capacidad de carga pilotes.pdf

PILOTES DE CIMENTACIÓN

Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez

Capacidad de carga cimentaciones profundas

INTRODUCCIÓN Cuándo usa r pilo tes?

1. Cuando uno o más estratos de suelo son ligeramente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura, los pilotes se utilizan para transmitir la carga al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte. 2. Cuando se someten a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por flexión, mientras soportan la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situación por lo general se encuentra en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y de cimentaciones de estructuras altas que están expuestas a vientos fuertes o a fuerzas sísmicas. 3. En muchos casos, los suelos expansivos y colapsables están presentes en el emplazamiento de una estructura propuesta. Estos suelos se pueden extender hasta una grany profundidad debajo de la superficie terreno.aumenta Los suelos expansivosy se hinchan contraen conforme su contenido dedel humedad o disminuye la presión de expansión puede ser considerable.


Capacidad de carga de cimentaciones profundas

INTRODUCCIÓN Cuándo usa r pilo tes?

4. Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y Los losaspilotes de sótanos debajo del nivel freático, estáncimentaciones sometidas a fuerzas de levantamiento. en ocasiones se utilizan para estas con el fin de resistir la fuerza de levantamiento. 5. Los estribos y las pilas de puentes suelen construirse sobre cimentaciones de pilotes para evitar la pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial podría sufrir debido a la erosión del suelo en la superficie del terreno.



INTRODUCCIÓN Cuándo usar pilo tes?

Suelo

Suelo expansivo

blando

Suelo estable

Pilotes de punta

Pilotes de fricción

Pilotes cargados lateralmente

Pilotes de anclaje o tensión

Pilotes en suelos inestables Zona de erosión

Pilotes de compactación

Pilotes de contención

Pilotes en estructuras marinas

Pilotes en cimentaciones con erosión



INTRODUCCIÓN Los pilotes se pueden dividir en tres categorías principales, dependiendo de su longitud y de los mecanismos de transferencia de carga al suelo: a) pilotes de carga de punta, b) pilotes de fricción y c) pilotes de compactación.

Pilotes de punta

Pilotes de fricción Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


INTRODUCCIÓN Mecanismo de transferencia de carga

(=)

La carga sobre el pilote aumenta gradualmente de cero a en la superficie del terreno.



Parte de esta carga la resistirála fricción lateral desarrollada a lo largo del fuste, y parte por la punta del pilote,





INTRODUCCIÓN Mecanismo de transferencia de carga

()

La carga soportada por el fuste, , a cualquier profundidad , se muestra en la curva 1



Si la carga en la superficie del terreno se aumenta de manera gradual, la resistencia por fricción máxima a lo largo del fuste se movilizará por completo cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea de aproximadamente 5 a 10 mm, con independencia del tamaño y de la longitud L del pilote.

  

La resistencia máxima de punta no se movilizará hasta que la punta del pilote se haya movido aproximadamente 10 a 25% del ancho del pilote. (El límite inferior se aplica a pilotes hincados y el límite superior a pilotes perforados)

A carga última

  



INTRODUCCIÓN

A carga última Entonces

y

Es decir,

(=)     



se desarrolla a un desplazamiento mucho menor del pilote comparado con la resistencia de punta



La resistencia por fricción por área unitaria a cualquier profundidad z se puede determinar como :

()  ∆ ∆() p

= perímetro de la sección transversal del pilote



INTRODUCCIÓN A carga última Entonces

y Es decir,



(=)  

      

se desarrolla a un desplazamiento mucho

menor del pilote comparado con la resistencia de punta



A carga última, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote (una falla de capacidad de carga causada por ), es: El suelo falla en su mayoría en un modo de punzonamiento. Se crea una zona triangular, I, que empuja hacia abajo sin producir ninguna otra superficie de deslizamiento visible. En arenas densas y suelos arcillosos firmes, se puede desarrollar parcialmente una zona radial de cortante, II Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


INTRODUCCIÓN Resultados de la prueba de carga de un pilote de tubo en arena (Mansur y Hunter, 1970)

A la falla:

 ≈ 1 601  ≈ 14 185 16 (=)≈ 9≈36 67   ≈ 5 74   41693  22.4%   1185 574  48.4%

En 2.5 mm

Así:

La fricción en el fuste se moviliza más rápido en comparación con la carga de punta a niveles de asentamiento bajos.



INTRODUCCIÓN



La capacidad de carga última



se determina por la ecuación:

   +

capacidad de carga por punta capacidad por fricción



INTRODUCCIÓN



La resistencia última por área unitaria desarrollada en la punta de un pilote, se expresa:

    ∗ + ´∗ + ∗

∗

Debido a que el ancho D de un pilote es relativamente pequeño, el término puede omitir sin un error considerable

    ∗ + ´∗

La capacidad de cargapor punta de un pilote es:



se

    (∗ + ´∗)

= área de la punta del pilote

´∗ ∗  ,

==cohesión sueloefectivo en el cual se apoya la punta esfuerzodel vertical = resistencia unitaria de punta = factores de capacidad de carta



INTRODUCCIÓN La capacidad de cargapor fricción



es:



  ∆

∆ 

= perímetro de la sección del pilote = longitud del pilote considerada, sobre la cual se consideran constantes = resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z

La capacidad de cargaúltima



La capacidad de cargaadmisible

es:

       + 

  ´ + es:

  ,

= factores de seguridad por punta y fricción, respectivamente



INTRODUCCIÓN Profundidad Crítica

La capacidad de carga en suelos friccionantes es:



= coeficiente de empuje de tierras = ángulo de fricción suelo-pilote = área del fuste del pilote



   +  ´ + ´tan   ´



Implica que tanto la resistencia por punta , como por fricción , en suelos friccionantes, son una función de los esfuerzos efectivos y se incrementan linealmente con la profundidad embebida del pilote L.

∅

Sin embargo, estás resistencias permanecen constantes mas allá de una cierta profundidad, la cual es función de (Vesic, 1967). Este fenómeno fue atribuible al arqueo.



Es decir capacidad de carga de un pilote, en arena, aumenta con la profundidad de empotramiento en el estrato de soporte y alcanza un valor máximo a una relación de empotramiento de =

/(/)

En un suelo homogéneo es igual a la longitud de empotramiento real del pilote,

(/) < L    

Sin embargo, cuando un pilote ha penetrado dentro del estrato de soporte más allá de la relación de empotramiento crítica, , el valor de permanece constante ( .

  )

Es decir, como se muestra en la figura para el caso de un suelo homogéneo, .



INTRODUCCIÓN Profundidad Crítica



 



∅



Llamando profundidad crítica, mas allá de la cual y permanecen constantes y el diámetro o ancho del pilote ,se tiene (Poulos & Davis. 1980):

 < ∅ < 36.5 28   5+0.24(∅28) 36.5 < ∅ < 42   7+2.35(∅36.5)

Para

Los valores de a ser usados para obtener son:

Para

Pilotes hincados Pilotes con perforación

 ∅∅  7.∅53∅  +10  

=ángulo de fricción interna previo a la instalación del pilote

∅ Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez

Capacidad de carga de cimentaciones profundas Método de Meyerhof

Método de Meyerhof para estimar



        ´∗     ∗    ´ ≤  Para pilotes en arena

Sin embargo



:

no debe exceder el valor límite de

La resistencia límite de punta es Arena densa Arena suelta

 2550∗∗ttaan∅n∅ K/ K/   en

en

Para pilotes en arcilla,

∅

= ángulo de fricción del estrato de apoyo = cohesión no drenada del estrato de apoyo

∅  :   ∗   9 Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez




Factores de capacidad de carga y relaciones de profundidad crítica Lc/d de Meyerhof



Método de Vesic para estimar Arena



Vesic (1977) propuso un método paraestimar la capacidad de carga de puntade un pilote con base en la teoría de expansión de cavidades. De acuerdo con esta teoría, con base en los parámetros del esfuerzo efectivo, se puede escribir

      ∗   ∗

  1 +23  ´   1∅ ∗  1+23∗ 

= esfuerzo efectivo normal medio al nivel de la punta del pilote

= coeficiente de empuje de tierras en reposo = factor de capacidad de carga


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Método de Vesic

   

∗  ()

  1+ ∆   2 1+´t an  ´tan

= índice de rigidez reducida para el suelo

= índice de rigidez

= módulo de elasticidad del suelo

= relación de Poisson del suelo



= módulo de cortante del suelo

= deformación unitaria volumétrica promedio en la zona plástica bajo la punta del pilote

∆

Los intervalos generales para



para varios suelos son:

Arena (Dr=50 a 80%): 75 a 150 Limo: 50 a 75



Para estimar



100  200       200 500   0.1 +0.3 − 25 ≤ ∅ ≤ 45 500 1000 ´ ∆ 0.005 1  25 20 

Suelo suelto Suelo medio denso Suelo denso

para

Con base en pruebas de penetración de cono (Baldi, 1981)

  (%)(%)

para penetración de cono mecánico para penetración de cono eléctrico

     ó           





∗

Factor de capacidad de carga

de Vesic


Para arcilla



0

     ∗

= arcilla no drenada

∗  43 ln  +1 + 2 +1 Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


∆ 0

Para arcillas saturada sin cambio de volumen

 

Para

  3∅ 0

 

O’Neill y Reese (1999) sugirieron las

relaciones aproximadas siguiente: Los valores de la tabla se pueden aproximar como:

  347  33 ≤ 300 Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


Método de Coyle y Castello para estimar



en arena

Coyle y Castello (1981) analizaron 24 pruebas de carga de campo a gran escala de pilotes hincados en arena. Con base en los resultados de las pruebas, ellos sugirieron que, en arena:

  ´∗ ∗

Variación de con L/D (Coyle y Castello, 1981). Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez




Factor de capacidad de carga

por diversos autores



Factor de capacidad de carga por diversos autores





Correlaciones para calcular



con resultados SPT y CPT





Resistencia por fricción (

 ,  ,

) en arena

     tantan se refieren al espesor





de cada estrato y es el perímetro del pilote.

´

Como se mencionó antes, la presión confinante efectiva no se incrementa linealmente con la profundidad sino que alcanza un valor constante a una profundidad crítica . Por lo tanto, es de esperarse que la resistencia por fricción también permanezca constante.

´  15  20 Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez




Resistencia por fricción ( ) en arena

z  0aL´  zL´aL ta n  

Para

Para

 (=´)



∅ ∅

El valor de está en el intervalo de 0.5 a 0.8



Coyle y Castello (1981), propusieron que

     [ tan(0.8∅)]  = esfuerzo efectivo promedio

   tan(0.8∅) 

Meyerhof (1976) propone Pilotes hincados de gran desplazamiento Pilotes hincados de bajo desplazamiento

Briaud y colaboradores (1985) sugirieron que Variación de K con L/D (Coyle y Castello,1981). Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


Correlación con resultados de la prueba de penetración de cono

Nottingham y Schmertmann (1975) y Schmertmann (1978) proporcionaron correlaciones para estimar Qs utilizando la resistencia por fricción (fc) obtenida durante pruebas de penetración de cono:





Resistencia por fricción en arcilla

Método

Este método, propuesto por Vijayvergiya y Focht (1972), se basa en la suposición de que el desplazamiento del suelo ocasionado por el hincado del pilote da por resultado una presión lateral pasiva a cualquier profundidad y que la resistencia superficial unitaria promedio es:

   ( +2    )

donde

 

= esfuerzo vertical efectivo medio para toda la longitud de empotramiento = resistencia cortante no drenada



Método

Aplicación del método

en un suelo estratificado

   ++ + …   + + +⋯    Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


Método

De acuerdo con el método , la resistencia por fricción unitaria en suelos arcillosos se puede representar mediante la ecuación:



  

=factor empírico de adhesión

.          

≈ 0.4  0.5

  ∆  ∆

para pilotes perforados y

≥ 0.5

para pilotes hincados

=esfuerzo vertical efectivo promedio



Método

Cuando los pilotes se hincan en arcillas saturadas, la presión de poro del agua en el suelo alrededor de los pilotes aumenta. El exceso de presión de poro del agua en arcillas normalmente consolidadas puede ser de cuatro a seis veces el valor de .

 c´  0

Sin embargo, más o menos al cabo de un mes, esta presión se disipa de manera gradual. De aquí, la resistencia por fricción unitaria para el pilote se puede determinar con base en los parámetros del esfuerzo efectivo de la arcilla en un estado remoldeado ( ). Así pues, a cualquier profundidad:

   ∅ tan∅ 



=esfuerzo vertical efectivo = ángulo de fricción drenado de la arcilla remoldeada

= coeficiente de presión de tierras Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


Método 

De manera conservadora, la magnitud deK es el coeficiente de presión de tierra en reposo:



  (1∅ 1 ∅  ) 

Para arcillas normalmente consolidadas

Para arcillas sobreconsolidadas

= relación de sobreconsolidación

Para arcillas normalmente consolidadas

  1 ∅ tan∅    1 ∅ tan∅ 

    ∆

Para arcillas sobreconsolidadas



Asentamiento elástico de pilotes



El asentamiento total de un pilote ante una carga vertical de trabajo

 () () ()

está dado por:

   + + Si el material del pilote se supone elástico, la deformación del fuste del pilote se puede evaluar, de acuerdo con los principios fundamentales de la mecánica de materiales, como:


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Asentamiento elástico de pilotes

El asentamiento de un pilote ocasionado por la carga soportada en la punta del pilote se puede expresar en la forma:

()

Vesic (1977) también propuso un método semiempírico para obtener la magnitud del asentamiento de .Su ecuación es:


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Asentamiento elástico de pilotes

El asentamiento de un pilote causado por la carga soportada por el fuste del pilote se obtiene de una relación similar:

Vesic también propuso:


Fricción negativa

La fricción superficial negativa es unafuerza de arrastre hacia abajoejercida sobre un pilote por el suelo que lo rodea. Esa fuerza puede existir en las condiciones siguientes, entre otras: 1. Si un relleno de arcilla se coloca sobre un estrato de suelo granular en el cual se hinca un pilote, el relleno gradualmente se consolidará. El proceso de consolidación ejercerá una fuerza de arrastre hacia abajo sobre el pilote durante el periodo de consolidación. 2. Si un relleno de suelo granular se coloca sobre un estrato de arcilla suave, como se inducirá el proceso de consolidación en el estrato de arcilla y de esta manera ejercerá un arrastre hacia abajo sobre el pilote. 3. Al disminuir el nivel freático aumentará el esfuerzo vertical efectivo sobre el suelo a cualquier lo estrato que inducirá un asentamiento consolidación la arcilla. Si un pilote profundidad, se ubica en el de arcilla, se someterápor a una fuerza de en arrastre hacia abajo.


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Fricción negativa

Relleno de arcilla sobre suelo granular

Similar al método , la fricción negativa es:

la fuerza de arrastre hacia abajo sobre un pilote es:



Relleno de suelo granular sobre arcilla

  0   

En este caso, la evidencia indica que el esfuerzo negativo sobre el pilote puede existir de a , a la que se le refiere como profundidad neutra

La profundidad neutra se puede dar como (Bowles, 1982):

Donde

  y

= peso específico efectivo del relleno y del estrato de arcilla subyaciente

   

Para pilotes de punta, el eje neutro estará ubicado en la punta (

)


  

0

La fricción negativa unitaria a cualquier profundidad de , es:

a



Pilotes cargados lateralmente

Un pilote vertical resiste una carga lateral movilizando la presión pasiva en el suelo que lo rodea. El grado de distribución de la reacción del suelo depende.

a) b) de de la la rigidez rigidez del del pilote suelo y c) de la estabilidad de los extremos del pilote

Los pilotes cargados lateralmente se pueden dividir en dos categorías principales: (1) pilotes cortos o rígidos y (2) pilotes largos o elásticos Variación de la deflexión de un pilote, del momento y de la fuerza cortante paraa) un pilote rígido y b) un pilote elástico


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Pilotes cargados lateralmente

Solución elástica Matlock y Reese (1960) proporcionaron un método general para determinar momentos y desplazamiento de un pilote vertical empotrado en unsuelo granular y sometido a una carga lateral en la superficie del terreno De acuerdo con un modelo más simple de Winkler, un medio elástico (en este caso el suelo) se puede reemplazar por una serie de resortes elásticos independientes infinitamente cercanos entre sí.



El módulo del subsuelo parasuelos granulares a una profundidad z se define como:

  ℎ

=constante del módulo de reacción horizontal del suelo

ℎ

Utilizando la teoría de vigas sobre una cimentación elástica, se puede escribir:

Con base en el modelo de Winkler

  

Al combinar las ecuaciones:



La solución de la resulta en las expresiones siguientes:

() () () () ′()

Deflexión del pilote a cualquier profundidad [

]

Pendiente del pilote a cualquier profundidad [

]

Momento del pilote a cualquier profundidad [

]

Fuerza cortante sobre el pilote a cualquier profundidad [

Reacción del suelo a cualquier profundidad [

]

]



Donde

 ,  ,  , ,  ,

y

son coeficientes

T=longitud característica del sistema suelo-pilote

Cuando

   ℎ L ≥ 5

el pilote se considera pilote largo

Cuando

el pilote se considera pilote rígido

L ≤ 2 Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez


Z es la profundidad adimensional

Z  



Variación

 

y con Z.- [de Matlock, H. y Reese, L.C. (1960). “Generalized Solution for Laterally Loaded Piles”, Journal ofthe Soil Mechanics and Foundations Division,



Variación

 

y con Z.- [de Matlock, H. y Reese, L.C. (1960). “Generalized Solution for Laterally Loaded Piles”, Journal ofthe Soil Mechanics and Foundations Division,



Davisson y Gill (1963) crearon las soluciones elásticas similares a las ecuaciones anteriores para pilotes empotrados en un suelo cohesivo



  

En suelos cohesivos la reacción del subsuelo se puede suponer que es aproximadamente constante con la profundidad. Vesic (1961) propuso la ecuación siguiente para estimar el valor de k:

Para fines prácticos:


      ′ ′ ′ ′

Variación de , , y [de Davisson, M.T. y Gill, H.L. (1963). “Laterally Loaded Piles in a Layered Soil System”, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division]



Análisis de la carga última Para pilotes cargados lateralmente, Broms (1965) desarrolló una solución simplificada basada en las suposiciones de: a) falla cortante en el suelo, que es el caso para pilotes cortos, y b) flexión del pilote, que se rige por la resistencia a la fluencia plástica de la sección del pilote, que es aplicable a pilotes largos.



Resistencia lateral última de pilotes cortos en arena y en arcilla.

 0.75 45+∅ 2  ≈    0.725  0.375

 

= factor de seguridad (=2)

= resistencia a la compresión simple



Solución de Broms para la resistencia lateral última de pilotes largos a) en arena y b) en arcilla.

     2



= módulo de sección del pilote =Esfuerzo de fluencia del material del pilote



(  0)

La deflexión de la cabeza del pilote, se puede estimar a partir de la figura

ℎ    

, en condiciones de carga de trabajo

Solución de Broms para estimar la deflexión de la cabeza de un pilote en arena



Solución de Broms para estimar la deflexión de la cabeza de un pilote en arcilla.

   4    ó /  ()


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Grupos de pilotes

Cuando los pilotes se colocan cerca unos de otros, una suposición razonable es que los esfuerzos transmitidos por los pilotes al suelo se traslaparán, reduciendo la capacidad de carga de los pilotes.

Idealmente, los pilotes en un grupo se deben espaciar de manera que la capacidad de soporte de carga del grupo no sea menor que la suma de la capacidad de carga de los pilotes individuales.

En la práctica, el espaciamiento centro a centro mínimo, d, es de 2.5D y, en situaciones ordinarias, en realidad es de aproximadamente 3 a 3.5D.



La eficiencia de la capacidad de soporte de carga de un grupo de pilotes se puede definir como:

  () 

Dependiendo de su espaciamiento dentro del grupo, los pilotes actúan como: (1) como un bloque, con dimensiones X X (2) como pilotes individuales

  

Si los pilotes actúan como un bloque, la capacidad de carga por fricción es:

() 2≈+2 

+4D = perímetro



  

Para cada pilote individual

Entonces

  ()   2  + 2  +4   2  + 2  +4 ()  2  + 2  +4 

de donde

>1

Si el espaciamiento centro a centro, d, es lo suficientemente grande comportan como pilotes individuales

1≥

()   1 < 

, los pilotes se

()   Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez




en un grupo de pilotes, la magnitud de ubicación del pilote en el grupo

depende de la



Variación de la eficiencia de grupos de pilotes en arena (Kishida y Meyerhof, 1965).

Para arenas suelta y media, la magnitud de la eficiencia de grupo puede ser mayor que 1. Esto se debe principalmente a la densificación de la arena alrededor del pilote.



Capacidad última de grupos de pilotes en arcilla saturada

 [9+  ]   ∆    9  + ∆  

= cohesión no drenada en la punta del pilote



  

Suponiendo que los pilotes en el grupo actúan como un bloque con dimensiones X

X

Por fricción:

∆  2( + )∆   ()∗  ()()∗ Por punta:

   ()∗ + 2( +)∆

El menor



es la capacidad de carga



Asentamiento elástico de grupo de pilotes

La relación de Vesic (1969), para el asentamiento de grupos de pilotes es:

Meyerhof (1976) sugirió, para grupos de pilotes enarena y grava, en el asentamiento elástico, la relación empírica:


Capacidad de carga de cimentaciones profundas Asentamiento por consolidación de grupo de pilotes

 2/3   

Se supone que la carga se transmite al suelo iniciando a una profundidad de desde la parte superior del pilote. La carga se difunde a lo largo de la línea dos vertical a uno desde profundidad. Las líneas aa’horizontal y bb’ son las dosesta líneas 2:1 Se calcula el incremento en el esfuerzo efectivo causado en la mitad de cada estrato de suelo por la carga .

∆  (+)(  +) ∆, 

=incremento en el esfuerzo efectivo a la mitad del estratoi = ancho y longitud, respectivamente, del grupo de pilotes planeado =distancia desde el plano en que los pilotes transmiten la carga al suelo hasta la mitad del estrato de arcilla i



Se calcula el asentamientopor consolidación de cada estrato causadopor el esfuerzo incrementado

() ∆()  1+∆ () 

El hundimiento del grupo de pilotes

∆()  ∆() Profesor: M.C. Carlos Roberto Torres Álvarez

capacidad de carga pilotes.pdf

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