CAPÍTULO 8 CIMENTACIONES PROFUNDAS: CAPACIDAD DE CARGA
Profesor: Ing. Francisco Grau Sacoto, M.Sc.
Son aquellas cimentaciones que transmiten su carga al terreno por la base (resistencia por punta), por su superficie lateral (resistencia fuste) o por una combinación de las dos y que deben estar asentada sobre una profundidad superior al doble de su menor dimensión en planta o a 3m. Pueden ser clasificadas como pilotes y pilas.
¿Cuándo usar cimentación profunda? Los suelos superficiales son blandos o las cargas estructurales son muy altas. El suelo superficial se puede socavar.
Cambios de volumen (expansión) excesivo en suelos superficiales
Cimentación a través de agua (pilas de puentes)
Cuando se requiere gran capacidad de carga lateral
Existirán excavaciones futuras cerca de la cimentación.
Material
Proceso Ejecutivo
Clasificación clásica (Terzaghi y Peck)
Materiales: Concreto, Acero, Madera y Mixtas
Son constituidas por troncos de árboles, razonablemente rectilíneos. Han sido preparados su punta y su parte superior para el hincado Son usados normalmente en obras provisorias, en caso de ser usados en obras permanentes deben tener un tratamiento para preservar la madera.
Tienen duración ilimitada cuando son mantenidos permanentemente debajo del agua. El deterioro de los pilotes de madera son debido a 3 causas: Presencia de vegetales, hongos y bacterias viven en la madera. por y termitas. que Animales marinos comoAtaque crustáceos moluscos.
Son encontradas de diversas formas (perfil y tubos) Ventajas Resistencia elevada del acero Manipular facilmente Facilidad de hincado
Desventaja Corrosión Precio elevado
Pueden ser pretensados o post-tensados.
DATOS TÍPICOS Secciones cuadradas u octogonales 25 cm a 60 cm de lado 12 m a 30 m de longitud f’c = típicamente 350 a 420 Kg/m2
Ventajas: durabilidad, costo
Desventajas: puede haber daños por hincado
Proceso Ejecutivo Desplazamiento Grande: Madera, pre moldadas de concreto, tubos de acero de punta cerrada, Franki Pequeño:tipo Perfiles abierta, hélicede acero, tubos de acero de punta Sin desplazamiento Excavadas con revestimiento metálica , pilotes raíz. De substitución Excavadas sin revestimiento o con uso de lama, tipo Strauss.
Pilotes de fricción en suelos granulares muy permeables: Transfieren la mayor parte de la carga por fricción lateral. Su proceso de hincado reducen especialmente la porosidad y la compresibilidad del suelo. Llamadas pilotes de compactación. Pilotes de fricción en suelos finos de baja permeabilidad: También llamadas estacas flotantes, transfieren al suelo las cargas que son aplicadas por fricción lateral pero no producen compactación del suelo. Pilotes de punta: Transfieren las cargas a una camada de suelo resistente situado a una profundidad considerable debajo de la base de la estructura.
1) Pilotes Hincados
Los pilotes hincados en suelos granulares, poco o medianamente compactados, causan una densificación en la compacidad de estos suelos, debido a que el volumen del pilote induce una reducción del índice de vacios. Este efecto otorga al suelo una mayor capacidad de carga y menores asentamientos comparado si el suelo fuese mantenido en su estado original.
Pilotes hincados en suelos arcillosos saturados, debido a la baja permeabilidad causan en un primer momento, un desplazamiento del suelo prácticamente igual al volumen de la estaca. En la región afectada hay un aumento de la presión de poros (especialmente arcillas NC) y disturba el suelo.
Pilotes excavados Pueden causar una descompresión del terreno que depende del tipo de soporte. El alivio de tensiones no se procesa instantáneamente cuanto menos sea el tiempo entre el término de la excavación y el concretaje del pilote, menor es la descomprensión y menor es el deterioro de las características del suelo.
Soporta los processos de secado y humedecimiento Pueden ser fabricadas de diferentes tamaño con diferentes capacidades de carga. Pueden ser de concreto armado o concreto presforzado
Elevada resistencia Mayor capacidad de hincado, menor fisuracion Capacidad de soportar fuerzas de tracción elevadas. Pueden ser de grandes dimensiones
Son realizadas hasta la profundidad requerida. Pueden ser realizadas sin auxilio de revestimiento o de fluido estabilizante. Pilote tipo Strauss semejante al proceso de sondeo de percusión.
Pilote Franki
Ejecutados por una perforación en el terreno. La pared de la excavación puede ser soportada o no. El soporte puede ser recuperable o no, además puede estabilizar las paredes por un fluido estabilizante
finos
granulares
Se caracteriza al grupo de pilotes por la unión estructural de una losa de concreto. La capacidad de carga y los asentamientos de grupo son diferentes del comportamiento de un pilote aislado. Principal diferencia en la interacción entre pilotes proximos . Son productos de cargas elevadas en los pilares en relación a la carga de trabajo de los pilotes disponibles .
La capacidad de carga y los asentamientos serán siempre mayores o iguales que al análisis de un pilote aislado
Ñ
2 Métodos:
- Basados en Cálculos Analíticos - Basados en Pruebas de Carga
Para el correcto diseño de pilotes, se deben hacer los siguientes análisis: - Pilotes aislados bajo cargas axiales - Pilotes aislado bajo cargas laterales - Eficiencia de un grupo de pilotes
Cada grupo de pilotes tiene diferentes mecanismos de transferencia de carga, por lo que se dividen en 2 grupos: - Pilotes hincados - Pilotes prebarrenados
La capacidad de carga axial última (Qult) de un pilote hincado (de desplazamiento) es igual a:
= + Qp = Capacidad de carga por punta Qf = Capacidad de carga por fricción o fuste
La capacidad de carga varia según el tipo de suelo: - Arenas - Arcillas
CAPACIDAD DE CARGA POR PUNTA
Ocurren como resultado de un corte local o por punzonamiento, cerca de la punta del pilote. Depende de la resistencia y compresibilidad del suelo.
La capacidad de carga axial unitaria por punta (qp) de un pilote hincado en puede ser expresada a partir de la ecuación de Terzaghi para cimentaciones superficiales:
∗ ∗ = ′ + ′ +
∗
B = Lado o Diámetro del Pilote γ = Peso unitario del suelo inmediatamente bajo la punta del pilote σ’zD = Esfuerzo efectivo del suelo en la punta del pilote N*γ , N*q = Factores de Capacidad de carga de pilotes
Como B es muy pequeño:
= ′∗ + ′ ∗
La capacidad de carga axial por punta (Qp) de un pilote hincado es:
= = ′∗ + ′ ∗ Ap = Área de la punta de un pilote c’ = Cohesión del suelo que soporta la punta del pilote
qp = Resistencia unitaria de punta del pilote σ’zD = Esfuerzo vertical efectivo del suelo en la punta del pilote N*c , N*q = Factores de Capacidad de carga de pilotes
La capacidad de carga axial por fricción (Qf) de un pilote hincado es:
= ∆ p = Perímetro de la sección del pilote ΔL = Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes f = Resistencia unitaria por fricción del pilote (a cualquier prof.)
La capacidad de carga axial ultima (Qult) de un pilote hincado es:
= +
La capacidad de carga axial admisible (Qadm) de un pilote hincado es:
=
El factor de seguridad utilizado en general varía de 2 a 4, dependiendo de las incertidumbres asociadas con el cálculo de la carga última.
FHWA (Federal Highway Works Administration of the United States) USACE (US Engineers)
Army
Corps
of
Método Lambda λ (Vijayvergiya y Focht, 1972) Método API (American Petroleum Institute)) Comparación (Guía de Diseño 6 NEC-15)
FHWA-NHI-16-009
Publication No. FHWA-NHI-16-009 FHWA GEC-12 – Volume I (2016) Design and Construction of Driven Pile Foundations Capacidad Carga de Punta (Qp) - Norlundde (1963) - Meyerhof (1976) Capacidad de carga por fricción (Qf) - Norlund (1963) - Método α (1980) - Método β (1991)
=
= ′ + ′ +
Suelos granulares Método de Norlund (1963 y 1979): - Basado en observaciones de campo y considera la forma del pilote y su desplazamiento del suelo. - Estableció un valor limite para el esfuerzo efectivo vertical en la punta del pilote (σ’p): 3 ksf (143.6 kPa) - El estudio se baso en pilotes de desplazamiento con anchos generalmente en el rango entre 10 y 20 pulgadas (25 cm. y 50 cm.)
Suelos granulares 1. Determinar el coeficiente αt y el factor de capacidad de carga Nq, con el ángulo de fricción interna (ϕ) en la punta
2. Calcular pilote (σ’p) el esfuerzo vertical efectivo en la punta del 3. Calcular la resistencia nominal por punta (Qp)
= α σ 4. Limitar a Qp = qL Ap
= α σ
=
Suelos finos
= ′ + ′ +
Suelos granulares Método de Norlund (1963 y 1979): - No estableció un valor limite para la resistencia por fricción. - La resistencia al fuste depende de: - ángulo de fricción interna del suelo - ángulo de la fricción de la superficie deslizante - sección transversal del pilote - peso unitario efectivo del pilote - longitud del pilote - perímetro mínimo del pilote - volumen del suelo desplazado
=
=
= ∙ ∆ ∙ Suelos finos Método α (1980): - Se realiza un análisis de esfuerzos totales. La resistencia es calculada desde la resistencia al corte no drenada del suelo. - La resistencia al fuste es independiente del σ’vo. - El factor de adhesión (α) depende de: - la naturaleza y resistencia de la arcilla - dimensiones del pilote - método de instalación del pilote
Con base a Meyerhof (1976), se puede correlacionar la Qp en base a resultado de ensayos SPT y CPT, en suelos granulares homogéneos (L=Lb).
N60 = valor promedio del N de SPT cerca de la punta del pilote
Briaud et al. (1985)
AASHTO
Engineer Manual: EM 1110-2-2906 DESIGN OF PILE FOUNDATIONS
Capacidad - USACE de Carga de Punta (Qp) Capacidad de carga por fricción (Qf) - Método α (1980)
=
= ′ + ′ +
Suelos granulares
Para propósitos de diseño, la resistencia por punta de un pilote en arena, incrementa linealmente hasta una profundidad crítica asumida (Dc) y luego permanece constante debajo de esa profundidad.
Suelos granulares - La profundidad crítica varía de 10 a 20 veces el diámetro del pilote, dependiendo de la densidad relativa de la arena.
- La profundidad crítica es asumida como: Dc = 10 B para arenas sueltas Dc = 15 B para arenas medianamente densas Dc = 20 B para arenas densas
Suelos granulares
= = ′ ∙ ′ = ∙ para D < Dc ′ = ∙ para D ≥ Dc
=
-
=
Suelos finos La resistencia unitaria por punta para pilotes se puede determinar mediante la siguiente ecuación:
= -
La resistencia por punta en un suelo cohesivo
= ∙ ∙ 9 -
El movimiento necesario para desarrollar la resistencia por punta de pilotes en arcillas puede ser mucho mayor que la requerida para desarrollar resistencia por fricción.
Suelos granulares - La capacidad de carga axial por fricción (Qf) de un pilote hincado es
= ∙ ∆ ∙
p = Perímetro de la sección del pilote ΔL = Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes fs = Resistencia unitaria por fricción del pilote
- Para propósitos de diseño, la resistencia por fricción de pilotes en arena, incrementa linealmente hasta una profundidad crítica asumida y luego permanece constante debajo de esa profundidad.
La resistencia unitaria por fricción, fs, es difícil de estimar. Se deben tener en cuenta varios factores importantes:
1. La naturaleza del hincado del pilote. La vibración durante su hincado ayuda causada a densificar el suelo a su alrededor. La zona de densificación de la arena puede ser de 3 veces el diámetro del pilote, en la arena circundante a él.
2. La fricción superficial unitaria aumenta con la profundidad más o menos linealmente hasta una profundidad de L’ y después permanece constante. La magnitud de la profundidad crítica L’ puede ser de 10 a 20 diámetros del pilote.
′ ≈ 15
La relación aproximada para fs es:
= ∙ ′ ∙′ para D < Dc ′ = ′ ∙ para D ≥ Dc ′ = ′ ∙ K = coeficiente efectivo de presión de tierra σ’v = esfuerzo vertical efectivo a la profundidad en consideración δ = ángulo de fricción suelo-pilote
Los valores de K fueron basados en la experiencia en varios depósitos de suelos. Estos valores deben ser seleccionados para el diseño basado en experiencia y prueba de carga de pilote. Kc = compresión Kt = tensión
Se ha encontrado que los pilotes de desplazamiento producen valores mas altos de K que los pilotes sin desplazamiento.
= ∙ ∆ ∙ Suelos finos - A pesar de llamarse resistencia a fricción, la resistencia es debido a la cohesión o adhesión de la arcilla en el fuste del pilote.
Suelos finos - Otra alternativa (Semple pilotes muy largos.
&
Ridgen), especialmente para
La estimación de la resistencia por fuste en arcillas es complicada, por las diferentes variables que no se pueden cuantificar con facilidad. Propuesto por Vijayvergiya y Focht (1972) para el cálculo de resistencia al fuste en suelos cohesivos. 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.
La resistencia por fuste (Qf) en pilotes hincados es:
= + 2 λ
λ = coeficiente en función de la penetración
del pilote pm = esfuerzo vertical efectivo promedio entre la superficie del terreno y la punta del pilote cm = resistencia media al esfuerzo cortante no drenado a lo largo del pilote Af = área del fuste del pilote
Kraft, et al (1981) realizó un estudio más profundo para revisar este método y planteó una forma para encontrar λ λ
λ
= 0.178 − 0.016ln = 0.232 − 0.032ln
Para Arcillas NC Para Arcillas SC
=
B = ancho o diámetro del pilote fmax = fricción pico del suelo (resistencia al corte no drenada media) Le = longitud de empotramiento del pilote A = área de la sección transversal del pilote E = módulo de elasticidad del pilote U = desplazamiento del pilote necesario para desarrollar cortante (tomado como 0.1 pulgada)
