Criterios para la selección de equipos en la perforación de pilotes

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 59)

Pedro Caro Perdigón; Doctor Ingeniero de Minas e Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid.

Siempre hemos llegado al punto de tener que tomar una decisión de elegir un tipo de pilote u otro, así como la elección del mejor medio para perforarlo en función del terreno en el que se desarrolla nuestro proyecto. En esta decisión, intervienen varias variables no fácilmente cuantificables como son el terreno, el espacio disponible para la maquinaria, el diámetro del pilote, su longitud, la existencia de agua, de estas variables la principal es el terreno. Para elegir el pilote hay que considerar estas variables globalmente, no hay una regla para elegir un tipo u otro, la experiencia en Ingeniería Geotécnica y un buen Estudio Geotécnico suelen ser los mejores aliados para no errar en el tipo de pilote.

Otra forma de elegir el tipo de pilote correcto al terreno o a la obra es hacer un pilote de idoneidad, es decir, perforar el terreno en varios sitios con una pilotadora y diversos útiles investigando el terreno y su estabilidad, elegir el tipo de pilote de esta forma supone un coste que las propiedades o las constructoras no están dispuestas a asumir pero que a veces puede ser recomendable cuando existen dudas razonables y/o cuando la cantidad de pilotes es grande, tal sea el caso para obras longitudinales para la construcción de muros pantallas en largos túneles urbanos.

En la inmensa mayoría ( 99,99%) de los Proyectos, Estudios, Anejos de Geotecnia, etc no se plantea ni se resuelve la manera más idónea de perforar un pilote, una vez que el tipo de éste se ha elegido. Esto último, la elección, se medio justifica en más ocasiones que el primero, pero además el Proyecto o Estudio en cuestión debe plasmarse del papel al terreno y es aquí cuando los Contratistas en su ejecución se plantean ellos mismos y a las Ingenierías una solución al problema que se presenta, puesto que el cómo conlleva tiempo y una calidad asociada y a su vez estos factores un coste. El presente artículo recoge una serie de recomendaciones con las que este escollo puede ser salvado y justificado, analizando primeramente los diferentes tipos de pilotes construidos in situ. Esto permitirá a futuros reducir en mayor medida posibles defectos en la construcción de los pilotes que afectan a su continuidad a lo largo del fuste a incluso la punta.

Por último se citan tablas en las que se muestran los principales equipos de perforación de pilotes de diferentes casas comerciales, así como una tabla resumen que muestra un orden de magnitud de qué tipo de pilote emplear según un terreno, con sus rangos de profundidad, diámetro y rendimientos medios.

Tipologías de pilotes

Los pilotes que se plantean en el presente artículo, corresponden a los pilotes  excavados y hormigonados in situ, y que vienen reflejados en la antigua Normativa Técnica de la Edificación pero que a efectos de cálculo son contemplados en:

• Código Técnico de la Edificación.
• Guía de Cimentaciones y Obras de Carreteras.
• Recomendaciones de Obras Marítimas.
• Eurocódigo 7 : Proyecto Geotécnico

Se denominan pilotes in situ a aquellos pilotes cuyo método constructivo consiste en una excavación o perforación en el terreno, en la cual, una vez terminada se coloca una armadura y se rellena su interior con hormigón. En función del sistema de ejecución y las características del terreno, los pilotes in situ se pueden clasificar principalmente en:

• Pilote perforado en seco sin entubación
• Pilote perforado con entubación recuperable
• Pilote perforado con entubación perdida
• Pilote perforado sin entubación con lodos tixotrópicos
• Mixtos perforados con entubación recuperable y lodos tixotrópicos

Esta clasificación se basa en los tipos de pilotes más usuales. Además de éstos existen otros cuyo uso singular queda fuera del alcance de esta clasificación.

La elección del tipo de pilote a ejecutar viene condicionada por las características del terreno (dureza del terreno, presencia de nivel freático, etc.), los esfuerzos transmitidos por la estructura y la economía de la obra, así como el acceso y condicionantes de la misma.

Pilotes perforados en seco sin entubación

Este tipo de pilote se caracteriza por excavarse sin medidas de contención como pueden ser los lodos o entubaciones auxiliares. Se utilizan en suelos con cierta cohesión en los que las paredes de perforación se mantienen estables y no existe la presencia del nivel freático. Usualmente se ejecutan con hélices más o menos continuas y cucharas. La utilización de cucharas o hélices está limitada a suelos cohesivos y fácilmente disgregables puesto que los tramos rocosos o duros requieren el uso del trépano y éste reduce los rendimientos considerablemente siendo más ventajoso recurrir a otras técnicas. Normalmente las perforaciones se ejecutan mediante barrenas continuas, las cuales, dado su proceso de ejecución no mantienen desprotegida la pared de la perforación.

Esta técnica consiste básicamente en la introducción de una hélice continua hasta la máxima profundidad requerida. Durante la extracción de la barrena, que se debe hacer sin girar o girando en el mismo sentido que al perforar, el terreno se puede remover de la barrena por un sistema de limpieza, o permanecer hasta el final en que se elimina mediante sacudidas girando en uno u otro sentido. El hormigón se introduce por el centro de la barrena al mismo tiempo que ésta se extrae. El hormigonado se realiza en seco o bajo agua de forma continuada, terminado éste se introducirá inmediatamente la armadura en el hormigón en fresco. Durante la perforación y la extracción se deben vencer el propio rozamiento entre el terreno cargado en la barrena y el suelo exterior, transmitiéndose al mástil de la máquina el par necesario así como las fuerzas de empuje o extracción. Por esta razón existe una limitación tanto en la profundidad y diámetro, como en resistencia de terreno para el empleo de este tipo de pilotes. Las hélices alcanzan unos diámetros entre 350 y 1.400 mm, dependiendo del tipo de perforación y alcanzando profundidades máximas de 34 metros.

El mayor inconveniente que presenta este método es la incapacidad de atravesar capas duras puesto que si utilizamos el trépano habría que extraer la hélice y el material por lo que las paredes quedarían desprotegidas con riesgo de desprenderse. Dado que la armadura se introduce en el hormigón fresco también existe una limitación al respecto puesto que en pilotes largos, la introducción de la armadura presenta dificultad en la ejecución (izado y posterior clavado en el hormigón). Normalmente las armaduras no superan los 9-12 m de longitud. No obstante, utilizando vibradores y controlando la consistencia del hormigón, rigidez de la armadura y sobre todo la velocidad de fraguado se puede armar toda la longitud del pilote.

La gran ventaja de este método consiste en su rapidez de ejecución con rendimientos que pueden superar los 150 m/turno. También es importante subrayar que en diámetros pequeños (450-650 mm) resulta ser el procedimiento más económico. A continuación se muestra un croquis del proceso constructivo:

En cuanto a los pilotes excavados con cucharas abarcan unos diámetros entre 600 y 1.500 mm , profundidades variables, normalmente menores de 40 m y con rendimientos de 20-40 m/turno.

Pilotes perforados con entubación recuperable

En este tipo de pilotes la contención de las paredes de la excavación se realiza al amparo de una camisa metálica que se introduce a rotación directamente con la propia máquina cuando se trate de profundidades menores de 15 m según el tipo de suelo y equipo, o con empleo de morsa hidráulica y empleo de camisas empalmadas mediante roscas estancas cuando las profundidades son mayores.

El proceso constructivo consiste en la introducción de la entubación de forma acompasada conforme se va realizando la excavación del terreno del interior de la entubación mediante barrenas cortas, cucharas o buckets. Una vez excavado el terreno, se procede a la limpieza del fondo y posteriormente se introduce la armadura con separadores longitudinales que garanticen el centrado y recubrimiento longitudinal. A continuación se inicia el hormigonado desde el fondo de la perforación. Conforme se va hormigonado se va retirando la camisa pero siempre con un resguardo mínimo para evitar que se produzcan cortes o discontinuidades. Igualmente la tubería de hormigonado se va retirando conforme se retira la camisa.

Este método es muy versátil y se usa en todos aquellos terrenos inestables en los que el empleo de lodos tixotrópicos no es apropiado porque se pierde durante la perforación como es el caso de terrenos muy permeables (escolleras, bloques, gravas muy gruesa sin finos, etc) o con presencia de cavidades, huecos o corrientes de agua. Normalmente con este método se alcanzan diámetros comprendidos entre los 650-2.000 mm, llegando incluso a 3.500 mmm y 85 m de profundidad. Los rendimientos suelen ser bajos entorno a 30-40 m/turno de pilote terminado.

En cuanto a la entubación se han generalizado dos técnicas.

La primera es la introducción de la entubación hasta la profundidad requerida mediante la aplicación de una vibración y empuje del tubo. Posteriormente se extrae el material del interior y a continuación se introduce la armadura y se hormigona. Finalmente el mismo vibrador se utiliza para facilitar la extracción de la tubería. Con este sistema generalmente no se alcanzan profundidades mayores a los 15 m y esta limitado a terrenos blandos donde la tubería puede hincarse fácilmente aunque en condiciones favorables podría llegarse a profundidades de 40 m y pilotes de 2,5 m de diámetro.

La segunda consiste en la introducción de la tubería mediante el par de rotación de la pilotadora o de una entubadora acoplada a la misma. La entubación va descendiendo a medida que se va excavando el terreno. Una vez alcanzada la profundidad requerida se procede a la introducción de la armadura y al hormigonado. Para la extracción de la tubería se utilizan collares hidráulicos denominados “morsas” los cuales consisten en abrazar la entubación y el empuje vertical en ambos sentidos. Con este sistema se puede alcanzar los 60-80 m de profundidad y diámetros máximos de 3,5 m.

La instalación de tubería puede reducir entre un 30 y un 50% la producción respecto al empleo de lodos. Por otro lado el empleo de cuchara en vez de equipo de rotación puede reducir el rendimiento un 50% más.

Pilotes perforados con entubación perdida

Este método es igual al anterior salvo por la camisa, que es perdida. Se utilizan cuando es necesario proteger el hormigón de corrientes de agua, terrenos muy agresivos o que sirvan como encofrado de cavidades subterráneas o para reducir la resistencia por fuste en terreno que induzca rozamiento negativo en los pilotes. Presentan un sobrecoste que solo es asumible en condiciones particulares.

Pilotes sin entubación excavados con lodos o polímeros

En este tipo de pilote la excavación se realiza al amparo de las propiedades tixotrópicas de lodos o polímeros, utilizando barrenas cortas, cucharas o buckets para la retirada de tierras y aportando lodos de una manera continua.

Los lodos (bentonita) o polímeros tienen la particularidad de que producen suspensiones más densas que el agua que estabilizan las paredes de la perforación debido a la sobrepresión producida. Además en terrenos granulares, como consecuencia del gradiente hidráulico positivo, la suspensión penetra a través de las partículas dejando depositada una fina película “cake” que es impermeable y sobre la que el resto de la mezcla ejerce su presión estabilizadora.

A nivel de versatilidad, estos dos tipos de lodos tienen distintos rangos de aplicación. Mientras que los lodos de bentonita se pueden aplicar a un amplio abanico de terrenos por su capacidad de generar viscosidad, tixotropía y membrana impermeable (“cake”), los lodos poliméricos sólo actúan por su viscosidad y el efecto de la carga hidrostática de la columna o volumen de lodo dentro de la excavación, lo que hace que su capacidad de colmatación del terreno sea muy limitada y su uso se restrinja sólo a terrenos cohesivos y de permeabilidad reducida.

El proceso constructivo es similar a los entubados salvo que para mantener estables las paredes de la perforación se van aportando lodos de manera continuada conforme se realiza la excavación. Una vez efectuada la excavación se procede a la introducción de la armadura y posteriormente al hormigonado a través de la tubería tremie y la retirada del lodo bentonítico por diferencia de densidad. En esta operación es muy importante controlar la calidad del lodo.

A continuación se muestra gráficamente el proceso constructivo:

Uno de los mayores inconvenientes que plantea este método es que no es posible usarlo en terrenos muy permeables (escolleras, bloques, gravas muy gruesa sin finos, etc) donde el lodo se pierde a través del terreno. Por otro lado, este tipo de pilotaje implica la instalación de una central de lodos lo que conlleva una necesidad de espacio extra, a veces no disponible, y la eliminación de los mismos, con el traslado a vertedero dado los condicionantes medioambientales. Por estos motivos cada vez están más en uso el empleo de polímeros que cumplen la función tixotrópica de la bentonita pero sin los condicionantes de espacio y mediambientales. No obstante, su elevado precio solo permite utilizarse en situaciones determinadas.

En pilotes de gran diámetro, las dificultades de ejecución hacen imprescindible la realización de pruebas indirectas mediante ensayos de integridad (transparencia sónica, eco, impedancia mecánica, etc) y/o reconocimientos directos de la punta mediante sondeos que permitan determinar la calidad de ejecución de los pilotes.

Pilotes mixtos con empleo de entubación y lodos

Esta técnica se emplea cuando se encuentran capas intermedias de rocas o terrenos muy compactos, que impiden el avance de la entubación recuperable, en el tratamiento de punta en el empotramiento del pilote con objeto de que no se desmorone y se pueda realizar una buena limpieza del fondo o en la contención con entubación de los primeros metros más inestables y permeables donde los lodos se pueden perder.

Criterios geotécnicos para la decisión del útil de perforación

Útiles de perforación

La perforación se realiza normalmente con máquinas rotativas o con cucharas cuyas peculiaridades se explican a continuación:

• Excavación con cuchara

La excavación mediante cuchara consiste en unas valvas semicirculares que penetran en el terreno y con el cierre de las mismas provoca el arranque del terreno. La cuchara es izada mediante cables accionados por los winches de la grúa. La fuerza ascendente provocada por el cierre de las valvas, es compensada por el peso de la propia estructura sobre la que se instala la cuchara. La penetración puede incrementarse dejando caer la cuchara desde cierta altura haciendo que las valvas se claven en el terreno o sustituyendo la cuchara por un trépano y dejando caer el mismo desde una altura mayor.

Este procedimiento permite extraer detritus de un tamaño algo menor que el diámetro del pilote y es especialmente útil en la perforación de grandes bolos. Su uso se limita a terrenos disgregables y al empleo de entubación auxiliar para guiar la perforación. No obstante, en combinación con el trépano es posible perforar roca por encima de 150 MPa, sin embargo los avances comienzan a bajar hasta 0,5-0,1 m3 para roca de resistencia a compresión por encima de 75 MPa. Los diámetros a utilizar varían entre 800 y 2.500 mm estando la profundidad limitada por la capacidad de extracción de la tubería de revestimiento y a la presencia de materiales resistentes en los que el uso del trépano elevaría los tiempos de ejecución y por tanto los costes.

• Excavación con equipos de rotación

Los equipos de rotación, en cambio, extraen el material mediante dientes especiales inclinados que arrancan una parte del terreno durante la rotación de la herramienta. Debido a que los dientes tienen la tendencia a levantar la herramienta durante la rotación, es necesario provocar un empuje vertical que se genera en la cabeza de rotación, y se transmite a través del kelly.

Con los nuevos equipos de perforación de elevados pares de rotación y fuerza de empuje, y el desarrollo de dientes provistos de puntas de widia, es posible perforar rocas de hasta 100 MPa de resistencia a compresión simple, aunque a partir de resistencias de 50 MPa no es económicamente rentable siendo más conveniente el uso de martillos en fondo.

Básicamente se utilizan hélices las cuales funcionan rotando en el interior del terreno y perforada una longitud igual al tramo de la hélice se extrae ésta rellena de material y se deposita en las proximidades de la máquina. Este método esta especialmente indicado en terrenos cohesivos o en los cuales se utiliza tubería de revestimiento. Los rendimientos alcanzan los 80-100 m/turno y aún más en terrenos favorables. En los casos, en que el terreno es granular o con poca cohesión, hay presencia de agua o se utilizan lodos como sistemas de contención, se recurre a cazos o buckets puesto que el material se escurre entre los pasos de la hélice. Los buckets o cazos constan de una trampilla en la parte inferior que va cargando el material a medida que lo va disgregando. Una vez elevado el bucket, el terreno es extraído mediante la abertura de la trampilla o por el giro del mismo en sentido inverso. Con este método se pueden alcanzar rendimientos de 40-50 m/turno, muy superiores a los conseguidos con cuchara pero del orden de mitad de los conseguidos con hélice.

Cuando se perfora en terrenos muy duros es más efectivo romper el terreno con una corona circular de diámetro exterior igual al del pilote, y de unos centímetros de anchura. Posteriormente es más fácil romper el cilindro interior mediante una hélice o bucket.

En el caso de terrenos con resistencia superiores a los 75 MPa y profundidades importantes es necesario recurrir a equipos de rotopercusión con martillo en fondo (DHH) o al empleo de triconos.

Los martillos combinan la rotación de la cabeza a la que está acoplada con el golpeo de alta frecuencia de la boca de perforación mediante un pistón accionado con aire comprimido. La boca está dotada de una serie de botones de carburo de tungsteno, que producen la rotura en una fracción de milímetros en cada golpe. La roca pulverizada es trasportada hasta la superficie por el aire comprimido. Debido a que es necesario aportar volúmenes de aire comprimido importantes, los martillos están limitados a perforaciones de 800 mm. En parte esta limitación ha sido solventada mediante el uso de martillos de cabeza múltiple con los que se pueden alcanzar diámetros de 3.000 mm. Básicamente consisten en varios martillos de fondo unidos en una única cabeza. El aire suministrado se realiza de forma independiente para cada martillo y el detritus de perforación es aspirado por un colector central por lo que no es necesaria gran presión sobre el fondo para obtener un buen rendimiento en diámetros grandes. Su principal desventaja es elevado coste de los equipos y el elevado consumo de aire.

En cuanto a los triconos, éstos se basan en el uso de muelas troncocónicas con botones de carburo de tugsteno que ruedan bajo alta presión sobre la superficie del terreno, cuyo resultado es la fragmentación lateral del terreno de forma análoga al método anterior. El peso se consigue mediante una serie de barras de carga y con la presión adicional proporcionada por un sistema de empuje situado en la cabeza de rotación. Este método se puede utilizar para cualquier diámetro, pero está limitado por la relación peso/superficie a perforar. El límite se sitúa en torno a 2.500 mm de diámetro con sobrecargas de 80 t. Un caso particular es la corona de triconos el cual se basa en el hecho de que una vez perforado un anillo exterior, la excavación del terreno interior es relativamente fácil con cazos o hélices.

Por último se muestra los rendimientos de las diferentes técnicas en función del tipo de terreno:

Criterio según clasificación granulométrica USCS

Este criterio consiste en clasificar el empleo de los útiles de corte y perforación mediante una simple clasificación física del suelo, es decir, mediante su clasificación granulométrica.

Obsérvese que no se utiliza ningún parámetro mecánico, tanto deformacional como tensional del suelo, sino que basta únicamente con una clasificación granulométrica.

Criterio según resistencia

Este segundo criterio está más extendido para la perforación de rocas  según la resistencia a compresión simple y RQD.

En este caso y al contrario de los suelos uno de los parámetros que intervienen para el proceso de selección es la resistencia a compresión simple, propiedad que en la mayoría d elos casos su coste de obtención es alto frente a una simple clasificación granulométrica.

No obstante hay que mencionar el criterio expuesto por AETESS para la perforación de pilotes en suelos mediante su resistencia media a compresión, como se muestra en la siguiente Tabla 3.2.I. donde se menciona también el tipo de pilote.

Finalmente hay que mencionar que los últimos estudios realizados en cuanto a la correlación de parámetros resistentes-parámetros deformacionales  y útil de perforación han sido llevados a cabo por el Prof José María García Mezquita (Análisis de la correlación entre los parámetros de perforación en pilotes in situ y su capacidad portante) donde tiene gran aplicación sobre lo comentado anteriormente.

Resumen de tipologías de pilotes

A continuación se presenta una tabla resumen con los tipos de pilotes in situ y su uso en función de los condicionantes geotécnicos, diámetro, profundidad y rendimientos que puede ser de utilidad de cara a tener unos órdenes de magnitud.

Equipos de perforación de las principales casas comerciales

En las siguientes tablas se muestran las características técnicas de equipos de perforación de algunas casas comerciales más importantes para la perforación de pilotes. Se incluyen además equipos auxiliares  para la ejecución de los mismos: