1. Introducción
La cimentación es una
parte importante de cualquier estructura, ya que actúa como un medio para
transmitir las cargas al suelo o roca que la soportará. Sin un diseño adecuado,
estas pueden colapsar o perder capacidad de servicio durante la vida útil de la
estructura.
En el caso de la
construcción de puentes, la selección de los cimientos es la parte más
importante del proceso de diseño. En virtud de ello, el presente artículo se
enfoca en describir los trabajos desarrollados para el diseño de la cimentación
del puente Luis Antonio Eguiguren, los que se encuentran dentro de la práctica cotidiana de la
Ingeniería Geotécnica y Geológica, que a su vez están enmarcados en la Norma
Técnica E-050 de Suelos y Cimentaciones del Reglamento Nacional de
Edificaciones Vigente [9].
El puente
en mención tiene una luz libre de 125.0 m, 26.0 m de ancho y es del tipo arco
metálico atirantado con viga de rigidez. Los estudios geotécnicos para la
cimentación del puente fueron realizados en mayo del 2016 por la empresa Jorge
E. Alva Hurtado Ingenieros SAC [3], fue construido en el año 2018 y entró en
funcionamiento en diciembre del mismo año en reemplazo de un puente peatonal
existente en la zona. Beneficia el tránsito entre los distritos de Piura y
Castilla, en el departamento de Piura, Perú.
2.
Reporte de Caso
El área del proyecto se
localiza sobre el río Piura, cruza las avenidas Luis A. Eguiguren e
Independencia, y une los distritos de Piura y Castilla de la provincia y departamento
de Piura.
Figura
N° 1.
Ubicación de la zona de estudio
Geológicamente el área de estudio se ubica en la Unidad Morfoestructural definida como Llanura Preandina, que se encuentra ubicada entre la Cordillera de la Costa y la Cordillera Occidental. El área tiene unos patrones litológicos consistentes en los dos siguientes depósitos de suelos: suelos Cuaternarios (Qc), caracterizados por depósitos fluviales (Qf) y constituidos por arenas limosas; y suelos Terciarios Mioceno-Plioceno (Tmp), caracterizados por depósitos marinos de la formación Zapallal y constituidos por diatomitas y lutitas fosfáticas intercaladas con areniscas tobáceas y lodolitas.
2.3 Sismicidad
En la zona es posible la
ocurrencia de sismos de intensidad de VIII grados en la escala de Mercalli
Modificada [1]. La
provincia de Piura se encuentra comprendida en la Zona 4 en la Zonificación
Sísmica del Perú con un factor de zona = 0.45. Los parámetros geotécnicos
corresponden a un suelo de perfil tipo S1, con período predominante de Tp = 0.40 s y factor de suelo S = 1.00 para ser usado en
las Normas de Diseño Sismo-Resistente [10].
Se ejecutaron dos
perforaciones de 25 m de profundidad, donde se realizaron ensayos de
penetración estándar (SPT) a cada metro de profundidad. Asimismo, se realizaron ensayos de prospección geofísica, que
comprendieron dos sondajes MASW (Multichannel Analysis Surface Waves) y cuatro ensayos
de Refracción Sísmica (ver ítem 2.6). En la Figura N° 2, se muestra la
ubicación en planta de los trabajos realizados.
Figura N° 2.
2.5
Ensayos de Laboratorio
De cada uno de los sondeos realizados se extrajeron muestras alteradas representativas, para ser enviadas al laboratorio y poder identificar el tipo de suelo, además de establecer sus características físicas. Se realizaron ensayos de caracterización de suelos, compresión no confinada, corte directo, además de ensayos químicos para evaluar la posible agresividad del suelo y/o agua a los elementos estructurales.
Con la finalidad de
complementar el estudio geotécnico, se realizó una investigación geofísica que
consistió en la exploración del terreno mediante dos sondajes MASW [6 y 7]. y 300
metros de líneas de Refracción Sísmica, mediante los cuales se determinaron las
velocidades de propagación de las ondas de corte (Vs) y
compresionales (Vp). Se definió la potencia de los estratos que
conforman el terreno donde se proyectó la construcción de la nueva estructura,
así como sus correspondientes parámetros elásticos [11].
2.6.1. Estimación de Parámetros
Elásticos:
En la teoría de elasticidad de las ondas sísmicas [4], la velocidad de las ondas S se representa en forma de ecuación de movimiento para un cuerpo elástico isotrópico de la siguiente manera:
Donde:
Vp = Velocidad de ondas de compresión
Vs = Velocidad de ondas de corte
l
=
Constante de Lamé
µ = Rigidez
ρ = Densidad
Relacionando las velocidades de ondas de corte, ondas
de compresión y la densidad de los materiales por donde se propagan las ondas,
se pueden obtener los siguientes parámetros elásticos:
Para estimar asentamientos
en suelos, partiendo de parámetros elásticos máximos (Gmax
y Ed) se consideró conveniente usar el Módulo de Corte y el Módulo
de Young correspondientes a un valor del 10% de los valores máximos.
En el Cuadro N° 1, se
muestra la caracterización de los sondajes MASW mediante el criterio del Vs30
de acuerdo con el International Building Code 2012 [2]. Para
ello, se ponderó la distribución de velocidades de ondas de corte hasta los 30
m de profundidad.
Cuadro N° 1.
De acuerdo con los resultados de las exploraciones geotécnica y
geofísica, y de los resultados de los ensayos de laboratorio, se observa que el
perfil estratigráfico de la zona está compuesto básicamente de arenas limosas
con presencia de gravillas seguidas de arcillas de baja plasticidad, cuya
consistencia aumenta con la profundidad. De los resultados, se infirió que la
formación Zapallal se encuentra a 7.0 m de profundidad en la margen izquierda y
a 16.55 m de profundidad en la margen derecha. No se estableció la profundidad
del nivel freático durante los trabajos de perforación realizados en el mes de
mayo del 2016.
Figura N° 3.
2.8 Análisis de la Cimentación
Teniendo
en cuenta las características del perfil estratigráfico y las cargas
trasmitidas por la estructura proyectada, se consideró el análisis de una
cimentación profunda en base a pilotes excavados de concreto armado de 1.50 m
de diámetro. El análisis se realizó mediante la Metodología Analítica y el
empleo del programa de cómputo ALLPILE versión 7. 6a (CivilTech Software,
2007).
Se analizó la capacidad de
carga y asentamiento para el perfil más crítico entre las perforaciones
realizadas. De acuerdo con el cálculo de socavación realizado por los estudios
hidráulicos y el nivel de cimentación proyectado, la socavación no afectará la
capacidad de carga de los pilotes. Asimismo, de acuerdo con las características
del terreno, los suelos no serían susceptibles a sufrir licuación de suelos
bajo acción sísmica.
2.8.1
Capacidad de Carga Mediante el
Método Analítico:
La capacidad de carga de un
pilote individual se desarrolla mediante la resistencia de fricción a través
del fuste y la capacidad de soporte en la punta.
La ecuación básica es la
siguiente:
Donde:
Q = Capacidad
última
Qp = Resistencia
última en la punta
Qf = Resistencia
última en el fuste
Resistencia
última en la punta:
Donde:
Ap = Área de la punta del pilote
qult = Resistencia
unitaria de punta
sv = Esfuerzo
vertical del suelo
Nq = Factor
de capacidad de carga para suelo no cohesivo
Nc = Factor de capacidad de carga para
suelo cohesivo
c = Resistencia cortante suelo cohesivo
Resistencia
última lateral:
Donde:
Sl = Resistencia lateral
f0 = Resistencia última de fricción de
suelo no cohesivo
ca = Adhesión del suelo cohesivo
Pi = Perímetro de la sección del pilote
Dl = Segmento de pilote
Resistencia
última de fricción de suelos no cohesivos:
Donde:
sv = Esfuerzo
vertical en suelo
sh = Esfuerzo
horizontal en suelo
d = Ángulo
de fricción entre el suelo y el pilote (en función del material del pilote)
Adhesión de suelo cohesivo:
Donde:
c = Resistencia
al corte de suelo cohesivo
Kc = Factor de adhesión, rango de 0.1 a 1
Ka = Relación de adhesión Ca/c (en función de c mostrada en la
Figura N° 4
Figura N° 4. Factores
de capacidad de carga Nq, Nc y relación de adhesión Ka [5]
Elaboración propia
Capacidad de Carga Admisible:
Donde:
FSp= Factor de seguridad de la resistencia por
punta (2.5)
FSl= Factor de seguridad de resistencia lateral
(2.5)
2.8.2 Resultados Obtenidos:
De
los análisis realizados, para pilotes de concreto vaciado in situ, de 1.50 m de
diámetro, se tiene:
Estribo Derecho : pilote
de 30.0 m, carga admisible de 768 t
Estribo izquierdo : pilote de 23.0 m, carga admisible de 534 t
El ingeniero estructural, con las cargas laterales de
diseño, debe realizar el análisis de carga lateral del pilote y grupos de
pilotes, a partir de la consideración de que bajo dichos esfuerzos la deflexión
máxima no será mayor a 2.50 cm en la cabeza de los pilotes.
Se recomendó la realización de una prueba de carga
dinámica para verificación de resultados.
2.8.3
Asentamiento de Pilotes:
Para el cálculo de asentamientos de pilotes se utilizó
la metodología presentada por Prakash y Sharma (1990) [8].
Para pilotes individuales se
utilizaron las fórmulas planteadas por Vesic (1977) [13]. Del análisis realizado, para
pilotes individuales de 1.5 m de diámetro y 23 m de longitud, se obtuvo un
asentamiento Se =34.23 mm.
Para el grupo de pilotes, el cálculo del asentamiento (Sg) se realizará en función del asentamiento del pilote individual (Se), donde B es el ancho del grupo de pilotes y d es el espaciamiento centro a centro de los pilotes [12].
2.8.
4 Eficiencia de Grupo de Pilotes:
El factor de eficiencia se aplica a suelos cohesivos y
cuando el perfil del suelo es variable como el caso de los suelos presentes en
la zona de estudio.
No se requerirá ninguna reducción de la eficiencia si:
-
el
cabezal se encuentra en contacto firme con el terreno,
-
el
cabezal no se encuentra en contacto firme con el terreno y el suelo es rígido.
Se requerirá el uso de un factor de eficiencia η:
-
Si
el cabezal no se encuentra en contacto firme con el terreno y si el suelo en la
superficie
es blando, entonces:
• η=0,65 cuando la separación entre
los centros de los pilotes es igual a 2.5 diámetros,
• η=1,0 cuando la separación entre
los centros de los pilotes es igual a 6.0 diámetros,
• Para separaciones intermedias el
valor de η se puede determinar por interpolación lineal.
Según el resultado de los
análisis químicos en muestras de suelo, se concluye que el concreto se encontrará
bajo una exposición moderada de sulfatos; por lo que se recomendó el empleo de
cemento Tipo II con el límite opcional del 8% de C3A; Tipo IS(MS), Tipo IP(MS),
Tipo IS-A(MS), Tipo MS, con una relación agua-cemento máxima de 0.50 y una
resistencia mínima a la compresión de 280 kg/cm2. No se utilizará el
agua subterránea ni del río Piura para la preparación de las mezclas de
concreto.
2.10
Pruebas
de Carga Dinámica
La verificación de la
capacidad axial de los pilotes se efectuó en la etapa de construcción, mediante
la ejecución de la Prueba de Carga Dinámica en un pilote, en la que se utilizó
un equipo analizador dinámico de pilotes (PDA). En la siguiente figura, se
muestra el asentamiento obtenido y el valor de la capacidad de carga
determinado por análisis con CAPWAP.
Figura N° 5. Prueba de Carga Dinámica en pilote
En el presente artículo, se
ha descrito el estudio de caso correspondiente al diseño de la cimentación del
puente Eguiguren, de 125 m de luz, ubicado en la ciudad de Piura, entre los distritos
de Piura y Castilla. Se realiza una descripción de los trabajos realizados y la
metodología empleada en el diseño de la cimentación del puente.
Se debe considerar que, para una evaluación adecuada
de todo estudio geotécnico con fines de cimentación, es recomendable que dentro
de los trabajos de campo se incluyan prospecciones geofísicas, principalmente
mediante sondajes MASW (Método de Análisis Multicanal de Ondas de Superficie),
que permitan la obtención de un perfil sísmico de acuerdo a la velocidad de
propagación de las ondas S, inferir estados de compacidad y/o consistencia, y
determinar parámetros elásticos que podrán ser empleados en el análisis de la
cimentación. En este caso, se caracterizó el sitio mediante velocidades de
ondas de corte, de acuerdo al código International Building Code 2012 (Vs30),
para lo cual se ponderó la distribución de velocidades de ondas de corte hasta
30m de
profundidad a partir del nivel de terreno actual. Según la caracterización
dinámica de suelos, el terreno donde se construiría el puente, se clasifica
como clase de sitio tipo “C” y “D”; sin embargo, debido al uso de un sistema de
cimentación profunda, los suelos de velocidades Vs menores a 400 m/s se
eliminarán y el promedio a partir de este podrá ser mayor a 500 m/s, lo cual
corresponde a suelo muy rígido, de perfil tipo S1 en la Norma E-030 [10].
En el año 2018, el puente fue construido y se consideraron un grupo de 12 pilotes (6 x 2) de 1.5 m de diámetro en cada estribo. La verificación de la capacidad de carga de los pilotes fue efectuada mediante la ejecución del ensayo de carga dinámica.
Referencias bibliográficas
[1] Alva Hurtado, J.; Meneses, J. y Guzmán, V. (1984), “Mapa de Distribución
de Máximas Intensidades Sísmicas Observadas en el Perú”, V Congreso Nacional de
Ingeniería Civil, Tacna.
[2] IBC (2012), “International Building Code”, USA.
[3] Jorge
E. Alva Hurtado Ingenieros EIRL (2016), “Informe Técnico Estudio Mecánica de
Suelos con Fines de Cimentación – Puente Juan Pablo II y Accesos-Piura”
[4] Kramer,
S. L. (1996), “Geotechnical Earthquake Engineering”, In Prentice–Hall
International Series in Civil Engineering and Engineering Mechanics.
Prentice-Hall, New Jersey.
[5] Naval Facilities Engineering Command (1986), Soil Mechanics – Manual
Design 7.02. Virginia – USA.
[6] Park,
C.; Miller, R. y Xía, J. (1999), “Multichannel Analysis of Surface Waves”,
Geophysics, Vol. 64. N° 3. Pp: 800-808.
[7] Park,
C.; Miller, R.; Xia, J. y & Ivanov, J. (2001), “Seismic Characterization of
Geotechnical Sites by Multichannel Analysis of Surfaces Waves (MASW) Method”,
Tenth International Conference on Soil Dynamics and Earthquake Engineering
(SDEE), Philadelphia.
[8] Prakash, S. y Sharma, H.D. (1990), “Pile Foundation in Engineering
Practice”, John Wiley, New York.
[9] Reglamento
Nacional de Edificaciones (2006), "Norma E-050 de Suelos y Cimentaciones”,
Lima – Perú.
[10] Reglamento Nacional de
Edificaciones (2016), "Norma Técnica de Edificaciones E-030-Diseño
Sismorresistente”, Lima – Perú.
[11] U. S. Army Corps of Engineers (1995), “Geophysical
Exploration for Engineering and Environmental Investigations”, Engineer Manual
1110-1-1802, Washington, U. S. A.
[12] Vesic,
A. (1969), “Experiments with Instrumental Pile Groups in Sand”, American
Society for Testing and Materials, Special Technical Publication.
[13] Vesic, A. (1977), "Design of Pile
Foundations", National Cooperative Highway Research Program, Synthesis of
Highway Practice, Transportation Research Board, Washington D.C.
Miriam
Rosanna Escalaya Advíncula
Universidad
Ricardo Palma, Lima, Perú
Doctora
en Ingeniería Civil en el Área de Especialización de Geotecnia de la Pontificia
Universidad Católica de Río de Janeiro-Brasil, Maestra en Ciencias con Mención
en Ingeniería Geotécnica de la Universidad Nacional de Ingeniería, Ingeniera
Civil de la Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica. Actualmente se
desempeña como Especialista Geotécnica en la Empresa Jorge E. Alva Hurtado
Ingenieros SAC, con gran experiencia en el área. Ejerce la actividad
docente en el pregrado de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad
Ricardo Palma y en la sección de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Civil de
la Universidad Nacional de Ingeniería.
Autora corresponsal: miriam.escalaya@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0002-0620-8633
Álvaro
Javier Pérez Zuñiga
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas, Lima, Perú.
Docente de la
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas. Maestro en Ciencias con Mención en
Ingeniería Geotécnica, Ingeniero Civil.
pccialpe@upc.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0001-7681-0403
Jorge Alva Hurtado
Universidad
Nacional de Ingeniería, Lima, Perú.
Ingeniero Consultor
Nacional de empresas estatales y organizaciones privadas nacionales y
extranjeras, en obras de ingeniería de gran envergadura. Ingeniero Civil,
Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú. Master of Science and Civil
Engineer, Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y Doctor en Filosofía,
PhD, Universidad de Massachussets.
Orcid:
https://orcid.org/0000-0001-9107-2218
Contribución
de autoría
Los tres coautores del
presente artículo Miriam Escalaya, Álvaro Pérez y Jorge Alva hemos trabajado de
manera conjuntar en la elaboración del artículo en la recopilación de datos,
organización y evaluación de los datos hasta el desarrollo de la discusión y
las conclusiones de la investigación.
Financiamiento
La presente investigación ha sido realizada con recursos propios de los coautores de la
investigación.
Conflicto
de intereses
Los autores declaran que no existe conflicto de
intereses en la presente investigación.
La investigación se realizó de conformidad a los
principios éticos del conocimiento, respetando la originalidad de la
información y su veracidad. Se ha basado en los principios éticos y legal para
la divulgación del conocimiento en las Ciencias de las Ingenierías.
Correspondencia: miriam.escalaya@urp.edu.pe
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