(84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar Juan M. Fernández V: jmfvincent@gmail.com
Índice Definición y tipos de fundaciones profundas Métodos de diseño Curvas carga-asentamiento Fricción negativa 2
Fundaciones superficiales y profundas Las fundaciones superficiales (bases, plateas) transmiten carga al terreno por su plano inferior Las fundaciones profundas (pilas, pilotes) transmiten carga al terreno por su plano inferior y superficie lateral 3
Pueden ser Verticales Inclinadas Pueden tener cargas Axiales Transversales En el fuste Pueden trabajar en grupo Cargas horizontales Fricción negativa 4 Empujes laterales Esfuerzos de corte
Tipos de pilote 5 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)
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Métodos de diseño 7 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
Diseño por capacidad de carga 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 componente depende de la estratigrafía y método constructivo 8
Métodos para determinar la capacidad de carga 9 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 onda
Capacidad de carga por la punta La capacidad de carga por la punta depende de Ficha Parámetros resistentes del terreno Tapada y napa = + = 1 cot 10
Capacidad de carga por la punta La capacidad de carga por la punta depende de Ficha Parámetros resistentes del terreno Tapada y napa = + = 1 cot Diferentes coeficientes según diferentes autores 11
Fricción lateral 12 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 = + tan
Fricción lateral no drenada: método (sólo arcillas uniformes no cementadas) El terreno controla la resistencia El terreno controla la resistencia = 13 0.5 = 1 25 100 1.0
Fricción lateral en arenas: método (muy discutido, no depende de ) 14 Arenas Con desplazamiento = 0.18 + 0.65 Sin desplazamiento = 1.5 0.245 Gravas Gruesas = 3.4. Finas = 2.0 0.15. =
Ejercicio: capacidad de carga de un pilote Suelo 1 Grano fino = 20 / 3 = 80 / 2 = 25 Suelo 2 = Suelo 1 Calcule la capacidad de carga a corto y largo plazo 15
Ejercicio: capacidad de carga de un pilote 16 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
Factor de seguridad de fundaciones profundas = + = 17 (USACE)
Factor de seguridad, pilotes hincados = + = 18
Factor de seguridad, pilotes sin desplazamiento = + = 19
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 20
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 intermedias 21
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Fórmulas de hinca En un choque rígido ideal = h En un choque elástico + = h El martillo es un motor + = h h W W Se pierde energía en el motor, el impacto y la compresión elástica de pilote y terreno 23
Fórmulas de hinca El criterio de rechazo de especifica (por ejemplo) mediante E: energía de hinca N: prom golpes/pulgada para últimas 4 pulgadas F eff : factor eficiencia = 21.6 (10 ) (WSDOT) 24
Pilotes en macizos rocosos 25
Pilotes en macizos rocosos 26
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Mecanismos resistentes y deformación de pilotes 28
Mecanismos resistentes y deformación de pilotes 29
Mecanismos resistentes y deformación de pilotes El pilote toma cargas permanentes por fricción 30
Mecanismos resistentes y deformación de pilotes El pilote toma cargas permanentes por fricción La reacción de la punta sólo ocurre para deformaciones grandes 31
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 producen asentamientos adicionales linear P F P F linear P F P F P F P F 32
Modelo hiperbólico aplicado a pilotes P P El ajuste * se aplica independientemente a punta y fricción * * La respuesta global es hiperbólica únicamente si p es similar a f linear P F P F linear P F P F P F P F 33
Ejemplo: pilote en arcilla Pilote Φ = 2.0 = 35 + 10 ( ) Rigidez por la punta = 2 Φ A 640 / 1 = 8.4 Propiedades mecánicas arcilla > 50 = 80% = 22º, = 1 6.7 400 E = 500 Resistencia del fuste = 13.4 34 Capacidad de carga por la punta = 10 + = 4450 = 13.6 = 0.75 = 18.1 Rigidez del fuste = 1 = 2100 / = 0.1% = 0.1% 25 = 2.5
Ejemplo: pilote en arcilla Pile 2 m, tip embedded in clays P P rp 13.6MN MN m 640 35
Ejemplo: pilote en arcilla Pile 2 m, tip embedded in clays P F P F rf rp 13.4MN 13.6MN MN m 2100 640 36
Ejemplo: pilote en arcilla Pile 2 m, tip embedded in clays P F P F Rango de diseño rf rp 13.4MN 13.6MN MN m 2740 2100 640 37
Ejemplo: pilote en arena Pilote Φ = 2.0 = 25 Rigidez por la punta = 2 Φ A 690MN/m 1 = 44 Propiedades mecánicas arena N = 36, D = 75% 100 + 1000 D + D 1400 = 2 1 2 log 0.42 = = 220MPa Resistencia del fuste tan = 77 = = MN = 13.9 38 Capacidad de carga por la punta = = 0.66 + 0.33 /2 4 = = 39 Rigidez del fuste = 1 = 3720 / = 0.1% = 0.1% 25
Ejemplo: pilote en arena Pile 2 m, L 25m embedded in dense sands P P rp 39MN MN m 690 39
Ejemplo: pilote en arena Pile 2 m, L 25m embedded in dense sands P F P F rf rp 39MN 12MN MN m 3720 690 40
Ejemplo: pilote en arena Pile 2 m, L 25m embedded in dense sands P F P F Rango de diseño rf rp 39MN 12MN MN m 4410 3720 690 41 FIN
Índice Definición y tipos de fundaciones profundas Métodos de diseño Curvas carga-asentamiento Fricción negativa 42
Fricción negativa La fricción negativa ocurre cuando el terreno se asienta más que el pilote Ñ = + ( ) Rellenos sobre suelos blandos Abatimiento de nivel freático La fricción negativa produce Mayores asentamientos Mayor compresión en el pilote 43
Fricción negativa La fricción negativa ocurre cuando el terreno se asienta más que el pilote Ñ = + ( ) Rellenos sobre suelos blandos Abatimiento de nivel freático La fricción negativa no reduce la capacidad de carga porque en falla el pilote siempre se hunde mas que el suelo 44
Plano o eje neutro Toda la fricción disponible por encima del plano neutro es negativa Se deben analizar deformaciones del suelo y del pilote 45
Fricción negativa La fricción negativa no reduce la capacidad de carga porque en falla el pilote siempre se hunde mas que el suelo 46 Normal Con friccion negativa
Bibliografía 47 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