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• Xavier De Santos

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Cimentaciones profundas Pilotes Tecnológico de Monterrey

Estimación de la longitud del pilote  La selección del tipo de pilote y su longitud requieren de un buen juicio. Además, de las clasificaciones previas, por su longitud y forma de transferencia de carga los pilotes se clasifican como:  Pilotes de carga de punta  Pilotes de fricción, y  Pilotes de compactación

Pilotes de Carga por Punta  Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de un lecho de roca o de material rocos dentro de una profundidad razonable, los pilotes se pueden prolongar hasta la superficie de roca.  En este caso la capacidad ultima de los pilotes depende de la capacidad de soporte de carga del material subyacente y son denominados pilotes de carga de punta. En la mayoría de los casos se puede establecer muy fácilmente.  Si en ves de roca, hay un estrato muy compacto a una profundidad razonable, los pilotes se pueden prolongar algunos metros dentro de este estrato duro.

Pilotes de Carga por Punta  Los pilotes con pedestal se pueden construir sobre el lecho de estrato duro y su capacidad de carga esta dada por:

 En este caso, la longitud requerida del pilote se puede estimar con precisión si se dispone de registros precisos de la exploración del subsuelo.

Pilotes de Carga por Fricción  Cuando no se encuentra la presencia de un lecho de roca o de material rocos dentro de una profundidad razonable, los pilotes de carga de punta resultan muy largos y antieconómicos  En estos casos, los pilotes se hincan en los materiales suaves hasta una profundidad especifica, la capacidad de carga esta dada por:

 A estos pilotes se les denomina pilotes de fricción debido a que su resistencia deriva de la fricción superficial, aun cuando en suelos cohesivos, la resistencia se ocasiona por adhesión

Pilotes de Carga por Fricción  En estos casos, la longitud de los pilotes depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote

Pilotes de Carga por Compactación  En ciertos casos, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr una compactación adecuada del suelo cerca de la superficie del terreno  La longitud de estos pilotes depende de factores como: la densidad relativa del suelo antes de la compactación, la densidad relativa del suelo después de la compactación y la profundidad de compactación requerida  Por lo general, estos pilotes son cortos, sin embargo se necesitan realizar pruebas de campo para determinar una longitud razonable.

Mecanismo de Transferencia de Carga  El mecanismo de transferencia de carga de los pilotes al suelo es complicado. Considere un pilote de longitud L, donde la carga aumenta gradualmente de Q(Z=0) en la superficie. Parte de esta carga resistirá la fricción lateral desarrollada a lo largo del fuste Q1 y por la punta del pilote Q2.  Si se toman mediciones para obtener la carga QZ soportada por el fuste a cualquier profundidad Z, la variación se muestra a continuación. La resistencia por fricción por carga unitaria a cualquier profundidad Z esta dada por:

Mecanismo de Transferencia de Carga Si la carga Q, se aumenta gradualmente, la resistencia por fricción máxima a lo largo del fuste se dará cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote este entre 5 y 10 mm con independencia del tamaño y longitud del pilote La resistencia máxima de punta Q2=Qp no se movilizara hasta que la punta del pilote se haya movido aproximadamente 10 a 25% del ancho del pilote (10% para pilotes hincados y 25% para perforados)

Mecanismo de Transferencia de Carga A la carga ultima en la figura (d) tenemos: Q(z=0) = Qu

Mansur y Hunter (1970) realizaron una prueba de carga con las siguientes características:  Pilote de acero con diámetro exterior de 406 mm y espesor de 8.15 mm  Tipo de subsuelo: arena

 Longitud de empotramiento 16.8 m A continuación se muestra la grafica de carga de la parte superior del pilote Q(z=0) contra el asentamiento (s) y la grafica soportada por el fuste del pilote a cualquier profundidad Q(z). Este pilote fue llevado hasta la falla

Mecanismo de Transferencia de Carga De aquí concluyeron que la fricción superficial se moviliza mas rápido a niveles de asentamiento bajos en comparación con la carga de punta

Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote  La capacidad de soporte de carga ultima de un pilote Qu se determina por:  Qu = Qp + Qs  Donde:

Capacidad de carga de la punta Qp  La capacidad de carga ultima de cimentaciones superficiales esta dada por la ecuación general

 Y la capacidad de carga ultima

 Las cimentaciones con pilotes son profundas, sin embargo, la resistencia ultima por área unitaria desarrollada en la punta de un pilote qp se puede expresar sustituyendo B con D como el ancho del pilote

Capacidad de carga de la punta Qp  Debido a que el ancho D de un pilotes es relativamente pequeño, el termino de , se puede omitir sin introducir un error considerable y se tiene:

 El termino q es reemplazado por q´ para denotar el esfuerzo vertical efectivo dando que la capacidad de punta del pilote es:

Capacidad de carga por fricción Qs  La resistencia por fricción superficial de un pilote se puede escribir como:

 Los distintos métodos para estimar Qp y Qs se discutirán después  Es importante enfatizar que en el campo, para una movilización total de la resistencia de punta (Qp) la punta del pilote debe desplazarse de 10 a 25% del ancho del pilote

Método de Meyerhof para estimar Qp Arenas  La capacidad de carga de punta qp, de un pilote en arena aumenta con la profundidad de empotramiento del estrato de carga y alcanza un valor máximo a una relación de empotramiento de Lb/D = (Lb/D)cr  Para un suelo homogéneo, Lb es igual a la longitud de empotramiento del pilote L, es decir Lb=L, y para pilotes en arena c´= 0 y al ecuación se presenta como:

 La variación de Nq* con el ángulo de fricción del suelo φ´, y también se muestran en la tabla de valores interpolados. Sin embargo, Qp no debe exceder Apql

Método de Meyerhof para estimar Qp Arenas  La resistencia de punta q1, de un pilote en arena esta dada por: 𝑞𝑙 = 0.5𝑝𝑎 𝑁𝑞∗ 𝑇𝑎𝑛∅´

Donde: 𝑝𝑎 es la presión atmosférica (=100 kN/𝑚2 ) ∅´ es el ángulo de fricción del estrato de apoyo Existe un valor limite de qp de aproximadamente 12000 kN/𝑚2

El valor de (L/D)cr de aproximadamente 16 a 18

Método de Meyerhof para estimar Qp

Arenas

Método de Meyerhof para estimar Qp Arcillas (∅´ = 0) Para pilotes en arcillas saturadas en condiciones no drenadas (∅´ = 0), la carga ultima neta se puede dar como:

Donde: Cu Es la cohesión no drenada del suelo bajo de la punta del pilote

Método de Vesic para estimar Qp Arenas Vesic (1977) propuso un método para estimar la capacidad de carga de punta de pilotes en base a la teoría de expansión de cavidades. De acuerdo con esa teoría, con base en los parámetros del esfuerzo efectivo, se puede escribir: 𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 𝑞𝑝 = 𝐴𝑝 𝜎0´ 𝑁𝜎∗ Donde: 𝜎0´ Es el esfuerzo efectivo normal medio del terreno al nivel de la punta del pilote

Método de Vesic para estimar Qp Arenas 𝑁𝜎∗ es el factor de capacidad de carga y se puede calcular como:

De acuerdo con la teoría de Vesic 𝑁𝜎∗ = f(𝐼𝑟𝑟 )

Donde 𝐼𝑟𝑟 , es el índice de rigidez reducida para el suelo

Método de Vesic para estimar Qp Arenas Los intervalos generales d𝑒 𝐼𝑟 , para varios suelos son: Arena (densidad relativa = 50 a 80%): 75 a 150

Limo 50 a 75 Al fin de estimar 𝐸𝑠 para después estimar 𝐼𝑟 se puede utilizar la aproximación de (chen y Kulhawy, 1994) 𝐸𝑠 =𝑚 𝑝𝑎 Donde

𝑝𝑎 es la presión atmosférica (100 kN/m2) Y m varia de la siguiente manera suelo suelto (100 a 200) suelo medio denso (200 a 500)

suelo denso (500 a 100)

Método de Vesic para estimar Qp Arenas 𝜇𝑠 = 0.1 + 0.3

𝜑 −25 20

para 25° ≤ 𝜑 ≤ 45°

Y 𝜑 − 25 𝑞´ ∆= 0.005 1 − 20 𝑝𝑎

Método de Vesic para estimar Qp Arenas

Método de Vesic para estimar Qp Arcillas (φ=0) En arcilla saturada (condición φ=0), la capacidad de carga ultima de punta de un pilote se puede aproximar con: 𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 𝑞𝑝 = 𝐴𝑝 𝐶𝑢 𝑁𝑐∗ Donde

𝑐𝑢 es la cohesión no drenada De acuerdo con la teoría de expansión de cavidades de Vesic (1977)

Las variaciones de 𝑁𝑐∗ con 𝐼𝑟𝑟 con (φ=0), se muestran en la tabla siguiente:

Método de Vesic para estimar Qp 𝑁𝑐∗

Irr 10

6.97

20

7.9

40

8.82

60

9.36

80

9.75

100

10.04

200

10.97

300

11.51

400

11.89

500

12.19

Método de Vesic para estimar Qp  Para φ=0

𝐸𝑠 𝐼𝑟 = 3𝐶𝑢 O´neiil y Reese (1999) sugirieron las relaciones aproximadas siguientes para 𝐼𝑟 y la cohesión no drenada Cu Cu/pa

𝐼𝑟

0.24

50

0.48

150

≥0.96

250-300

obtenidas aproximadamente con la relación: 𝐼𝑟 = 347

𝐶𝑢 𝑝𝑎

- 33 para ≤ 300

Método de Coyle y Castello para estimar Qp en arenas

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

La variación de 𝑁𝑐∗ con la relación de empotramiento L/D y el ángulo de fricción φ

Método de Coyle y Castello para estimar Qp en arenas 

Método de Janbu para estimar Qp Janbu(1976) propuso calcular la capacidad de carga por punta con la siguiente expresión:

 Los factores de capacidad de carga 𝑁𝑐∗ y 𝑁𝑞∗ se calculan suponiendo una superficie de falla en el suelo en la punta del pilote tal como se muestra en la figura.

Método de Janbu para estimar Qp  Los factores de capacidad de carga 𝑁𝑐∗ y 𝑁𝑞∗ se calculan a partir de las siguientes expresiones:

El ángulo 𝜂´ varia de 60° en arcillas blandas a 105° en suelos arenosos densos, para uso practico se recomienda: 60° ≤ 𝜂´ ≤ 90°

Método de Janbu para estimar Qp Algunos factores de capacidad de carga 𝑁𝑐∗ y 𝑁𝑞∗ se dan en la siguientes tabla:

Correlaciones para estimar Qp basados en SPT y CPT Con base en observaciones de campo Meyerhof (1976) sugirió que la resistencia de punta ultima qp, en un suelo granular homogéneo se puede obtener a partir de SPT como: 𝐿 𝑞𝑝 = 0.4𝑝𝑎 𝑁60 ≤ 4𝑝𝑎 𝑁60 𝐷 Donde: 𝑁60 es el valor promedio del numero de penetración estándar cerca de la punta del pilote (casi 10D arriba y 4D debajo de la punta del pilota 𝑝𝑎 es la presión atmosférica

Correlaciones para estimar Qp basados en SPT y CPT Briaud y otros (1985) sugirieron la correlación siguiente para qp, en un suelo granular a partir de SPT como: 0.36 𝑞𝑝 = 19.7𝑝𝑎 𝑁60 Meyerhof (1956) también sugirió que 𝑞𝑝 ≈ 𝑞𝑐 (en suelo granular) Donde 𝑞𝑐 es la resistencia a la penetración de cono

Resistencia por fricción Qs en arena  De acuerdo con la siguiente ecuación:

 La resistencia unitaria por fricción f, es difícil de estimar y para estimarla se deben tener en cuenta: 1. La naturaleza del hincado del pilote. Para pilotes hincados en arena, la vibración causada durante su hincado ayuda a densificar el suelo a su alrededor. La zona de densificación de la arena puede ser hasta 2.5 veces el diámetro del pilote en la zona circundante a el.

Resistencia por fricción Qs en arena 2. Se ha observado que la naturaleza de la variación de f en el campo es aproximadamente como se ilustra en la figura. La fricción superficial unitaria aumenta con la profundidad mas o menos linealmente hasta una profundidad L´ y después permanece constante. La magnitud de la profundidad critica L´ es de 15 a 20 diámetros del pilote. Una estimación conservadora es: L´= 15D

Resistencia por fricción Qs en arena 3. A profundidades similares, la fricción superficial unitaria en arena suelta es mayor para un desplazamiento mayor del pilote, comparada con un pilote de bajo desplazamiento. 4. A profundidades similares, los pilotes perforados o hincados con ayuda de un chorro de agua tendrán una fricción superficial unitaria menor comparada con los pilotes hincados Tomando en cuenta los factores anteriores, se puede dar las relaciones aproximada siguientes:

Resistencia por fricción Qs en arena En la realidad la magnitud de K, varia con la profundidad y es aproximadamente igual al coeficiente de presión pasiva de la tierra Kp, en la parte superior del pilote y puede ser menor que el coeficiente de presión de la tierra en reposo Ko, a una profundidad mayor. Con base a resultados disponibles los valores de K, recomendados para las ecuaciones anteriores son:

Los valores de δ´,de varios investigadores varían entre 0.5φ y 0.8φ Mansur y Hunter (1970) en base a pruebas de campo reportan los siguientes valores:

Resistencia por fricción Qs en arena Valores de Mansur y Hunter (1970): Pilotes H Pilotes de tubo de acero

K=1.65 K=1.26

Pilotes de concreto precolados

K=1.50

 Coyle y Castello (1981) propusieron:

 El coeficiente de presión lateral de tierra K, que se determino de observaciones de campo se muestra en al siguiente figura:

Resistencia por fricción Qs en arena Coyle y Castello (1981) y:

Resistencia por fricción Qs en arena Correlaciones con SPT Meyerhof (1976) indico que la resistencia unitaria promedio fprom para pilotes hincados de alto desplazamiento se podría obtener a partir de valores promedio de la resistencia a la penetración estándar (SPT) como: 𝑓𝑝𝑟𝑜𝑚 = 0.02𝑝𝑎 𝑁60 Donde:

𝑁60 Es el valor promedio a la penetración estándar} 𝑝𝑎 Es la presión atmosférica (=100kN/m2) para pilotes hincados de bajo desplazamiento

𝑓𝑝𝑟𝑜𝑚 = 0.01𝑝𝑎 𝑁60

Resistencia por fricción Qs en arena Correlaciones con SPT Briaud y otros (1985) sugirieron que: 𝑓𝑝𝑟𝑜𝑚 = 0.224𝑝𝑎 𝑁60

0.29

Donde: 𝑁60 Es el valor promedio a la penetración estándar}

𝑝𝑎 Es la presión atmosférica (=100kN/m2) por consiguiente:

𝑄𝑠 = 𝑓𝑝𝑟𝑜𝑚 (𝑝)(𝐿)

Resistencia por fricción Qs en arena Correlaciones con CPT 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 y sugirieron que:

f= 𝑓𝑐 𝛼´

La variación de 𝛼´ con z/D para parámetros de cono eléctrico se muestran en las siguientes figuras:

𝑄𝑠 =

𝑝

∆𝐿 𝑓 =

𝑝

∆𝐿 𝑓𝑐 𝛼´

Resistencia por fricción Qs en arena Correlaciones con CPT

Resistencia por fricción Qs en arena Correlaciones con CPT