CIMENTACIONES PROFUNDAS
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL FUNDACIONES (CIMENT (CIMENTACIONES, ACIONES, GEOTECNIA II, APLICACIONES GEOTÉCNICAS) PROFESOR: CARLOS EDUARDO TORRES ROMERO, IC, MIG
CIMENTACIONES CIMENTACIONES PROFUNDAS Se recomienda el uso de pilotes cuando: • • •
¿Cuando se usa una cimentación profunda?
Se quiere evitar un estrato superior muy compresible. compresible. Se transmiten las cargas cargas a un estrato competente, bien sea por fricción o por punta. Transmitir cargas en suelos blandos Cuando existen cargas horizontales, horizontales, como de viento o sísmicas; los pilotes desarrollan resistencia a la flexión
CIMENTACIONES CIMENTACIONES PROFUNDAS Se recomienda el uso de pilotes cuando: • • •
¿Cuando se usa una cimentación profunda?
Se quiere evitar un estrato superior muy compresible. compresible. Se transmiten las cargas cargas a un estrato competente, bien sea por fricción o por punta. Transmitir cargas en suelos blandos Cuando existen cargas horizontales, horizontales, como de viento o sísmicas; los pilotes desarrollan resistencia a la flexión
CIMENTACIONES CIMENTACIONES PROFUNDAS • • •
Pilotes sometidos a tensión por cargas en estructuras Grupos de pilotes sometidos a diferentes tipos de carga Muros de contención apoyados sobre pilotes
S uelos C olaps olapsables ables
CIMENTACIONES PROFUNDAS • •
Pilotes para transmitir cargas por debajo de zonas de erosión Grupos de pilotes para pasar estratos licuables
S uelos Colapsables
CIMENTACIONES PROFUNDAS • •
Fundación de estructuras próximas a excavaciones Contrarrestar el efecto de suelos expansivos
S uelos Colapsables
CIMENTACIONES PROFUNDAS • •
Pilotes para la estabilización de taludes Pantallas de pilotes para soportar excavaciones
S uelos Colapsables
SOCAVACIÓN EN PILAS DE PUENTES Para evitar erosión o desgastes generales en zonas superficiales. Ocurren con más frecuencia en pilas de puentes.
E ros ión en la base de la Pila
EROSION EN PILOTES DE EDIFICACIONES A MEDIA LADERA
Erosión bajo casas piloteadas
EROSION EN PILOTES DE EDIFICACIONES A MEDIA LADERA
EROSION EN PILOTES DE EDIFICACIONES A MEDIA LADERA
Erosión bajo casas piloteadas
TIPOS DE PILOTES Se dividen según el método de construcción. Existen dos grandes clases: • •
Pilotes Hincados (Driving): Madera, Hierro y Concreto Pilotes fundidos in-situ (drilled shafts): Básicamente de concreto
Pi lotes Hincados Madera
TIPOS DE PILOTES (DESPLAZAMIENTO)
Pilotes Preexcavados: No hay desplazamiento
CLASIFICACIÓN DE TIPOS DE PILOTES
PILOTES HINCADOS
PILOTES HINCADOS
Pilotes Hincados - Ac ero
PILOTES PRE-EXCAVADOS En suelos rígidos como las arcillas duras (stiff clay) se puede construir por vía seca (Dry construction), en la cual se excava hasta la longitud del pilote y se funde una primera parte en concreto sin refuerzo, dado los esfuerzos tangenciales a esa profundidad son pequeños, y luego se dispone el refuerzo y se termina de fundir.
PILOTES PRE-EXCAVADOS En suelos colapsables como las arenas y las gravas, se usa la vía húmeda de construcción (wet method or slurry method), en donde se excava el pozo y se vierte una lechada para la estabilización de las paredes (lodo bentonítico) y luego se dispone el refuerzo en toda la longitud. Finalmente mediante el sistema de vaciado Tremie se llena desde abajo con el concreto desplazando hacia arriba la lechada.
PILOTES PRE-EXCAVADOS En pilotes de gran diámetro (D>1.2m) conocidos como caisson, se usa el método de excavación manual, el cual es poco recomendable dadas las implicaciones de seguridad que conlleva; sin embargo, es muy usado en Colombia dadas las características particulares de nuestros suelos y rocas.
COMPARACIÓN TIPO PILOTES
Pi lotes F undidos I n-situ
COMPARACIÓN TIPO PILOTES
COMPARACIÓN TIPO PILOTES
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA De acuerdo a su mecanismo de TRANSFERENCIA DE CARGA, CARGA, las cimentaciones profundas se clasifican en: - Ca Carg rgad adas as por por Pu Punt nta a - Ca Carg rgad adas as po porr Fri Fricc cció ión n
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA - PUNTA •Se puede observar, para la resistencia por punta q p , una similaridad con el
comp compor orta tami mien ento to de una una zapa zapata ta:: •qu
= cN c F csF cd + qN qF qsF qd + ½ B N F sF d
lote, B equi equiv vale ale al diám diámet etrro D •En un pilot D,, y su dimensión es pequeña: •q p = cN c F csF cd + q’N qF qsF qd
•qu
Q
ecti tiv vo baj bajo pta pilo pilotte q’ : E. Efec
= c N N c * + q’ N N q* A x q q
A
Area Area pun punta del del pilo pilotte.
Cálculo de Q p Según Meyerhof (arenas y arcillas)
Cálculo de Q p Según Meyerhof AR E NA S *
Q p
A p q p A p q ' N q A p ql
Q p
A p q ' N q A p 50 N q tan
*
*
• •
q`: Esfuerzo efectivo en la punta del pilote ql: resistencia del punto limite
AR CIL LAS Q p
A p q p
Q p
A p N c
Q p
A p
9
*
cu
cu
c u = Cohesión no drenada bajo la punta del pilote
Mecanismo de Transferencia de Carga - FRICCIÓN •Esta resistencia por fricción Qs la desarrolla la interacción entre el Fuste y
el material donde este se encuentra enterrado:
Q s A peri m f Q s p L f Q s pi L f i
p : Perímetro de la sección del pilote. f : Resistencia unitaria por fricción ΔL: Longitud sobre la cual pi y f i se toman como constantes pi : Perímetro de la sección del pilote a determinada profundidad. f i : Resistencia unitaria por fricción a determinada profundidad
Resistencia a la fricción en Arenas
Contornos de ángulo de fricción en el suelo luego del hincado de pilotes en arenas
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas
L’ = 15 D
La fricción en arenas crece hasta una profundidad de 15 veces el diámetro, a partir de donde permanece constante
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas
Q s f i p i L z L p L f Q s Q s f p dz ' tan f K z 0 v
p: Perímetro del pilote K Efectivo de Tierrade Tierra : Coeficiente Efectivo K : Coeficiente : Angulo de Friccion Suelo-Pilote : Angulo de Fricción Suelo-pilote ’v : Esf. Vertical efectivo prom. ’ v : Esf. Vertical efectivo
0 < Z < L’
f K f f z L ' v ' tan
L’ < Z < L
z L
Q s1 sin f p dz 1.8 1 sin K z 0 0. z 5 L
Q s
0.8 K v ' tan p dz
z 0
K 1 sin 1.8 1 sin
0 5 0 8
Para
L< L’
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas
'
Q s pv L f
v‘
· K · tan
z L
Q s
v ' tan f K
z 0
f f z L ' z
L
1.8 1 sin K 1 sin 0.5 0.8
f p dz
L’
f K v ' tan
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas •
Q s p L f
Q f i p i L < L’ z L v ' tan 0 <0Z<
Efectivo de Tierra dede K : Coeficiente K :: Coeficiente Coeficiente Efectivo Tierra Efectivo Tierra K
Angulo de Friccion Suelo-Pilote : Angulo:: de Friccion Angulo deSuelo-Pilote Fricción Suelo-Pilote ’v : Esf. Vertical efectivo prom. Esf. Vertical efectivo prom. ’v Vertical efectivo : Esf.
z 0
L’ < Z < L f K v ' tan 1.8 1 sin K 1 sin f K v '( z L ') tan 0.5 0.8 •
z L '
Q s K
1 sin
L’ < Z < L
z L
f p dz f p dz
0 L’ Para z L<
0 < Z < L’
z L '
1.8 1 sin
0.5 0.8
Para L L’
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas •
v'
Q s p L f •
v ' tan 0 f K
•
f f z L ' •z
v‘
z L
· K · tanK : Coeficiente Efectivo de Tierra de Tierra K : Coeficiente Efectivo
Q
L’ < Z < L
L’ < Z < L
1.8 1 sin K 1 sin 0.5 0.8
f p dz
s Suelo-Pilote Angulo de Suelo-Pilote Friccion : Angulo: de Friccion z 0 ’v 0 < Z < L’ : Esf. Vertical efectivo prom. < Z < L’ ’v : Esf. Vertical efectivo prom. v
f K
L
L’
' tan
f K v '( z L ') tan
Resistencia a la fricción para pilotes en Arcillas Método (Vijayvergiya yFocht,1972). Q s
f pr om L p
f pr om v ' 2 cu v ' Lemp
cu
(m)
A1 A2 A3 ... An
L cu 1 L1 cu 2 L2 ... cu n Ln L
• ’ v : Esf. Vertical efectivo prom. para toda la
longitud de empotramiento •C u : Resist. al cortante No-Drenada promedio •
: Depende de la longitud de empotramiento
Resistencia a la fricción para pilotes en Arcillas Método
Resistencia a la fricción para pilotes en Arcillas Método f cu Q s p L f Q s p L cu
: Factor de Adhesión Empírico El máximo valor de es 1.0
Resistencia a la fricción para pilotes en Arcillas Método R:
f v '
Ang. De fricción drenada de la arcilla remoldeada
K tan R
K: Coef. De presión de tierra
f 1 sin R tan R v '
Cas o Arci llas Normalmente Cons.
f 1 sin R tan R OCR v '
Cas o Arci llas Pre-Cons olidadas
Qs
f p L z L
Qs
f p dz
z 0
OCR : Relacion de sobre-consolidación
Capacidad de carga por punta para pilotes sobre Roca q q N 1 p
u
q
N q tan 2 45 qu diseño
2
qulab 5
Q p qu ( diseño) N q 1 Ap
Capacidad de carga por punta para pilotes sobre Roca
EJEMPLO Un pilote de concreto tiene 15 metros de longitud y una sección de 0.4x0.4 metros. El pilote está totalmente empotrado en arena de = 17.3 kN/m3 y =30°. Calcular la carga última de punta, Qp, usando el método de Meyerhof. Para el mismo pilote: - Determine la resistencia por fricción, Qs. K=1.3 y =0.8. - Usando los resultados de Qp y Qs, estima la capacidad admisible de carga del pilote para un F.S.=4.
EJEMPLO Para el pilote mostrado en la figura, con diámetro de 0.4 metros: - Calcule la capacidad neta de carga por punta, Qp. - Calcule la resistencia superficial usando los métodos , , ; con el fin de definir un solo Qs. - Estima la capacidad neta admisible del pilote, usando F.S=4. 5m
5m
20 m
NF
Cu(1)= 30kN/m2
=18kN/m3
r= 27º
Cu(2)= 30kN/m2
=21kN/m3
r= 27º
Cu(3)= 100kN/m2
=22kN/m3
r= 29º
EJEMPLO Un pilote de concreto (D=1,0m), con longitud de empotramiento 26 metros, se empotra en un estrato de arcilla muy blanda, hasta que descansa en uno de arenisca (roca), con una resistencia a la compresión inconfinada medida en el laboratorio, qu(lab) de 76MN/m2, y un ángulo de fricción, de 28°. Use un factor de seguridad F.S.= 5, para calcular la capacidad admisible de carga por punta del pilote.
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia sobre Arenas
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia S eparación Mínima: 2.5 D
S eparación práctica: 3D – 3.5D
Lo ideal es que la capacidad de carg a del g rupo de pilotes no sea inferior a la s umatoria de las
capacidades individuales de los pilotes
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
Qadm = 1.200 kN
Qadm = 300 kN
Qadm = 300 kN
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia Qadm = 1.200 kN ???
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia Qadm = 500 kN
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
Qadm = 50.000 kN
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
El bloque trabaja con sus pilotes individualmente o como un gran pilote imaginario?
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia
c enc a en
–
Arenas
Opción 1: Grupo Actuando como Bloque K
Efectivo de Tierra dz Q g ( u) p f L p g f Q : Angulo de Friccion Suelo-Pilote • s : Angulo de Fricción Suelo-Pilote z 0 ’v efectivo prom.efectivo prom. L’’v : Esf. • 0 < Z < L’0 < Z < : Esf. Vertical Vertical ' tan f K f K v v ' tan z L
•
f f f • f z z L ' ' L
: Coeficiente K : Coeficiente Efectivo de Tierra
K 1 sin 1.8 1 sin
L’L’<
0.5 0.8
Opción 2: Sumatoria de Pilotes Individuales Qu
z L '
z 0
f p dz
f K
v ' tan
f f z L '
0 < Z < L’ L’ < Z < L
Q g ( u ) Qu
S E TOMA C OMO VÁLIDO E L ME NOR R E S ULTADO DE LAS DOS OPCIONE S
CARGA ÚLTIMA – Eficiencia sobre Arcillas
–
c enc a en
Arcillas Opción 1: Grupo Actuando como Bloque Q g (u )
Q g ( p ) Q g ( s )
Q g ( p ) A p cu N c Q g ( p )
L
Q g ( s ) P g cu L
*
B g cu N c
g
*
Q g ( s ) 2 L g B g cu L
Opción 2: Sumatoria de Pilotes Individuales
Q g (u ) n1 n2 Q p Q s
Q p Ap 9 cu ( pt a)
Q s p cu L
S E TOMA C OMO VÁLIDO E L ME NOR R E S ULTADO DE
CARGA ÚLTIMA – Eficiencia sobre Arcillas
GRUPO DE PILOTES – Eficiencia en Rocas Q g (u ) Qu
S i d > D + 300 mm
Ejercicio Encontrar el Qadmisible, con FS = 4.
cu = 56.2 kN/m2 10 m
cu = 62.2 kN/m2
30 m
5 x 2 Pilotes Sección 40 x 40 cm d = 1.2 m
Resistencia a la fricción para pilotes en Arcillas Método
ASENTAMIENTO DE UN PILOTE S S 1 S 2 S 3
S 1
Qwp
Qws
A p E p
S 1: Asentamiento Elástico del Pilote S 2: Asentamiento Por Carga en la Punta S 3: Asentamiento Por Carga en el Fuste Q wp: Carga por Punta A p: Area Sección Trans Q ws : Carga por Fuste L : Longitud Pilote L E p: Módulo de Elasticidad del Pilote : Factor de distribución de la resistencia a la Fricción 0.5 y 0.67 (Vesic, 1977)
f
f
f
ASENTAMIENTO DE UN PILOTE S S 1 S 2 S 3
S 2
Qwp D
A P E S
1
S 1: Asentamiento Elástico del Pilote S 2: Asentamiento Por Carga en la Punta S 3: Asentamiento Por Carga en el Fuste
s
2
I
wp
Q wp: A p: D: E s : s :
I wp:
Carga por Punta Área Sección Transversal Diámetro del Pilote Módulo de Elasticidad del Suelo bajo la Punta Módulo de Poisson del Suelo Factor de Influencia ≈ 0.85
ASENTAMIENTO DE UN PILOTE S S 1 S 2
S 3
Qws
S 3
D
P L E S
1
I ws
2 0.35
S 1: Asentamiento Elástico del Pilote S 2: Asentamiento Por Carga en la Punta S 3: Asentamiento Por Carga en el Fuste
2
s
I
ws
Q ws : L: P: E s :
L
s :
D
I ws :
Carga por Fuste Longitud del Pilote Perímetro del Pilote Módulo de Elasticidad del Suelo bajo la Punta Módulo de Poisson del Suelo Factor de Influencia
Resistencia por Extracción de Pilotes T ug
Tug
T un
T ug ( ad m) Tun
W
T un
W
F .S .
T ug : Capacidad Total por Levantamiento T un: Capacidad neta por Levantamiento W: Peso Efectivo del Pilote.
W
En Arcillas T un
L p cu
'
L : Longitud del Pilote p: Perímetro del Pilote ’ : Coeficiente de Adhesión Suelo-Pilote C u: Cohesión No-Drenada
Resistencia por Extracción de Pilotes En Arcillas T un
L p 'cu L : Longitud del Pilote
p: Perímetro del Pilote ’ : Coeficiente de Adhesión Suelo-Pilote C u: Cohesión No-Drenada
Para pilotes en concreto fundidos in-situ '
0.9
'
0.4
0.00625
c
u
Para c u ≤ 80 kN/m 2 Para c u > 80 kN/m 2
Para pilotes en tubo de acero
'
0.715
'
0.2
0.0191
c
u
Para c u ≤ 27 kN/m 2 Para c u > 27 kN/m 2
Se debe sumar el peso del pilote a la resistencia por extracción
Resistencia por Extracción de Pilotes En Arenas z L
T un
f p L f p dz u
u
z 0
f u K u v ' tan
0 < Z < Lcr
f u K u v ( z L ) ' tan
Lcr < Z < L
cr
z L
T un
f p dz u
z 0
K u: Coeficiente de Levantamiento : Angulo de Fricción Suelo-Pilote
’v : Esf. Vertical efectivo. Variación de fu
Se debe sumar el peso del pilote a la
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas •
v'
Q s p L f
v‘
z L · Ku · tan Efectivo de Tierra de Tierra K : Coeficiente K : Coeficiente Efectivo
T un
< L’ v ' tan 0 <0Z<
•
f f z L ' •z
L’ < Z < L
L’ < Z < L
1.8 1 sin K 1 sin 0.5 0.8
f p dz
Angulo de Suelo-Pilote Friccion Suelo-Pilote : Angulo: de Friccion z 0
•
’v : Esf. Vertical efectivo f K prom. ' tan ’v : Esf. Vertical efectivo prom. u
L Lcr
v
Resistencia a la fricción para pilotes en Arenas z L
•
'
Q s pv L f
v‘
· K u · tan T f Tierra p dz Efectivo de Tierra K : Coeficiente K : Coeficiente Efectivo un de z 0
Angulo de Suelo-Pilote Friccion Suelo-Pilote : Angulo: de Friccion
•
v ' tan 0 < Z < L’ f K
0 < Z < L’
•
f f z L ' •z
L’ < Z < L
L’ < Z < L
1.8 1 sin K 1 sin 0.5 0.8
f K u v ' tan ’v : Esf. Vertical efectivo prom. ’v : Esf. Vertical efectivo v '( z Lcr ) tan f K u prom.
L
Lcr
Resistencia por Extracción de Pilotes
Variación de K u
Resistencia por Extracción de Pilotes
EJEMPLO Para el pilote de concreto reforzado mostrado en la figura, con sección 30x30 centímetros, longitud L de 16 metros, : Determine la carga admisible por extracción del pilote, teniendo en cuenta un factor de seguridad de 4.
4m
4m
8m
NF
d=16.5kN/m3, relativa 70%
=30°, compacidad
sat=19.3kN/m3, =30°, compacidad relativa 70%
sat=20.1kN/m3,
relativa 70%
=33°, compacidad
Asentamiento elástico grupo de pilotes
ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN Qg
Estr. de Arcilla 1 2/3 L
Estr. de Arcilla 2
L H1
Estrato de Arcilla 3
1. Definir 2/3L 2. Definir Bg, Lg y Qg (Incluyendo compensación) 3. Establecer Hi y zi 4. Establecer i i
H2
H3
B
g
zi L g zi
5. Calcular el Asentamiento para cada estrato y su incremento respectivo. S i
Estrato de Arcilla 4
Q g
e(i )
1 e( i )
H i