CIMENTACIONES (SEGUNDA PARTE)
CIMENTACIONES PROFUNDAS
APLICABILIDAD
El empleo de los pilotes y las pilas como elementos de cimentación de estructuras de cualquier tipo se hace necesario cuando la solución de cimentación superficial es técnicamente imposible o difícil de plantear, diseñar y construir, o cuando la solución de cimentación profunda es simplemente más conveniente y ventajosa que la superficial por consideraciones constructivas o de costos.
El empleo de los pilotes y las pilas se hace necesario o conveniente cuando se presentan ciertas circunstancias o condiciones. Las aplicaciones del empleo de pilotes o de pilas son las siguientes:
• Los pilotes y pilas transmiten las cargas de d la l estructura t t a través t é del d l agua y de estratos blandos o sueltos h t un estrato hasta t t portante t t de d buena b resistencia y baja deformabilidad que se encuentra t a cierta i t profundidad f did d (pilotes ( il t de punta).
• Los p pilotes y pilas p transmiten las cargas g de la estructura a niveles más profundos de un estrato o de una secuencia de estratos de baja resistencia sin alcanzar un estrato portante de gran resistencia, derivando su capacidad principalmente por fricción. Los niveles y capas inferiores del suelo son progresivamente i t más á resistentes i t t y menos compresibles que los superiores gracias al confinamiento Así se puede lograr una confinamiento. cimentación segura y adecuada (pilotes de fricción). fricción)
• Pilotes o pilas transmiten la carga de la estructura de un puente a estratos portantes por debajo de la profundidad de socavación en corrientes de agua. • Pilotes de compactación de suelos granulares relativamente sueltos incrementan su compacidad y, en consecuencia, su capacidad de carga por fricción y por punta.
• Pilotes de tensión tienen la capacidad para resistir fuerzas de arranque o fuerzas de subpresión contra estructuras, o al trabajar conjuntamente con pilotes a compresión, configuran mecanismos resistentes a momentos importantes de volcamiento sobre la fundación de estructuras de gran altura y/o de gran esbeltez.
• Pilotes p pueden configurar g mecanismos de anclaje resistentes a empujes g estructuras horizontales en algunas usualmente combinando pilotes a tensión con pilotes a compresión. • Pilotes inclinados sirven para resistir cargas horizontales gracias a la componente horizontal de la carga axial sin necesidad de quedar sometidos a flexión ellos mismos o los pilotes verticales vecinos.
• Pilotes de defensa son parte integrante de estructuras que se deforman elásticamente bajo cargas dinámicas lo que les confiere gran dinámicas, capacidad de amortiguamiento de energía y les permite proteger estructuras frente al agua (muelles) del impacto de embarcaciones y otros elementos flotantes masivos.
TIPOLOGÍA • • • • •
Según el material Según el procedimiento de instalación Según su forma S ú ell titipo d Según de carga en ell pilote il t o pila il Según la transferencia de carga al suelo g su verticalidad • Según
• Según g el material: - Madera: sin tratar o tratada. - Concreto: prefabricado (reforzado o preesforzado) y fundido in-situ (varios ti tipos). ) - Acero: Pilotes H, pilotes tubulares y pilotes caja, caja y tablestacas tablestacas. - Compuesto: - Cambio de material con la profundidad: Madera-acero o concreto- madera. concreto madera
- Sección transversal compuesta: camisa o tubo de acero relleno de concreto con o sin un alma adicional de una sección de acero.
• Según el procedimiento de instalación: - Hincados de gran desplazamiento: preformados macizos o huecos con fondo cerrado, llenados o no después de hincar, o fundidos in-situ después de hincar una sección tubular cerrada que se va retirando a medida que se funde el concreto.
- Hincados de pequeño d desplazamiento: l i t pilotes hincados de acero de sección H perfiles H, fil tipo ti riel, i l tubos t b o cajas j con extremo abierto (siempre que no se f forme ttapón ó all hincar), hi ) y pilotes il t atornillados. - Pilotes gateados por secciones: pueden d ser de d gran desplazamiento d l i t o de pequeño desplazamiento, similar a l hincados los hi d con golpes l de d martinete. ti t
- Instalados sta ados s sin desp desplazamiento: a a e to pilotes pre-excavados y fundidos insitu. s tu De e co concreto. c eto Las as paredes pa edes pueden puede ser soportadas permanente o p con revestimiento de temporalmente acero o por la acción de lodos bentoníticos o poliméricos.
• Según su forma: - Sección transversal: circular, cuadrada anular cuadrada, anular, rectangular rectangular, sección H, o grandes secciones compuestas por rectángulos llegando a figuras tipo X, L, C, H o cruz. - Forma telescópica
• Según el tipo de carga en el pilote o pila: - Carga de compresión pura - Carga de flexo flexo-compresión compresión - Carga de tracción
• Según la transferencia de carga al suelo: - De punta - De fricción - De punta y de fricción
•
S ú su verticalidad: Según i lid d
-
V ti l Verticales
-
I li d Inclinados
PILOTES PROCESOS CONSTRUCTIVOS
3 1 Pilotes hincados 3.1. • • • •
Equipos de hinca Pilotes Procedimiento Controles
PILOTES HINCADOS SOLIDOS
PILOTES HINCADOS PRE ESFORZADOS PRE-ESFORZADOS
PILOTES HINCADOS EN EL MAR
3 2 Pilotes pre 3.2 pre-fabricados fabricados gateados • • • •
Equipos de gateo Pilotes Procedimiento Controles
Pilotes pre-excavados y fundidos insitu • Equipos de excavación del suelo y de fundición del concreto • Revestimientos • Lodos de estabilización • Procedimiento • Controles
PILOTES PRE-EXCAVADOS Y FUNDIDOS IN-SITU DE GRAN DIAMETRO Y ACAMPANADOS
PILOTES PRE-EXCAVADOS Y FUNDIDOS IN-SITU RECTOS Y LARGOS
DAÑOS DE PILOTES PRE EXCAVADOS PRE-EXCAVADOS
PILAS Proceso Constructivo C t l Controles
CAJONES Proceso Constructivo Controles
1
CAPACIDAD DE CARGA DE PILOTES AISLADOS • Análisis por Mecánica de Suelos • Fórmulas dinámicas de impacto • Ensayos E d de carga
ANÁLISIS POR MÉCANICA DE SUELOS
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA La máxima L á i resistencia i t i por fricción f i ió a lo largo del fuste de un pilote se moviliza completamente cuando el movimiento relativo pilote-suelo p alcanza un valor muy pequeño: 5 – 10 milímetros milímetros, y es independiente del diámetro y de la longitud del pilote. pilote
Por el contrario, para que se movilice la totalidad de la resistencia por la base se necesita un desplazamiento hacia abajo que depende del tipo y de la condición del suelo, del proceso de instalación, del confinamiento y del diámetro del pilote. Dicho valor es del orden de 5-10% de B, diámetro del pilote, para pilotes hincados en arenas densas o en arcillas firmes, y puede ser tan alto como 25% de B para pilotes pre-excavados y fundidos in-situ en arcillas blandas.
Resistencia al arranque de un pilote individual (continuación)
FÓRMULAS DINÁMICAS DE IMPACTO
Principio de las Fórmulas Dinámicas de Impacto. (I) () Energía suministrada all hincar. hi
Fu
s
Qppu
Energía suministrada se convierte en trabajo t b j realizado li d más á pérdidas. é did Energía aplicada por: – – – –
caída de un martillo o pesa. pesa martillo de acción simple. martillo diferencial de acción doble. Otros medios.
Trabajo realizado, realizado T, T es: T= Ru x s
Principio de las Fórmulas Dinámicas de Impacto. (II) Ru = R R Resistencia i t i ofrecida f id por ell pilote il t a su hincado. s = Penetración P t ió del d l pilote il t por un golpe l aplicado. li d Pérdidas: -Por rozamiento de componentes de l dispositivos los di iti de d aplicación li ió de d la energía. -Por P deformación d f ió elástica lá ti de d masa, cojinetes, cabezote y pilote. -Por Por calor generado en el sistema sistema.
Principio p de las Fórmulas Dinámicas de Impacto. (III) Así, Energía suministrada = Trabajo realizado + Pérdidas. E = RU x S + Pérdidas Y después después, suponer que Ru = Qu = Fu + Qpu Fórmulas dinámicas de impacto no deben emplearse para estimar Qu de pilotes de fricción en arcillas sensitivas, pues se subvalorará l á la l capacidad id d real. l
TABLE 13·4 Application of Pile Driving R Ii tance Formula Basic pile driving formulas (See comment in Sec tion 3.) For drop hammer
For single- acting hammer
2WH
QaJ,'. 5 +0./
Oall= 2WH 5+/
Fo r double- ac ting differential hammer
{use when driven weights are smaller than striking weights. {use when driven weights are larger than striking weights.
QoIF 2£
{us'e when driven
5 +al weights are smaller than striking weights.
~If
2£
{Use when driven 5+0./ weights .a~e larger ~S than strlklng weights.
Wo
_. Qa,~!= allowable pile load in pounds. W = weight of striking parts of hammer in pounds. H = the effective height of fall in feet. E = the actual energy delivered by hammer per blow in foot-pounds . = aver ge n t pen tration in inches per blow for the last 6 in. of driving. driven wight } Note: Ratio of driven weights to striking w ights should not = weights of triking p rt exceed 3.
ENSAYOS DE CARGA DE PILOTES
ENSAYOS DE CARGA DE PILOTES - TIPOS 1.Lento, de carga controlada (ASTM-D1143). 2 Rápido con tasa constante de penetración 2.Rápido, (Europeo). 3 Sueco cíclico de carga controlada. 3.Sueco controlada 4.Rápido, de carga controlada. 5.Rápido, de carga controlada, modificado (propuesto por Bengt Fellenius,1975)
1. Lento, de carga controlada (ASTMD-1143): • Qtrabajo o de diseño = Qtr • Qmáx de ensayo = 2Qtr para ensayo de pilote individual. =1.5Qtr para ensayo de grupo de p pilotes. • ∆Q =0.25Qtr (Carga), (-∆Q)=0.5Qtr (Descarga) • Cada ∆Q se mantiene hasta cuando ds/dt ≤0.01”/hora (≤0.25mm/hora), pero no más de 2 horas.
1. Lento,, de carga g controlada ((ASTMD-1143): (Continuación) • Qmáx Q = 2Q Qtr se mantiene p por lo menos 12 horas,, hasta cuando ds/dt ≤0.01”/hora, pero no más de 24 horas. • -∆Q (decremento) se mantiene 1 hora. • Tiempo total de ensayo : 24-44 horas. • Tiempo total del ensayo, incluido montaje y desmontaje de vigas, gato, medidores, etc: 22-33 días.
2.Rápido, de tasa constante de penetración ió (Europeo): ( ) • Tasa constante de penetración = 0.02 0.02”/min /min (0.5mm/min) registrando la Q aplicada. • Se lleva hasta la penetración de 2”-3” (50-75mm). carga:100-150 150 min. • Tiempo total de aplicación de carga:100 • Si se lleva hasta la falla falla, la curva Q-S (cargaasentamiento) permite establecer si es un pilote de punta,, un p p pilote de p punta y fricción en arena,, o un pilote de fricción en arcilla.
2.Rápido, de tasa constante de penetración (Europeo): ( (Continuación) ) • No hay de establecida una etapa de descarga. • Se requieren dispositivos especiales (gato, b b etc. P bomba, Para generar d ds/dt /d constante y registrar la carga aplicada).
3. Sueco cíclico, de carga controlada: • • • • • • • •
Qtr = Carga de trabajo. 1a etapa: 1/6Qtr 1/3 Qtr 10 ciclos. 2a etapa: 1/4Qtr 1/2 Qtr 20 ciclos. 3a etapa: 1/3Qtr 2/3 Qtr 20 ciclos. 4a etapa: t 5/12Qtr 5/6 Qtr 20 ciclos. i l 5a etapa: 1/2Qtr Qtr 20 ciclos. 6a etapa: 7/12Qtr 7/6 Qtr 20 ciclos. etc., hasta llegar a Qfalla ó Qfluencia.
3. Sueco cíclico, de carga controlada (continuación): • Qfluencia = Carga superior del intervalo de cicleo,, cuando se p presente q que el asentamiento en ciclo N+1 es > asentamiento en ciclo N. • Duración en cada ciclo = 20 minutos. • Duración total del ensayo = 30-60 30 60 horas • El cicleo cambia comportamiento.
4.Rápido, de carga controlada: • Qtr = Q trabajo. • Llegar hasta 3Qtr en 20 incrementos. • Cada incremento, ∆Q = 0.15 Qtr, se mantiene 15 minutos. • Tiempo p de ensayo y = 5 horas. • Se toman lecturas de penetración cada 3 minutos. • Su curva Q-S se aproxima mucho a la del tipo p , de tasa constante de p penetración). ) 2 ((rápido, • Se define el pico de la curva.
5. Rápido, de carga controlada, modificado ifi (B.Fellenius,1975): ( i ) • Qtr = Q trabajo. • Llegar hasta Qmáx = 2.5 Qtr, con 16 incrementos de carga. • ∆Q = (2.5/16)Qtr; cada uno se mantiene por 15 minutos. • Duración total del ensayo = 4 horas • Al llegar a Q = 2.5 2 5 Qtr, mantenerla 15 minutos y descargar rápido, parando sólo para hacer lecturas de asentamientos a Q=2.0Qtr, 1.5Qtr, 1.0Qtr, 0.5Qtr, 0.
5. Rápido, de carga controlada, modificado (B.Fellenius,1975): ( (continuación) ) • Aplicar criterio de Davisson para determinar QU. • Si a esa QU se aplica F.S. = 2.5 para obtener Qtr, entonces, al ensayar 1 de cada 100 pilotes, el F.S.mín es ≈ 1.8-1.9, estadísticamente.
CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPOS DE PILOTES
GRUPO DE PILOTES EN ROCA
ASENTAMIENTOS DE GRUPOS DE PILOTES
ASENTAMIENTOS GRUPO DE PILOTES EN ARENA
ASENTAMIETOS GRUPO DE PILOTES EN ARCILLA
4 t/m3
CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTOS DE PILAS
CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTOS DE PILAS EXCAVADAS
PREPRE
CAPACIDAD DE CARGA
PILAS EN ARENA
CAPACIADAD DE CARGA BASADA EN ASENTAMIENTO: EN ARENA (TOUMA-REESE, 1974)
PILAS PRE-EXCAVADAS PRE EXCAVADAS EN ARCILLA:
PILAS PROLONGADAS EN LA ROCA
FENÓMENO DE FRICCIÓN NEGATIVA
•A veces se ha practicado con éxito la pintura con bitumen del fuste de pilotes hincados en el tramo donde se espera la aparición del fenómeno de fricción negativa para reducirla.
PILOTES SOMETIDOS A CARGA LATERAL
SOLUCIÓN ELÁSTICA
ANÁLISIS DE CARGA ÚLTIMA: MÉTODO DE BROMS (1965)
ANÁLISIS POR CARGA ÚLTIMA: MÉTODO DE MEYERHOF (1995) Existe una serie de ecuaciones y de figuras para desarrollar este procedimiento de análisis
SISTEMA PLACA-PILOTES (I) 25 x 30
10 pisos
N.F
• La solución de placa corrida sin pilotes para este edificio: FS b bajo j ((<<3) 3) ST altos (>>50cm) • Se complementa con pilotes. Así, el F.S sube y los S bajan, y se puede llegar a una solución que cumpla estándares está da es de aceptabilidad. aceptab dad. • Los pilotes solos, aún trabajando j a la falla,, no dan soporte total al edificio.
SISTEMA PLACA-PILOTES (II) • Así, como ΣQui de pilotes es < ΣWedif., a largo plazo los p pilotes trabajarán j a la falla. • El proceso de interacción placa-pilotes-suelo se va dando y evolucionando a medida que q se vayan y presentando los asentamientos Si,Scp,etc. • Para que se dé el sistema placa-pilotes, los pilotes deben ir penetrando el suelo inferior con sus puntas a medida que el edificio se asienta. • Así, los pilotes toman su carga de falla y liberan de carga a la placa. Se incrementa, entonces, el F.S parcial de placa. placa
SISTEMA PLACA-PILOTES ((III)) • La gráfica de Δσ-z se prolonga en profundidad, reduciendo sus valores significativamente en las cercanías de la placa. • Los L Si y S Scp se disminuyen. di i • Los Scp no solamente se disminuyen sino que pueden retardarse significativamente a no ser que haya capas drenantes intermedias o inferiores.
PILOTES EN LAS NORMAS COLOMBIANAS •CCDSP CCDSP – 95
•NSR – 98
BIBLIOGRAFÍA • DAS, Braja M., “Principios Principios de Ingeniería de Cimentaciones Cimentaciones”,, International Thomson Editores, Cuarta Edición, México, 2001. Hsai-Yang, Yang, “Foundation Foundation • WINTERKORN, Hans F., y FANG, Hsai Engineering Handbook”, Editorial Van Nostrand Reinhold, New York, 1975. • DELGADO, Manuel, “Ingeniería de Fundaciones” Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Santafé de Bogotá, D.C., 1996. • PECK, Ralph, HANSON, Walter y THORNBURN, Thomas, “Ingeniería de Cimentaciones”, Editorial Limusa, México, 1987.
BIBLIOGRAFÍA • WHITLOW WHITLOW, Roy, Roy “Fundamentos Fundamentos de Mecánica de Suelos”, Editorial CECSA, Segunda Edición, México, 2000. • BERRY, Peter L. y REID, David, “Mecánica de Suelos”, Editorial McGraw-Hill Interamericana, S.A., S t fé de Santafé d Bogotá B tá D.C., D C 1993. 1993 • ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA, “Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente – NSR – 98”, Bogotá, D.C.,, 2000.
