• Author / Uploaded
• Juan Carlos Barrios Tapia

Citation preview

FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADEMICO PROFECIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CIMENTACIONES PROFUNDAS.

CURSO

:

MECANICA DE SUELOS II.

DOCENTE

:

Ing. PIEDRA TINEO JOSE LUIS.

CICLO

:

SEXTO.

INTEGRANTES

:

BARRIOS TAPIA JUAN CARLOS. BECERRA PEREZ KADDY FERNANDEZ MOLOCHO WILBER BRANDY. ZARATE CUBAS KATHERINE.

JAEN NOVIEMBRE DEL 2014

I.

INTRODUCCION.

El uso de pilotes es una de las técnicas más antiguas del hombre para superar las dificultades de la cimentación de estructuras en suelos blandos, es recomendable cuando el suelo superficial, en un espesor fuerte, no tiene la suficiente resistencia para soportar las cargas de la estructura sin deformaciones exageradas. En estos casos, el efecto de las cargas se lleva a estratos más profundos pero resistentes por medio de pilotes.

Los pilotes también se usan para consolidar terrenos flojos. Hay que considerar las diferentes formas en que los pilotes trabajan y calcular sus asentamientos al someterlos a la acción de cargas. Aunque el más usual es el pilote de concreto reforzado, trabajando de punta, también puede trabajar solo por fricción cuando el estrato resistente se encuentra a mucha profundidad.

En sus inicios, los pilotes eran todos de madera por su abundancia y su fácil maniobrabilidad, así que para dar seguridad a una estructura se hincaban pilotes en forma abundante, sin ninguna norma y a criterio del constructor. De esta manera, la capacidad de carga del pilote estaba limitada por el grosor de la madera. De cualquier forma, es necesario conocer la capacidad de carga de un pilote porque forma parte de la información para desarrollar un proyecto de cimentaciones piloteadas. Para tener una cabal comprensión del comportamiento de pilotes, se debe conocer todos los tipos de pilotes y los métodos de instalación existentes. El diseño y la construcción de cimentaciones piloteadas es un campo de la mecánica de suelos en la que se requiere el criterio de un ingeniero que no se confíe en el discutible valor de una fórmula y que sepa hacer uso de su experiencia, sentido común e intuición del comportamiento de los materiales.

II.

OBJETIVOS. 2.1 OBJETIVO GENERAL. El objetivo de este trabajo tiene como finalidad describir las cimentaciones profundas por medio de pilotes los cuales transmiten las cargas de una estructura hacia estratos profundos del subsuelo.

2.2 OJETIVOS ESPECIFICOS. 

Definir y aplicar la utilización de Cimentaciones Profundas aquellas que transmiten la carga al suelo por presión bajo su base, pero que además pueden contar con rozamiento en el fuste.



Aprender a determinar cuándo hacer el uso de cimentaciones profundas según el tipo de suelo y capacidad portante.

III.

MARCO TEORICO. 3.1 DEFINICION DE CIMENTACION PROFUNDA. Son aquellos elementos que se utilizan para transmitir las cargas de una estructura hacia capas o estratos profundos del subsuelo, evitando con ello, el desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga o de alta deformación. Estas cimentaciones se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Por eso deben ser más profundas, para poder proveer sobre una gran área un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas. Son:  Pilotes: son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el hormigón.  Pantallas: es necesario anclar el muro al terreno.  pantallas isostáticas: con una línea de anclajes.  pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes

Nota: Las pantallas se usan para estructuras más pesadas cuando se requiere gran profundidad para soportar la carga.

3.2 TIPOS DE CIMENTACIONES PROFUNDAS. 3.2.1 LOS PILOTES. Se Denomina pilote a un soporte, normalmente de hormigón armado, de una gran longitud en relación a su sección transversal, que puede hincarse o construirse “in situ " en una cavidad abierta en el terreno. Constituye un sistema constructivo de cimentación profunda al que denominaremos cimentación por pilotaje.

3.2.2 PILAS. Son elementos de cimentación profunda con secciones mayores

que

la

de

los

pilotes,

las

cuales

también

transmiten al subsuelo las cargas provenientes de una estructura y de la misma cimentación con el propósito de lograr la estabilidad del conjunto. 3.2.3 MICROPILOTES. Son

elementos

estructurales

cuyos

diámetros

están

comprendidos entre 0.15 y menores de 0.30 m. Los de más frecuente aplicación en el recalce de estructuras son los de diámetro 0.22 m. Se define como un pilote de pequeño

diámetro,

que

transmite

la

carga

de

una

estructura

a

estratos

de

suelos

más

profundos,

principalmente por fricción de su fuste con el suelo y en menor

medida

por

su

punta,

con

asentamientos

prácticamente nulos.

3.3 CLASIFICACION DE CIMENTACIONES PROFUNDAS Para clasificar las cimentaciones profundas, es necesario mencionar la intervención de algunos factores que se muestran en el siguiente esquema.

3.3.1 SEGÚN LAS DIMENSIONES DE LA CIMENTACION. La clasificación de las cimentaciones profundas se basa en los anchos de sus secciones transversales, tal como se muestra en la tabla.

Cimentación Profunda

Dimensiones (Diámetro)

Micropilotes

15 a 30 cm

Pilotes

30 a 60 cm

pilas

60 a 300 cm

3.3.2 SEGÚN EL MATERIAL DE FABRICACION. En el esquema se muestran los materiales más utilizados para la fabricación de pilotes.

 Pilotes de concreto. a) Elementos

Prefabricados:

Son

elementos

estructurales de cimentación profunda que son fabricados

en

moldes,

de

acuerdo

con

las

especificaciones, antes de ser instalados en el subsuelo. b) Elementos colados en el lugar: El depositado

directamente

en

concreto

es

perforaciones

realizadas en el subsuelo, por lo que la cimentación es fabricada en el lugar donde quedara ubicada.  Pilotes de Acero. Resistentes a cargas de altas magnitudes y a esfuerzos

cortantes

y

flexionantes

considerables;

pueden alcanzarse grandes profundidades con unión de piezas por roscado o soldadura. Su principal desventaja es que el área de la sección disminuye por efectos de la corrosión.  Pilotes Mixtos. Constituidos por piezas de distintos materiales. Los más

comunes

son

los

formados

por

piezas

metálicas y de concreto. El propósito principal es aprovechar las ventajas de cada material según las condiciones del terreno.

 Pilotes de madera. Es

el

pilote

más

antiguo

que

se

conoce.

Generalmente posee sección circular no uniforme y su longitud

rara

vez

alcanza

necesario proporcionarles un

los

20

metros.

Es

tratamiento adecuado

con la finalidad de prolongarles su vida útil.

3.3.3 SEGÚN EL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO. El procedimiento constructivo depende de las condiciones del subsuelo, de las especificaciones estructurales, así como de

los

recursos

disponibles,

pudiéndose

clasificar

considerando el desplazamiento del subsuelo generado durante la instalación de los elementos. Ver el siguiente esquema.

 Con desplazamiento. Hincados a percusión, presión y vibración. Los elementos prefabricados, así como los perfiles y tubería metálica, son instalados en el subsuelo sin realizar previamente una perforación, aplicándoles energía dinámica y presión en suelos blandos, y vibración en suelos predominantemente friccionante.

 Con poco desplazamiento.  Hincado en una perforación previa: En el caso de que las características del subsuelo por su resistencia no permitan

la

instalación de

los elementos

de

cimentación, se especifica una perforación previa a su hincado.  Hincado con chiflón: El chiflón de agua es utilizado para hincar elementos precolados o de acero en suelos compuestos por arena suelta, la cual es transportada por el flujo al exterior.  De sección transversal Pequeña: Se instalan tubos y perfiles metálicos sin perforación previa, debido a su reducida área trasversal, provoca un desplazamiento del subsuelo en ocasiones imperceptible.  Sin desplazamiento. Son

aquellos

constructivo,

pilotes el

terreno

que es

en

su

proceso

removido

para

posteriormente construir o colocar el pilote dentro de la perforación.

3.3.4 SEGÚN LA TRANSMISION DE CARGA AL SUBSUELO. La forma en que las pilas y los pilotes transfieren las cargas al subsuelo define el tipo de cimentación clasificándose de la siguiente manera (ver esquema.)

 Carga vertical.  Punta: La carga vertical es transmitida al estrato localizado en

la

punta

de

los

elementos

de

cimentación profunda. Ver fig. 2.2

 Fricción: La transmisión de las cargas al subsuelo se desarrolla a través del contacto de los diferentes estratos con el fuste de los pilotes o las pilas dependiendo del sentido de

los

esfuerzos, la cimentación puede ser de apoyo o de anclaje. Ver figura.

 Mixta: Se considera mixta la transmisión de la carga vertical descendente al subsuelo, cuando en el diseño de los elementos los esfuerzos son

distribuidos en la punta y en el fuste; en la realidad esta condición es la que prevalece, la cual depende de la compatibilidad de los desplazamientos, esfuerzos en

sin

embargo

cuando

la punta o en el

los

fuste son

reducidos en el cálculo se desprecia.  Carga horizontal y vertical. En

estructuras que generan

cargas

horizontales

hacia la cimentación, además de las verticales, puede

ser

recomendable

inclinados,

con

resultante

sea

el

propósito

transmitida

el

uso de

que

de la

pilotes fuerza

adecuadamente

al

subsuelo por la cimentación profunda elegida. En el caso de la ocurrencia de acciones sísmicas, los pilotes

inclinados

provocan

concentraciones

de

esfuerzos considerables en la losa que se apoya en ellos, lo cual debe ser analizado en su diseño. Si la carga horizontal es moderada, es preferible usar pilotes

instalados

verticalmente

reacción pasiva del suelo superficial.

y

aprovechar

la

3.4 FUNCION DE LOS PILOTES. Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto o madera

y

se

usan

para

construir cimentaciones que son

profundas y cuestan más que

las cimentaciones superficiales. A

pesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural. La siguiente lista identifica algunas de las condiciones que requieren cimentaciones de pilotes

Cuando pueden

las

cargas

distribuir

transmitidas

por

adecuadamente

en

el

edificio

una

no

se

cimentación

superficial excediendo la capacidad portante del suelo.

Puede darse que los estratos inmediatos a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el suelo resistente esté a cierta

profundidad;

es

el

caso

de

edificios

que apoyan en

terrenos de baja calidad. Cuando el temperatura

terreno está sometido a grandes variaciones de por

hinchamientos

y

retracciones producidos con

arcillas expansivas.

Cuando la edificación está sobre agua.

Cuando

los

cimientos

están

sometidos

a

esfuerzos

de

tracción. En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. Cuando se necesita

resistir cargas

muros de contención de los muelles.

inclinadas; como en los

Cuando se deben recalzar cimientos existentes. Los estribos y pilas de puentes generalmente se construyen sobre cimentaciones de pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial sufrirá por erosión del suelo en la superficie del terreno. 3.5 PRUEBAS PRELIMINARES EN CIMENTACIONES PROFUNDAS. En todos los proyectos importantes es común que se justifique económicamente

efectuar

pruebas

de

carga preliminares

en

pilotes o pilas como una guía para seleccionar el tipo, longitud y capacidad permisible de los cimientos antes de llegar al diseño final; esta prueba debe realizarse durante la construcción cuando el objetivo sea verificar las hipótesis de diseño. En obras pequeñas en las que

se

tiene un

número reducido

de

pilotes o pilas,

generalmente es más económico diseñar conservadoramente la cimentación que efectuar pruebas de carga.

3.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS QUE PRESENTAN LOS PILOTES DE CONCRETO. a) Desventajas. 

Un pequeño corrimiento de tierra alrededor del pilote sin reforzar puede quebrarlo.



Es difícil efectuar un buen colado si el tubo del pilote se llena de agua, a no ser que se emplee aire comprimido.



La dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que ésta no sea bien estimada.



Es difícil saber a simple vista cuando un pilote ha fallado, ya que no es necesario que el pilote desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble.



Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su extracción para reutilizarlo.

b) ventajas. 

Resultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de otro tipo de cimentaciones.



Proporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas

en

el

subsuelo

ya

que

pueden

trabajar

individualmente o en grupos de pilotes. 

Presentan resistencia a los ataques químicos y biológicos.



Los pilotes hincados, en un estrato de suelo friccionante pueden llegar a alcanzar elevadas resistencias por fricción.

3.7 ESTIMACION DE LA LONGITUD Y DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE CARGA DEL PILOTE. Los pilotes se dividen en dos categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de carga al suelo, como se indica en los siguientes a continuación: a) Si los registros de la perforación establecen la presencia de roca a una profundidad

razonable,

los pilotes se extienden hasta la

superficie de la roca. En este caso la capacidad última de los pilotes depende por completo de

la capacidad de carga del material

subyacente. b) Si en vez de roca se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y resistente a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato duro. En este caso, la carga última del pilote se expresa como:

Dónde: = Capacidad ultima del pilote. = Capacidad ultima tomada por la punta del pilote. = Capacidad ultima tomada por la fricción superficial desarrollada en los lados del pilote, por los estratos que intervienen en el efecto de fricción.

Dónde: = Área de la base del Pilote 

Sección transversal cuadrada.



Sección transversal circular

=Resistencia de la punta.

=Área de fricción lateral.

Dónde: P = Perímetro del pilote L = Longitud de empotramiento.

=Resistencia por fricción lateral

Si

es muy pequeña.

En este caso, la longitud requerida de pilote se estima con mucha precisión si se dispone de los registros de exploración del subsuelo. c) Cuando no se tiene roca o material resistente a una profundidad razonable, los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos. Para este tipo de condición en el subsuelo, los pilotes se hincan a profundidades específicas. La carga última de esos pilotes se expresa por la ecuación:

Dónde:

= Capacidad ultima del pilote. = Capacidad ultima tomada por la punta del pilote. = Capacidad ultima tomada por la fricción superficial desarrollada en los lados del pilote, por los estratos que intervienen en el efecto de fricción. Sin embargo, si el valor de

es pequeño.

Éstos se denominan pilotes de fricción porque la mayor parte de la resistencia se deriva de la fricción superficial. La longitud de estos pilotes depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Por otra parte hay que tener en cuenta que un perfil estratigráfico está conformado por varios estratos de suelos con una longitud (ΔL), es entonces que la capacidad ultima del pilote (Qu) esta expresado por la siguiente ecuación.

. d) Determinación de capacidad de carga de un pilote de punta (qp) La capacidad de carga de un pilote de punta, tiene una forma semejante

a

la

fórmula de

cimentaciones poco

profundas,

expresada como esfuerzo se puede representar:

Considerando que el diámetro del pilote es relativamente pequeño, el primer término de la ecuación se puede eliminar sin una afectación considerable de la determinación de la capacidad de carga, quedando la ecuación:

Dónde: c = Cohesión del suelo que soporta la punta del pilote.

= Esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote. = Factor de capacidad de carga para cimentaciones profundas. Por lo tanto la capacidad de carga de un pilote de punta, expresada como fuerza, se determina multiplicando el esfuerzo por el área transversal del pilote ( Ap) y se puede representar como.

Ejemplo práctico. Determinar la capacidad de carga por punta de un pilote de 10 m de largo y una sección transversal circular de 30 centímetros de diámetro, incado en un estrato de arena (c=0) con las siguientes características.

Solución: Datos. Suelo = Arena homogénea.

ˠ = 1.7 t/m³ ɸ = 31⁰ = 60

De acuerdo a la fórmula para capacidad de carga por punta:

Por ser suelo puramente friccionante c=0, la formula se reduce:

Considerando que existe la resistencia limite por punta(ql), definida por la formula.

Aplicando los valores para hacer la comparación.

Por lo tanto la capacidad de carga última por punta del pilote es la menor:

3.8 ESPACIAMIENTO DE PILOTES. a) El espaciamiento mínimo entre pilotes será el indicado en la siguiente tabla.

b) Para el caso de pilotes por fricción, este espaciamiento no podrá ser menor de 1,20 m.

IV.

CONCLUSIONES. Para poder determinar el tipo de cimentación a utilizar, es necesario conocer las propiedades y características de cada uno de

los suelos encontrados. Así como su

granulometría,

plasticidad, ángulo de fricción interna del suelo, cohesión, peso específico y otros.

Mientras más profundo sean ubicados los pilotes, se distribuye sobre una gran área un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Cuando deben transmitirse al sub suelo fuerzas laterales por medio de una cimentación piloteada, es importante el decidir si se deben hincar algunos pilotes inclinados. Esta decisión debe basarse en la capacidad de los pilotes para soportar cargas laterales. Cuando las cargas laterales por pilote exceden a la carga vertical que puede soportar un pilote vertical, es necesario utilizar pilotes tanto verticales como inclinados. Los pilotes inclinados se usan comúnmente en los estribos y pilas de puentes, en los muros de contención. En la elaboración de este informe se ha tratado de visualizar los tipos de cimentación profunda que existen y se utilizan comúnmente, sus ventajas y desventajas. La elección de alguno de alguna de estas cimentaciones o combinación de ellas dependerá en parte de lo complejo del problema de cimentación a resolver, del tipo de suelo en que se trabaje, de los recursos humanos, tecnológicos, económicos, etc. con los que se cuente y de la experiencia y criterio del constructor, quien debe anteponer sobre todo, la seguridad y buen funcionamiento de la cimentación.

V.

RECOMENDACIONES. Se recomienda para cimentaciones profundas realizar la prueba triaxial, ya que se obtienen datos más confiables para evaluar la capacidad ultima del suelo. La planificación de la exploración del subsuelo deberá realizarse en base a sondeos con el propósito de conocer las condiciones naturales en las que se encuentra el terreno donde se pretende construir, dicha exploración se llevará a cabo según el tipo de obra, se recomienda que la cantidad y profundidad de los sondeos sean propuestos por el geotecnista. El método más seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se recomienda hacerlos para determinar la carga máxima de falla de un pilote o grupo de pilotes o para determinar si un pilote o grupo de pilotes es capaz de soportar una carga sin asentamiento excesivo o continuó. Se sugiere que las empresas que se dedican a la construcción de cimentaciones profundas, cuenten con los equipos, accesorios y mano de obra calificada para garantizar la calidad de los procesos constructivos del pilote. Para la construcción de todo tipo de edificación, utilizando cimentaciones profundas, será necesario realizar un buen sistema de drenaje, con el objeto de evitar posibles infiltraciones en el subsuelo y reducir la capacidad de carga del pilote.