Cimentaciones Profundas.ppt

PILOTES

PILAS

CAJONES

MADERA TIPO DE MATERIAL

CONCRETO ACERO

DE FRICCIÓN FLOTANTE DE ANCLAJE

FUNCIÓN DEL PILOTE

FORMA CONSTRUCTIV A

DE PUNTA

DE DEFENSA

DE TENSIÓN

CONTRA SOCAVACIÓN FRICCIÓN COMPACTACIÓN

HINCADOS PRE-EXCAVADOS

Madera

Empalme de pilotes en madera

Concreto

Prefabricados

Colocados in situ

Acero

Video Hincado de pilote.

Video Excavación para pilote.

Pilote con tubería hincada con giro alternativo.

Capacidad de carga axial de los pilotes. 

Capacidad de carga de punta (QP). Según Terzaghi (1943):

qu  1.3cNc  qNq  0.4BN superficiales

qu  1.3cNc  qNq  0.3BN superficiales.

para cimentaciones cuadradas para cimentaciones circulares

Meyerhoff (1963) estableció una ecuación general:

qu  cNcFCS F CD qNqFqs Fqd  0,5BN FS Fd FCS , Fqs , FS F CD , Fqd , Fd

= factores de forma Nc, Nqde , N profundidad = factores = factores de capacidad de carga.

Realizando algunas modificaciones como la sustitución de B por D (ancho del pilote) y sustituyendo el termino q por q’ para indicar que se trata del esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote. La capacidad de carga por punta ultima es entonces:

Qu  Ap qup  AP (cN c*  q ' N q* ) p = Aárea de la punta del pilote. = cohesión del suelo que soporta la punta del pilote. c =qresistencia unitaria de punta. up =esfuerzo vertical efectivo en la punta del pilote. q' = * factores de capacidad de carga. *

Nc , Nq



Resistencia por fricción (QS). Donde p es el perímetro Qs  del pLf pilote, ΔL longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se asumen constantes y f la resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z.

Métodos para estimar Capacidad de carga 

Método de Poulos y Davis.

Qu  Quf  Qup  W p



Qup  Ap cN c   vb' N q  0.3DN  L

Ap







Quf   P C a   v' K s tan  a dz 0

Donde: c = área del pilote = cohesión  vb' del suelo en la punta del pilote esfuerzo vertical efectivo en la punta N= c , N q , N = factores de capacidad de carga p = perímetro del pilote D = diámetro del pilote Ca =' adhesión no drenada v = esfuerzo vertical efectivo medio en la longitud a = ángulo de fricción suelo – pilote.

Arcillas no drenadas.   0 Tomando:

c  Cu

a  0 N  0

Nq  1

A p vb'  W p

L

Qu  A p cu N c   Pc a dz 0

La adhesión no drenada Ca varía considerablemente con el material del pilote, tipo de suelo y la forma de instalación. Lo ideal es realizar pruebas de carga. Como no siempre son posibles, se recurren a valores de Ca obtenidos experimentalmente, muchos determinados en función de Cu.

Arcillas blandas. Se propone el uso de la recopilación planteada por McClelland, (1974), en la cual se plantea una variación de Cu con el factor de adhesión Ca/Cu.

Para pilotes hincados en arcillas rígidas; Poulos y Davis recomiendan utilizar la tabla presentada por Tomlinson. CASO

CONDICIÓN DEL SUELO

I

Arenas o suelos arenosos sobre arcilla rígida.

II

Arcillas blandas o limos sobre arcilla rígida.

III

Deposito de arcilla rígida.

CA/CU

RELACIÓN PENETRACIÓN <20 >20 <20(>8) >20 <20 >20

1.25 Grafica 2 0.4 0.7 0.4 Grafica 3

Grafica 1

Grafica 2

Factor de capacidad de (Skempton, 1951)

Arcillas drenadas. Para esta condición se asume c=0 por tanto Ca=0 Se ignoran efectos Nc y Nγ por ser factores pequeños, L por lo tanto: ' '





Qu  A p vb N q   P  vb K s tan  a dz 0

Arcillas normalmente consolidadas.

K s tan  a

, este factor se obtiene de los aportes hechos por Burland (1973), y Meyerhof (1976), los cuales sugieren:   (1  sen ) tan 

K s tan  a  

20    30

0.24    0.29 para

Para pilotes largos(L>60m):  0.15

Arcillas rígidas preconsolidadas. K  1.5 K s

0

K 0  (1  sen ) RSC

a  

• Los resultados experimentales han mostrado que en depósitos de arena el suelo se comporta como si los esfuerzos crecieran linealmente hasta una cierta profundidad y posteriormente permanecen constanstes. En tal sentido, Vesic ha propuesto determinar la capacidad de carga de Dado la siguiente manera: que c=0, se tiene la siguiente ecuación: L

Qup  AP vb' N q  � P v' K sTan 'a dz o

Arenas 

Método de Meyerhoff. Calculo de Qup

Qu  AP q ' N q*

Ap ql

≤

Qu  AP q ' N q*

SPT:

AP 50 N q* tan  ≤

con base en el

q p ( KN / m 2 )  40 N cor L / D  400 N COR 10D arriba

Ncor es el promedio desde y 4D debajo de la punta.

Calculo de Quf. A partir de resultados de SPT, para pilotes de gran desplazamiento  f prom  2 N cor KN / m 2





para pilotes de bajo desplazamiento: 



f prom  N cor KN / m 2





Método de Coyle y Castello (1981). Calculo de Qup.

Q p  q ' N q* AP

Calculo de Quf.

'

Qs  pLf prom  ( K  V tan  ) pL

  0.8 K se determina de la siguiente grafica.



Método de Jambú (1976). Calculo de Qup. Qu  Ap q p  AP (cN c*  q ' N q* )

N q*  (tan   1  tan 2  (e 2 ´'tan  ) N C*  ( N q´'  1) cot 



Metodo de Vésic (1977) Calculo de Qup. Qup  Ap q p  AP (cN c*   0' N * )  1  2K0  '  0'   *q  3 

N  * 

3 N q' 1  2K0

N C*  ( N q'  1) cot 

De acuerdo con Vésic, N*  f ( I rr )

I rr  Ir 

Ir 1  Ir

Es Gs  2(1   s )(c  q' tan  ) c  q' tan 

Donde: I r = índice de rigidez. Es = modulo de elasticidad del suelo  s = relación de Poisson del suelo Gs = modulo de cortante del suelo  = deformación unitaria promedio en la zona plástica debajo de la punta del pilote I rr = índice de rigidez reducida del suelo Vesic estableció para condiciones sin modificaciones en I rr  I r  0 saturada), volumen (arena densa o  arcilla por tanto: TIPO DE SUELO Ir Arena

70 –150

Limos y arcillas (condición

50 –100

drenada) Arcillas (condición no drenada)

100 200



'

Método de Lambda (λ) – Vijayvergiya y Foth (1972) ' Calculo de Quf f prom   ( V  2cu )

Donde: V  esfuerzo vertical efectivo para toda la longitud de cu empotramiento. = resistencia media no drenada.



Método Alfa (α). Calculo de Quf

f  cu

Quf   fp(L)   cu p(L)



Método Beta (β). Calculo de Quf.

 '

f s   V

  K tan R K  1  sen R

Arcillas normalmente

consolidadas.

f  (1  sen R ) tan  R  v'

Arcillas normalmente

consolidadas.

K  (1  sen R ) OCR

f  (1  sen R ) tan  R OCR ( v' ) preconsolidadas.

Arcillas preconsolidadas. Arcillas

Capacidad a tensión de pilotes (Tu).

Tug  Tun  W

Donde: =Tug capacidad total por levantamiento =Tuncapacidad neta por levantamiento =Wpeso efectivo del pilote



Método de Das y Seely. Arenas.

L

Tun   ( f u p )dz 0

f u  K u v ' tan  Arcillas. Tun  Lp ' cu =Llongitud del pilote =pperímetro de la sección del pilote =coeficiente de adhesión en la interfaz suelo – pilote. ' =ccohesión no drenada de la arcilla. u

Grupo de pilotes.

Eficiencia de grupo. 

Qg ( u ) Qu

Donde: = eficiencia del grupo =capacidad ultima de carga del grupo de pilotes = capacidad ultima de carga pilote sin el efecto del Q g (u ) grupo. Qu

Capacidad de carga de grupos de pilotes en arcillas Grupos de bloque libre.

de carga de grupo.

considerando

Therzaghi y Peck La menor entre: - suma de las capacidades última de todos los pilotes

- Capacidad de carga el grupo como un bloque.

Pub  Br * Lr * Cub * Nc  2  Br  Lr  L * c

Grupos con bloque sobre la superficie.

o

Capacidad de carga última del bloque de pilotes + la del pedestal.

PuB  BrLrCuNc  2  Br  Lr  Lc   BpLp  BrLr  CpNc o

La suma de las capacidades de carga de los pilotes + la del pedestal







2 d Pu  n CaAs  AbCbNc  NcCup BpLp  np

4



ASENTAMIENTO DE PILOTES.

s  s1  s 2  s 3 

Acortamiento elástico.

s1 

 Q 

up

Ap E p

Asentamiento por carga de punta.

s2  

 Qws  L

q wp D Es

1   I 2 s

wp

Asentamiento por carga de fricción. q D s3  ws 1  s2  I ws PLE s I ws  2  0.35

L D

Asentamiento elástico de grupo de pilotes. 

Vesic (1969)

g 



Bg D



Donde: Bg= ancho de la sección del grupo de pilotes. D= ancho o diámetro de los pilotes del grupo. ρ= asentamiento elástico de cada pilote. Meyerhoff (1976). Para pilotes en arenas y gravas. g 

q

Qg

B

g

Lg 

2q B g N cor

I

I  1

L  0 .5 8Bg

Asentamiento de grupo de pilotes por consolidación.

1.

Sea L la profundidad de empotramiento de los pilotes y Qg la carga que debe soportar.

2. Supóngase que la carga Qg es transmitida al suelo desde una profundidad igual a 2/3L, medida desde la parte superior del pilote. 3. Calcule el incremento de carga causado a la mitad de cada estrato de suelo por la carga Qg. Qg    Bg  zt  Lg  zt 

4. Calcule el asentamiento de cada estrato causado por el incremento de esfuerzo con:

t   t

  o!   H  Cc  Log  ! 1  eo  o

  

PILOTES CARGADOS LATERALMENTE. 

P  K  yd

h Pilotes Cortos (L/D<10).

d= diámetro del pilote. Kh= coeficiente de reacción horizontal. TIPO DE SUELO

Kh (Lb/pulg3)

Valores del coeficiente de reacción horizontal. 300-350

Arena fina limosa Arena media

300-450

Arcilla blanda a media

350-500

Arena densa y arcilla dura

500-2000

Se plantea el siguiente problema. Si P  Kh  y  d

 

Donde d es el diámetro del pilote, y deformación del suelo y Kh el coeficiente de reacción horizontal. y  yo    z K h  cz Según la variación lineal del coeficiente de reacción y considerando un diámetro unitario, la intensidad de la carga puede ser calculada yo 2 por: P  czy  c Z Zo Los diagramas de momento y cortante son calculados entonces por: Kyo z 2 K  z 3 Qz  Qo 

2L



3L

Kyo z 3 K  z 4 M z  M o  Qo z   6L 12 L Kyo 

24  3  M  Q L  o o  L2  4 

Pilotes largos (L/D>10).



para la sección 1-2  n  Qz  Qo 1  3nz 2  2 z 3  zo    n 4 M z  M o  Qo  z  nz 3  z  2 zo  

2 n 2 2  zo  3

 4

Rd 4EI

zo puede ser calculado por: 3

zo 

2M o 2 z 6 M 1  zo  6 o2  2  o    0 Qo    Qo  

y la localización del momento máximo a partir de Qz=0 2 z z 3  zo z 2  o  0 3 2n

Método de Broms (1965). Pilotes en suelos cohesivos.  De cabeza libre. Pilote corto.

f 

Hu 9Cu  d

M Máx  Hu  e  1.5d  0.5 f 

Pilotes largos.

f 

Hu 9Cu  d

M Máx  Hu  e  1.5d  0.5 f 



De cabeza fija. Pilote corto.

Hu  9Cu  d  L  1.5d 

M Máx  Hu 0.5 L  0.75d  Pilote intermedio. Hu 

2 Mr 1.5d  0.5 f

My  2.25Cu  dg 2  9Cu  df 1.5d  0.5 f 

Pilote largo. Hu 

2 Mr 1.5d  0.5 f

My  2.25Cu  dg 2  9Cu  df 1.5d  0.5 f 

Pilotes en suelos granulares.  De cabeza libre. pilotes cortos.

0.5dL3 K P Hu  e L Hu f  0.82 dK P 2   M Máx  Hu e  f  3  

Pilote largo.

3 Hu  dK P f 2 2

 2 M Máx  Mr  Hu e   3

 f 



De cabeza fija. Pilote corto Hu  1.5L2 dK P M Máx 

2 Hu  L 3

Pilote intermedio. Hu 

3 dK P f 2

2

My   0.5dL3 K P   Hu  L

Pilote largo. 2   Hu  e  f   2 Mr 3  

Chequeo por deflexión del pilote. Arenas.  5

nh EpI p

Arcillas.  4

KD 4E p I p

Pilotes inclinados.

α<5°

5°< α<15°

α>15° Sistema simple de carga

Otro sistema de carga

sen  R

V R V

H cos γ  R H

Del poligono se tiene R C 90+γ-β

R : T  90-α-γ sen     sen 90    



R C  sen     sen 90    







α β T

H cos   Vsen C sen    

C

H cos   Vsen sen    

Sistemas estáticamente determinados.

Por simple proporción: P1  b  P b  a 

P2  b  P  a

P1 

 b  a P

P2 

b

a P b



Evaluación de componentes tomando momentos con respecto a los puntos de intersección de las líneas de acción de las fuerzas axiales en los pilotes.

 P1C1  Rm1  0  P1  R

m1 C1

 P2C2  Rm2  0  P2  R

m2 C2

 M 4  P3C3  Rm3  0  P3  R

m3 C3

M M

3

2



Utilizando sumatoria de horizontales y momentos.

fuerzas

verticales,

m   b  a  cos 

F

0

H

P2 sen  Rsen  0 sen sen R cos   P1  P3  P2 cos 

P2  R

F

V

M

0 2

0

Pb  Rm  0  P1b  R b  a  cos   0 P1 

P3 

R b  a  cos  b

sen m   cos  tan  b



Resolución por componentes.



Método grafico de Culmann.

PILAS DE CIMENTACIÓN

Pilas de cimentación 

Tipos de pilas. Flotantes en suelos

De punta en rocas

De punta

Dimensiones Usuales.

D  30"  B  3D

  26 3/8” a 3/4”, dependiendo Espesor del revestimiento: del diámetro de la pila y de las características del suelo.

 





Consideraciones de diseño. Exploración. Envuelve el planeamiento y la conducción de una exploración subsupercial adecuada a las necesidades, a fin de establecer la factibilidad técnica y económica de utilizar una pila excavada y características del material de soporte. Aquí deben determinarse: perfil estratigráfico del subsuelo, calidad del suelo de soporte, viabilidad de la construcción y dificultades durante la construcción (nivel freático y obstáculos). Diseño. Constituye la fase en la cual se selecciona el tipo de pila, el método constructivo y la carga de trabajo admisible a ser usada en el diseño. En esta fase deben tomarse decisiones referentes a: tipo de pila, dimensiones de la cimentación, capacidad de carga de las pilas y método constructivo. Rediseño. Se refiere a rediseños o modificaciones al proceso constructivo que sean necesarios hacer, de acuerdo con las condiciones reales del subsuelo encontradas durante el periodo constructivo.



Capacidad de carga.

Qu  Qb  Qf  W Qb  Ab cNc  DfNq  0.3BN   Qf  Af    c Qu  Ab cNc  DfNq  0.3BN    Af    c  W

Pilas en suelos cohesivos. Si Ф=0 entonces Nq=1.0 y Nγ=0. Pero:

Qb  Ab cNc  Df   Af    c  W Ab    Df  W

Donde Cu es la cohesión no drenada y α varia entre 0.4 y 0.5 (generalmente 0.4). Qu  Cu  Nc  Ab  Af    c Pilas en suelos granulares. Trabajará de punta si Qf=0.

Qu  Qb  Qf siendo B el ancho en la base

Qu  Qb   b Nq  Ab  0.3BN  Ab

 b  Df

Pilas en rocas. Roca suave Roca mediana /dura Roca dura y sana   Sedimentarias.  Lutitas y pizarras Calizas   Rocas con plegamientos.  Micas  Ígneas. Basalto, granito, diorita.  Metamórficas.   Gneiss Mármol

8.0 40 60

Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2

8.0-10 10-20

Kg/cm2 Kg/cm2

40

Kg/cm2

20-100 100 10-20

Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2



Problemas constructivos.

1- Nivel freático.

La humedad aparece en las zonas bajas de las construcciones y se debe a que los materiales adsorben el agua del terreno a través de la cimentación y pueden ser permanentes si se presenta un nivel freático alto. Existe una alternativa para este problema y es un revestimiento en lodo bentonitico.

2. Revestimiento. Permanente: Se deja cuando por dificultades es conveniente. Aumenta el costo pero también aumenta la capacidad de carga de la pila. Provisional: Se pueden presentar problemas en el retiro y puede haber contaminación de suelo o agua en el concreto. Remoción: Es una operación cuidadosa que debe ser supervisada por personal de experiencia, pues puede ocasionar problemas en el concreto.

3. Concreto Fondo con flujo: deterioro de la mezcla en el fondo. Flujo alrededor de la pila con revestimiento temporal: deterioro de la mezcla en forma natural. Fondo: debe ser inspeccionado antes del vaciado y debe estar seco o como máximo 2” de lámina de agua.   Concreto: debe ser lanzado a una altura tal que no permita segregación de los agregados ni que no alcance a vibrarse. Los últimos 3.0m deben ser vibrados.

Video de pilas de cimentación.

Cajones (Caissons) Cajón abierto.

Cajón cerrado

Espesor del sello del fondo. Teng (1962), basado en la teoría elástica: t  1.18Ri

circular. t  0.866 Bi

rectangular.

q fc

Para cajón

q   Li  f c 1  1.61   Bi  

Para cajón

Donde Ri es el radio interior del cajón, fc qel esfuerzo H W  t  c admisible a flexión en el concreto (0.1 a 0.2 f’ c), Bi y Li ancho y largo de un cajón rectangular y q la presión unitaria en la base del cajón:

Cajón Neumático.

Chequeos.  Revisión del cortante perimetral en la cara de contacto del sello y el cajón.

FH  Ai H W  Ai t c v



v MN

Ai H W  Ai t c Pi t

   v  MN m m 2

vu  0.17

2

u



f ' c MN

 m 2

  0.85

  vu  2 f ' c Lb 2  pu lg 



Revisión por flotación. Fuerza de flotación hacia arriba es:

 





Fu   Bo Lo  H W

Fu  pRo H W 2

Cajón circular

Cajón

rectangular

Fd  Wc  Ws  Qs Fuerza hacia abajo:  

Fd  Fu

Donde Wc es el peso del cajón, Ws peso del sello y Qs la fricción superficial.

Video Excavaciones para Caissons.