capitulo-8-fundaciones-indirectas
Post on 01-Dec-2015
12 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 1
GEOTECNIA IGEOTECNIA IGEOTECNIA IGEOTECNIA I
““““Transferencia de cargas al terrenoTransferencia de cargas al terrenoTransferencia de cargas al terrenoTransferencia de cargas al terreno””””
2222da da da da ParteParteParteParte
Profesor: Ing. Augusto José Leoni
FUNDACIONES SOBRE PILOTES
w
Suelos con poca capacidad portante, arcillas blandas o
arenas sueltas
Suelos con capacidad portante importantes, arcillas muy
compactas o arenas densas
Elementos estructurales de transferencia de cargas
Fundaciones indirectas, pilotes
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 2
TIPOS DE PILOTES
a b c
a) Pilote hincado (elemento premoldeado)
b) Hinca de camisa metálica, limpieza interior colocación de armadura y colado del hormigón
c) Pozo romano ó cilindro de fundación
Pilotes hincados
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 3
Martillo diesel
Pilotes Pre perforados y hormigonados in situ
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 4
Vibradores para hincar camisas metálicas
Esquema constructivo de un pilote hormigonado in situ con escarificador de punta
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 5
Pilotes con bulbo expandido tipo Franki
Pilotes Pre perforados y hormigonados in situ (TRELICON)
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 6
INTERACCIÓN SUELO - PILOTE
qf
qp
Q
δδδδ
QT = Qf + Qp
Qf = qf. Area del fuste
Qp= qp.Area de puntaqf = Tensión de fuste
qp = Tensión de punta
TENSIÓN DE FUSTE
σv’ = γ’. z
σh’ = ko . σv’
v
hok
σ
σ= )'1( φsenk o −= (Jaky)
ττττ
τ = c + σh . tan(δ) = c + σv . ko . tan(δ)
δ ≅ 2/3 . φ’
Ko varía de acuerdo al tipo de suelos y a la metodología
constructiva del pilote
Para pilotes hincados tendremos una compresión horizontal del
suelo que rodea al pilote, mientras que para un pilote excavado
los suelos circundantes al pilote se relajan disminuyen su
tensión horizontal.
Z
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 7
σvo
σho
vo
hokoσ
σ=
σh > σho k > ko
Elemento de suelo antes de colocar el pilote.
La relación de tensiones horizontales y
verticales coincide con “ko”
El mismo elemento de suelos luego de la hinca
del pilote, sufre una gran compresión horizontal
con lo cuál aumenta σh y por ende aumenta k
TENSIONES EN EL FUSTE PARA PILOTES HINCADOS
TENSIONES EN EL FUSTE PARA PILOTES EXCAVADOS
El elemento de suelos señalado se
encuentra en una situación de “ko”,
antes de que lo afecte la excavación del
cilindro
El mismo elemento sufre una relajación de
tensiones horizontales cuando es alcanzado por la
excavación del cilindro por lo tanto pasa de “ko”a
tener una tensión horizontal menor σh < σho por lo
tanto disminuye k < ko
qf = c + σv . k . tan(δ) vo
hokoσ
σ=
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 8
Resumen de los valores a aplicar del coeficiente “Ks” para la valoración de
las tensiones de fuste en suelos granulares sin cohesión.
)tan(.. φσ sv Kqf =v
hsK
σ
σ=
Ks = Valor de “K” en el terreno circundante al
pilote, luego de instalado el mismo.
Depende de la metodología de instalación
Para pilotes perforados y hormigonados in situ tomaremos: ))(1( φsenKK os −==
Para pilotes hincados tomaremos: 31 << sK
Donde Ks = 1 para arenas de baja Dr(%)
Ks = 3 para arenas de alta Dr(%)
Ks = 1 + 0,02.Dr (con Dr en %)
RESISTENCIA DE PUNTA
Mecanismo de rotura
I
II
III
2 a 3 D
1,5 D
Zona I: Suelos confinados que acompañan el descenso de
la punta
Zona II: Suelos en equilibrio plástico que se deslizan en
superficies curvas.
Zona III: Suelos en equilibrio plástico que siguen las
hipótesis de Rankine
Suelo granulares densos
Suelos granulares sueltos y cohesivos no cementados
La superficie de falla no se desarrolla completamente
y el suelo fluye hacia los costados del pilote a medida
que éste penetra en el suelo
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 9
CALCULO DE LA TENSIÓN ÚLTIMA DE PUNTA DEL PILOTE
z
q’ = γγγγ’. z
qp
Igual que en el cálculo de las fundaciones directas, podemos reemplazar la carga de la tapada al nivel de la punta por una tensión equivalente
q’ = γγγγ’.z
Por lo tanto podemos aplicar la Fórmula General de Capacidad de Carga de Brinch Hansen y hacer las simplificaciones pertinentes
γγγγγ idSNBiqdqSqNqqicdcScNccq u ......2
1...'..... ++=
≅ 0
Q
En primer término tenemos que decir que el valor de “B” por lo general es pequeño y casi siempre < 1,00 m por lo que el último término de la ecuación no tiene mayor incidencia en el resultado final
y como las cargas son en todos los casos axiales no tendremos que considerar los factores de inclinación, con lo cuál la Fórmula General quedará relegada a lo siguiente:
dqSqNqqdcScNccq u ..'.... +=
CALCULO DE LA TENSIÓN ÚLTIMA DE PUNTA DEL PILOTE
z
q’ = γγγγ’. z
qp
dqSqNqqdcScNccq u ..'.... += (Para φφφφ > 20° Sc.dc ≅≅≅≅ Sq.dq)
dcScNqqNccq u .).'..( +=
Q
upunta).q de ( AreaQp total =
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
0 10 20 30 40
Sc.dc Sq.dq
φφφφ
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 10
Suelos granulares
Cohesión c = 0 dcScNqqq u ..'.=
Suelos cohesivos saturados
Fricción φφφφ ≈ 0 dqSqNqqdcScNccq u ..'.... +=
'... qdcScNccq u +=
= 1
Para φ = 0 Nc = 5,14
Para D/B > 7 Sc.dc = 1,8
qu = 9.c + q’
z
qp
Q
z
D
φφφφ
SUELOS GRANULARES
Limitación en la aplicación de la fórmula de capacidad de carga de punta
dcScNqqq u ..'.=Partiendo de la fórmula: La misma indica que aumentando la profundidad
aumentaría indefinidamente y en forma lineal la capacidad de punta de los pilotes. Esto estácomprobado que no es así ya que por el efecto de arco que se produce en los suelos granulares, la
presión de la tapada “q’” en cercanía de una estructura, crece desde la superficie, hasta un cierto
nivel denominado Profundidad Crítica o Altura Crítica “hc” y luego se mantiene constante. Este
valor de “hc” depende de la densidad relativa del suelo granular.
Efecto arco en suelos granulares
σσσσ
dcScNqqqu ..'.=
Z
hc
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 11
hc = 20.BSuelos densos
hc = 15.BSuelos medianamente densos
hc = 10.BSuelos sueltos
Por lo tanto, si el pilote tiene una longitud
dentro del manto granular superior a la hctendremos
dcScNqhcq u ...'.γ=
qmáx = γγγγ’ . hc
Z
q’
q = γγγγ’ . hc
qu
EL EFCTO ARCO EN LA TENSIÓN DE FUSTE DE LOS PILOTES
q’
qf1L1 = hc
L2qf2
)tan(.2
..1 δγ hc
kq sf =
)tan(...2 δγ hckq sf =
v
hsk
σ
σ=
+= )tan(....)tan(..
2
.... 2. δγδγ
π Lhckhchc
kBQ ssfusteT
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 12
TENSIÓN DE FUSTE EN SUELOS COHESIVOS
Arcillas blandas a medianamente compactas (cu < 0,50 kg/cm2)
Suelo amasado por la
hinca del pilote (e ≅1,5.B)
)tan(. δστ Nc +=
vohN k σσσ .==
)tan(..'. δγτ okzc +=
Para suelos arcillosos blandos a med. Compactos, saturados δ ≅ 0 τ = cu
Este amasado disminuye enormemente la resistencia al corte de estos suelos,
pero por fenómenos tixotrópicos (recomposición de la estructura y aumento de
la resistencia al corte) en menos de 1 mes la resistencia disponible en los casos
de pilotes de hormigón rugoso, es superior a la cohesión inicial.
Por lo tanto tomaremos en estos casos que la resistencia de fuste última, será
igual a la cohesión no drenada
qu = cu
TENSIÓN DE FUSTE EN SUELOS COHESIVOS
Arcillas saturadas compactas (cu > 0,50 kg/cm2)
Gráfico propuesto por Kerisel en base
a experiencias sobre suelos europeos
Para cu = 2 kg/cm2
qf = 0,3 x 2 kg/cm2 = 0,60 kg/cm2
La experiencia local nos indica que la tensión de fuste última tanto para pilotes hincados
como perforados, puede tomarse igual a la cohesión no drenada obtenida a partir de un
ensayo triaxial “Q” con un valor máximo de 1 kg/cm2, por seguridad.
qu = cu
)( u
w
cfc
qf=
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 13
TENSIÓN DE FUSTE EN SUELOS COHESIVOS FRICCIONANTES
)tan(. δστ Nuc +=
vohN k σσσ .==
)tan(..'. δγ kzcq uu +=
σv = γ’. z
σh = ko . σv
v
hok
σ
σ=
)'1( φsenko −= (Jaky)ττττ
δ ≅ 2/3 . φ
Z
Pilotes hincados: ko ≤ ks ≤ 3
Pilotes excavados: ks = ko
CARGA ADMISIBLE TOTAL DE UN PILOTE AISLADO
qf
qp
qf.adm = Tensión de fuste admisible =
qp.adm = Tensión de punta admisible =
Fs
q fu
Fs
qpu
Qadm.
Qadm = (Area de punta).qpadm + perímetro.∑(qf.adm.L)
L
Coeficiente de seguridad
Pilotes hincados
Pilotes excavados
Peso propio y sobrecarga Fs ≥ 2,5
Peso propio + sobrecarga + viento Fs ≥ 2
Peso propio y sobrecarga Fs ≥ 3
Peso propio + sobrecarga + viento Fs ≥ 2,5
Con ensayo de carga Fs ≥ 1,6
Con ensayo de carga Fs ≥ 1,6
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 14
EJERCICIOS
FRICCIÓN NEGATIVA
Suelo de relleno
(Terraplén)
Suelo blando
compresible
saturado
Estrato inferior
granular denso
∆∆∆∆s
El manto de arcillas blandas saturadas se consolida por acción de la
sobrecarga que le impone el terraplén y por lo tanto experimenta
asentamientos que se traducen en tensiones de fuste negativas sobre el
pilote
∆∆∆∆P
Tensión de fuste
negativa “qf(-)”
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 15
VALORACIÓN DE LA FRICCIÓN NEGATIVA
La resistencia al corte de una arcilla blanda compresible aumenta a
medida que el suelo se consolida, por lo tanto se incrementa su
resistencia al corte y con ello su fricción sobre la superficie del pilote.
Este incremento se observa comparando los resultados de un ensayo
“Q”con otro “R”ejecutados sobre el mismo suelo
CRI
CRI
τ τ
σ σ
ccu
φcuφ = 0
Ensayo triaxial “Q” Ensayo Triaxial consolidado, no drenado “R”
σ
∆ccu
Vemos que para una tensión σ el valor de la tensión de corte se
incrementa de ccu + ∆ccu Esto llevó a Skemptom a plantear una
ecuación para estimar el valor de la fricción negativa sobre los pilotes
en éste tipo de suelos:
qf(-) = qf + ∆qf(-) donde el valor de ∆qf(-) = σ.(0,11+0,004.Ip)
En la que “σ” es la tensión media que induce la sobrecarga en el
manto compresible
VALORACIÓN DE LA FRICCIÓN NEGATIVA
∆σ∆σ∆σ∆σ
σσσσmedio
qf(-) = qf + ∆∆∆∆qf(-)
∆∆∆∆qf(-) = ∆σ∆σ∆σ∆σmedio.(0,11+0,004.Ip)
qf(-) = cu + ∆σ∆σ∆σ∆σmedio . (0,11 + 0,004.Ip)
∆σ∆σ∆σ∆σ
h1 ∆σ∆σ∆σ∆σ = γγγγ . z
z
h2
h3
cu1
cu1
cu3 Qtotal = Ap .qpadm + perímetro.( - cu1.h1 - qf(-).h2 + cu3.h3)
qpadm
).004,011,0´).(´( Ipc vvu +∆+= σσ
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 16
FRICCIÓN NEGATIVA
h1
h2
cu1
cu2
Asentamiento
por
consolidación
Asentamiento
del pilote
Fricción negativa
inicial
Fricción negativa
final
∆H
Cu2
Cu1 + ∆Cu1
Cu1 Cu1
-
-
+
FRICCIÓN NEGATIVA
h1
h2
cu1
cu2
Asentamiento
por
consolidación
Asentamiento
del pilote
Fricción negativa
inicial
∆H
Cu2
Cu1
)1(
.
oe
HeH
+
∆=∆
)1/(o
eeE
+∆
∆=
∆=
σ
ε
σ
E
HSp
σ∆=
.
σ∆=
SpEH
.
-
-
+H
Por otra parte si suponemos que el
pilote tiene un asentamiento de Sp = 3
cm, que el manto arcilloso tiene una
humedad inicial de 60% y una final al
terminar la consolidación de 55 % con
un γs = 2,70 gr/cm³ y que la presión de consolidación media es de 1,30
kg/cm², podremos calcular la altura en
la que se igualan los asentamientos, o
sea donde los movimientos relativos
son nulos, haciendo.
( ) 135,0)55,060,0.(70,2 =−=−=∆ fi
w
s wweγ
γ
62,160,0.70,2. === i
w
so we
γ
γ
²/25 cmkgE =
cmcmkg
cmcmkgH 57
²/30,1
3²./25==
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 17
ASENTAMIENTO DE PILOTES
qf
qp
Q
L
El asentamiento total de un pilote aislado puede ser estimado a partir de tres sumandos, de acuerdo a la siguiente expresión:
s = s1 + s2 + s3
Donde:
s1 = Asentamiento debido a la deformación del pilote
s2 = Asentamiento debido a la tensión de punta del pilote qp
s3 = Asentamiento debido a la tensión de fuste del pilote qf
Cálculo de s1: (deformación del pilote) EL
s σε ==
pp EA
LQs
.
.=
Q
Ap
Ep
L
pp
Fp
EA
LQQs
.
).(1
ξ+=
ξ = 0,5 ξ = 0,65
qf qf
Qp = Carga que toma la punta bajo
condiciones de servicio
QF = Carga que toma el fuste bajo
condiciones de servicio
ξξξξ = Coeficiente que toma en cuenta la
forma del diagrama de qf
ASENTAMIENTO DE PILOTES
Cálculo de s2 (carga de la punta)
r
p
Es
Dqs αν ).1(
.2
2 −=
Es = Módulo elástico del suelo en la punta
D = Diámetro del pilote
qp = Tensión de punta del pilote
ααααr = Factor de influencia para L = B ααααr ≈ 0,85
νννν = Relación de Poisson
Cálculo de s3 (carga del fuste)QF = Carga que toma el fuste en condiciones de servicio
L = Longitud del pilote
p = Perímetro del pilote
D = Diámetro o ancho del pilote
Iws = Coeficiente de influencia
D
LI ws .35,02 +=
ws
s
F IE
D
Lp
Qs ).1(
.
2
3 ν−
=
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 18
ASENTAMIENTO DE PILOTES
Vesic, Propone para el cálculo del asentamiento por la tensión de punta del pilotes y la de
fuste, las siguientes expresiones:
pu
pps
qD
CQs
.
.2 =
Qsp = Carga de servicio en la punta
D = Diámetro del pilote
qup = Tensión última de la punta
Cp = Coeficiente empírico
0,12 a 0,090,05 a 0,03Limos blandos o duros
0,06 a 0,030,03 a 0,02Arcillas blanda o duras
0,09 a 0,180,02 a 0,04Arenas densas o sueltas
Pilotes perforadosPilotes hincadosTipo de suelos
Valores de Cp
).16,093,0( pCB
LCs +=
pu
sFs
qL
CQs
.
.3 =
Donde
QsF = Carga en el fuste debido a la carga de servicio
B = Diámetro o ancho del pilote L = Largo del pilote
qup = Tensión última de la punta
Cs = Coeficiente empírico = f(Cp)
Para la carga de punta
Para la carga de fuste
GRUPO DE PILOTES
n
m
s s s
Grupo de 12 pilotes de diámetro “D’ y longitud “L”, separados una distancia “s”entre ejes y
distribuidos en “m” filas por “n”columnas, donde m = 3 y n = 4.
L
D
Filas = Las más largas
Columnas = Las más cortas
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 19
GRUPO DE PILOTES
La incidencia del bulbo de presiones llega a una mayor profundidad y puede afectar
mantos compresibles subyacentes
GRUPOS DE PILOTES HINCADOS EN ARENAS
Se pueden presentar problemas en función de la densidad de la arena, de la separación de
los pilotes y de la secuencia de hinca de los mismos.
Hincados desde afuera hacia adentro
Hincados desde adentro hacia afuera
Hincados desde un costado hacia el otro costado
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 20
GRUPO DE PILOTESSe llama Eficiencia de un grupo de pilotes “ηηηη” al cociente entre la carga última del
grupo “Qug” y la sumatoria de las cargas últimas individuales “Qu”
∑=
Qu
Qugη
La ecuación semi empírica de Converse – Labarre permite estimar la eficiencia de un grupo
de pilotes teniendo en cuenta lo siguiente:
−+−−=
nm
nmmn
..90
).1().1(1 θη
Donde “m” es el N° filas, “n” es el N° de pilotes por fila
y θθθθ se expresa en grados, (D = Diámetro; s = Separación)
De ésta forma la capacidad del grupo se puede evaluar
haciendo:
=
s
Dgradoso 1-tan)(θ
)..( QuNQug oη=
m = 3
n = 4
s
D
)...( QunmQug η=
Eficiencia de grupos de pilotes en suelos cohesivos
Qult = Carga última de un pilote individual
QG = Carga última del grupo
Ge = Eficiencia del grupo
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 21
GRUPO DE PILOTES con el fuste en suelos cohesivos
60°B
qfH1
H2
Qug
γγγγ1
φφφφ1 = 0
c1
γγγγ2
φφφφ2
c2=0
γγγγ3 φφφφ3 c3
qfHLBLBNBNHQug q .)..(2.)....2
1..( 122211 +++= γγγ
]...4
.)......[(. 1
2
211 qfHDD
dcScNHnQunQug q ππγ +==
Para s < 3.D
Para s > 8.D
B
Ls
qf = cu
D
GRUPO DE PILOTES con el fuste en suelos friccionantes
60°B
qf
H1
H2
Qug
γγγγ1
φφφφ1
c1= 0
γγγγ2
φφφφ2
c2=0
γγγγ3 φφφφ3 c3
)tan(.2
..)..(2.)....2
1..(
2
1122211 δγγγ γ
HkLBLBNBNHQug sq +++=
δ
σh
v
hhk
σ
σ=
)tan(.2
..)tan(.. 11 δγδσ
Hkkqf hvh ==
Para s < 3.D
Para s > 8.D )]tan(.2
.....4
.)......[(. 111
2
211 δγππγH
kHDD
dcScNHnQunQug sq +==
B
L
s
D
Teniendo en cuenta siempre la altura crítica, tanto para el fuste como para la punta
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 22
ASENTAMIENTO DE UN GRUPO DE PILOTES:Con la punta en suelos granulares, según Meyerhof (1976)
Nc
BIqmmS
g
g
...92)( =
5,0.8
1 ≥−=gB
LI L = Longitud embebida de los pilotes
Factor de influencia que depende de la longitud embebida de los pilotes, debe
ser ≥ 0,5
I =
Valor promedio del SPT corregido, correspondiente al manto subyacente a la
punta de los pilotes.(entre la profundidad “L” y “L+Bg”)
Nc =
Ancho y largo de la sección transversal del grupo (en metros)Bg y Lg =
Presión de trabajo al nivel del apoyo de la punta del grupo de pilotes
calculada como Q/(Bg.Lg) (en kg/cm2)
q =
Para arenas limosas “SM” se aconseja duplicar el valor del asentamiento calculado
ASENTAMIENTO DE UN GRUPO DE PILOTES:Con la punta en suelos granulares, según Vesic (1977)
D
BSimmS
g
g .)( =
Ancho o diámetro del pilote
Asentamiento del grupo
D =
Sg =
Ancho de la sección transversal del grupo (en metros)Bg =
Valor del asentamiento de un pilote aislado (expresado en mm)Si =
Para arenas limosas “SM” se aconseja duplicar el valor del asentamiento calculado
Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.
Ing. Augusto José Leoni 23
Antecedentes e
información previa
Estudio de suelo +
ensayos in situ + ensayos
de laboratorio
Tipo de estructuras carga
etc
Suelo granular (arenas,
gravas)
Tipo de
suelo
Suelos cohesivos (arcillas
limos)
Roca aflorante o a
pequeña profundidad
Incidencia del nivel
freático sobre las
excavaciones
constructivas
Cimentación directa
(zapatas, bases, plateas)
Mejora del
terreno
Cimentación indirecta
(cilindros, pilotes)
Resistencia Deformabilidad
DeformabilidadInteracción con
edificios cercanos
Deformabilidad
Tolerancias
del edificio
Optimización
de
excavaciones
Análisis de
asentamientos según
tipo de edificio
Alta Baja Alta
Baja
AltaBaja
MediaMedia
Si
No
Media
Alta
No admite
Admite
top related