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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER MAESTRÍA EN GEOTECNIA MÓDULO SOBRE

CIMENTACIONES PROFUNDAS Ing. Jorge Enrique Durán G., M.Sc. Bucaramanga, 21 – 29 de junio de 2013

APLICABILIDAD

El empleo de los pilotes y las pilas como elementos de cimentación de estructuras de cualquier tipo se hace necesario cuando la solución de cimentación superficial es técnicamente imposible o difícil de plantear, diseñar y construir, o cuando la solución de cimentación profunda es simplemente más conveniente y ventajosa que la superficial por consideraciones constructivas o de costos.

El empleo de los pilotes y las pilas se hace necesario o conveniente cuando se presentan ciertas circunstancias o condiciones. Las aplicaciones del empleo de pilotes o de pilas son las siguientes:

• Los pilotes y pilas transmiten las cargas de la estructura a través del agua y de estratos blandos o sueltos hasta un estrato portante de buena resistencia y baja deformabilidad que se encuentra a cierta profundidad (pilotes de punta).

• Los pilotes y pilas transmiten las cargas de la estructura a niveles más profundos de un estrato o de una secuencia de estratos de baja resistencia sin alcanzar un estrato portante de gran resistencia, derivando su capacidad principalmente por fricción. Los niveles y capas inferiores del suelo son progresivamente más resistentes y menos compresibles que los superiores gracias al confinamiento. Así se puede lograr una cimentación segura y adecuada (pilotes de fricción).

• Pilotes o pilas transmiten la carga de la estructura de un puente a estratos portantes por debajo de la profundidad de socavación en corrientes de agua. • Pilotes de compactación de suelos granulares relativamente sueltos incrementan su compacidad y, en consecuencia, su capacidad de carga por fricción y por punta.

• Pilotes de tensión tienen la capacidad para resistir fuerzas de arranque o fuerzas de subpresión contra estructuras, o al trabajar conjuntamente con pilotes a compresión, configuran mecanismos resistentes a momentos importantes de volcamiento sobre la fundación de estructuras de gran altura y/o de gran esbeltez.

• Pilotes pueden configurar de anclaje resistentes horizontales en algunas usualmente combinando tensión con pilotes a

mecanismos a empujes estructuras pilotes a compresión.

• Pilotes inclinados sirven para resistir cargas horizontales gracias a la componente horizontal de la carga axial sin necesidad de quedar sometidos a flexión ellos mismos o los pilotes verticales vecinos.

• Pilotes de defensa son parte integrante de estructuras que se deforman elásticamente bajo cargas dinámicas, lo que les confiere gran capacidad de amortiguamiento de energía y les permite proteger estructuras frente al agua (muelles) del impacto de embarcaciones y otros elementos flotantes masivos.

TIPOLOGÍA • • • • •

Según el material Según el procedimiento de instalación Según su forma Según el tipo de carga en el pilote o pila Según la transferencia de carga al suelo • Según su verticalidad

• Según el material: - Madera: sin tratar o tratada. - Concreto: prefabricado (reforzado o preesforzado) y fundido in-situ (varios tipos). - Acero: Pilotes H, pilotes tubulares y pilotes caja, y tablestacas. - Compuesto: - Cambio de material con la profundidad: Madera-acero o concreto-madera. - Sección transversal compuesta: camisa o tubo de acero relleno de concreto con o sin un alma adicional de una sección de acero.

• Según el procedimiento de instalación: - Hincados de gran desplazamiento: preformados macizos o huecos con fondo cerrado, llenados o no después de hincar, o fundidos in-situ después de hincar una sección tubular cerrada que se va retirando a medida que se funde el concreto.

-Hincados de pequeño desplazamiento: pilotes hincados de acero de sección H, perfiles tipo riel, tubos o cajas con extremo abierto (siempre que no se forme tapón al hincar), y pilotes atornillados. - Pilotes gateados por secciones: pueden ser de gran desplazamiento o de pequeño desplazamiento, similar a los hincados con golpes de martinete.

- Instalados sin desplazamiento: pilotes pre-excavados y fundidos insitu. De concreto. Las paredes pueden ser soportadas permanente o temporalmente con revestimiento de acero o por la acción de lodos bentoníticos o poliméricos.

• Según su forma: - Sección transversal: circular, cuadrada, anular, rectangular, sección H, o grandes secciones compuestas por rectángulos llegando a figuras tipo X, L, C, H o cruz. - Forma telescópica

• Según el tipo de carga en el

pilote o pila: - Carga de compresión pura - Carga de flexo-compresión - Carga de tracción

• Según la transferencia de carga

al suelo: - De punta - De fricción - De punta y de fricción

•

Según su verticalidad:

-

Verticales

-

Inclinados

PILOTES PROCESOS CONSTRUCTIVOS

3.1. Pilotes hincados

•

Equipos de hinca

•

Pilotes

•

Procedimiento

•

Controles

PILOTES HINCADOS SÓLIDOS

PILOTES HINCADOS PRE-ESFORZADOS

PILOTES HINCADOS EN EL MAR

3.2 Pilotes pre-fabricados gateados •

Equipos de gateo

•

Pilotes

•

Procedimiento

•

Controles

Pilotes pre-excavados y fundidos insitu • Equipos de excavación del suelo y de fundición del concreto • Revestimientos • Lodos de estabilización • Procedimiento • Controles

PILOTES PRE-EXCAVADOS Y FUNDIDOS IN-SITU DE GRAN DIAMETRO Y ACAMPANADOS

PILOTES PRE-EXCAVADOS Y FUNDIDOS IN-SITU RECTOS Y LARGOS

DAÑOS DE PILOTES PRE-EXCAVADOS

PILAS Proceso Constructivo Controles

CAJONES Proceso Constructivo Controles

1

CAPACIDAD DE CARGA DE PILOTES AISLADOS • Análisis por Mecánica de Suelos • Fórmulas dinámicas de impacto • Ensayos de carga

ANÁLISIS POR MÉCANICA DE SUELOS

MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA La máxima resistencia por fricción a lo largo del fuste de un pilote se moviliza completamente cuando el movimiento relativo pilote-suelo alcanza un valor muy pequeño: 5 – 10 milímetros, y es independiente del diámetro y de la longitud del pilote.

Por el contrario, para que se movilice la totalidad de la resistencia por la base se necesita un desplazamiento hacia abajo que depende del tipo y de la condición del suelo, del proceso de instalación, del confinamiento y del diámetro del pilote. Dicho valor es del orden de 5-10% de B, diámetro del pilote, para pilotes hincados en arenas densas o en arcillas firmes, y puede ser tan alto como 25% de B para pilotes pre-excavados y fundidos in-situ en arcillas blandas.

Resistencia al arranque de un pilote individual (continuación)

FÓRMULAS DINÁMICAS DE IMPACTO

Principio de las Fórmulas Dinámicas de Impacto. (I) Energía suministrada al hincar.

Fu

s

Qpu

Energía suministrada se convierte en trabajo realizado más pérdidas. Energía aplicada por: – caída de un martillo o pesa. – martillo de acción simple. – martillo diferencial de acción doble. – Otros medios.

Trabajo realizado, T, es: T= Ru x s

Principio de las Fórmulas Dinámicas de Impacto. (II) Ru = Resistencia ofrecida por el pilote a su hincado. s = Penetración del pilote por un golpe aplicado. Pérdidas: -Por rozamiento de componentes de los dispositivos de aplicación de la energía. -Por deformación elástica de masa, cojinetes, cabezote y pilote. -Por calor generado en el sistema.

Principio de las Fórmulas Dinámicas de Impacto. (III) Así, Energía suministrada = Trabajo realizado + Pérdidas. E = RU x S + Pérdidas Y después, suponer que Ru = Qu = Fu + Qpu Fórmulas dinámicas de impacto no deben emplearse para estimar Qu de pilotes de fricción en arcillas sensitivas, pues se sub-valorará la capacidad real.

ENSAYOS DE CARGA DE PILOTES

ENSAYOS DE CARGA DE PILOTES - TIPOS 1.Lento, de carga controlada (ASTMD1143). 2.Rápido, con tasa constante de penetración (Europeo). 3.Sueco cíclico de carga controlada. 4.Rápido, de carga controlada. 5.Rápido, de carga controlada, modificado (propuesto por Bengt Fellenius,1975)

1. Lento, de carga controlada (ASTM-D-1143): • Qtrabajo o de diseño = Qtr • Qmáx de ensayo = 2Qtr para ensayo de pilote individual. =1.5Qtr para ensayo de grupo de pilotes. • ∆Q =0.25Qtr (Carga), (-∆Q)=0.5Qtr (Descarga) • Cada ∆Q se mantiene hasta cuando ds/dt ≤0.01”/hora (≤0.25mm/hora), pero no más de 2 horas.

1. Lento, de carga controlada (ASTM-D-1143): (Continuación) • Qmáx = 2Qtr se mantiene por lo menos 12 horas, hasta cuando ds/dt ≤0.01”/hora, pero no más de 24 horas. • -∆Q (decremento) se mantiene 1 hora. • Tiempo total de ensayo : 24-44 horas. • Tiempo total del ensayo, incluido montaje y desmontaje de vigas, gato, medidores, etc: 23 días.

2.Rápido, de tasa constante de penetración (Europeo): • Tasa constante de penetración = 0.02”/min (0.5mm/min) registrando la Q aplicada. • Se lleva hasta la penetración de 2”-3” (5075mm). • Tiempo total de aplicación de carga: 100-150 min. • Si se lleva hasta la falla, la curva Q-S (cargaasentamiento) permite establecer si es un pilote de punta, un pilote de punta y fricción en arena, o un pilote de fricción en arcilla.

2.Rápido, de tasa constante de penetración (Europeo): (Continuación) • No hay de establecida una etapa de descarga. • Se requieren dispositivos especiales (gato, bomba, etc. Para generar ds/dt constante y registrar la carga aplicada).

3. Sueco cíclico, de carga controlada: • • • • • • • •

Qtr = Carga de trabajo. 1/3 Qtr 10 ciclos. 1a etapa: 1/6Qtr 1/2 Qtr 20 ciclos. 2a etapa: 1/4Qtr 3a etapa: 1/3Qtr 2/3 Qtr 20 ciclos. 4a etapa: 5/12Qtr 5/6 Qtr 20 ciclos. 5a etapa: 1/2Qtr Qtr 20 ciclos. 6a etapa: 7/12Qtr 7/6 Qtr 20 ciclos. etc., hasta llegar a Qfalla ó Qfluencia.

3. Sueco cíclico, de carga controlada (continuación): • Qfluencia = Carga superior del intervalo de cicleo, cuando se presente que el asentamiento en ciclo N+1 es > asentamiento en ciclo N. • Duración en cada ciclo = 20 minutos. • Duración total del ensayo = 30-60 horas • El cicleo cambia comportamiento.

4.Rápido, de carga controlada: • Qtr = Q trabajo. • Llegar hasta 3Qtr en 20 incrementos. • Cada incremento, ∆Q = 0.15 Qtr, se mantiene 15 minutos. • Tiempo de ensayo = 5 horas. • Se toman lecturas de penetración cada 3 minutos. • Su curva Q-S se aproxima mucho a la del tipo 2 (rápido, de tasa constante de penetración). • Se define el pico de la curva.

5. Rápido, de carga controlada, modificado (B.Fellenius,1975): • Qtr = Q trabajo. • Llegar hasta Qmáx = 2.5 Qtr, con 16 incrementos de carga. • ∆Q = (2.5/16)Qtr; cada uno se mantiene por 15 minutos. • Duración total del ensayo = 4 horas • Al llegar a Q = 2.5 Qtr, mantenerla 15 minutos y descargar rápido, parando sólo para hacer lecturas de asentamientos a Q=2.0Qtr, 1.5Qtr, 1.0Qtr, 0.5Qtr, 0.

5. Rápido, de carga controlada, modificado (B.Fellenius,1975): (continuación) • Aplicar criterio determinar QU.

de

Davisson

para

• Si a esa QU se aplica F.S. = 2.5 para obtener Qtr, entonces, al ensayar 1 de cada 100 pilotes, el F.S.mín es ≈ 1.8-1.9, estadísticamente.

CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPOS DE PILOTES

GRUPO DE PILOTES EN ROCA

ASENTAMIENTOS DE GRUPOS DE PILOTES

ASENTAMIENTOS GRUPO DE PILOTES EN ARENA

ASENTAMIETOS GRUPO DE PILOTES EN ARCILLA

4 t/m3

CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTOS DE PILAS

CAPACIDAD DE CARGA Y ASENTAMIENTOS DE PILAS PRE-EXCAVADAS

CAPACIDAD DE CARGA

PILAS EN ARENA

CAPACIDAD DE CARGA BASADA EN ASENTAMIENTO: EN ARENA (TOUMA-REESE, 1974)

PILAS PRE-EXCAVADAS EN ARCILLA:

PILAS PROLONGADAS EN LA ROCA

FENÓMENO DE FRICCIÓN NEGATIVA

•A veces se ha practicado con éxito la pintura con bitumen del fuste de pilotes hincados en el tramo donde se espera la aparición del fenómeno de fricción negativa para reducirla.

PILOTES SOMETIDOS A CARGA LATERAL

SOLUCIÓN ELÁSTICA

ANÁLISIS DE CARGA ÚLTIMA: MÉTODO DE BROMS (1965)

ANÁLISIS POR CARGA ÚLTIMA: MÉTODO DE MEYERHOF (1995) Existe una serie de ecuaciones y de figuras para desarrollar este procedimiento de análisis

SISTEMA PLACA-PILOTES (I) 25 x 30

10 pisos

N.F

• La solución de placa corrida sin pilotes para este edificio: FS bajo (50cm) • Se complementa con pilotes. Así, el F.S. sube y los S bajan, y se puede llegar a una solución que cumpla estándares de aceptabilidad. • Los pilotes solos, aún trabajando a la falla, no dan soporte total al edificio.

SISTEMA PLACA-PILOTES (II) • Así, como ΣQui de pilotes es < ΣWedif., a largo plazo los pilotes trabajarán a la falla. • El proceso de interacción placa-pilotes-suelo se va dando y evolucionando a medida que se vayan presentando los asentamientos Si,Scp,etc. • Para que se dé el sistema placa-pilotes, los pilotes deben ir penetrando el suelo inferior con sus puntas a medida que el edificio se asienta. • Así, los pilotes toman su carga de falla y liberan de carga a la placa. Se incrementa, entonces, el F.S parcial de placa.

SISTEMA PLACA-PILOTES (III) • La gráfica de ∆s-z se prolonga en profundidad, reduciendo sus valores significativamente en las cercanías de la placa. • Los Si y Scp se disminuyen. • Los Scp no solamente se disminuyen sino que pueden retardarse significativamente a no ser que haya capas drenantes intermedias o inferiores.

PILOTES EN LAS NORMAS COLOMBIANAS •CÓDIGO COLOMBIANO DE DISEÑO SÍSMICO DE PUENTES - 1995

•NORMAS COLOMBIANAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN SISMORESISTENTE, NSR – 10

BIBLIOGRAFÍA • DAS, Braja M., “Principios de Ingeniería de Cimentaciones”, International Thomson Editores, Cuarta Edición, México, 2001. • WINTERKORN, Hans F., y FANG, Hsai-Yang, “Foundation Engineering Handbook”, Editorial Van Nostrand Reinhold, New York, 1975. • DELGADO, Manuel, “Ingeniería de Fundaciones” Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Santafé de Bogotá, D.C., 1996. • PECK, Ralph, HANSON, Walter y THORNBURN, Thomas, “Ingeniería de Cimentaciones”, Editorial Limusa, México, 1987.

BIBLIOGRAFÍA • WHITLOW, Roy, “Fundamentos de Mecánica de Suelos”, Editorial CECSA, Segunda Edición, México, 2000. • BERRY, Peter L. y REID, David, “Mecánica de Suelos”, Editorial McGraw-Hill Interamericana, S.A., Santafé de Bogotá D.C., 1993. • ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA, “Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente – NSR – 10”, Bogotá, D.C., 2010.