como huecos o cavidades, sobresalir el micropilote de la superficie del terreno o estar rodeado de terrenos inestables.

El factor R puede determinarse siguiente la siguiente fórmula:

R = 1,07 − 0,027·C_R ≤ 1

donde:

C_R: Coeficiente adimensional que puede estimarse del siguiente cuadro:

Tipo de coacción lateral	CR
Fangos y turbas con 15 kPa ≤ su (kPa) ≤ 25	18 – 12
Arcillas y limos blandos con 15 kPa ≤ su (kPa) ≤ 25	12 – 8
Suelos no cohesivos de compacidad media (0,35 < lD < 0,65) que cumplan alguno de los siguientes requisitos: — Encontrarse permanentemente por encima del nivel freático — Presentar un coeficiente de uniformidad mayor o igual que dos (D60/D10 ≥ 2)	8 – 7
Suelos cohesivos de consistencia media (25 kPa ≤ su (kPa) ≤ 50)
Libre (sin terreno o rodeado de terreno inestable) (DR: Diámetro del micropilote; H: Longitud de la zona libre)	H/DR

Coeficiente C_R. En los restantes casos se adoptará un valor del factor empírico de pandeo igual a la unidad (R = 1).

Resistencia estructural a cortante de los micropilotes

Al igual que en las anteriores comprobaciones, la resistencia estructural del micropilote puede determinarse según la citada normativa, la cual considera que únicamente colabora la armadura tubular del micropilote.

El valor del cálculo del esfuerzo cortante V_Ed, en cada sección debe cumplir la condición:

V_Ed ≤ V_c,Rd

Siendo:

V_Ed: Esfuerzo cortante de cálculo (acciones mayoradas).

V_c,Rd: Resistencia de cálculo de la sección a esfuerzo cortante. Se adopta V_c,Rd = V_pl,Rd

V_pl,Rd: Valor de cálculo de la resistencia plástica de la sección a esfuerzo cortante. Se determina siguiendo la expresión siguiente:

Siendo:

d_e: Diámetro exterior nominal de la armadura tubular

r_e: Reducción de espesor de la armadura por efecto de la corrosión. Se determina de igual forma que en el cálculo del tope estructural del micropilote.

Resistencia estructural a flexión de los micropilotes

Igualmente a la anterior comprobación, se sigue la citada Guía y la resistencia estructural del micropilote a flexión se calcula suponiendo que únicamente colabora la armadura tubular del micropilote e incluso la flexión de la unión si fuese menor que la de la armadura.

El valor de cálculo flector M_ED, en cada sección, deberá cumplir la condición:

M_Ed ≥ M_c,Rd

siendo:

M_Ed: Momento flector de cálculo (acciones mayoradas).

M_c,Rd: Resistencia de cálculo de la sección a flexión. Se determina siguiendo las siguientes expresiones:

donde:

d_e: Diámetro exterior nominal de la armadura tubular.

r_e: Reducción de espesor de la armadura por la corrosión. Deberá tomarse de la tabla anterior.

t: Espesor de la armadura tubular.

Proceso constructivo micropilotes

La ejecución del micropilotaje consta de varias fases que se reproducen en la siguiente imagen:

Fases 1 y 2. Realización de la perforación en el sustrato hasta la máxima profundidad requerida con ella o no de tubería de revestimiento o lodos.

Fase 3. Retirada del útil de perforación.

Fase 4. Introducción de la armadura.

Fase 5. Inyección con lechada de cemento, mortero o resinas por el interior de la armadura y retirada de los detritus y lodos por el anillo exterior y en su caso, izado de la tubería de revestimiento conjuntamente a la inyección.

Fase 6. Ejecución del encepado y conexión con la estructura.

Encepado micropilotes

La conexión del micropilote con el resto de micropilotes o con la estructura se debe realizar con un encepado o viga de atado, salvo en recalces de cimentaciones existentes que la unión se ejecuta directamente sobre la cimentación.

Suelen disponerse conectadores en la armadura tubular para aumentar la capacidad resistente.

Estas conexiones normalmente constan de barras corrugadas soldadas en la cabeza del micropilote con forma de P, chapas rectangulares soldadas longitudinalmente a la armadura en forma similar a las aletas de una bomba o mediante placas de reparto.

Recuerda que no me responsabilizo de ninguna mala interpretación u error incluido en los artículos. Antes de realizar cualquier cálculo de micropilotes debes consultar la normativa y/o manual de referencia. Para más información consulta la página de inicio.

Por último te dejo el enlace de un ejemplo extremo de cimentación de un viaducto mediante micropilotes con cargas nada más y nada menos que de 430 t por micro (viaducto nº1 en la autopista Caracas – La Guaria).

 

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