(1)EVALUATION OF THE INTEGRITY OF DEEP FOUNDATIONS: ANALYSIS AND IN SITU VERIFICATION
CARLOS ANDRES GAVIRIA
Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7, Universidad del Valle, Cali carloaga@univalle.edu.co
DANIEL GÓMEZ
Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7, Universidad del Valle, Cali dgomezp@univalle.edu.co
PETER THOMSON
Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica, Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes, G-7, Universidad del Valle, Cali pethomso@univalle.edu.co
]]> Recibido para revisar julio 1 de 2008, aceptado septiembre 30 de 2008, versión final diciembre 10 de 2008
PALABRAS CLAVE: Prueba de integridad, PIT, Cimentaciones profundas, Pilotes.
ABSTRACT: Deep foundations are widely used for structures - bridges, dams, docks and buildings - located at sites with poor soil conditions at shallow depth. Due to the extensive use of deep foundations, the need has arisen for evaluating the structural integrity of these types of foundations posterior to their installation. A variety of non-destructive testing methods have been proposed and implemented for assessing the condition of deep foundations, but the PIT (pile integrity test) remains one of the more popular methods due to its relatively low cost and the short time involved in conducting such a test. This article describes some of the general aspects of the PIT and a specific application of this test on eleven piles at a construction site near the city of Palmira, Colombia . Structural problems were identified in two of the eleven piles and posterior excavations of these two piles proved the effectiveness of the PIT for assessing the structural integrity of deep foundations.KEYWORDS: Integrity Test, PIT, Deep foundations, Piles.
1. INTRODUCCIÓN
Las cimentaciones profundas son utilizadas para dar soporte a estructuras que debido a sus requerimientos (forma, carga vertical u horizontal) y/o a las características del terreno no pueden ser cimentadas a nivel de las mismas [1]. En la mayoría de los casos se utilizan para construir estructuras sobre suelos con capacidad portante baja que pueden presentar asentamientos excesivos o que tienen potencial de licuefacción.
Durante la construcción o el hincado de pilotes o caissons pueden ocurrir problemas tales como: fractura durante el clavado, derrumbes de las paredes laterales, inclusión de lodo en el concreto y cambios de la sección transversal [2]. Estos daños no son detectables por inspección visual luego de que el pilote ha sido hincado o fundido, por lo que el problema queda oculto.
Las metodologías para la evaluación de la integridad de los pilotes se pueden dividir en dos grandes grupos: ensayos destructivos y no destructivos. La prueba de integridad de pilotes (P.I.T.) se ha constituido como una de las pruebas no destructivas más utilizada en el mundo [3] debido a su rapidez, sencillez y confiabilidad, además de su bajo costo [4]. Con este ensayo se evalúa cualitativamente la integridad de los pilotes detectando grietas, cambios de la sección en el fuste y cambios de material que pueden comprometer el comportamiento estructural del elemento.
En este trabajo se presenta una metodología para la detección de daños, la cual fue implementada durante la construcción de los pilotes del edificio de la sede de la Universidad del Valle en Palmira, donde se presentaron anomalías en el vaciado del concreto causando desconfianza en los ingenieros encargados de la obra.
]]> Se analizaron 12 pilotes con la metodología propuesta, encontrándose un presunto daño en dos de ellos. La interventoría de la obra, a cargo de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle, exigió verificar mediante una excavación, los pilotes que presumiblemente tenían problema.Posterior a la excavación para la verificación del estado de los pilotes, se encontró que los problemas descritos por la prueba de integridad de pilotes PIT, estaban presentes de manera exacta, coincidiendo el tipo y la profundidad del daño, demostrando la efectividad de la prueba.
2. METODOLOGÍA DEL ENSAYO
La metodología de ensayo PIT se encuentra descrita de manera detallada en los artículos de Davis [5] y Niederleithinger et al. [6], en ellos se exponen los procesos de preparación, ejecución e interpretación de la prueba.
Actualmente la PIT se encuentra normalizada en diferentes países [7], desafortunadamente en Colombia no es una práctica común para la determinación de patologías en cimentaciones profundas, por lo que fue necesario utilizar la norma americana ASTM D 5882 [8], en la cual se señalan los requerimientos mínimos para llevar a cabo el ensayo, así como los procedimientos y aspectos técnicos a tener en cuenta.
2.1 Fundamento teórico del ensayo
La PIT se basa en el principio teórico de la propagación de ondas longitudinales de baja deformación que genera efectos de dilatación y compresión en el medio en que se propaga. La velocidad de propagación de la onda es directamente proporcional al módulo de elasticidad e inversamente proporcional a la densidad del material (1), esto se debe a que el módulo de elasticidad es proporcional a la fuerza restauradora, y la densidad a la inercia del sistema [4].
(1)
Donde c es la velocidad de propagación de la onda, r es la densidad del material y E es el módulo de elasticidad del material. Además, la velocidad de la onda es función directa de la impedancia Z [2, 7, 9], la cual es una medida de la resistencia a la velocidad de propagación de la onda y se define como se muestra en (2).
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(2) Donde A es el área de la sección transversal del pilote.
Para realizar la prueba PIT se aplica un impacto en la cabeza del pilote con un pequeño martillo, generando una onda que se propaga a través del fuste hasta la punta y retorna nuevamente hasta la cabeza del mismo. La vibración causada por la onda es captada a través de un acelerómetro previamente colocado en la parte superior del pilote y conducida a un acondicionador, posteriormente es transformada en pulsos eléctricos a una señal digital por medio de una tarjeta de adquisición y finalmente es analizada en un computador con ayuda de un software de procesamiento.
Al presentarse cualquier variación en las características del pilote (cambios en la sección transversal, discontinuidad del elemento, porosidad o mezcla de tierra con el concreto), se producen cambios en la impedancia generando una reflexión temprana de la onda, la cual es analizada para predecir la ubicación y el tipo de patología en el pilote (figura 1).
Figura 1. Reflejo del pulso debido a una disminución de la sección transversal en el fuste
Figure 1. Reflection of a pulse due to a reduction in the cross sectional area
Para el cálculo del valor β es necesario determinar el valor de α, el cual está definido por (3).
(3)
Donde α es la relación entre la velocidad registrada en la prueba para la reflexión de daño identificado –onda reflejada– (Vdaño), y la velocidad de la onda registrada por la prueba para el pulso de entrada (Vimpacto). El porcentaje de daño β es calculado con (4).
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(4) Según el valor del parámetro β, se estima el daño en la sección transversal del pilote mediante la tabla 1.
Tabla 1. Guía de valoración de daño con el parámetro BETA, β
Table 1. Correlation of damage to Beta, β
El Método Beta presenta dos grandes limitaciones en la estimación del daño en el pilote. No tiene en cuenta los efectos de la resistencia del suelo y además, sólo son detectables los cambios en la sección transversal con longitudes mayores a la longitud del pulso, lo cual restringe la técnica al no predecir daños severos debido a cambios pequeños en la impedancia.
2.2 Procesamiento de la señal
Para el tratamiento de las señales se desarrolló un algoritmo que consta de los siguientes pasos:
Las señales fueron filtradas con una banda inferior de 400 Hz y una banda superior de 1500 Hz, y posteriormente integradas numéricamente para obtener a partir del registro de aceleración el registro de velocidad.
La amplificación se realizó usando una función de tipo exponencial la cual es recomendada por la norma ASTM D 5882 [8], de acuerdo con la expresión:
(5)
Donde fA es la función de amplificación, A es una constante de amplificación con valor superior a 1, l es la longitud del pilote y L(x) es el vector de posición a lo largo del pilote.
En la presente investigación se utilizó la función de amplificación mostrada en la ecuación 5 y el valor de la constante A se determinó experimentalmente con un conjunto de ensayos realizados en el pilote guía, como se explica más adelante.
El algoritmo se programó en el paquete matemático MATLAB [11]. Este programa realiza la integración numérica de la señal de aceleración para obtener el registro de velocidad, además, emplea la función de amplificación para permitir visualizar mejor la señal.
]]> 2.3 Características del subsueloLa Universidad del Valle sede Palmira consiste en 28 edificios de tres pisos separados por juntas que conforman un área aproximada de 18000 m2.
El lote donde se realizaron las Pruebas de Integridad en los pilotes, presenta la estratigrafía de cuatro capas, la primera de ellas con un espesor de 2.6 metros compuesta de un relleno heterogéneo blanco. La capa inferior, entre los 2.6 y 6.0 metros, presenta un suelo residual compuesto por limos arenosos y arenas limosas de muy baja plasticidad. La capa siguiente llega hasta los 14.3 metros y está compuesto por arenas de densidad relativa muy alta con índices de plasticidad entre 0 y 10%. Por último se tiene una capa que se extiende a los 30 metros compuesta de arenas muy densas.
Debido a que el suelo presentó un elevado índice de potencial de licuefacción, se optó por una cimentación compuesta de pilotes circulares de fuste recto preexcavados, empleando lodo bentónico durante la fundición, la cual se realizó con concreto fluido tipo “Tremie”.
Estos pilotes presentan diámetros entre los 1.1 y 1.5 metros y profundidades entre los 13.65 y 16.60 metros.
2.4 Descripción del ensayo
En la primera fase del proyecto se fundieron 40 pilotes, presentándose inconvenientes en 11 de ellos, tales como: menor consumo de concreto que el calculado, levantamiento del castillo de refuerzo y discontinuidad durante la fundición del elemento. De acuerdo con lo anterior se optó por realizar la prueba de integridad en los 11 pilotes dudosos para tener algún conocimiento sobre el estado estructural, ya que se desconocía el tipo de anomalía que podrían presentar.
De esta manera se ejecutaron pruebas en los 11 pilotes, como se muestra en la figura 2. Con el objeto de tener un pilote como parámetro de referencia, se realizó una prueba adicional en el pilote 3T que, por las características que presentó en el vaciado y en el tiempo de fundición, se consideró como el de referencia para determinar la velocidad de propagación.
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Figura 2. Planta con la ubicación de los pilotes ensayados referenciados según los ejes alfabéticos y numéricos
Figure 2. Layout and numbering of the piles
A los pilotes se les realizó la prueba PIT cumpliendo los requerimientos de la norma ASTM D 5882 [8, 10, 12, 13], para lo cual fueron evaluados después de siete días de fundidos, tomando en tres puntos diferentes, diez registros sobre la cabeza del elemento, para un total de 30 registros por elemento.
Los ensayos fueron realizados con el equipo portátil para medición de vibraciones de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle. El equipo está compuesto de un acelerómetro calibrado de alta frecuencia, un martillo con un acelerómetro acoplado y un sistema de adquisición compuesto de acondicionadores, caja de conexiones, tarjeta de adquisición y un computador portátil (figura 3).
Figura 3. Equipo PIT
Figure 3. PIT equipment
Para realizar el ensayo se utilizó un martillo de 0,908 kilogramos ( 2 libras), seleccionado como un promedio del peso recomendado en la literatura [3, 10, 13, 14]. Este generó una onda con energía suficiente para recorrer toda la longitud del pilote y ser detectada por el acelerómetro.
Los ensayos se realizaron colocando un acelerómetro de sensibilidad uniaxial paralelo al eje del pilote de concreto (una vez la superficie estaba limpia y pulida) y se generó la onda impactando de manera perpendicular a la superficie como se observa en las figuras 4 y 5.
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Figura 4. Superficie preparada para la prueba PIT
Figure 4. Pile surface prepared for the PIT
Figura 5. Impacto con el martillo sobre la superficie
Figure 5. Hammer impact on the pile surface
3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Se realizaron 11 pruebas de integridad en los pilotes que presumiblemente tienen patologías y una prueba adicional en un pilote que se considera en buen estado para calibrar el software desarrollado.
La señal encontrada y procesada en el pilote guía se muestra en la figura 6, sobre la cual se observa el rebote de la onda en la punta del caisson a los 8.87x10-3 segundos.
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Figura 6. Registro de Velocidad del pilote guía (3T)
Figure 6. Velocity profile for the reference pile (3T)
De acuerdo con la metodología de ensayo de la ASTM D 5882 [8], para determinar la velocidad de propagación de la onda se hizo coincidir el reflejo de la punta con la longitud del pilote (esto se logra variando la velocidad) en un ensayo preliminar sobre el pilote guía, obteniendo la velocidad de propagación en el pilote de 3270 m/s.
Una vez determinada la velocidad de onda en campo se realizó la prueba en los 11 pilotes restantes. Obtenidos los registros se procesaron con ayuda del programa para su posterior análisis.
El análisis consistió en determinar la existencia de rebotes anteriores al de punta y una vez localizados se calculó la pérdida de impedancia usando el Método Beta [10]. A continuación se describe el análisis para cada pilote (la nomenclatura está basada en el eje alfabético y numérico correspondiente a cada pilote).
3.1 Pilote 1R
Para este pilote se obtuvo el registro de velocidad mostrado en la figura 7. En él se observa un reflejo de signo contrario al pulso de impacto (reflejo negativo), lo cual indica un ensanchamiento de la sección transversal del elemento a los 6 metros de profundidad, aproximadamente. De acuerdo con lo anterior, se considera que el pilote está en buen estado, con una longitud total entre los 14.5 y 15.2 metros definida por el reflejo de la punta.
Figura 7. Registro de velocidad pilote 1R
Figure 7. Velocity profile for pile 1R
Figura 8. Registro de velocidad pilote 1S
Figure 8. Velocity profile for pile 1S
3.3 Pilote 1V
En el registro de velocidad de este pilote (figura 9) se observa una anomalía, evidenciada en el reflejo temprano de la onda a una profundidad de 3 metros. Este reflejo se interpretó como un daño de categoría considerable por presentar una reducción de la impedancia en un 45%. Adicionalmente el reflejo de punta no es claro por lo cual no se puede determinar la longitud total de este elemento.
Figura 9. Registro de velocidad pilote 1V
Figure 9. Velocity profile for pile 1V
Figura 10. Registro de velocidad pilote 2R
Figure 10. Velocity profile for pile 2R
3.5 Pilote 2U
La prueba de integridad sobre este pilote (figura 11) manifestó un reflejo representativo a 2.5 metros de la cabeza del elemento, exactamente donde se estima que se formó una junta fría según la cantidad de concreto vaciado en el momento de la fundición, lo cual muestra que el método desarrollado es capaz de detectar esta clase de anomalías. En el registro se puede apreciar un aumento de la impedancia a 11 metros de profundidad debida al aumento de la sección transversal, lo cual no afecta la capacidad estructural del elemento y por tanto se considera que el pilote está en buen estado.
Figura 11. Registro de velocidad pilote 2U
Figure 11. Velocity profile for pile 2U
Figura 12. Registro de velocidad pilote 3Y
Figure 12. Velocity profile for pile 3Y
3.7 Pilote 4X
La longitud de este pilote se estima en 14.5 metros según el registro mostrado en la figura 13. El reflejo tiene signo contrario al valor pico del impacto aplicado y se presenta a 2.5 metros de la cabeza del elemento, esto indica un aumento en la sección transversal del pilote, patología que no afecta la capacidad estructural del elemento. Por lo tanto, se estima que este pilote no presenta defectos significativos a lo largo del fuste.
Figura 13. Registro de velocidad pilote 4X
Figure 13. Velocity profile for pile 4X
Figura 14. Registro de velocidad pilote 5V
Figure 14. Velocity profile for pile 5V
3.9 Pilote 6T
La prueba de integridad sobre este pilote (figura 15) mostró un reflejo representativo a 2 metros de la cabeza del elemento, exactamente donde se estima que se formó una junta fría según la cantidad de concreto vaciado en el momento de la fundición. Este pilote tiene una longitud de 13.8 metros aproximadamente según el análisis del rebote de la onda en la punta. De acuerdo con la señal obtenida del ensayo de este pilote se califica como un elemento sin daños.
Figura 15. Registro de velocidad pilote 6T.
Figure 15. Velocity profile for pile 6T.
Figura 16. Registro de velocidad pilote 6X
Figure 16. Velocity profile for pile 6X
3.11 Pilote 6Y
En el registro de velocidad del pilote 6Y (figura 17) se observó una serie de rebotes tempranos a partir de los 0.3 metros de la cabeza del pilote y no se logró apreciar un reflejo claro de la punta, por lo cual la prueba de integridad se clasifica como no concluyente. Este tipo de registro indica que después del primer rebote no se tiene información determinante sobre el estado del elemento por lo que se recomendó excavar hasta los 4.5 metros de profundidad para verificar el estado estructural del elemento.
Figura 17. Registro de velocidad pilote 6Y
Figure 17. Velocity profile for pile 6Y
4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS
Con el análisis del pilote guía (3T) se calibró el equipo para analizar los otros once pilotes. El resumen del análisis de todos los pilotes se muestra en la tabla 2. Los pilotes defectuosos fueron el 1V y el 6Y, para los cuales se sugirió que fueran inspeccionados de manera visual. El resumen de resultados se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Resultados Prueba de Integridad
Table 2. Results of the Integrity Test
Debido a la existencia de un pilote con problemas de integridad estructural (pilote 1V) y otro con resultados no concluyentes (pilote 6Y) se optó por realizar una exploración a cielo abierto de estos dos elementos, la cual se describe en el siguiente apartado.
5. RESULTADOS DE LA EXPLORACIÓN
]]> En el pilote designado como 1V se detectó una reducción de la impedancia en el análisis de la PIT, por lo que se realizó una excavación hasta una profundidad de 3.5 metros sobre el lado exterior de la estructura, encontrando un elemento continuo (figura 18.a), adicionalmente se localizó un cambio en la calidad del concreto a partir de los 2.5 metros (figura 18.b) donde el material hallado presenta contaminación por inclusión de lodo y una baja resistencia, resultado de un apique. Lo anterior corresponde a la perdida de impedancia que se traduce en una disminución del módulo de elasticidad revelado en la PIT.
Figura 18. Fotos exploración pilote 1V, a) Longitudinal, b) Detalle cambio de sección, c) Detalle apique
Figure 18. Images of the excavation of pile 1V, a) Longtitudinal, b) Detail of variation in cross sectional area, c) Detail of reduced area
Se realizó una exploración hasta alcanzar una profundidad de 4.5 metros sobre el pilote designado como 6Y, encontrando de manera similar al caso anterior, un pilote de sección uniforme y continua (figura 19.a).
Figura 19. Fotos exploración pilote 6Y, a) Longitudinal, b) Detalle cabeza, c) Detalle concreto contaminado
Figura 19. Images of the excavation of pile 6Y , a) Longitudinal, b) Detail of the head, c) Detail of the contaminated concrete
Adicionalmente, el elemento presentó inclusiones de lodo y contaminación del concreto en los primeros 0.3 metros (cabeza del pilote). Lo anterior es acorde con los resultados de la PIT, una vez producido el impacto sobre el elemento, la onda se reflejó a una profundidad de 0.3 m. y por tanto generó un conjunto de reflejos tempranos que explican el comportamiento de la señal y que impidieron la verificación de la integridad del mismo con esta prueba.
]]> 6. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
Para analizar la integridad de pilotes pre-excavados, se debe tener en cuenta los problemas encontrados durante su excavación y vaciado, ya que los ensanchamientos de la sección, juntas frías, entre otras patologías constructivas causan rebotes tempranos de la onda que deben ser descartados durante el análisis de las señales para una buena interpretación de la prueba.
Como se observó en los resultados de la exploración, los cambios de calidad del concreto son revelados por la prueba PIT (cambios de impedancia), lo que demuestra la viabilidad para la evaluación de la integridad estructural en pilotes pre-excavados e hincados. Igualmente se concluye que este método es aplicable para pilotes colocados sobre depósitos de suelos similares a los del sector de La Carbonera en la ciudad de Palmira.
Para obtener buenos resultados de la prueba PIT sobre pilotes pre-excavados se debe realizar un correcto descabece del elemento, removiendo la totalidad del material contaminado de lodo bentónico.
Se espera a futuro realizar investigaciones encaminadas a estudiar el proceso de disipación de energía de onda en los pilotes y de esta manera determinar la función y constantes de amplificación más adecuadas a las características particulares de la obra en estudio.
De igual manera se plantea realizar la prueba de integridad en otras obras a fin de caracterizar los parámetros de análisis de una manera experimental bajo diferentes composiciones de suelo y tipología de pilotes.
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