¿Por qué hacer un ensayo de carga?
El ensayo de carga es la forma más directa de conocer la resistencia real de un pilote en el terreno de la obra. Las normas lo premian: con ensayos se aceptan factores de seguridad menores o factores de resistencia mayores.
- En FHWA GEC 12, con un ensayo estático por condición de sitio el factor de resistencia es φ = 0,75. Si solo se usa el método estático de Nordlund en arena, es φ = 0,45 [FHWA GEC 12 Vol. I, Tablas 7-1 y 7-2].
- En la NSR-10, los factores de seguridad de cimentaciones profundas pueden reducirse hasta el 80 % de los indicados cuando hay pruebas de carga suficientes [NSR-10 §H.4.7.3].
Tipos de ensayo
- Estático a compresión — ASTM D1143.
- Estático a tensión — ASTM D3689.
- Carga lateral — ASTM D3966.
- Dinámico de alta deformación (PDA) — ASTM D4945. Las tablas de FHWA indican que el ensayo dinámico requiere ajuste de señal (signal matching) [FHWA GEC 12 Vol. I, Tabla 7-2, nota].
- Celda bidireccional — ASTM D8169.
- Integridad de baja deformación (PIT) — ASTM D5882. Revisa el fuste, no mide la capacidad.
El CTE (España) reconoce las pruebas estáticas, ya sea por escalones de carga o a velocidad de penetración constante, además de pruebas dinámicas, de integridad y de control [CTE DB SE-C §5.4.4].
Esquemas de montaje
Dibujos técnicos simplificados de los montajes más usados. Están redibujados a partir de las figuras de las fuentes citadas, no copiados. Cada número corresponde a la leyenda. Pulsa el ícono para ver el esquema en pantalla completa.
Distancia libre entre el pilote de ensayo y los de reacción: al menos 5 veces el diámetro máximo del pilote de reacción o de ensayo, y no menos de 8 pies (2,44 m) [ASTM D1143, reproducido en FHWA GEC 12 Vol. II §9.2.2].
Compresión axial con pilotes de reacción
Redibujado a partir de: FHWA GEC 12 (FHWA-NHI-16-009), cap. de ensayos estáticos; ASTM D1143
- 1Viga principal de reacción
- 2Vigas secundarias de anclaje a los pilotes de reacción
- 3Pilotes de reacción (trabajan a tensión)
- 4Rótula esférica (evita excentricidad)
- 5Celda de carga calibrada
- 6Gato hidráulico
- 7Placa de reparto sobre la cabeza del pilote
- 8Viga de referencia apoyada fuera de la zona de influencia
- 9Deformímetros (mínimo 2, diametralmente opuestos)
- 10Pilote de ensayo
Compresión axial con lastre (kentledge)
Redibujado a partir de: FHWA GEC 12 (FHWA-NHI-16-009); Ministerio de Fomento, Guía de cimentaciones en obras de carretera
- 1Bloques de lastre (concreto o acero)
- 2Plataforma de vigas que soporta el lastre
- 3Apoyos de la plataforma (cribbing) alejados del pilote
- 4Viga principal sobre el gato
- 5Rótula, celda de carga y gato hidráulico
- 6Viga de referencia con deformímetros
- 7Pilote de ensayo
Ensayo a tensión (arrancamiento)
Redibujado a partir de: ASTM D3689; FHWA GEC 12 (FHWA-NHI-16-009)
- 1Gato hidráulico de pistón hueco
- 2Celda de carga y tuerca de anclaje
- 3Barra o armadura de tracción unida al pilote
- 4Viga de reacción
- 5Apoyos de la viga sobre el terreno, alejados del pilote
- 6Viga de referencia con deformímetros
- 7Pilote o micropilote de ensayo
Ensayo de carga lateral entre dos pilotes
Redibujado a partir de: ASTM D3966; FHWA GEC 12 (FHWA-NHI-16-009)
- 1Pilote de ensayo
- 2Pilote o estructura de reacción
- 3Gato hidráulico horizontal con rótulas en ambos extremos
- 4Celda de carga
- 5Puntal o separador de acero
- 6Deformímetros horizontales sobre viga de referencia independiente
- 7Inclinómetro dentro del pilote (opcional) para la deformada
Celda bidireccional (O-cell)
Redibujado a partir de: FHWA GEC 10 (FHWA-NHI-18-024, Drilled Shafts); ASTM D8169
- 1Pila o pilote preexcavado
- 2Celda hidráulica embebida en el fuste
- 3Segmento superior: reacciona con la fricción del fuste superior
- 4Segmento inferior: fuste inferior + punta
- 5Tell-tales y extensómetros hasta la superficie
- 6Viga de referencia y sistema de adquisición
Ensayo dinámico de alta deformación (PDA)
Redibujado a partir de: ASTM D4945; FHWA GEC 12 (FHWA-NHI-16-009)
- 1Martillo (de hinca o de caída libre)
- 2Amortiguador / cojín
- 3Pares de transductores de deformación y acelerómetros, en caras opuestas
- 4Cable al equipo de adquisición
- 5Equipo PDA; análisis posterior de ajuste de señal (p. ej. CAPWAP)
- 6Pilote ensayado
Micropilote: ensayo de verificación o de prueba (proof test)
Redibujado a partir de: FHWA-NHI-05-039, Micropile Design and Construction
- 1Gato hidráulico de pistón hueco y celda de carga
- 2Viga de reacción con apoyos alejados del micropilote
- 3Deformímetro de la cabeza, sobre viga de referencia independiente
- 4Armadura / barra del micropilote
- 5Longitud no adherida (libre)
- 6Longitud adherida (bulbo de lechada)
Las cargas, tiempos y criterios de aceptación de cada ensayo están en la sección de micropilotes de esta guía.
Procedimiento de carga recomendado
AASHTO (2014) y la FHWA recomiendan el ensayo rápido (quick load test) [FHWA GEC 12 Vol. II §9.2.3]:
- Incrementos del 5 % de la resistencia nominal geotécnica prevista.
- Cada incremento se sostiene entre 4 y 15 minutos, con el mismo intervalo en todo el ensayo.
- Lecturas a 0,5, 1, 2 y 4 minutos, y a 8 y 15 minutos cuando aplique.
Interpretación: criterio de Davisson
Para pilotes de hasta 24" (610 mm) de diámetro, la carga de falla es el punto de la curva carga–asentamiento donde el asentamiento alcanza [FHWA GEC 12 Vol. II §9.2.4, Ec. 9-2]:
sf = Δ + (0,15 + b/120) [pulgadas] · Δ = QL/AE
Equivale a Δ + 3,81 mm + b/120. Para pilotes de más de 36" se usa sf = Δ + b/30 (Ec. 9-3). Entre 24" y 36" se interpola entre los dos criterios.
¿Cuántos ensayos hacer?
Ninguna de estas normas fija un número universal. Todas premian ensayar más: con más ensayos, el factor de seguridad baja o el factor de resistencia sube.
FHWA / AASHTO: factor de resistencia φ en pilotes hincados a compresión
| Método para determinar la resistencia | φ |
|---|---|
| Ensayo estático (≥ 1 por condición de sitio) + ensayos dinámicos (≥ 2 por condición de sitio y ≥ 2 % de producción) | 0,80 |
| Ensayo estático (≥ 1 por condición de sitio), sin ensayos dinámicos | 0,75 |
| Ensayos dinámicos en el 100 % de los pilotes de producción | 0,75 |
| Ensayos dinámicos (≥ 2 por condición de sitio y ≥ 2 % de producción) | 0,65 |
| Análisis de ecuación de onda sin mediciones dinámicas (solo fin de hinca) | 0,50 |
| Fórmula FHWA Gates modificada (solo fin de hinca) | 0,40 |
| Análisis estático: Nordlund (arena) · Schmertmann · método α (arcilla) | 0,45 · 0,50 · 0,35 |
Fuente: FHWA GEC 12 Vol. I, Tablas 7-1 y 7-2 (modificadas de AASHTO 2014).
NSR-10 (Colombia): número mínimo de pruebas de carga para reducir el factor de seguridad
| Categoría de la unidad de construcción | Baja | Media | Alta | Especial |
|---|---|---|---|---|
| Pruebas de carga mínimas | ≥ 1 | ≥ 2 | ≥ 3 | ≥ 5 |
Los factores de seguridad indirectos mínimos son 3,0 (carga muerta + viva normal), 2,5 (muerta + viva máxima) y 1,5 (muerta + viva normal + sismo pseudoestático) [NSR-10 Tabla H.4.7-1]. Con las pruebas de carga suficientes pueden reducirse "sin que lleguen a ser inferiores al 80 %" [NSR-10 §H.4.7.3, Tabla H.4.7-2]. Aplicando esa regla, los mínimos quedan en 2,4, 2,0 y 1,2.
Eurocódigo 7: factores de correlación ξ para ensayos estáticos
| n.º de pilotes ensayados | 1 | 2 | 3 | 4 | ≥ 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| ξ₁ (sobre la media) | 1,40 | 1,30 | 1,20 | 1,10 | 1,00 |
| ξ₂ (sobre el mínimo) | 1,40 | 1,20 | 1,05 | 1,00 | 1,00 |
Fuente: EN 1997-1:2004, Anexo A, Tabla A.9 (valores recomendados; cada Anexo Nacional puede fijar otros).
Ministerio de Fomento (España): coeficientes de seguridad mínimos
La Guía de cimentaciones en obras de carretera dice que "la realización de pruebas de carga «in situ» resulta especialmente recomendable". Los pilotes ensayados deben ser comparables en dimensiones, terreno y técnica constructiva, y de preferencia estar en la propia obra [Guía de cimentaciones §5.14]. No fija un número de ensayos.
| Método | Casi permanente F₁ | Característica F₂ | Accidental F₃ |
|---|---|---|---|
| Basado en ensayos de carga | 2,0 | 1,7 | 1,5 |
| Pilotes hincados: control electrónico de hinca y contraste con pruebas de carga | 1,7 | 1,5 | 1,2 |
Fuente: Guía de cimentaciones en obras de carretera, §5.15.2, Tabla 5.6.
CTE DB SE-C (España)
Para edificios de categoría C-3 y C-4 con pilotes prefabricados hincados, exige "pruebas dinámicas de hinca contrastadas con pruebas de carga" [CTE DB SE-C §5.4.4(7)]. Cuando el asiento es crítico, recomienda pruebas diseñadas para medir el asiento a largo plazo [§5.3.7.1(2)]. No fija un número general de ensayos.
¿Cuántos llevar a la falla y por qué?
Ninguna de las normas revisadas fija cuántos ensayos deben llevarse a la falla. Lo que sí se desprende de ellas:
- Un ensayo de prueba solo confirma que el pilote aguanta la carga aplicada. Un ensayo a la falla, o a la carga de Davisson, da la resistencia nominal medida. Ese es el valor con el que trabajan las tablas de φ, ξ y factores de seguridad de arriba.
- El ensayo rápido de la FHWA se define con incrementos del 5 % de la resistencia nominal prevista [GEC 12 §9.2.3], es decir, está pensado para llegar hasta la resistencia nominal.
- En micropilotes, el ensayo de verificación (antes de la producción) va hasta 2,0 × DL en un elemento de prueba, y el proof test en elementos de producción hasta 1,6 × DL [FHWA-NHI-05-039 §7.6.4]. Por eso a los elementos que quedan en la obra no se les lleva a la falla.
Ejemplo del efecto de ensayar
Con una carga mayorada de 1.000 kN, el método de Nordlund (φ = 0,45) exige una resistencia nominal de 2.222 kN. Con un ensayo estático por condición de sitio (φ = 0,75) bastan 1.333 kN. Es un 40 % menos de resistencia requerida, calculado con los valores φ de la tabla FHWA.
Micropilotes: verificación y control de calidad en producción
Todo según FHWA-NHI-05-039, Micropile Design and Construction (2005):
Ensayos de verificación (antes de la producción)
- "Se requiere al menos un ensayo de verificación previo a la producción en todos los proyectos", y al menos uno en cada estrato de apoyo significativamente distinto [§7.6.2].
- Carga máxima: el manual indica que "normalmente será de 2,0 a 2,5 veces la carga de diseño" [§7.4.1.1] y recomienda 2,0 × DL para soporte estructural [§7.6.4].
Proof tests en micropilotes de producción
| Aplicación | Frecuencia mínima de proof tests |
|---|---|
| Soporte estructural de obra nueva | 1 por unidad de subestructura, y no menos del 5 % de los micropilotes de producción |
| Recalce (underpinning) y refuerzo sísmico | 1 por unidad de subestructura |
| Estabilización de taludes | 2 %, ensayados a 2,0 × Pult |
Fuente: FHWA-NHI-05-039, Tabla 7-3. El manual aclara que el 5 % es una regla práctica que puede no ser adecuada para todas las aplicaciones.
- Carga máxima del proof test: 1,6 × DL (160 % de la carga de diseño) [§7.4.2.1, Tabla 7-2, §7.6.4].
- Escalón de fluencia: carga sostenida a 1,30 × DL durante 10 minutos, con lecturas a 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 10 min. Luego se sigue a 1,45 y 1,60 × DL [§7.4.1.2, Tabla 7-2].
Criterios de aceptación
- Fluencia: a 1,3 × DL, no más de 1 mm entre 1 y 10 minutos. Si se extiende el ensayo, no más de 2 mm entre 6 y 60 minutos [§7.4.3.1].
- Pendiente carga–asentamiento: no más de 0,15 mm/kN (0,025 in/kip) a 2,0 × DL [§7.4.3.1].
- Movimiento total admisible a carga de diseño: lo fija cada proyecto; el manual no da un valor universal.
Tiempo de espera antes de ensayar
- Pilotes hincados: la especificación sugerida por la FHWA indica no ensayar "antes de 5 días" después de hincar el pilote de ensayo y los de reacción. Recomienda al menos 2 semanas en arcillas y lutitas y 5 días a 1 semana en limos arenosos y arenas, para que se estabilice el efecto de setup o relajación [FHWA GEC 12 Vol. II §14.5.1].
- Pilotes de concreto: el CTE pide esperar lo suficiente para que el material del pilote gane resistencia y para que se disipen los cambios de resistencia del terreno causados por la presión de poros [CTE DB SE-C §5.4.4(6)]. El plazo exacto lo fija el diseñador según la mezcla.
Lista de chequeo e informe
Antes del ensayo
- Certificados de calibración vigentes del gato, el manómetro, la celda de carga y los deformímetros.
- Distancia libre entre pilotes según ASTM D1143 (ver arriba).
- Tiempo de espera cumplido.
- Programa de carga aprobado por el diseñador, con la resistencia nominal prevista.
- Protección del montaje y de la viga de referencia frente a sol, lluvia y viento.
El informe debería incluir
- Datos del pilote: geometría, fechas, registros de construcción y perfil del terreno.
- Montaje, fotos y certificados de calibración.
- Lecturas y curvas de carga–asentamiento y de tiempo–asentamiento.
- Criterio de interpretación y resistencia obtenida.
- Comparación con la resistencia de diseño y conclusiones.
Preguntas frecuentes
¿Cuántos ensayos de carga necesita mi proyecto?
Depende de la norma y de la variabilidad del terreno. La FHWA (GEC 12) usa como base un ensayo estático por cada condición de sitio. La NSR-10 (Tabla H.4.7-2) exige al menos 1, 2, 3 o 5 ensayos para reducir el factor de seguridad, según la categoría de la unidad de construcción (baja, media, alta o especial).
¿Cuánto tiempo hay que esperar después de hincar un pilote para ensayarlo?
La especificación sugerida en FHWA GEC 12 (§14.5.1) indica no ensayar antes de 5 días después de hincar el pilote de ensayo y los de reacción. Recomienda al menos 2 semanas en arcillas y lutitas, y de 5 días a 1 semana en limos arenosos y arenas.
¿Qué procedimiento de carga recomienda la FHWA?
El ensayo rápido (quick load test): incrementos del 5 % de la resistencia nominal geotécnica prevista, cada uno sostenido el mismo tiempo, entre 4 y 15 minutos (FHWA GEC 12, §9.2.3).
¿Qué porcentaje de micropilotes de producción se debe ensayar?
La FHWA-NHI-05-039 (Tabla 7-3) recomienda, para soporte estructural de obra nueva, 1 proof test por unidad de subestructura y no menos del 5 % de los micropilotes de producción.
¿Un ensayo dinámico reemplaza al estático?
Según las tablas de factores de resistencia de FHWA GEC 12 (tomadas de AASHTO 2014), el mayor factor (φ = 0,80) se obtiene combinando al menos un ensayo estático por condición de sitio con ensayos dinámicos. Solo con ensayos dinámicos en el 2 % de los pilotes (mínimo 2) el factor es 0,65.
Referencias
- FHWA GEC 12, Design and Construction of Driven Pile Foundations, Vol. I (FHWA-NHI-16-009)
- FHWA GEC 12, Vol. II (FHWA-NHI-16-010)
- FHWA-NHI-05-039, Micropile Design and Construction (2005)
- NSR-10, Título H: Estudios geotécnicos
- Ministerio de Fomento, Guía de cimentaciones en obras de carretera
- Código Técnico de la Edificación, DB SE-C Cimientos (2019)
- EN 1997-1:2004, Eurocódigo 7: Proyecto geotécnico, Parte 1, Anexo A
- ASTM D1143, D3689, D3966, D4945, D5882, D8169
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