Cimentación sobre pilotes

CIMENTACION SOBRE PILOTES
JAIME SUAREZ DIAZ
BUCARAMANGA COLOMBIA
PESO
CIMIENTO
La carga es transmitida por los pilotes a los suelos a profundidad
Generalmente los pilotes asumen la totalidad de la carga pero
en ocasiones el suelo subsuperficial también asume carga
Los pilotes también fallan
Se socavó aproximadamente la mitad de la profundidad
de los pilotes y los pilotes fallaron.
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Tipos de pilote
Concreto
Concreto
Tubo
Tubo de
de
acero
acero
Madera
Madera
Acero
Acero
forma
forma H
H
Concreto
Concreto
prefabricado
prefabricado
Compuestp
Compuestp
En los EE.UU. La mayoría de los pilotes son metálicos
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En Colombia la mayoría de los pilotes son en concreto
armado.
PROCEDIMIENTOS DE CONSTRUCCION DE
PILOTES
EN LA
FS
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Pilotes hincados
EN LA
FS
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Hincado por impacto
La tecnología de hincado
de pilotes es muy antigua
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Desde la civilización egipcia
Hoy existen en el mercado piloteadoras impulsadas
de doble impacto etc. con tecnologías que
garantizan una gran eficiencia de hincado
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Y las piloteadoras por vibración
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Deterioro de los pilotes durante el proceso de
hincado
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Instrumentación de los pilotes
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Pilotes
EN LA
pre-excavados
FS
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EN LA
FS
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EN LA
FS
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EN LA
FS
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EN LA
FS
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Métodos de diseño de pilotes
individuales
„
Análisis estático
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„
Ensayo de carga
Fórmula dinámica
„
Ensayo de carga
Es muy complejo
Solo se realiza en grandes proyectos y
generalmente no para diseño
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JAIME SUAREZ DIAZ
Fórmula dinámica
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La mobilización de equipos para colocar pilotes para
diseño no se hace comúnmente
Elementos para el diseño racional de pilotes
„
„
„
„
„
Investigación subsuperficial adecuada
Desarrollo del perfil de suelo
Ensayos de campo y laboratorio apropiados
Selección de los parámetros de suelo para diseño
Análisis estático
Experiencia
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„
CARGA
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PILOTE A
FRICCIÓN
CARGA
PILOTE
DE
PUNTA
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Método de fórmula estática
(Qu = Qp + Qs)
Qu = Capacidad de soporte última
Qs = fAs
=D
AS = Area perimetral
qP = Capacidad de
soporte unitaria
AP = Area de la punta
QP = qPAP
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Longitud
enterrada
f = Resistencia unitaria
a la fricción
Fórmulas estáticas para pilotes
K
Hanse
n
el
eris
m
o
T
lin
n
o
s
Vesic
S ey
Nordlund
mou
r- Jo
n es
&
ida
h
s
i
K
Th
urm
an
s
Brom
Me
yer
hof
&
m
a an n
h
ng rtm
i
t
t
e
o
m
N ch
Burland
S
JAIME SUAREZ DIAZ
v et al
e
s
t
n
a
z
B er e
iya
g
r
ve
y
a
j
t
Vi
ch
o
F
ot
u
q
Ca
PILOTES EN SUELOS GRANULARES
„
Debe entenderse el mecanismo general de
falla
Existe incertidumbre por los efectos de la
instalación sobre la fricción lateral y la
capacidad de punta.
JAIME SUAREZ DIAZ
„
Acción de arqueo en la punta
Superficie
B
Acción de arco
Df
Zona de
disminución
de corte y
volumen
PO = αγDf
γDf
Método de Nordlund
Q
ω
d
∆d
b
D
δ
Cd = π b
bp
ω
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Pd
Capacidad de soporte última en pilotes sin
ínclinación de la superficie (ω = 0)
Qu = Kδ CF Pd sin δ Cd D + AP α PD N’q
Incógnitas : Kδ , CF , δ , α , N’q
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Qu = QS + QP
Fricción lateral en suelos granulares
– Efectos del desplazamiento de suelo sobre la
rugosidad
para diferentes tipos de pilote
2.5
Fig.
a b c d
1.5
8.1
g
e
JAIME SUAREZ DIAZ
V in c.f./ft.
2.0
1.0
0.5
f
0.0
0.00
0.25
0.50
δ
0.75
ϕ
1.00
1.25
1.50
Coeficiente de presión Kδ sobre el pilote
en suelos granulares. Efectos de ω y el
desplazamiento tan
de ωsuelo
0.00000
0.00875
0.01750
7
Fig. 8.2
6
4
3
1.45
2
1.15
1
V = 10.0 cu. Ft.
V = 1.0 cu. Ft.
V = 0.1 cu. Ft.
0.85
0
Para φ = 30
grados
0.0
0.5
Pile Taper
1.0
1.5
ω = grados
2.0
Para cada
valor de φ la
gráfica es
diferente
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Kδ
5
Fricción lateral en suelos granulares
Factor de corrección si δ ≠ φ Fig. 8.6
1.5
1.2
1.0
1.0
0.8
0.4
JAIME SUAREZ DIAZ
Factor de corrección
δ/φ = 1.4
0.6
0.5
0.2
0.0
0
10
20
30
φ (grados)
40
50
100
JAIME SUAREZ DIAZ
Factor de capacidad de soporte, N’q
Capacidad de soporte de punta en suelos
granulares
Factor de capacidad de soporte - N’q
1,000
Fig.
8.7 A
10
1
15
20
25
30
35
φ (grados)
40
45
Capacidad de soporte de punta en suelos
granulares
Efecto de arqueo en el suelo - α
Fig. 8.7 B
D = Longitud enterrada
b = Diámetro o ancho
D/b
20
0.4
0.3
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Coeficiente α
1.0
30
0.2
45
0.1
15
20
25
30
φ (grados)
35
40
45
Capacidad de soporte de punta en suelos
granulares. Valor límite (Maximo)
300
Muy denso
350
Fig. 8.7 C
200
Denso
250
50
Suelto
100
Medio
denso
150
Muy suelto
6.5
30
35
40
45
Angulo de fricción , φ, Grados
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Valor límite unitario máximo , tsf
400
En cual de los siguientes sistemas de punta de
pilotes la capacidad de soporte es mayor?
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1. Punta cerrada
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2. Punta cónica
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3. Punta abierta
Ecuación de análisis estático (Suelo granular)
Qs = Kδ CF Pd Sin δ
Cd D
(FuerzaNormal ) (Tangente ϕ) ( Area superficial)
( Area de punta)
α PD
N′q
( PO reducido) (Factor de capacidad de soporte)
Ver libro de fundaciones NHI
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Qp = Ap
Cálculo de la fricción lateral
„
„
Ver libro de fundaciones NHI
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„
Calcule el volumen por unidad de longitud
Entre a la figura 8.1 de acuerdo al tipo de
pilote y calcule δ /φ. Calcule δ (Fricción
suelo-pilote)
Entre a las figuras 8-2 a 8-5 y determine el
coeficiente de presión de tierras Kδ, para el
respectivo valor de φ y el volumen de suelo
desplazado.
„
Use Po promedio y la geometría del pilote
para calcular la fricción lateral.
Ver libro de fundaciones NHI
JAIME SUAREZ DIAZ
„
Entre a la figura 8-6 con φ y el valor de δ/φ y
encuentre el factor de corrección CF para Kδ
Figura 8-1
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Ver libro de fundaciones NHI
Figuras 8-2 (φ=25°) a 8-5 (φ=40° )
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Ver libro de fundaciones NHI
Pile Taper
Figura 8-6
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Criterios para calcular la capacidad de
soporte de punta en suelos granulares
„
„
„
JAIME SUAREZ DIAZ
„
PD no debe exceder 3000 psf para cálculo de
capacidad de soporte de punta.
Qp debe comparrarse con el valor máximo de
capacidad de soporte de punta para el
respectivo ángulo de fricción.
QLIM = (Figura 8-7B) x(Area de la punta)
Se debe utilizar el menor valor entre QLIM y
Qp calculado.
α
Figura 8-7a
D/B RATIO – D – Pile Length Below Ground Surface
B – Pile Diameter or Width
1
.5
20
35
45
20
25
30
35
φ grados
40
45
40
45
1000
500
100
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Factor N’q
15
N’q
50
10
5
15
20
25
30
35
φ grados
Figura 8-7b
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Capacidad de soporte de pilotes en
suelos arcillosos
„
JAIME SUAREZ DIAZ
„
La capacidad de los pilotes
inmediatamente después de la
construcción se afecta por el exceso de
presión de poros.
La capacidad a largo plazo se basa en
la resistencia del suelo reconsolidado.
Ejemplo : Estos pilotes mostraban falla
durante la construcción pero con el
tiempo ganaron la resistencia
necesaria
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Ejemplo : Presión de poros – South Bay Bridge
Pier No. 3, Piezometros Nos. 1 & 2
Maximum
Maximum 2.25
2.25
2.0
2.0
40
40
30
30
1.0
1.0
20
20
0.5
0.5
10
10
00
Jan.
Jan.
Jun.
Jun.
Dec.
Dec. Jan.
Jan.
1973
1973 1974
1974
00
vo
σσ vo
Ìu
Ìu
1.5
1.5
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Ìu Excess Pore Pressure - psi
Ìu
50
50
Capacidad de soporte última de un pilote
en suelos arcillosos (Cohesivos)
Qult = Ca Cd D + 9 Cu AP
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Adhesión sobre pilotes en arcilla
saturada. (Circa 1960)
Material
Concrete
and
Timber
Steel
Cohesion (psf)
Soft 0 – 750
Firm 750 – 1500
Stiff 1500 - 3000
Soft 0 – 750
Firm 750 – 1500
Stiff 1500 – 3000
Adhesion (psf)
Soft 0 – 750
Firm 750 – 1250
Stiff 1250 – 1400
Soft 0 – 600
Firm 600 – 1050
Stiff 1050 – 1200
2000
L > 40B
1500
L = 10B
1000
500
0
500
1000
1500
2000
2500
Resistencia al cortante no
drenado – p.s.f
3000
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P Adhesión – p.s.f. (Ca)
Efecto del empotramiento del pilote en
la adhesión en suelos arcillosos.
+ 9 Cu
Ap
(Adhesion) (Area superficial)+ (resistencia al cortante )(area punta)
** Para que haya movilización de la resistencia de la punta se
requiere un movimiento de la punta de cerca del 10% del diámetro
del pilote.
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QULT = Ca Cd D
A d h e s io n
B
= D is ta n c e fr o m
g ro u n d
w h ic h e v e r is le s s
= P ile d ia m e te r
s u r fa c e
to
c o h e s iv e s o ils
b o tto m
o f
c la y
la y e r
o r
p ile
tip ;
C o n c r e te , tim b e r , c o r r u g a te d s te e l p ile s
S m o o th s te e l p ile s
R e fe r e n c e : B a s e d o n T o m lin s o n 1 9 7 9
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L e g e n d : L
Figura 8-8
v a lu e s fo r p ile s in
Resistencia lateral de los pilotes
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DISEÑO DE GRUPOS DE PILOTES
Debe analizarse el efecto de :
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Espaciamiento de pilotes.
Asentamientos
Fricción negativa
Modos de falla de grupos de pilotes
„
„
Falla individual de los pilotes
Falla en bloque del grupo de pilotes.
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Falla individual de los
pilotes
P
u
u
Superficie
Superficie del
del
terreno
terreno
Zona
Zona de
de falla
falla
Puu == n Quu E
n = Número de pilotes
E = Eficiencia de grupo
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Quu
Falla de bloque
PU
B
Zona de falla
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D
0.8
0.6
Grupo 9 × 9
Long. = 48 dia.
0.4
- Individual
- Falla bloque
0.2
1
2
3
Espaciamiento (Diametros)
4
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Eficiencia grupo
Eficiencia de grupo Vs. Espaciamiento en arcilla
Capacidad de grupo de pilotes en arena
„
E = 100%
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Pult = n Qult
Capacidad de un grupo de pilotes en
arcilla
„
Para espaciamiento centro-centro de
3D
– E = 70%
Para espaciamiento centro-centro de
6D
– E = 100%
Pult = n E Qult
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„
Asentamiento de un grupo de pilotes en
Arena (Skempton)
Pilote
Pilote aislado
aislado
ensayo
ensayo
Zona
Zona de
de
asentamiento
asentamiento
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Suelo
Suelo
preesforzado
preesforzado
por
por el
el hincado
hincado
Fundación
Fundación
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Concepto general de distribución de cargas
Q
Q
Q
L
L/3
2
2
1
1
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Q
nQa
nQa
BA
H1
Arena
H2
Arcilla blanda
A, B = Dimensiones grupo de pilotes
Arcilla
blanda
1H:2V
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L
nQa
1H:4V
H
nQa
( B + L )( A + L )
3
3
B, A = Dimensiones del grupo de pilotes
1H:2V
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L
2
L
3
Análisis de asentamiento del grupo de pilotes
Cc
Po + ∆ P
∆H = H
Log
Po
1 + eo
Where:
∆H = Asentamiento
Cc = Indice de compresión
eo = Rel. de vacíos inicial
PO = Presión de sobrecarga
∆P = Cambio de presión
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H = Espesor de la capa
Fricción negativa
Superficie
Q
Original
del terreno
Relleno
L1
granular
Fg
L2
Fc
Roca
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Arcilla
blanda
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Se coloca solo en la zona donde se espera fricción negativa
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Forma de mitigar el efecto de presión negativa
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Observe un error en la construcción por falta de información
la parte cubierta de asfalto se colocó hacia abajo