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Fundaciones profundas
(84.07) Mecánica de Suelos y Geología
Alejo O. Sfriso: [email protected]
Juan M. Fernández V: [email protected]
Índice
• Definición y tipos de fundaciones profundas
• Métodos de diseño
• Curvas carga-asentamiento
• Fricción negativa
Fun
da
cio
nes p
rofu
nd
as
2
Fundaciones superficiales y profundas
Las fundacionessuperficiales(bases, plateas)transmiten cargaal terreno por suplano inferior
Las fundacionesprofundas(pilas, pilotes)transmiten cargaal terreno por suplano inferiory superficie lateral
3
Fun
da
cio
nes p
rofu
nd
as
Cargas horizontales Fricción negativa
Empujes laterales Esfuerzos de corte
Fundaciones profundas
Pueden ser
• Verticales
• Inclinadas
Pueden tener cargas
• Axiales
• Transversales
• En el fuste
Pueden trabajar en grupo
Fun
da
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rofu
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as
4
Tipos de pilote
Método de instalación
• Con desplazamiento (sin extracción de suelo)
– Hincado (con martillo o vibrohincador)
– Roscado
• Sin desplazamiento (con extracción)
– Perforado (con balde o cuchara)
– Perforado con hélice continua (ACIP)
• Con desplazamiento reducido (parcial)
– Hincado con punta abierta
– Preperforado e hincado
– Perforado con hélice continua (CFA)
Fun
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rofu
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as
5
Índice
• Definición y tipos de fundaciones profundas
• Métodos de diseño
• Curvas carga-asentamiento
• Fricción negativa
Fun
da
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rofu
nd
as
6
Métodos de diseño
Los métodos de diseño son (más antiguo al mas moderno)
• Diseño por capacidad de carga con factor de seguridad
– Se postula que existe una “carga última”
– Se establece una “carga admisible” en función de FS
• Diseño por capacidad de carga LRFD
– Se postula una “carga última” por fricción y punta
– Se minoran ambas componentes y se compara su suma con la suma de las cargas actuantes mayoradas
• Diseño por asentamientos
– Se establece la carga que produce el asentamiento máximo compatible con la superestructura
7
Fun
da
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nes p
rofu
nd
as
La capacidad de carga total de un pilote es la suma de su capacidad de carga por la punta mas la fricción lateral
La contribución de cada componentedepende de la estratigrafía y métodoconstructivo
Diseño por capacidad de cargaF
un
da
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8
�� = �� + ��
Métodos para determinar la capacidad de carga
Fórmulas estáticas
• Ensayos in situ
– Suelos de grano grueso: SPT, DPSH, PMT, DMT
– Suelos de grano fino: SPT, CPT, PMT, DMT
• Ensayos de laboratorio
– Fórmulas de capacidad de carga
Fórmulas dinámicas (pilotes hincados)
• Fórmulas de hinca
• Ecuación de onda9
Fun
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as
Capacidad de carga por la punta
Fun
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rofu
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La capacidad de carga por la punta depende de
• Ficha
• Parámetros resistentes del terreno
• Tapada y napa
�� = ��� + �� · �� · ����
�� = �� − 1 cot �
Capacidad de carga por la punta
Fun
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La capacidad de carga por la punta depende de
• Ficha
• Parámetros resistentes del terreno
• Tapada y napa
Diferentes coeficientes ��
según diferentes autores
�� = ��� + �� · �� · ����
�� = �� − 1 cot �
Fricción lateral
La fricción lateral es la resistencia al corte de la interfaz suelo-pilote
Depende del procedimiento constructivo
• Hincados: 1.2 < � < 3.0
• Perforados: �0 < � < 1.0
Depende del material
• Acero: � = 20º
• Madera: � = 2/3 �
• Hormigón: � = 3/4 �12
Fun
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rofu
nd
as
�� = �� + ��� tan �
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Fun
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cio
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rofu
nd
as
Fricción lateral no drenada: método �(sólo arcillas uniformes no cementadas)
�� = � � ��
El terreno controla la resistencia
El terreno controla la resistencia
0.5 ≤ � = 1 −�� − 25���
100���≤ 1.0
Fricción lateral en arenas: método �(muy discutido, no depende de �)
• Arenas
– Con desplazamiento
– Sin desplazamiento
• Gravas
– Gruesas
– Finas
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Fun
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as
�� = ����
� = 0.18 + 0.65��
� = 1.5 − 0.245 � �
� = 2.0 − 0.15��.�� �
� = 3.4���.���� �
Suelo 1 – Grano fino
� = 20��/�3
�� = 80��/�2
�’ = 25°
Suelo 2 = Suelo 1
Calcule la capacidad de carga a corto y largo plazo
Fun
da
cio
nes p
rofu
nd
as
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Ejercicio: capacidad de carga de un pilote
Suelo 1 – Grano fino
� = 20��/�3
�� = 80��/�2
�’ = 25°
Suelo 2 – Grano grueso
� = 22��/�3
�’ = 35°
Calcule la capacidad de carga a corto y largo plazo
Fun
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rofu
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as
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Ejercicio: capacidad de carga de un pilote
Fun
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as
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Factor de seguridad de fundaciones profundas
(USACE)
���� =�� + ��
��=
����
��
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Fun
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as
Factor de seguridad, pilotes sin desplazamiento
���� =�� + ��
��=
����
��
Diseño de pilotes hincados
El diseño de los pilotes hincados tiene cuatro aspectos importantes:
• Cálculo analítico de capacidad de carga
• Determinación de ficha
– Tensiones en el pilote durante instalación
– Capacidad del martillo de hinca
• Selección del criterio de rechazo
• Diseño estructural (no lo vemos acá)
• Durabilidad
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Fun
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as
Diseño de pilotes hincados
La longitud de la ficha queda controlada por:
• Capacidad y estado del martillo
• Estratigrafía del terreno
• Longitud, armadura y calidad de hormigón
En suelos muy densos es difícil superar una ficha de dos diámetros
El pilote puede parar en lentes densas intermediasFun
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Fórmulas de hinca
• En un choque rígido ideal
• En un choque elástico
• El martillo es un motor
Se pierde energía en el motor, el impacto y la compresión elástica de pilote y terreno
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Fun
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nd
as
�� · � = � · ℎ
�� · � + �� = � · ℎ
�� · � + �� = � · � · ℎ
W
��
W
��
ℎ
�
Fórmulas de hinca
El criterio de rechazo de especifica (por ejemplo) mediante
• E: energía de hinca
• N: prom golpes/pulgada para últimas 4 pulgadas
• Feff: factor eficienciaF
un
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as
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(WSDOT)�� �� = 21.6 · ���� · � ��� · ��(10�)
Índice
• Definición y tipos de fundaciones profundas
• Métodos de diseño
• Curvas carga-asentamiento
• Fricción negativa
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27
Mecanismos resistentes y deformación de pilotes
El pilote toma cargas permanentes por fricción
Fun
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Mecanismos resistentes y deformación de pilotes
El pilote toma cargas permanentes por fricción
La reacción de la punta sólo ocurre para deformaciones grandes
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Fun
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as
Relación carga – hundimiento de pilotes
• La respuesta es fuertemente no lineal
• La rigidez en servicio es aportada por la fricción lateral
• A largo plazo se pro-ducen asentamientos adicionales
Q
Q
FQ
PQ
Qlinear
P P
F F
Q Q
Q
Q
Q
Q
Q
FQPQ
Qlinear
P P
F F
Q Q
Q
Q
Q
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Fun
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as
Modelo hiperbólico aplicado a pilotes
• El ajuste se aplica indepen-dientemente a punta y fricción
• La respuesta global es hiperbólica únicamente si Qp es similar a Qf
Q
Q
FQ
PQ
Qlinear
P P
F F
Q Q
Q
Q
Q
Q
Q
FQPQ
Qlinear
P P
F F
Q Q
Q
Q
Q
* **Q P P
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as
Ejemplo: pilote en arcilla
Φ = 2.0�
Pilote
� = 35� �� + 10�(��)
Propiedades mecánicas arcilla
���� > 50
�� = 80% → �� = 22º, ��� = 1
�� ��� ≅ 6.7��� ≅ 400���
E� = 500��
Capacidad de carga por la punta
��� = 10�� + �� = 4450���
��� = ���� ≅ 13.6��
�� = 0.75 → ��� = 18.1��
Rigidez por la punta
��� = 2�� Φ · A ≅ 640��/�⁄
��� ≅���
1 − ��� · ���
= 8.4��
Resistencia del fuste
��� = 13.4��
Rigidez del fuste
��� =���
1 − ��� · ��
= 2100��/�
�� = 0.1% · � = 0.1% · 25� = 2.5��
35
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nd
as
Ejemplo: pilote en arcilla
Q
P PQ
MN
m
Q
13.6rPQ MN
640
Pile 2 , tip
embedded in clays
m
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as
Ejemplo: pilote en arcilla
Q
P P
F F
Q
Q
MN
m
Q
13.4rFQ MN
13.6rPQ MN
2100 640
Pile 2 , tip
embedded in clays
m
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nd
as
Ejemplo: pilote en arcilla
Q
Q
P P
F F
Q
Q
Q
MN
m
Q
13.4rFQ MN
13.6rPQ MN
2740 2100 640
Pile 2 , tip
embedded in clays
m
Rango de diseño
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Fun
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rofu
nd
as
Ejemplo: pilote en arena
��� ≅ �� · � · tan � = 77���
Pilote
Propiedades mecánicas arena
Capacidad de carga por la punta
Rigidez por la punta
Resistencia del fuste
Rigidez del fuste
Φ = 2.0�
� = 25�
N��� = 36, D� = 75%
� ≅ 100 + 1000 D� + D�� ≅ 1400
� = 2 − 12� log � ≅ 0.42
�� = � · �� �� ��⁄ � = 220MPa
��� = �������
��� = 0.66 + �� − 0.33 /2
���� ≅ 4 · ����
��� = ��� · � = 39��
��� = 2�� Φ⁄ · A ≅ 690MN/m
��� ≅���
1 − ��� · ���
= 44��
��� = �� · � = MN
��� = 13.9��
��� =���
1 − ��� · ��
= 3720��/�
�� = 0.1% · � = 0.1% · 25�
39
Fun
da
cio
nes p
rofu
nd
as
Ejemplo: pilote en arena
Q
P PQ 39rPQ MN
690
MN
m
Q
Pile 2 , 25
embedded in dense sands
m L m
40
Fun
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nd
as
Ejemplo: pilote en arena
Q
P P
F F
Q
Q
12rFQ MN
39rPQ MN
3720 690
MN
m
Q
Pile 2 , 25
embedded in dense sands
m L m
41
Fun
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rofu
nd
as
Ejemplo: pilote en arena
Q
Q
P P
F F
Q
Q
Q
12rFQ MN
39rPQ MN
4410 3720 690
MN
m
Q
Pile 2 , 25
embedded in dense sands
m L m
Rango de diseño
FIN
Índice
• Definición y tipos de fundaciones profundas
• Métodos de diseño
• Curvas carga-asentamiento
• Fricción negativa
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Fun
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as
43
Fricción negativa
La fricción negativa ocurre cuando el terreno se asienta más que el pilote
• Rellenos sobre suelos blandos
• Abatimiento de nivel freático
La fricción negativa produce
• Mayores asentamientos
• Mayor compresión en el pilote
�����Ñ� = ������� + ��(−)
Fun
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Fricción negativa
La fricción negativa ocurre cuando el terreno se asienta más que el pilote
• Rellenos sobre suelos blandos
• Abatimiento de nivel freático
La fricción negativa noreduce la capacidad de carga porque en falla elpilote siempre se hundemas que el suelo
�����Ñ� = ������� + ��(−)
Plano o eje neutro
Toda la fricción disponible por encima del plano neutro es negativa
Se deben analizar deformaciones del suelo y del pilote
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as
Fricción negativa
La fricción negativa no reduce la capacidad de carga porque en falla el pilote siempre se hunde mas que el suelo
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Normal Con friccion negativa
Bibliografía
Básica
• Bowles. Foundation analysis and Design. McGraw-Hill
• USACE: Theoretical Manual for Pile Foundations
• USACE: Design of Pile Foundations
Complementaria
• DIN 4026: Driven Piles (Manufacture, dimensioning and permissible loading)
• UNE-EN 12699: Pilotes de desplazamiento
• USACE: Pile Driving Equipment
• PDCA 102/103-07: Installation specification for driven piles
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