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Fundaciones profundas (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: [email protected] Juan M. Fernández V: [email protected]

Fundaciones profundas - materias.fi.uba.armaterias.fi.uba.ar/6408/402 Fundaciones profundas.pdf · Fundaciones superficiales y profundas Las fundaciones superficiales (bases, plateas)

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Fundaciones profundas

(84.07) Mecánica de Suelos y Geología

Alejo O. Sfriso: [email protected]

Juan M. Fernández V: [email protected]

Índice

• Definición y tipos de fundaciones profundas

• Métodos de diseño

• Curvas carga-asentamiento

• Fricción negativa

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

2

Fundaciones superficiales y profundas

Las fundacionessuperficiales(bases, plateas)transmiten cargaal terreno por suplano inferior

Las fundacionesprofundas(pilas, pilotes)transmiten cargaal terreno por suplano inferiory superficie lateral

3

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Cargas horizontales Fricción negativa

Empujes laterales Esfuerzos de corte

Fundaciones profundas

Pueden ser

• Verticales

• Inclinadas

Pueden tener cargas

• Axiales

• Transversales

• En el fuste

Pueden trabajar en grupo

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

4

Tipos de pilote

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)

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

5

Índice

• Definición y tipos de fundaciones profundas

• Métodos de diseño

• Curvas carga-asentamiento

• Fricción negativa

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

6

Métodos de diseño

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

7

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

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 componentedepende de la estratigrafía y métodoconstructivo

Diseño por capacidad de cargaF

un

da

cio

nes p

rofu

nd

as

8

�� = �� + ��

Métodos para determinar la capacidad de carga

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 onda9

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Capacidad de carga por la punta

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

10

La capacidad de carga por la punta depende de

• Ficha

• Parámetros resistentes del terreno

• Tapada y napa

�� = ��� + �� · �� · ����

�� = �� − 1 cot �

Capacidad de carga por la punta

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

11

La capacidad de carga por la punta depende de

• Ficha

• Parámetros resistentes del terreno

• Tapada y napa

Diferentes coeficientes ��

según diferentes autores

�� = ��� + �� · �� · ����

�� = �� − 1 cot �

Fricción lateral

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 �12

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

�� = �� + ��� tan �

13

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Fricción lateral no drenada: método �(sólo arcillas uniformes no cementadas)

�� = � � ��

El terreno controla la resistencia

El terreno controla la resistencia

0.5 ≤ � = 1 −�� − 25���

100���≤ 1.0

Fricción lateral en arenas: método �(muy discutido, no depende de �)

• Arenas

– Con desplazamiento

– Sin desplazamiento

• Gravas

– Gruesas

– Finas

14

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

�� = ����

� = 0.18 + 0.65��

� = 1.5 − 0.245 � �

� = 2.0 − 0.15��.�� �

� = 3.4���.���� �

Suelo 1 – Grano fino

� = 20��/�3

�� = 80��/�2

�’ = 25°

Suelo 2 = Suelo 1

Calcule la capacidad de carga a corto y largo plazo

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

15

Ejercicio: capacidad de carga de un pilote

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

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

16

Ejercicio: capacidad de carga de un pilote

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

17

Factor de seguridad de fundaciones profundas

(USACE)

���� =�� + ��

��=

����

��

18

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Factor de seguridad, pilotes hincados

���� =�� + ��

��=

����

��

19

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Factor de seguridad, pilotes sin desplazamiento

���� =�� + ��

��=

����

��

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

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

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 intermediasFun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

21

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

22

Fórmulas de hinca

• En un choque rígido ideal

• En un choque elástico

• El martillo es un motor

Se pierde energía en el motor, el impacto y la compresión elástica de pilote y terreno

23

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

�� · � = � · ℎ

�� · � + �� = � · ℎ

�� · � + �� = � · � · ℎ

W

��

W

��

Fórmulas de hinca

El criterio de rechazo de especifica (por ejemplo) mediante

• E: energía de hinca

• N: prom golpes/pulgada para últimas 4 pulgadas

• Feff: factor eficienciaF

un

da

cio

nes p

rofu

nd

as

24

(WSDOT)�� �� = 21.6 · ���� · � ��� · ��(10�)

Pilotes en macizos rocosos

25

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Pilotes en macizos rocosos

26

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Índice

• Definición y tipos de fundaciones profundas

• Métodos de diseño

• Curvas carga-asentamiento

• Fricción negativa

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

27

Mecanismos resistentes y deformación de pilotes

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

28

Mecanismos resistentes y deformación de pilotes

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

29

Mecanismos resistentes y deformación de pilotes

El pilote toma cargas permanentes por fricción

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

30

Mecanismos resistentes y deformación de pilotes

El pilote toma cargas permanentes por fricción

La reacción de la punta sólo ocurre para deformaciones grandes

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

31

32

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

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 pro-ducen asentamientos adicionales

Q

Q

FQ

PQ

Qlinear

P P

F F

Q Q

Q

Q

Q

Q

Q

FQPQ

Qlinear

P P

F F

Q Q

Q

Q

Q

33

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Modelo hiperbólico aplicado a pilotes

• El ajuste se aplica indepen-dientemente a punta y fricción

• La respuesta global es hiperbólica únicamente si Qp es similar a Qf

Q

Q

FQ

PQ

Qlinear

P P

F F

Q Q

Q

Q

Q

Q

Q

FQPQ

Qlinear

P P

F F

Q Q

Q

Q

Q

* **Q P P

34

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arcilla

Φ = 2.0�

Pilote

� = 35� �� + 10�(��)

Propiedades mecánicas arcilla

���� > 50

�� = 80% → �� = 22º, ��� = 1

�� ��� ≅ 6.7��� ≅ 400���

E� = 500��

Capacidad de carga por la punta

��� = 10�� + �� = 4450���

��� = ���� ≅ 13.6��

�� = 0.75 → ��� = 18.1��

Rigidez por la punta

��� = 2�� Φ · A ≅ 640��/�⁄

��� ≅���

1 − ��� · ���

= 8.4��

Resistencia del fuste

��� = 13.4��

Rigidez del fuste

��� =���

1 − ��� · ��

= 2100��/�

�� = 0.1% · � = 0.1% · 25� = 2.5��

35

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arcilla

Q

P PQ

MN

m

Q

13.6rPQ MN

640

Pile 2 , tip

embedded in clays

m

36

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arcilla

Q

P P

F F

Q

Q

MN

m

Q

13.4rFQ MN

13.6rPQ MN

2100 640

Pile 2 , tip

embedded in clays

m

37

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arcilla

Q

Q

P P

F F

Q

Q

Q

MN

m

Q

13.4rFQ MN

13.6rPQ MN

2740 2100 640

Pile 2 , tip

embedded in clays

m

Rango de diseño

38

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arena

��� ≅ �� · � · tan � = 77���

Pilote

Propiedades mecánicas arena

Capacidad de carga por la punta

Rigidez por la punta

Resistencia del fuste

Rigidez del fuste

Φ = 2.0�

� = 25�

N��� = 36, D� = 75%

� ≅ 100 + 1000 D� + D�� ≅ 1400

� = 2 − 12� log � ≅ 0.42

�� = � · �� �� ��⁄ � = 220MPa

��� = �������

��� = 0.66 + �� − 0.33 /2

���� ≅ 4 · ����

��� = ��� · � = 39��

��� = 2�� Φ⁄ · A ≅ 690MN/m

��� ≅���

1 − ��� · ���

= 44��

��� = �� · � = MN

��� = 13.9��

��� =���

1 − ��� · ��

= 3720��/�

�� = 0.1% · � = 0.1% · 25�

39

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arena

Q

P PQ 39rPQ MN

690

MN

m

Q

Pile 2 , 25

embedded in dense sands

m L m

40

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arena

Q

P P

F F

Q

Q

12rFQ MN

39rPQ MN

3720 690

MN

m

Q

Pile 2 , 25

embedded in dense sands

m L m

41

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Ejemplo: pilote en arena

Q

Q

P P

F F

Q

Q

Q

12rFQ MN

39rPQ MN

4410 3720 690

MN

m

Q

Pile 2 , 25

embedded in dense sands

m L m

Rango de diseño

FIN

Índice

• Definición y tipos de fundaciones profundas

• Métodos de diseño

• Curvas carga-asentamiento

• Fricción negativa

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

42

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

43

Fricción negativa

La fricción negativa ocurre cuando el terreno se asienta más que el pilote

• Rellenos sobre suelos blandos

• Abatimiento de nivel freático

La fricción negativa produce

• Mayores asentamientos

• Mayor compresión en el pilote

�����Ñ� = ������� + ��(−)

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

44

Fricción negativa

La fricción negativa ocurre cuando el terreno se asienta más que el pilote

• Rellenos sobre suelos blandos

• Abatimiento de nivel freático

La fricción negativa noreduce la capacidad de carga porque en falla elpilote siempre se hundemas que el suelo

�����Ñ� = ������� + ��(−)

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

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Fricción negativa

La fricción negativa no reduce la capacidad de carga porque en falla el pilote siempre se hunde mas que el suelo

46

Fun

da

cio

nes p

rofu

nd

as

Normal Con friccion negativa

Bibliografía

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

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