ES2145473T5 - Formacion perfeccionada de pilotajes mediante husillo sin fin. - Google Patents

Abstract

SE REVELA UN METODO DE FORMACION CONTINUA DE PILOTES CON BARRENA DE HELICE Y UN DISPOSITIVO DE BARRENA DE HELICE (1), SEGUN EL CUAL UNA BARRENA (2) SE APLICA AL TERRENO PARA REALIZAR UNA PRIMERA FASE DE PENETRACION Y UNA SEGUNDA FASE DE RETIRADA Y SEGUN EL CUAL LA VELOCIDAD DE GIRO Y/O LA VELOCIDAD DE PENETRACION Y/O EL PAR APLICADO A LA BARRENA (2) DURANTE LA PRIMERA FASE DE PENETRACION SE DETERMINAN Y CONTROLAN EN FUNCION DE LAS CONDICIONES DEL TERRENO Y DE LA GEOMETRIA DE LA BARRENA POR MEDIO DE UN ORDENADOR (8), CON OBJETO DE MANTENER LA HELICE DE LA BARRENA (11) CARGADA CON LA TIERRA PROCEDENTE DE LA ZONA DE LA PUNTA DE LA BARRENA (2). DURANTE LA FASE DE RETIRADA, SE PUEDE ALIMENTAR HORMIGON (14) A LA PUNTA (12) DE LA BARRENA (2) MEDIANTE UN DISPOSITIVO DE CONTROL Y MEDIDA DEL CAUDAL (6, 7), CONTROLANDO LA VELOCIDAD DE RETIRADA DE LA BARRENA (2) EN FUNCION DEL CAUDAL DE HORMIGON (14), O VICEVERSA, MEDIANTE UN ORDENADOR (8), PARA ASEGURAR QUE SE ALIMENTA SUFICIENTE HORMIGON (14) PARA MANTENER LA PUNTA (12) DE LA BARRENA (2) SUMERGIDA EN HORMIGON (14) DURANTE LA RETIRADA.

Description

Formación perfeccionada de pilotajes mediante husillo sin fin.

La presente invención se refiere a la formación de pilotajes mediante husillo sin fin y, en particular, si bien no de forma exclusiva, a la automatización de las fases de perforación y pilotaje entre las operaciones de pilotaje mediante husillo con espiras de tipo continuo.

La realización de pilotajes mediante husillos de espiras continuas se ha utilizado en la industria de la construcción desde principios de los años 80. Los pilotajes son construidos perforando el suelo a la profundidad requerida con husillo de espiras continuas montado en una instalación de pilotaje, retirando el husillo sin fin y bombeando hormigón hacia adentro de la excavación por el husillo al ser retirado éste al exterior. A continuación se puede colocar una jaula de refuerzo en el hormigón húmedo.

La instalación fiable del pilotaje viene influenciada por una serie de factores. Una primera consideración es que el terreno que rodea la excavación no debe sufrir alteraciones notables. Una segunda consideración es que se debe facilitar el suficiente hormigón a lo largo del husillo a efectos de impedir la entrada de tierra desde las paredes de la excavación, que por el contrario contaminaría la sección transversal del hormigón.

Con referencia a la primera de estas consideraciones, es posible insertar un husillo de espiras continuas en el suelo simplemente por rotación del mismo con el suficiente par de fuerzas. En estas condiciones, el desplazamiento lateral del suelo circundante compacta la tierra, resultando en una mayor resistencia contra la rotación hasta que la resistencia se iguala al par de fuerzas aplicado. En este momento tiene lugar el llamado rechazo, es decir, el husillo no puede girar y no se puede conseguir penetración adicional. Si, en el momento del rechazo, la punta del husillo ha alcanzado la profundidad requerida y la instalación de pilotaje es capaz de extraer el husillo cargado, entonces sería posible suministrar el hormigón de forma directa. En la práctica, no obstante, la profundidad de penetración conseguida de esta manera es difícilmente suficiente. A efectos de conseguir mayores profundidades, es posible limitar la velocidad de penetración del husillo de manera que la tierra que queda incluida en las espiras del husillo es gradualmente cortada o cizallada de la tierra que rodea la excavación.

Un husillo que gira en la tierra en la que no hay fricción periférica no transportará la tierra hacia arriba y será muy ineficaz. Un husillo girando en la tierra con un elevado ángulo de fricción (éste es el caso en el que la componente vertical de la fuerza de cizalladura entre la tierra en una espira de husillo con respecto a la tierra que comprende la pared del orificio es grande en comparación con la componente horizontal) tendrá poca presión lateral disponible del suelo y, por lo tanto, constituirá un dispositivo transportador ineficaz. No obstante, un husillo girando en arena suelta, por ejemplo, está sometido a una fuerte presión lateral de la tierra y será un transportador eficaz. Si la velocidad de penetración del husillo en dicho suelo no es suficientemente rápida para mantener las espiras del husillo completamente cargadas por la acción de penetración, el husillo cargará material por rotura hacia adentro de la pared del orificio y provocará considerables inconvenientes en el suelo circundante.

En el documento BE-A-878215 se propone un procedimiento para la realización de pilotajes mediante husillos de espiras continuas en el que la velocidad de penetración del husillo se ajusta para conseguir una velocidad ideal que es determinada por consideración de la geometría del husillo.

Haciendo referencia a continuación a la segunda consideración anteriormente efectuada, es decir, el suministro de hormigón a lo largo del husillo, es posible controlar la alimentación de hormigón por determinación de la presión del mismo en el tubo de alimentación en un lugar adecuado, por ejemplo, en la parte superior del husillo. En estas condiciones se puede instalar un pilotaje manteniendo una presión positiva del hormigón al retirar el husillo. Esto supone que no se puede suministrar hormigón adicional al hueco producido al retirar el husillo. No obstante, no todas las características de suelo permiten el funcionamiento fiable de este método. En particular, en suelos poco consolidados que permiten el escape de hormigón a la superficie, el control de la presión no tiene significado. Además, los residuos pueden bloquear el orificio a través del cual se suministra el hormigón, dando como resultado lecturas de presión positivas aunque se esté suministrando una cantidad insuficiente de hormigón. Además, las lecturas de la presión del hormigón dependen de si el husillo es obligado a girar durante la extracción, puesto que la lectura se reducirá si se está transportando de manera continua el hormigón hacia arriba en las espiras del husillo. De acuerdo con ello, el control de la presión no es en sí misma una buena técnica para controlar el montaje de pilotajes ni proporciona una indicación satisfactoria de que un pilote haya sido montado satisfactoriamente.

A efectos de solucionar estas dificultades, se ha propuesto, por ejemplo, en la Patente U.S.A. 3.200.599, medir el volumen de hormigón suministrado por medio del contaje de los ciclos o golpes de la bomba de hormigón. No obstante, estas bombas impulsan en general un volumen aproximadamente de 25 litros por ciclo, lo cual es una medición muy grosera. Además, la mayor parte de bombas de hormigón utilizan una válvula antirretorno que se debe cerrar de manera que el pistón pueda volver a efectuar la carga con nuevo hormigón. Como consecuencia, la velocidad a la que la válvula se cierra es crítica con respecto al volumen de hormigón suministrado con el siguiente ciclo. Esto significa que el volumen suministrado con cada ciclo puede variar en \pm10% o incluso más. El documento GB-A-2064623 propone un procedimiento por el cual el control manual de la extracción del husillo es controlado de acuerdo con un caudal de hormigón medido.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se da a conocer un método para la constitución de pilotajes mediante husillos sin fin de espiras continuas, en el que:

i) se aplica un husillo sin fin al suelo para realizar una primera fase, de penetración, así como una segunda fase, de retirada o extracción; y

ii) la velocidad de rotación, la velocidad de penetración, el par motriz o de fuerzas aplicado al husillo durante la primera fase, de penetración, quedan determinados y controlados como función de las condiciones del terreno y de la geometría del husillo por medio de un ordenador electrónico a efectos de tender a mantener las espiras del husillo cargadas con la tierra que se origina en la zona de la punta del husillo, en el que el ordenador electrónico se dispone para controlar el avance del husillo para conseguir un número predeterminado de vueltas del husillo por profundidad de penetración unitaria.

Al equilibrar los diferentes parámetros de penetración con referencia a las condiciones del suelo, la presente invención mejora el rendimiento de la penetración con respecto a sistemas conocidos que se basan en procesos experimentales. Además, al reducir la alteración del terreno comprendiendo la pared del orificio, la fricción superficial disponible para el eventual pilote se incrementa, y el volumen de hormigón necesario para el pilotaje se reduce, puesto que hay un menor escape de hormigón hacia adentro del suelo circundante.

En algunas realizaciones de la presente invención, el husillo es impulsado de manera tal que penetra en la tierra hasta una profundidad predeterminada, a la cual se detiene el avance del husillo a efectos de permitir la rotura o cizalladura del suelo que rodea la pared del orificio. A continuación, se lleva a cabo nuevamente la penetración del husillo para avanzar nuevamente antes de detener nuevamente la penetración. Este procedimiento se puede repetir hasta alcanzar la profundidad deseada.

De modo ventajoso, el ordenador electrónico y el dispositivo de control del husillo están dispuestos para controlar el avance paso a paso del husillo a efectos de conseguir un número predeterminado específico de revoluciones del husillo por cada metro de penetración. Es posible conseguir un control muy preciso del husillo procediendo de este modo, posibilitando de esta forma una penetración casi continua con la velocidad de avance deseada. Como contraste, el control manual convencional permite solamente un avance grosero paso a paso del husillo.

Mediante la determinación del par motriz máximo disponible en el equipo de accionamiento del husillo, por ejemplo, midiendo la presión hidráulica en el mecanismo de impulsión cuando el dispositivo se ha quedado atascado, es posible asegurar que el husillo no puede avanzar cuando las condiciones del terreno son tales que se desarrolla el máximo par motriz. Esto ayuda a prevenir que el husillo pueda alcanzar una fase en la que se atasca en el terreno sin que se disponga de un exceso de par motriz a efectos de iniciar la cizalladura del suelo.

El primer aspecto de la presente invención puede comprender además fases funcionales en las que:

iii) se suministra hormigón a la punta del husillo durante la segunda fase, de extracción, mediante medios de control y de medición de flujo; y

iv) la velocidad de extracción del husillo es controlada como función del flujo de hormigón o viceversa, por medio de un ordenador electrónico, a efectos de asegurar que se suministra la cantidad suficiente de hormigón para mantener como mínimo la punta del husillo sumergida en el hormigón durante la extracción.

El segundo aspecto de la presente invención puede comprender adicionalmente medios para la extracción del husillo con respecto al terreno, medios para suministrar hormigón a la punta del husillo durante dicha extracción, medios para la medición y/o control del suministro de hormigón al terreno y un ordenador electrónico para controlar al husillo durante la fase de extracción de su funcionamiento a efectos de asegurar que como mínimo la punta del husillo permanece sumergida en hormigón durante la extracción.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención se da a conocer un método para la constitución de pilotajes mediante husillos de espiras continuas, en el que:

i) se aplica un husillo al terreno a efectos de llevar a cabo una primera fase, de penetración, y una segunda fase, de extracción, en la que el husillo es retirado mediante un dispositivo hidráulico que incorpora una válvula hidráulica controlada electrónicamente operada por un ordenador electrónico;

ii) se suministra hormigón a la punta del husillo durante la segunda fase, de extracción, mediante un medidor de flujo electromagnético y medios de control de flujo; y

iii) la velocidad de extracción del husillo y el caudal de hormigón son controlados de manera interdependiente según un régimen predeterminado, por medio del ordenador electrónico a efectos de asegurar que se suministra suficiente hormigón para mantener como mínimo la punta del husillo sumergida en hormigón durante la extracción, y se suministra como mínimo un 5% más de hormigón que el teóricamente necesario para llenar un cilindro del diámetro y la longitud del orificio.

Al controlar la velocidad de extracción del husillo como función del suministro del hormigón, o viceversa, y por el conocimiento del diámetro del husillo, es posible calcular y suministrar el volumen mínimo teóricamente necesario de hormigón para conseguir un pilote estructuralmente satisfactorio. No obstante, se especifica un grado determinado de exceso de suministro a efectos de proporcionar una calidad estructural adicional. El exceso de suministro es, como mínimo, de 5%, y preferentemente entre 10 y 35%, superior al mínimo teórico. El valor real adoptado en cualquier caso estará determinado principalmente por las condiciones del terreno en el lugar de trabajo, tal como se apreciará por los técnicos en la materia. Un exceso de suministro de hormigón ayuda a asegurar que la excavación se ha llenado a su máxima capacidad y compensa pequeñas alteraciones introducidas en el terreno que rodea las paredes del orificio. No obstante, en oposición a otros sistemas conocidos, la presente invención proporciona un control adecuado sobre el volumen de hormigón suministrado y evita el desperdicio que es característico de los sistemas correspondientes a las técnicas anteriormente conocidas. Es importante mantener la punta del husillo sumergida en hormigón durante la fase de extracción a efectos de impedir el hundimiento hacia adentro de la pared del orificio que puede conducir a la contaminación, por la entrada de tierra, del hormigón del pilote resultante.

De manera ventajosa, el suministro de hormigón es medido por un medidor de flujo electromagnético, de los que los ejemplares preferentes pueden proporcionar una resolución de \pm1dm^{3} hasta una exactitud absoluta aproximada de \pm5%. En la práctica, la naturaleza del árido del hormigón da lugar a este grado de variación en la precisión de las mediciones.

Los medios para extraer el husillo comprenden un dispositivo hidráulico que incorpora una válvula hidráulica controlada electrónicamente. Esto contrasta con los sistemas existentes en los que la retirada del husillo se consigue mediante el levantamiento manual de la válvula de control accionada por el operador del equipo. Al conectar la válvula hidráulica al ordenador electrónico, que a su vez está conectado con el medidor de flujo, resulta posible controlar la velocidad de extracción del husillo y el caudal del hormigón de manera interdependiente de acuerdo con un régimen predeterminado. En particular, se puede utilizar la realimentación de datos desde el medidor de flujo para controlar la válvula hidráulica a efectos de ajustar la velocidad de extracción y viceversa. Ciertas realizaciones de la invención que incorporan este mecanismo de realimentación son capaces de proporcionar un cierto grado de control tal que el volumen de hormigón realmente suministrado se encuentra dentro de 5%, y preferentemente dentro de 2%, del volumen teórico especificado. Este volumen teórico puede ser ajustado en cualquier momento durante el suministro a efectos de tener en cuenta las condiciones variables del terreno. Además, resulta posible detectar las interrupciones en los suministros del hormigón y detener la fase de hormigonado automáticamente hasta que se reanuda el suministro de hormigón. Esto contrasta con los sistemas actualmente conocidos en los que el control depende totalmente de la habilidad y tiempo de reacción del operario.

Para mejor comprensión de la presente invención y para mostrar la forma en la que puede ser llevada a cabo, se hará referencia a continuación, a título de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los cuales:

las figuras 1 y 2 muestran un equipo de pilotaje con husillo de espiras continuas;

la figura 3 muestra un husillo en la fase de penetración;

la figura 4 muestra un husillo en la fase de extracción;

la figura 5 muestra una unidad de visualización del husillo de las figuras 1 y 2;

la figura 6 muestra una sección de una espira de husillo en detalle;

las figuras 7 y 8 son gráficos de la presión lateral del suelo con respecto a la profundidad para diferentes dimensiones del vástago del husillo y terrenos con diferentes ángulos de fricción; y

la figura 9 es un gráfico de la proporción de espiras con respecto a la profundidad.

Las figuras 1 y 2 muestran un equipo (1) de pilotaje con husillo de espiras continuas que incluye el husillo (2). El equipo está dotado también de un codificador de rotación (3) para la medición de la velocidad de rotación del husillo y/o del número de revoluciones del husillo y/o del par de fuerzas aplicado al mismo. Existe también un codificador de profundidad (4) destinado a determinar la profundidad de penetración del husillo en el terreno. Se suministra hormigón a través de una conducción de hormigón (5) y el eje o vástago del husillo (2) mediante un medidor de flujo electromagnético (6) y un detector de presión (7). El codificador de rotación (3), el codificador de profundidad (4), el medidor de flujo (6) y el detector de presión (7) están conectados mediante enlaces de datos a un ordenador electrónico (8), que incorpora una unidad visualizadora (9), montada en la cabina del equipo (1). Una impresora (10) está conectada al ordenador (9).

En funcionamiento, el equipo (1) funciona de manera que el husillo (2) lleva a cabo una primera fase, de penetración, tal como se ha mostrado en la figura 3. En esta fase, el husillo (2) es obligado a girar y puede avanzar hacia adentro del terreno. Los datos obtenidos a partir del codificador de rotación (3) y del codificador de profundidad (4) son procesados en el ordenador (8) a efectos de controlar la velocidad de rotación y/o el avance del husillo (2) hacia adentro del terreno como función de las condiciones del mismo (que se pueden predeterminar y/o controlar por la resistencia presentada al husillo (2) por el terreno y por otros parámetros relevantes medidos por el codificador de rotación (3) y el dispositivo de impulsión del husillo (no mostrado)). La penetración del husillo (2) es controlada a efectos de asegurar que las espiras (11) del husillo (2) son mantenidas cargadas de tierra que se origina de la zona de la punta (12) del husillo. Esta forma de funcionamiento es especificada a efectos de evitar la carga de las espiras (11) del husillo con tierra procedente de la pared (13) del orificio.

Una vez que el husillo (2) ha avanzado hasta la profundidad requerida, tal como se ha mostrado en la figura 4, se bombea hormigón (14) a través del husillo (2) por medio del medidor de flujo (6) y el detector de presión (7). Una vez que la punta (12) el husillo se encuentra sumergida en hormigón, el husillo (2) es retirado progresivamente desde el orificio por un mecanismo de elevación de tipo hidráulico (no mostrado) activado por una válvula hidráulica (no mostrada) bajo el control del ordenador (8). El ordenador (8) se encuentra también en comunicación con el medidor de flujo (6), y está programado para realizar el control de la velocidad de retirada o extracción del husillo como función del caudal del hormigón (o viceversa) de manera que la punta (12) del husillo permanece sumergida en el hormigón (14) en toda la fase de extracción. El ordenador (8) está también programado a efectos de detener la retirada del husillo (2) si se interrumpe el flujo de hormigón.

La salida de hormigón por la punta (12) del husillo se puede situar en el extremo (15) del eje del husillo o en la localización (16) en el lado del vástago o eje del husillo justamente por encima del extremo final. Esta última configuración es la configuración preferente, puesto que se produce un menor número de bloqueos. En el caso de un bloqueo, es importante mantener el orificio de perforación lleno mientras el husillo (2) es retirado a efectos de desbloquear la salida del flujo. Esto se puede conseguir por rotación inversa del husillo (2) mientras se efectúa el relleno de tierra en la parte superior de dicho husillo (2); de manera alternativa, se puede utilizar el suministro de un fluido de bentonita a través de un tubo alimentador separado (no mostrado) fijado al husillo (2).

La unidad visualizadora (9), mostrada de manera más detallada en la figura 5, tiene dos pantallas. Durante la fase de penetración, la primera pantalla (17) muestra la penetración del husillo por revolución y la segunda pantalla (18) muestra una representación gráfica (19) de la posición del husillo (2). La primera pantalla (17) muestra datos (que han sido conseguidos por el ordenador (8)) indicando dónde tiene lugar la penetración del husillo (2) en terreno duro y da aviso de faltas de resistencia del terreno o de la posibilidad de que el husillo (2) haya empezado a cargar desde un lado en vez de hacerlo desde la punta (12). Durante la fase de extracción, la segunda pantalla (18) muestra datos conseguidos por el ordenador (8) comprendiendo un registro continuo (20) de la presión de hormigón medida por el detector de presión (7), un registro (21) del flujo de hormigón medido por el medidor de flujo (6) y comparado a la exigencia de flujo teórica y una representación (19) de la posición del husillo (2). La pantalla indicadora de presión (20) indica las condiciones de disposición del hormigón durante la inyección mientras que la pantalla de flujo (21) indica si se ha suministrado el volumen correcto de hormigón (14) o se ha suministrado un exceso del
mismo.

Los datos almacenados en el ordenador (8), incluyendo los datos visualizados en la pantalla (9), se pueden imprimir en la impresora (10) y/o se pueden descargar directamente desde el ordenador (8) a un ordenador externo (80) (mostrado en la figura 1) para análisis adicional.

Con referencia a la figura 6, se describirá a continuación un modelo teórico para el taladrado continuo de una espira, que muestra las relaciones funcionales entre los diferentes parámetros del husillo requeridos para llevar a cabo el control proporcionado por una realización de la presente invención.

A efectos de comprender mejor la acción de los husillos es deseable construir un modelo del proceso. Si bien se debe comprender claramente que en condiciones de terreno variable o de capas múltiples este modelo puede no ser totalmente completo, no obstante es útil como ayuda para la comprensión del proceso. Las condiciones más útiles de estudio son las que corresponden a un terreno sin cohesión, puesto que es en este estado en el que se presentan los riesgos más significativos.

El husillo (2) lleva a cabo dos funciones por el hecho de que efectúa el corte o excavación del terreno (22) y asimismo lo transporta a la superficie. Estas funciones pueden no ser siempre exactamente compatibles dependiendo del terreno y del diseño y forma de utilización del husillo.

A efectos de analizar la situación es necesario en esta etapa considerar el suelo en las espiras del husillo (11) como una cinta continua, pero se observará que esto puede no ser exactamente cierto a causa de la turbulencia dentro de la masa de tierra en elevación.

Las variables utilizadas en el modelo son las siguientes:

\phi:

Ángulo de fricción del suelo en el suelo situado en el exterior del husillo

\phi_{a}:

Ángulo de fricción de terreno removido sobre el husillo

\delta:

Ángulo de fricción superficial del suelo con respecto al husillo

\gamma:

Densidad efectiva en bruto del suelo por fuera del husillo

\gamma_{a}:

Densidad del suelo "a granel" en las espiras del husillo

P:

Paso de las espiras del husillo

D_{s}:

Diámetro del vástago del husillo

D:

Diámetro externo del husillo

\theta:

Ángulo de fricción de impulsión del suelo en el perímetro del orificio con respecto a la horizontal

X:

Volumen de metal del husillo dividido por el volumen del orificio excavado para una longitud determinada de husillo (factor de desplazamiento volumétrico del husillo).

H:

Profundidad por debajo del suelo

\Psi:

Ángulo del borde de la espira del husillo con respecto a la horizontal

K_{H}:

Coeficiente de presión lateral de la tierra en la pared del orificio (según Terzaghi)

S:

Velocidad de penetración en vueltas por metro

T_{S}:

Fuerza de cizalladura en la periferia del husillo

Con referencia a la figura 6, el vástago (23) del husillo y su dirección de rotación se han mostrado con el borde de la espira (11) dirigido contra la pared efectiva de tierra (13). El elemento de tierra recibe la acción de una fuerza radial (24) en la periferia del husillo que se supone que es igual a la fuerza activa de la tierra producida por la tierra situada por fuera del husillo (2) (es decir, la fuerza necesaria para mantener la pared del orificio (13) en equilibrio). Existe una fuerza de cizalladura horizontal (25) entre el elemento de la tierra y la pared (13) del orificio, así como una fuerza de cizalladura vertical (26) en la misma posición provocada por la tierra que se va elevando en el orificio. Ambas fuerzas dependen de la fuerza radial (24). La resultante de las fuerzas del interfaz vertical y horizontal se ha representado en (27).

La elevación de la tierra en el orificio taladrado con respecto a cualquier penetración del husillo depende de dos consideraciones:

i) el volumen adoptado o dilatación de la tierra excavada, y

ii) el volumen de desplazamiento del propio husillo. Por esta razón la elevación puede ser representada por unidad de longitud de penetración del husillo como:

(1)a = \{( \gamma- \gamma_{a})/ \gamma_{a} \} + \{X/(1-X)\}

La longitud horizontal periférica por la que se ha desplazado un punto del borde del husillo para unidad de longitud de la penetración del husillo es: b = \pi.D.S

No obstante, dado que la tierra está elevándose en el husillo, el elemento de suelo en consideración se desplazaría en rotación inversa si el husillo se encontrara estacionario. Por lo tanto, no se desplaza la distancia b tal como se ha indicado anteriormente, sino que en vez de ello se desplaza horizontalmente en la magnitud:

(2)b' = \pi.D.(S-a/P)

El ángulo de fricción resistente se debe alinear por sí mismo, oponiéndose al movimiento vectorial resultante, por lo que el ángulo de su acción con respecto a la horizontal es el siguiente:

(3)\theta = tan^{-1}(a/b')

La ecuación (1) implica que existe un límite para la velocidad de penetración, más allá del cual el atornillar el husillo en la tierra provocaría fuerzas similares a la "capacidad de soporte" y se requerirían pares de fuerzas extremadamente elevados que superarían los que se pueden conseguir en máquinas convencionales.

La ecuación (2) implica que las fuerzas que actúan sobre el elemento de suelo escogido dependen del diámetro del husillo, vueltas de penetración por unidad de longitud y del paso de las espiras (11) del husillo.

Una vez que el suelo ha sufrido los efectos de desplazamiento del husillo y del aumento de volumen, estas acciones cesan y el suelo es forzado hacia arriba por los efectos que tienen lugar en las proximidades de la punta a la misma velocidad general.

En la práctica, cálculos de prueba indican que el ángulo \theta de la fuerza de impulsión del terreno se desplaza solamente unos pocos grados por encima de la horizontal incluso para valores más grandes del paso de las espiras del husillo.

La fuerza de impulsión se deriva de la presión radial que actúa a efectos de cerrar el orificio y una aproximación razonable a la misma es la indicada por Terzaghi en la obra Theoretical Soil Mechanics (Wiley, New York, 1944) para presiones que actúan sobre las paredes de un eje. Estas fuerzas representan el valor mínimo necesario para sostener la pared.

La figura 7 muestra presiones laterales típicas en relación con la profundidad para diferentes dimensiones del eje en arena con un ángulo de fricción de 35º. Se observará que para un eje de pequeño diámetro, la presión se aproxima rápidamente a un valor casi constante con la profundidad y la estabilidad de la pared (13) del orificio es más fácil de mantener que en el caso de un eje más grande. Asimismo, la fuerza lateral que actúa para impulsar el terreno hacia arriba en el husillo disminuye al reducirse las dimensiones del eje.

La figura 8 muestra el efecto de cambio del ángulo de fricción de la masa del terreno por fuera del husillo sobre la presión lateral al aumentar la profundidad para un vástago de pilote de 500mm. También en este caso se puede observar que las arenas sueltas con un ángulo de fricción, por ejemplo, de 30º da lugar a fuerzas laterales más grandes que la arena densa. Existen, por lo tanto, fuerzas más grandes disponibles para impulsar la tierra hacia arriba en una espira continua de husillo en el caso de arena suelta.

Por lo tanto, los diámetros grandes de husillo y arenas sueltas darán lugar probablemente a muchos más problemas que las arenas densas y husillos pequeños por el hecho de que la estabilidad del orificio es más difícil de mantener y las fuerzas de impulsión para el transporte son más grandes. Teniendo en cuenta la magnitud de las presiones, puede ser ventajoso alimentar agua a los pilotes taladrados con este tipo de equipo. Pequeñas diferencias de columna hidrostática entre el interior del orificio y el terreno situado por fuera tendrán una notable influencia en la estabilidad de terrenos difíciles.

Los valores mostrados para las presiones laterales en los orificios según las figuras 7 y 8 se pueden confirmar en la práctica por la utilización de un metro aproximadamente de diferencia de columna hidrostática en orificios de pilotes en los que se lleva a cabo la construcción con utilización de suspensión de bentonita.

Tomando en consideración la fuerza que actúa sobre la pared del orificio (13) en el elemento de tierra que llena una vuelta del husillo (2) entre la tierra situada sobre la espira (11) y la tierra exterior tal como se indica en la figura 6:

(4)T_{s} = \pi.D.P.K_{H}.tan\phi_{a}

que actúa según un ángulo \theta.

Ésta es la única fuerza de impulsión que actúa en el borde de la espira del husillo, ignorando cualquier fuerza hacia arriba generada de modo remoto en la punta (12) del husillo por la tierra que se produce en la punta del husillo.

El peso de la tierra sobre una vuelta de la espira es:

(5)W = \pi.D^{2}.P.\gamma_{a}.(1-X)

Considerando a continuación las fuerzas que actúan hacia arriba y hacia abajo en la superficie de la espira (11) del husillo y recordando que las fuerzas efectivas con respecto al peso del suelo tienen que ser consideradas en su centroide sobre la espira (11), corrigiéndose el ángulo dependiente de \Psi a \Psi' por consideraciones meramente geométricas teniendo en cuenta el diámetro del vástago del husillo D_{s}:

Fuerzas hacia abajo del plano -
Debidas a peso propio:	\hskip1cm W.sen\Psi'
Debidas a la fuerza normal
provocada por T_{s}:	\hskip1cm T_{s}.sen(\Psi'+\theta).tan\delta_{a}
Debidas a fricción sobre la
superficie del husillo:	\hskip1cm W.cos\Psi'.tan\delta_{a}

Por lo tanto, la fuerza total que actúa sobre el plano del husillo es:

(6)Q_{1} = W.sen\Psi' + T_{s}.sen(\Psi'+\theta).tan\delta_{a} + W.cos\Psi'.tan\delta_{a}

Por el contrario, la fuerza que actúa sobre el plano del husillo es:

(7)Q_{2} = T_{s}.cos(\Psi'+\theta)

Puede haber alguna pequeña fuerza actuando asimismo sobre la cara inferior de la espiral (11) dependiendo de si la tierra está acumulada dentro de aquélla de manera densa, pero es probable que sea reducida.

La proporción Q_{2}/Q_{1} es una proporción entre fuerzas opuestas, y a efectos de comodidad se designará como Proporción de Fuerza de Elevación (F_{R}). Se podría esperar que el husillo transportara tierra siempre que (F_{R}) supera la unidad; y dado que la proporción es superior a 1,0, la magnitud de la proporción (o fuerza en exceso) representaría el potencial para realizar un trabajo en el transporte de la tierra. La relación de la Proporción de Fuerza de Elevación con respecto a la profundidad para un caso específico se muestra en la figura 9.

Un husillo (2) que gira sin fricción periférica no transportaría tierras y, por lo tanto, sería muy ineficaz. Un husillo (2) en un terreno dotado de un ángulo de fricción muy elevado tendría poca presión lateral disponible de la tierra y, por lo tanto, sería ineficaz en el transporte. No obstante, un husillo (2) trabajando en arena suelta tiene una elevada presión lateral de la tierra y será eficaz. Por lo tanto, si esta proporción de penetración no es suficientemente rápida para mantenerlo completamente cargado por la acción de penetración en la base (12), se cargará por rotura hacia adentro de la pared (13) del orificio y como consecuencia provocará notables alteraciones en el suelo de la zona
inmediata.

Éstas son simples consideraciones y existen otras fuerzas adicionales posibles en las caras inferiores de las espiras (11) del husillo y en el vástago. El análisis anteriormente realizado se refiere a estos puntos como elementos potencialmente menores y se debe considerar solamente indicativo de las tendencias generales de comportamiento probable. Además, la turbulencia del terreno dentro del husillo disminuirá probablemente la eficacia del transporte.

Basado en un estudio de las proporciones de espiras de este simple modelo, es posible formular algunas propuestas generales en el proceso de transporte de tierra en husillos con espiras de tipo continuo:

i) la aparición de una elevación excesiva es más probable con husillos de diámetro grande que con husillos de diámetro pequeño;

ii) la elevación de la tierra se hace más difícil al aumentar el ángulo de la espira; y

iii) una elevación excesiva es menos probable al aumentar el ángulo de fricción de la tierra externa con respecto al husillo.

Se puede esperar, por lo tanto, que los efectos perjudiciales de una extracción excesiva de tierra en el orificio serán más significativos cuando el ángulo de fricción de la tierra circundante corresponde a un estado desde libre a medio denso. En estas circunstancias, los peores efectos de la carga lateral se pueden evitar solamente incrementando la proporción de penetración del husillo de manera que los mecanismos de penetración y transporte quedan equilibrados. Por esta razón, en arenas sueltas en las que la penetración es fácil, la velocidad de penetración se debe incrementar, mientras que en arenas densas se debe limitar. La potencia de la máquina utilizada debe ser siempre suficiente; las máquinas con poca potencia no son adecuadas para muchas tierras arenosas. Las realizaciones de la presente invención controlan las velocidades de penetración al relacionarlas directamente con el par de fuerza o motriz suministrado por el motor de accionamiento.

Con respecto a la etapa de hormigonado, el husillo puede ser obligado a girar durante la extracción y colocación del hormigón o puede ser simplemente extraído sin rotación en tierras arenosas. Si se utiliza la rotación, existe la posibilidad de que ocurra un cierto grado de carga lateral en arenas dependiendo del exceso de suministro de hormigón que se ha impuesto.

Durante la fase de hormigonado con realizaciones de la presente invención en las que el suministro puede ser controlado hasta una exactitud superior a \pm5%, se puede disponer un objetivo de exceso de suministro aproximadamente de \pm20%. Las presiones requeridas para expansionar un vástago de pilotaje en arena a una cierta profundidad son grandes a causa de las grandes presiones pasivas que se pueden movilizar en un orificio circular, y dichas presiones no se encuentran a disposición normalmente a base de una bomba de hormigón convencional. El objetivo del exceso de suministro consiste en este caso solamente en asegurar que el hormigón sube con respecto al husillo (2) en todo momento.

Un suministro escaso constituiría un peligro para la formación adecuada del pilotaje si tuviera lugar cuando no existe reserva de hormigón limpio aportado al cuerpo principal del husillo (2) por encima de la punta (12).

Si se utiliza la rotación del husillo durante la extracción, es evidente que si la velocidad de suministro es insuficiente y la velocidad de transporte del husillo no queda satisfecha por aquél, entonces puede tener lugar carga lateral en la arena en esta etapa. En la práctica una cierta rotación es necesaria cuando se inicia el flujo del hormigón a efectos de eliminar desperdicios de la punta (12) del husillo pero es deseable que posteriormente el husillo (2) sea objeto de tracción simplemente sin rotación. Si por alguna razón esto no es posible, entonces debería aplicarse una velocidad de rotación muy baja durante el proceso.

También es importante considerar el inicio del flujo del hormigón en la base de un pilote. El codificador de profundidad (4) puede medir con una exactitud de \pm25 mm de manera que es posible observar en detalle que se ha llevado el suficiente hormigón al husillo (2) y que se dispone de una presión positiva satisfactoria antes de empezar la elevación. Esto tiene efectos beneficiosos por el hecho de que i) se elimina cualquier hueco que se pueda haber producido dentro del vástago del husillo cuando la máquina se estaba desplazando entre pilotes, y ii) que el hormigón es transportado en ascenso, por ejemplo, en 0,5 m en el pilote a efectos de asegurar que cualesquiera desperdicios sueltos son retirados de la base del pilote. Para conseguir esto es necesario hacer girar el husillo (2) en esta etapa.

Otro problema que aparece en el inicio del flujo del hormigón se refiere a la aparición de atascos. A efectos de mejorar este problema es necesario utilizar una mezcla de hormigón con buenas características de flujo, adoptándose un cono de hundimiento de 150mm normalmente. También se ha descubierto que se debe dedicar atención a la estanqueidad al agua de la masa que forma tapón y su posición.

La presión de suministro de hormigón es medida usualmente en la parte alta del vástago del husillo. Si se mide en cualquier lugar más abajo en el lado de alimentación, se producirá un desplazamiento con respecto a la presión de suministro registrada. La presión disponible en el punto de suministro en la punta del husillo (12) necesita tener sumada la presión debida a la columna de hormigón dentro del vástago del husillo siempre que la presión medida sea menos de una atmósfera. En la mayor parte de la longitud de un pilote se pueden esperar presiones positivas en la cabecera del husillo. No obstante, al aproximarse la punta (12) del husillo al terreno y, si en esta etapa está cargado con arena, entonces puede presentarse una situación en la que, aunque el husillo (2) pueda encontrarse todavía embebido en varios metros, el hormigón escapa a la superficie del terreno. En este momento, la medición de presión no es significativa y solamente es relevante el flujo del hormigón. El hormigón puede escapar a la superficie del terreno por un mecanismo similar a la hidrofractura y puede subir por la cara inferior de las espiras para salir por la parte superior del orificio.

Un régimen preferente en el hormigonado de pilotes con espiras de husillo continuas consiste, por lo tanto, en hacer girar el husillo en las etapas iniciales del bombeo de hormigón a efectos de transportar hormigón hacia arriba sobre el husillo y después interrumpir la rotación para el resto de la extracción o permitir la rotación en todo el proceso de elevación solamente a una velocidad baja o a la mínima velocidad posible.

En suelos arcillosos, la mayor parte de los problemas indicados anteriormente con referencia a terrenos de arena no existen normalmente, con la condición de que las arenas sean rígidas y autoestables, pero algunas dificultades pueden producirse particularmente con respecto a las arcillas blandas y a los lodos arcillosos.

En general, la presión del hormigón es controlada en la cabecera del husillo en el tubo de suministro (5). Cuando la presión es nula en esta posición, entonces normalmente la presión en el punto de suministro corresponde a la longitud del husillo (2) menos una cierta tolerancia para la fricción. Esta presión sola (menos una atmósfera si se interrumpe el bombeo) puede ser más que suficiente para provocar la expansión del orificio. Así, por ejemplo, si la arcilla que rodea la punta del husillo (12) tiene una resistencia a la cizalladura sin drenar de 30 kN/m^{2}, sería necesaria una presión de aproximadamente 200 kN/m^{2} para ensanchar el orificio. Si el vástago del husillo tiene, por ejemplo, 25 m de longitud, la presión disponible en la punta del husillo puede ser del orden de 600 - 100 = 500 kN/m^{2}. Por lo tanto, dado que la presión disponible es más del doble de la necesaria para provocar la expansión, el husillo (2) podría quedar parado y sería posible el bombeo continuado sin aparente resistencia aunque no haya una trayectoria fácil por la que el hormigón pueda escapar al nivel del terreno. Por la extracción de pilotes construidos a través de arcillas blandas en las que ha habido un exceso de suministro de hormigón, se ha confirmado que las secciones o segmentos de los pilotes pueden ser sobredimensionados significativamente. Esto puede no ser de gran importancia en la mayor parte de los casos, si bien puede provocar empuje del terreno, pero en el caso en que se espera que se produzca fricción negativa o arrastre descendente, ello puede conducir a mayores cargas eficaces en los pilotes.

Por otra parte, en arcillas rígidas, y en caso de que el husillo se encuentre completamente cargado o bloqueado con arcilla de manera que se impide el escape de hormigón a la superficie del terreno, entonces las presiones disponibles a partir de la bomba de suministro pueden ser insuficientes para expansionar el orificio y puede no ser posible conseguir el objetivo de exceso de suministro que se puede haber previsto. Períodos prolongados de alta presión en la conducción de suministro pueden llevar al bloqueo del suministro si existen pequeñas fugas en las uniones de las tuberías. En circunstancias en las que no se puede conseguir un exceso de suministro puede ser mejor controlar las circunstancias variables y aceptar que no se puede cumplir el objetivo predeterminado de suministro.

El examen del proceso de formación de pilotes con husillos con espiras continuas anteriormente explicado, indica que los riesgos inherentes al proceso de construcción en suelos arenosos son dobles. En primer lugar, un exceso de penetración y de liberación del suelo es probable que conduzca al fallo del terreno si no se controla debidamente, lo cual puede afectar edificaciones adyacentes que carecen de fundamentos satisfactorios. En segundo lugar, los efectos de alteración en el terreno adyacente llevan a un menor rozamiento del vástago en comparación con los métodos utilizados en la formación de otros tipos de pilotes mediante agujeros.

Claims (7)

1. Método para la realización de pilotajes mediante husillo con espiras continuas, en el que:

i) se aplica un husillo (2) al terreno para realizar una primera fase, de penetración, y una segunda fase, de extracción; y

ii) la velocidad de rotación, la velocidad de penetración, el par de fuerzas aplicado al husillo (2) durante la primera fase, de penetración, quedan determinados y controlados como función del estado del terreno y de la geometría del husillo por medio de un ordenador electrónico (8) para mantener las espiras del husillo (11) cargadas con las tierras que se originan en la zona de la punta (12) del husillo (2), en el que el ordenador electrónico (8) se dispone para controlar el avance del husillo (2) para conseguir un número predeterminado de vueltas del husillo por profundidad de penetración unitaria.

2. Método, según la reivindicación 1, en el que:

iii) se suministra hormigón (14) a la punta del husillo (2) durante la segunda fase, de extracción, por medio de control de flujo y medios de medición (6, 7); y

iv) la velocidad de extracción del husillo (2) es controlada como función del caudal del hormigón (14), o viceversa, por medio de un ordenador electrónico (8) a efectos de asegurar que se suministra suficiente hormigón (14) para mantener como mínimo la punta (12) del husillo (2) sumergida en el hormigón (14) durante la extracción.

3. Método, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el husillo (2) es accionado a efectos de penetrar en el suelo hasta una profundidad predeterminada, a cuya profundidad se detiene el avance del husillo (2) a efectos de permitir que tenga lugar la cizalladura del terreno que rodea la pared (13) del orificio.

4. Método, según la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que las etapas de penetración y paro son repetidas hasta que el husillo (2) ha alcanzado una profundidad predeterminada.

5. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se determina el par máximo disponible para accionar el husillo (2), y en el que el avance del husillo (2) es interrumpido cuando el par aplicado a dicho husillo (2) alcanza un nivel predeterminado en el nivel determinado como máximo o en sus proximidades.

6. Método para la preparación de pilotajes mediante husillo con espiras continuas, en el que:

i) un husillo (2) es aplicado al terreno a efectos de llevar a cabo una primera fase, de penetración, y una segunda fase, de extracción, en la que el husillo (2) es retirado mediante un dispositivo hidráulico que incorpora una válvula hidráulica controlada electrónicamente operada por un ordenador electrónico (8).

ii) se suministra hormigón (14) a la punta (12) del husillo (2) durante la segunda fase, de extracción, mediante un medidor de flujo electromagnético (6) y medios de control de flujo; y

iii) la velocidad de extracción del husillo (2) y el caudal de hormigón (14) son controlados de manera interdependiente de acuerdo con un régimen predeterminado, por medio de un ordenador electrónico (8), a efectos de asegurar que se suministra suficiente hormigón (14) para mantener como mínimo la punta (12) del husillo (2) sumergida en hormigón (14) durante la extracción y se suministra como mínimo un 5% más de hormigón (14) que el teóricamente necesario para llenar un cilindro del diámetro y la longitud del orificio.

7. Método, según la reivindicación 6, en el que se suministra de 10% a 35% más de hormigón (14) que el teóricamente necesario para llenar un cilindro del diámetro y longitud del orificio.