Trabajo de Cimentaciones Profundas

AUTORES:

Ing. Bada Alayo Delva Flor Ing. France Cerna Gonzalo Ing. Zarate Alegre Giovana Ing. Olartegui Cubas Rom Ing. Esinoza !alinas "eodoro

-TRUJILLO, MARZO 2015-

Maestría en Transportes y onser!a"#$n %#a&: Mo'(&o I: )eote"n#a %#a&

INTRODUCCIÓN

Las CIMENTACIONES PROFUNDAS son aquellos elementos que transmiten la carga e una estructura !acia ca"as o estratos "ro#unos el su$suelo% e&itano con ello% el es"lante en suelos su"er#iciales e $a'a ca"acia e carga o e alta e#orma$ilia( El uso e "ilotes es una e las t)cnicas m*s antiguas el !om$re "ara su"erar las i#icultaes e la cimentaci+n e estructuras en suelos $lanos( Antes el siglo ,I,% el ti"o e cimentaci+n m*s com-n en los ei#icios eran .a"atas continuas% / s+lo si el terreno era inca"a. e so"ortar las "resiones que e'erc0an las .a"atas% se usa$ usa$an an "ilo "ilote tes( s( El ise ise1o 1o e esta estass cime ciment ntac acio ione ness esta esta$a $a $asa $asao o en la e2"eriencia o sim"lemente e'ao a la i&ina "ro&iencia( Las cimentaciones "ro#unas se em"lean cuano los estratos e suelo o e roca situaos inmeiatamente e$a'o e la estructura no son ca"aces e so"ortar la carga% con la aecuaa seguria o con un asentamiento tolera$le(

#*enta"#ones +ro(n'as

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1. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVOS GENERALES 

Definir que cimentación constituye el elemento intermedio que permite transmitir las cargas que soporte una estructura al suelo subyacente, de modo que no rebase la capacidad portante del suel sueloo y que que las las defo deform rmac acio ione ness prod produc ucid idas as en este este sean sean admisibles para la estructura.

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Definir y aplicar la utilización de las cimentaciones profundas, para luego en futuros diseños proponerlas como un sistema constructivo.



Identificar el tipo de cimentación profunda utilizada dentro de la construcción, así como los elementos más importantes de la misma.



Determinar una metodología para el diseño adecuado y funcional de las cimentaciones profundas, así como proporcionar criterios para el análisis de estabilidad de la cimentación.


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2. FUNDAMENTO TEORICO 2.1 CIMENTACIONES PROFUNDAS  Son

un tipo de imentaciones que solucionan la trasmisión de cargas a los estratos aptos y resistentes del suelo.

 Se

considera una cimentación profunda si su e!tremo inferior, en el terreno está a una profundidad superior a " veces su diámetro o anc#o.

 Son

aquellas que por las condiciones del terreno, no es posible una cimentación superficial y, se recurre a la b$squeda de estratos resistentes a mayor profundidad a fin de garantizar la estabilidad de la estructura.

2.2 CASOS EN QUE SE UTILIZAN 

Se opta por cimentaciones profundas cuando los esfuerzos transmitidos por el edificio no pueden ser distribuidos suficientemente a trav%s de una cimentación superficial, y en la solución probable se sobrepasa la capacidad portante del suelo.



uando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales& por #inc#amientos y retracciones.



uando los estratos pró!imos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o de ba'a calidad.



(n edificios sobre el agua.



uando los cimientos están solicitados a tracción) tal como ocurre en edificios altos sometidos a esfuerzos por vientos, o en estructuras que necesitan elementos sometidos a tracción para lograr estabilidad, como estructuras de cables o cualquier estructura anclada al suelo.

2.3 TIPOS DE CIMENTACIONES 2.3.1. PILOTES Son elementos esbeltos que se emplean para transmitir las cargas de la superestructura y peso propio a trav%s de #*enta"#ones +ro(n'as

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estratos de suelo de ba'a capacidad de carga #asta suelos más profundos o estratos de rocas que posean la resistencia requerida.

2.3.1.1CLASIFICACION DE LOS PILOTES  *or la forma de

transmisión de cargas al terreno

*or fuste. *or punta. *or la combinación de ambas

omogonados -in situ.  *or el tipo de material

De concreto prefabricado. De acero De madera

 *or el procedimiento de

*or desplazamiento. *or e!tracción.

puesta en obra

2.3.1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS Algun! "# l! $#n%&! #n #l u!' "# ()l'%#! !'n* 1.+ +esultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de otro tipo de cimentaciones. 2.+ *roporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas en el subsuelo ya que pueden traba'ar individualmente o en grupos de pilotes.


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Algun! "# l! "#!$#n%&! ,u# (-#!#n%n l'! ()l'%#! !'n* 1.+ /a dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que %sta no sea bien estimada. 2.+ (s difícil saber a simple vista cuando un pilote #a fallado, ya que no es necesario que el pilote desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble. 3.+ Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su e!tracción para reutilizarlo. (n cuanto a su forma de traba'o, los pilotes o los pilota'es pueden clasificarse en 0ver figura 12 345&

FIGURA N /1. ESQUEMA DE CIMENTACIONES PROFUNDAS 0PILOTAJES

2.3.1.3 FUNCIONES Y USO DE LOS PILOTES 

6ransmitir carga a trav%s de estratos blandos.



+epartir carga por fricción lateral.



6omar carga de tracción por fricción negativa.



*roporcionar ancla'e y carga #orizontal



(vitar socavación



*roteger cimentaciones por e!cavaciones futuras


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Maestría en Transportes y onser!a"#$n %#a&: Mo'(&o I: )eote"n#a %#a& 

imentaciones en suelos e!pansivos y colapsables



*roteger estructuras marinas



Soportar muros de contención



ompactar el suelo.

2.3.1. ALCANCE Se presentará los principales tipos de pilotes Se evaluara la capacidad portante y asentamiento de pilotes y grupos ba'o carga a!ial. 7órmulas de #inca y ensayos de carga, como se muestra en la figura 12 38.


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FIGURA N /2. CASOS DONDE PUEDEN NECESITARSE PILOTES

uando las condiciones y estratigrafía del lugar lo permita, los pilotes de punta siempre deberán ser los primeros en seleccionarse, ya que son las más seguros puesto que al transmitir las cargas a mayor profundidad, el edificio no e!perimentara inclinaciones ni asentamientos fuertes y su estabilidad será mayor. (n la figura se ilustra la e!istencia de lentes de material resistente, en los que apoyan algunos pilotes y otros descansan en el estrato de roca sana más aba'o. (n esta distribución, es de esperarse que con el tiempo las lentes de material firme 'unto con los pilotes que soportan y parte del edificio e!perimenten un descenso, pues las cargas inducidas provocaran que el suelo suave llegue a la fatiga propiciando la consolidación del suelo ba'o las lentes indicadas. (sto provocara un #undimiento desigual en el edificio.


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2.3.2 PILAS Son elementos de cimentación profunda con secciones mayores que la de los pilotes, las cuales tambi%n transmiten al subsuelo las cargas provenientes de una estructura y de la misma cimentación con el propósito de lograr la estabilidad del con'unto.

2.3.3 MICROPILOTES Son

elementos

estructurales

cuyos

diámetros

están

comprendidos entre 3.49 y menores de 3.:3m. /os de más frecuente aplicación en el recalce de estructuras son los de diámetro 3.88m. Se define como un pilote de pequeño diámetro, que transmite la carga de una estructura a estratos de suelos más profundos, principalmente por fricción por su punta, con asentamientos prácticamente nulos.

2.3. MUROS PANTALLA


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(s un muro de contención que se construye antes de efectuar el vaciado de tierras, y transmite los esfuerzos al terreno. (n las grandes ciudades, para obtener más espacios de uso en edificios, se proyectan sótanos o subsuelos que muc#as veces llegan #asta 83 metros de profundidad. ;uy usada en edificios de altura, que act$a como un muro de contención y brinda muc#as venta'as por a#orro de costos y mayor desarrollo en superficies. (s el tipo de cimentaciones más difundida en áreas urbanas para edificios con sótanos. (s un muro de contención que se construye antes de efectuar el vaciado de tierras y transmite los esfuerzos al terreno.

2. METODOLOGIAS PARA EL C4LCULO DE CAPACIDAD EN CIMENTACIONES PROFUNDAS 2..1. C(5)"" "# 5-g #n l'! ")6#-#n%#! %)('! "# 5)7#n%5)'n#! (-'6un"! (n las cimentaciones profundas e!isten tambi%n los criterios de capacidad de carga $ltima y capacidad de carga admisible, en el caso de la capacidad de carga $ltima e!iste una mayor #*enta"#ones +ro(n'as

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incertidumbre en los modelos para su determinación, por lo que es importante realizar de ser posible pruebas de carga sobre prototipos en sitio y los factores de seguridad deben fluctuar entre < y 9. Determinar la capacidad de carga $ltima de un pilote, =u es comple'o, sin embargo, se puede representar en forma práctica como la suma de la capacidad de carga tomada por la punta del pilote =p, más la capacidad de carga tomada por la resistencia al esfuerzo cortante 0suelo > pilote5 por la superficie del fuste del pilote =s. Qu= Qp+ Qs

2..1.1 C(5)"" "# 5-g "# un ()l'%# "# (un% Qp /a capacidad de carga de un pilote de punta, tiene una forma seme'ante a la fórmula de cimentaciones poco profundas, e!presada como esfuerzo se puede representar&

onsiderando que el diámetro del pilote D, es relativamente pequeño, el primer t%rmino de la ecuación se puede eliminar sin una afectación considerable de la determinación de la capacidad de carga, quedando la ecuación&


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D8n"#* c? co#esión del suelo que soporta la punta del pilote q@?esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote ?factores de capacidad de carga para cimentaciones profundas /a capacidad de carga de un pilote de punta, e!presada como fuerza, se determina multiplicando el esfuerzo por el área transversal del pilote Ap, y se puede representar como&

2..2. C(5)"" "# 5-g "# ()l'%#! 9 g-u(' "# ()l'%#!  apacidad de carga $ltima de un  apacidad

pilote en suelo co#esivo.

de carga $ltima de un pilote en suelo granular.



apacidad de carga admisible de un pilote.



7ricción negativa.



apacidad de carga de grupos de pilotes.

 CAPACIDAD DE CARGA :LTIMA DE UN PILOTE EN SUELO CO;ESIVO.


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.1 FACTORES DE AD;ESION PARA PILOTES E

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=

CAPACIDAD DE CARGA :LTIMA DE UN PILOTE EN SUELO GRANULAR.

=.1 VALORES DE >S Y ? PARA PILOTES ;INCADOS


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5

CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE DE UN PILOTE.

"

FRICCI@N NEGATIVA


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#

CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPOS DE PILOTES


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2. EJEMPLOS 2..1 E(l' N /1


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Determinar la capacidad de carga por punta de un pilote de 43 metros de largo y una sección transversal circular de :3 centímetros de diámetro, #incado en un estrato de arena 0c?35 con las siguientes características&

D%'!* Suelo& Arena #omog%nea F? 4.G tEm: #? :42

Nq ?H3 0;eyer#of5 De acuerdo a la fórmula para capacidad de carga por punta&


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*or ser un suelo puramente friccionante c?3, la formula se reduce& =p ? Ap qp ? Ap 0q@ 1q5 Ap ? q@? 043504.G5?4G =p ? 03.3G4504G50H35 ? G8.<8 t onsiderando que e!iste una la resistencia límite por punta definida por la fórmula&

Aplicando los valores para #acer la comparación.

*or lo tanto la capacidad de carga $ltima por punta del pilote es la menor& =p?4: tn 

C(5)"" "# 5-g "# un ()l'%# ('- l -#!)!%#n5) l #!6u#-' 5'-%n%# 0!u#l'  ()l'%# "# l !u(#-6)5)# "#l 6u!%# Qs /a capacidad de carga de un pilote tomada por la resistencia al esfuerzo cortante 0suelo > pilote5, se puede determinar. =s?p/f

D8n"#* "? perímetro de la sección transversal del pilote


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L? longitud del pilote #3 resistencia al esfuerzo cortante suelo > pilote (n caso que e!istan diferentes estratos con características diferentes en la cimentación, se deben sumar la contribución a la capacidad de carga de cada estrato.

2..2 E(l' N /2 Determinar la capacidad de carga por fricción de un pilote de 48 metros de largo y una sección transversal circular de :3 centímetros de diámetro, #incado en un estrato de arena 0c?35 con las siguientes características&

D%'!* Suelo& Arena #omog%nea J?4.G tEm: K?8"2


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De acuerdo a la fórmula para capacidad de carga por la resistencia al esfuerzo cortante 0fricción5&

=s?p/f

p ? 3.:3 ? 3.C<8 / ?48 (n arenas el valor de f se puede determinar considerando la fricción suelo pilote como un porcenta'e de la fricción interna del suelo y el efecto del empu'e de tierra sobre el pilote en función del esfuerzo efectivo vertical 0a 49 veces el diámetro o lado5, e!presada con la siguiente formula&

(l valor de 4 varía entre los coeficientes de +anLine de los estados de reposo 4o y del estado activo 4", para fines del e'emplo se toma 435 (l esfuerzo efectivo vertical, en el e'emplo se considera el de la profundidad 6357 por lo tanto& M@?4.G N049503.:35O? G.H9 /a fricción suelo > pilote, en este caso se considera como un H3P de la fricción interna del suelo. Q ? 3.H3 08"2 5 ? 3.8C:2 *or lo tanto el valor de # en este e'emplo es& # ? 04.<5 0G.H95 tan 03.8C:25? :.8:< Substituyendo los valores en la ecuación carga $ltima por fricción& =s ? 03.C<8504850:.8:<5 #*enta"#ones +ro(n'as

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=s ? :H.9 t 

C(5)"" "# 5-g "# un ()l (#-6'-" /a capacidad de carga de una pila perforada, se puede determinar en forma seme'ante a la de los pilotes&

8u3 8"9 8s

/a capacidad de carga de punta de una pila, tiene una forma seme'ante a la fórmula de cimentaciones poco profundas, y se puede representar como&

onsiderando que el diámetro de la base de la pila es D

D8n"#* Ap? Rrea de la base de la pila 0con o sin campana5 F ? *eso específico del suelo de la base D ? Diámetro de la base de la pila c? co#esión del suelo que soporta la punta de la pila q@?esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta de la pila 1y ,1c ,1q ?factores de capacidad de carga para cimentaciones profundas /a capacidad de carga por la ad#erencia o fricción del fuste de la pila, en alg$n caso se puede considerar despreciable, de no ser así, tiene una forma seme'ante a la formula pilotes, y se puede representar& 8s3 "L#


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D8n"#* " 3 perímetro de la pila L 3 longitud de la pila # 3 resistencia unitaria por fricción o ad#erencia

C'n5lu!)8n *ara poder sacar la capacidad de un pilote se realiza varios pasos, pero de esos, se pueden ver los aspectos más importantes del lugar a traba'ar, como es el tipo de suelo y las características que tiene, ya que para poner una cimentación profunda, se debe estudiar la importancia de esta y poner estas cimentaciones en estos lugares. Al realizar este traba'o, nos dimos cuenta de los lugares de donde se aplican las cimentaciones profundas y las normas que deben utilizar al momento de montar la estructura en el área de traba'o, de igual manera pudimos conocer las características de estas y los componentes más importantes que tiene que tener para poder aguantar las cargas que se le pudieran aplicar.

2..3 E(l' N /3 alculo de la capacidad admisible del pilote de concreto

Cl5ul' "# Q(* ;%todo de ;eyer#of =p ? Apq1q ? ApF/1q *ara T ? :32, 1q ? 99 =p ? 0:.4<3.:33.:3m8504."<.36onEm850995 =p ? 44.C4 6on


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=p ? Apq ? Ap1q tanT =p ? 0:.4<3.:33.:3m8599  tan0:35 =p ?".C" 6on

M%'"' "# V)!)5* =p ? ApTo1M ? Ap004U804V senoT55E:5q1M *ara T?:32 e Irr ? 93, el valor de 1M es apro!imadamente :H, por lo que& =p ? 0:.4<3.:33.:3m85004U804VsenT55E:504."<.3 6onEm85:H =p ? <".": 6on

M#%'"' "# Jn=u* =p ? Apq1q *ara T ? :32 y n ? C32, el valor de 1q ? 4C =p ? 0:.4<3.:33.:3m8504."<.3 6onEm854C =p ? :".HH 6on alculo de =s& =s ? MtanQp/ *ara , #incado de ba'o desplazamiento D ? 3.Hm, T ? :3, Q?3."0:35 ? 8<

M ? 4."<.3

?4,<04VsenT5

M ? G.86onEm8

 ? 4,<04Vsen:35 ?3.G * ? :.4<3.H ? 4.""9m =s ? LMtanQp/ =s ? 3.GG.8tan08<54.""9<.3 =s ? 4H.C8 6on *or tanto& =u ? 0".C"U<".":U:".HH5E: U4H.C8 =u ? 0".C"U<".":U:".HH5E: U4H.C8 #*enta"#ones +ro(n'as

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=u ?
Q"7  1.3 T'n  12. >N

2.. E(l' N / C)7#n%5)8n "# ()l "# un 5u#"u5%' #n -)' %)n%' 7#")n%# ()l'%#! Wna vez adoptado el diámetro se considera el tope estructural del elemento. Dic#o tope estructural o má!ima carga a aplicar sobre un pilote puede obtenerse por&

Se aplicará el m%todo de los penetrómetros a las dos primeras capas. *ara ello se debe utilizar la siguiente fórmula&


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(n estas dos capas no se tiene en cuenta la resistencia por punta, como es lógico, así, la contribución por fuste de la capa de limos será&

álculo para la capa de gravas, tambi%n por el m%todo de los penetrómetros, y nuevamente sin considerar la punta. Así,

(n este caso #emos obtenido una resistencia unitaria por cálculo de G 6nEm8, que es mayor que las 9 6nEm8 consideradas como cota superior para este material, por lo que reducimos su valor #asta %ste. Igualmente, el coeficiente de seguridad se estima en :. /a contribución por fuste de ambas capas está le'os de las :G: 6n, por lo que, como era de esperar, debemos empotrarnos en la capa de margas. (l procedimiento de cálculo a#ora es el de los suelos de transición, comentado en la introducción teórica. *or la adopción de los parámetros geot%cnicos que se #a elegido, es aconse'able tomar como coeficiente de seguridad para la carga admisible una valor de 8.9. /a formulación a adoptar para la carga de #undimiento es la siguiente& #*enta"#ones +ro(n'as

31


*ara el cálculo de la tensión efectiva vertical nos remitimos a las consideraciones iniciales, donde consideraremos que crece linealmente #asta 49 veces el diámetro, esto es, 4".G9 metros. A este valor le sumamos los cinco metros que despreciamos por posible socavación del lec#o del río, resultando de 8:.G9 metros, es decir, que la tensión vertical efectiva aumentará linealmente #asta el contacto de la capa de gravas y margas. *asemos a#ora a su evaluación&


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omo vemos, la carga de #undimiento resulta función del empotramiento en la capa de margas. Su determinación es inmediata, puesto que la carga admisible de la capa de margas #a de ser :G:VH3V8H ?8"G 6n. omo el coeficiente de seguridad adoptado en esta capa es de 8.9, la carga de #undimiento será&

omo vemos, este resultado es inadmisible, por lo que obliga a recalcular el pilote con un nuevo diámetro. *asemos al siguiente diámetro comercial, pilote de 4933 repitiendo todo el proceso geot%cnico. /a contribución por fuste de la capa de limos será&


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álculo para la capa de gravas, tambi%n por el m%todo de los penetrómetros, y nuevamente sin considerar la punta. Así,

(n este caso #emos obtenido una resistencia unitaria por cálculo de G 6nEm8, que es mayor que las 9 6nEm8 consideradas como cota superior para este material, por lo que reducimos su valor #asta %ste. Igualmente, el coeficiente de seguridad se estima en :. /a formulación a adoptar para la carga de #undimiento es la siguiente&


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*ara el cálculo de la tensión efectiva vertical nos remitimos a las consideraciones iniciales, donde consideraremos que crece linealmente #asta 49 veces el diámetro, esto es, 4".G9 metros. A este valor le sumamos los cinco metros que despreciamos por posible socavación del lec#o del río, resultando de 8:.G9 metros, es decir, que la tensión vertical efectiva aumentará linealmente #asta el contacto de la capa de gravas y margas. *asemos a#ora a su evaluación&


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Trabajo de Cimentaciones Profundas

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