MECÀNICA DEL SÒL I DE LES ROQUES - rua.ua.esrua.ua.es/dspace/bitstream/10045/39455/17/Tema_17... · Introducció Definició de fonamentació - Tota estructura (pont, edifici, sitja,

MECÀNICA DEL SÒL I DE LES ROQUES

Tema 17 – Fonamentacions profundes

Dept. d'Enginyeria Civil - Àrea d'Enginyeria del Terreny

Miguel Cano González

IntroduccióDefinició de fonamentació

- Tota estructura (pont, edifici, sitja, presa, etc.) ha d’estarnecessàriament suportada en el terreny.- Com que el terreny és més feble i deformable que elselements de construcció (acer o formigó) Cal disposard’elements que transmeten les tensions de les estructures alterreny FONAMENTACIONS.- La forma i dimensions de les fonamentacions depenen deles càrregues i de la naturalesa del terreny.

Tipus

Directes o superficials Construïdes a poca profunditat en sòls competents.

Profundes Construïdes a gran profunditat en sòls poc competents.

Fonamentacions profundesPiló

- Fonament profund que transmet les càrregues al terreny através d'un estrat de gran espessor o a un estrat profund demajor competència.- Element estructural longitudinal, de petita secció executadaa través del terreny, al qual transmet les càrregues del'estructura.- Segons Costet i Sanglerat: fonament profund D/B>10- Segons la Guia de fonamentacions en obres de carretera D/B>5- Estan documentats per Vitruvi (any 59 dC).- Es poden aconseguir profunditats de 60 m, diàmetres de 4 mi suportar càrregues de 20.000 KN (2000 t).

Fonamentacions profundesPiló

- S’empra:- En sòls amb baixa capacitat portant (fangs, torbes, etc.) Pressions de treball inferiors a 0,1 N/mm2 Resistència baixa.- En sòls molt deformables.- Quan hi ha un nivell freàtic elevat o es treballa en zonesmarines Major economia.- Amb grans càrregues concentrades.- Perill de soscavació Piles de ponts en lleres de rius.- Sòls blans en general.

Fonament. profundesParts

- Punta (o base): extrem inferior delpiló.- Cap: extrem superior del piló.- Fust: superfície perimetral del piló,cos del piló delimitat pel cap i lapunta.- Encepat: zona d'unió dels pilonsamb els pilars.

PILAR BIGA DE TRAVA

ENCEPAT

PILÓFUST

PUNTA

Fonamentacions profundesPilons - Tipus-s/ Forma de treball

- Pilons de fricció (per fust) Pilons flotants o de fricció- Pilons per punta Pilons columna

-s/ Mètode constructiu- Pilons prefabricats clavats- Pilons perforats (o excavats) de formigó in situ

-s/ Material- Formigó in situ- Formigó prefabricat- Acer- Fusta- Mixt

-s/ Forma secció transversal- Circular- Quadrada- Hexagonal- Octogonal- En H- Altres

Fonamentacions profundesPilons – Tipus (continuació)-s/ Tipus d'entubament

- Entubament obert- Entubament tancat- Entubament taponat

-s/ Diàmetre- Pilons D > 300 mm*- Micropilons D < 300 mm*

(*) Aquest límit (diàmetre) canvia en funció de la normativa considerada

Fonamentacions profundesPilons-s/ Forma de treballPilons per fust: transmeten la seua càrrega al terreny fonamentalment a través del fust Pilons flotants o de fricció.

Pilons per punta: les càrregues es transmeten fonamentalmentper punta Pilons columna.

Fonamentacions profundesFORMA DE TREBALL D’UN PILÓ

PILÓ COLUMNA PILÓ FLOTANT

Fonamentacions profundesPilons

-s/ Mètode constructiu

Pilons prefabricats clavats: l’execució implica el desplaçament del terreny i això pot induir un cert augment de la seua compacitat.

Pilons perforats (o excavats) de formigó in situ: solen ser formigonats en perforacions prèvies que poden realitzar-se amb tècniques bastant diferents entre si.

Fonamentacions profundesPilons-s/ Material pilóFormigó in situ: es realitzen mitjançant perforació o excavacióprèvia, encara que també poden executar-se mitjançantdesplaçament del terreny o amb tècniques mixtes (excavació idesplaçament parcials).Formigó prefabricat: pot ser formigó armat (formigons d'alta resistència) o formigó pretesat.Acer: solen utilitzar-se seccions tubulars o perfils en doble U o en H. Els pilons d'acer se solen clavar amb proteccions en la punta (guaspa, azuche [cast.], pile shoe [en.]).Fusta: és una solució comuna per a pilonar zones toves àmplies, per a suport d'estructures amb llosa o terraplens. El tipus de fusta més usat és el tronc d'eucaliptus.Mixtos: constituïts per combinació de dos o més materials.


-s/ Forma de la secció transversal

Circular

Quadrada

Hexagonal

Octogonal

En H

Altres

H

Fonamentacions profundes-En grups de pilons el clavament hade fer-se des de dins cap a fora.

- En hissar-los apareixen esforços de flexió més armadura.

ImportànciaFonamentacions profundesPILÓ TIPUS HERKULES

PILÓ TIPUS TERRATEST

Congreny (cast. zuncho)

Junta (2 peces iguals)

Guaspa (cast. azuche) especial per a roca

Guaspa (cast. azuche) plana o piramidal

Junta(2 peces diferents)

SECCIÓHEXAGONAL

SECCIÓQUADRADA

CPP-1: PILÓ PREFABRICAT DE FORMIGÓ ARMAT

ImportànciaFonamentacions profundes

Hissat Clavament

Martinet proveït de maça

Fonamentacions profundes


TIPUS DE PILÓ (NTE-CPP-1978) NO S’HAN D’UTILITZAR AMBCPP – 1 i 2 CUDOLS GRANS

RESTES DE CIMENTACIÓCIMENTACIÓ EN ÚS

PILONS PREFABRICATS


-s/ Forma de treballPilons per fust: transmeten la seua càrrega al terreny fonamentalment a través del fust pilons flotants o de fricció.

Pilons per punta: les càrregues es transmeten fonamentalmentper punta pilons columna.



ImportànciaFonamentacions profundes(Hélix de perforació i col·locació d’armadures)

ImportànciaFonamentacions profundesEncepat

Fonamentacions profundesCPI-8: PILÓ IN SITU D’EXTRACCIÓ AMB

BARRINA CONTÍNUA DE FUST BUIT

PILONS DE BARRINA CONTÍNUA (Starsol)


Fonamentacions profundesAltres aplicacions dels pilons

Murs o pantalles de pilons


Estabilització de lliscaments de vessants i terraplens


Pantalans i molls de ports


Pantalans i molls de ports


Piles de ponts en rius


Piles de ponts en rius

Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE

*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si hi ha la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació de talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)

*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)


*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si hi ha la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació de talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny per les càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)


Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un piló aïllat

Rck = Rpk + Rfk

Resistència característica a

l'enfonsament d'un piló aïllat

Resistència per punta

Resistènciaper fust

Rck

Rpk

Rfk

Plantejant l’equilibri ΣF=0:


Rck = Rpk + Rfk



Resistènciaper punta

Resistènciaper fust

Rck

Rpk

Rfk

Plantejant l’equilibri ΣF=0:

Fonamentacions profundesCàrrega admissible d'un piló aïllat

S'obté dividint la càrrega d'enfonsament entre unfactor de seguretat apropiat:

Radm = (Rpk + Rfk) / R = Rck / R

R = 3.0 Per a llarg terminiR = 2.0 Per a curt termini i situacions

extraordinàries

Fonamentacions profundesCàlcul de pilonsDiàmetres equivalents

- Per a l’avaluació de la resistència per punta:

Deq = (4/ A)1/2

- Per a l’avaluació de la resistència per fust:

Deq = 1/ L


La resistència característica per punta serà:

Rpk = qp Ap

qp = resistència unitària per puntaA = àrea de la punta del piló


La resistència característica per fust serà:

Rfk = ∫0L f pf dz

f = resistència unitària per fustpf = perímetre de la secció transversal del pilóz = profunditat mesurada des de la part superior delpiló

z

dz

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d'enfonsament de pilons

En sòls

- Resistència per punta (Rpk)- Mètodes analítics- Mètodes basats en assajos de penetració in situ (SPT, CPT, pressiòmetre, etc.)

- Resistència per fust (Rfk)- Mètodes analítics- Mètodes basats en assajos de penetració in situ (SPT, CPT, pressiòmetre, etc.)

- Resistència global (Rck = Rpk + Rfk)- Proves de càrrega

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)

Resistència per punta - Sòls granulars:qp = fp ’vp Nq ≤ 20MPa

Resistència unitària d'enfonsament per punta

fp=3 en pilons clavats

fp=2.5 en pilons formigonats in situ

Pressió vertical efectiva natural al nivell de la punta = Σi zi

Factor de capacitat de càrrega:

Nq=(1+senØ’)/(1-senØ’)etanØ’


Resistència per punta - Sòls fins – Llarg termini (amb drenatge):qp = fp ’vp Nq ≤ 20MPa


fp=3 en pilons clavats

fp=2.5 en pilons formigonats in situ

Pressió vertical efectiva natural al nivell de la punta = Σi zi

Factor de capacitat de càrrega:

Nq=(1+senØ’)/(1-senØ’)etanØ’


Resistència per punta - Sòls fins – Curt termini (sense drenatge):qp = Np cu


Factor d’encastament: Recomanable Np=9

Resistència al tall sense drenatge al nivell de la punta (2D per damunt i 2D per sota de la punta)


Resistència per fust - Sòls granulars:f = ’v kf f tg Ø’≤ 120 kPa

Resistència unitària per

fust

Tensió vertical efectiva al nivell considerat

Coeficient d'empenta horitzontal:Kf=1 en pilons clavatsKf=0.75 en pilons perforats

Angle de fricció intern del terreny

Factor de reducció de la fricció per fust:f=1 en pilons formigonats in situ i de fustaf=0.9 en pilons prefabricatsf=0.8 en pilons d’acer


Resistència per fust - Sòls fins – Curt termini (sense drenatge):f = 100 cu/(100 + cu)

Resistència unitària per fust en KPa

Resistència al tall sense drenatge en KPa. cu=qu / 2 qu=resistència a compressió simple

NOTA: En pilons amb fust d'acer f es multiplicarà per 0.8


Resistència per fust - Sòls fins – Llarg termini – (amb drenatge):f = ’v kf f tg Ø’≤ 100 kPa


fust

Tensió vertical efectiva al nivell considerat

Coeficient d'empenta horitzontal:Kf=1 en pilons clavatsKf=0.75 en pilons perforats

Angle de fricció intern del terreny

Factor de reducció de la fricció per fust:f=1 en pilons formigonats in situ i de fustaf=0.9 en pilons prefabricatsf=0.8 en pilons d’acer

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons(mètode basat en assajos in situ - SPT)Resistència per punta - Sòls amb partícules majors de20 mm <30%

qp = fN N (Mpa)

Resistència unitària per punta (Mpa)

Valor mitjà del SPT. S'obtindrà com a mitjana de les mitjanes corresponents a la zona activa inferior i passiva superior

0.4 pilons clavats

0.2 pilons formigonats in situ

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons(mètode basat en assajos in situ - SPT)

EQUILIBRI VERTICAL

ZONA PASSIVA

ZONA ACTIVA

ZONA D’INFLUÈNCIA DE PUNTA

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons(mètode basat en assajos in situ - SPT)Resistència per fust - Sòls amb partícules majors de 20 mm<30%

f = 2.5 NSPT (kPa)

Resistència unitària per fust (Kpa)

Valor del SPT al nivell considerat ≤ 50 colps

NOTA: Per a pilons metàl·lics, cal reduir la resistència per fust un 80%

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d'enfonsament en pilons

En roca

-- Resistència per punta (Rp)- Mètodes analítics

-- Resistència per fust (Rf)- Mètodes analítics

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (Mètode analític)Resistència per punta (en roca)

qp,d = Ksp qu df


punta

Factor d'encastament:

df = 1 + 0.4 Lf / d ≤ 3 amb:

Lf= longitud d'encastament

D = diàmetre real o equivalent del piló

Ksp=(3+s/D) / (10(1+300 a/s)1/2)

s = espaiat de les discontinuïtats

D = diàmetre real o equivalent del piló

a = obertura de la discontinuïtat

Resistència a compressió simple de la roca

Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)Resistència per fust en l'encastament (en roca)

f,d = 0.2 qu0.5

Resistència unitària per fust (Mpa)

Resistència a compressió simple de la roca (MPa)


Rck = Rpk + Rfk



Resistència per punta

Resistència per fust

Rck

Rpk

Rfk

Plantejant equilibri ΣF=0:

Fonamentacions profundesCàrrega admissible d'un piló aïllat

S'obté dividint la càrrega d'enfonsament entre unfactor de seguretat apropiat:

Rcd = (Rpk + Rfk) / R = Rck / R

R = 3.0 Per a llarg terminiR = 2.0 Per a curt termini i situacionsextraordinàries

Fonamentacions profundesCondició d'enfonsament

El trencament es produirà quanla càrrega vertical sobre el capdel piló supere la resistència delterreny. Per tant, es compleix lacondició d’enfonsament si:

P < Rcd

Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un grup de pilons

-Quan hi ha n pilons en un encepat amb separacions≤ 3D, la càrrega d'enfonsament del grup serà ≤ n xRck a causa de la interacció entre ells-La càrrega d'enfonsament del grup de pilons seràigual a:

Rckg = x n x Rck

= 1 per a separacions entre eixos ≥ 3D = 0.7 per a separacions de 1D = interpolat per a separacions entre 1D i 3D

Fonamentacions profundesCàrrega admissible d'un grup de pilons

La càrrega admissible d'un grup de pilons serà iguala:

Rcdg = Rckg / R = ( x n x Rck) / R

I haurà de complir-se que:P < Rcdg

R = 3.0 Per a llarg terminiR =2.0Per a curt termini i situacions

extraordinàries


*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si existeix la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)


Fonamentacions profundesCondició d'estabilitat global

Superfícies de lliscament




Fonamentacions profundesCondició de trencament per arrencada

Rfk

Rpk

Rfkt = 0.7 x Rfk

La resistència a tracció és igual al 70% de la resistència per fust a compressió.

Ha de complir-se que:

P < Rfkt/R

R = 3.5 per a situacions persistents i 2.3 per a accidentals




Fonamentacions profundesCondició de trencament horitzontal del terreny

Es comprovarà quan les càrregues horitzontals sobre el piló siguen superiors al 10% de la càrrega vertical. És a dir, quan:

H > P x 0.1

H




Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del piló

Es comprovarà que els pilons són capaços de suportar les sol·licitacions que actuen sobre ells (tallants, axials i flectors)


Accions sobre els pilons:


Accions sobre els pilons:(se suposa encepat rígid i pilons articulats)

Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del pilóLímit estructural:Ha de comprovar-se que la càrrega axial de cada piló no supere el valor del topall estructural:

Àrea secció transversal del piló

Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del pilóFlectors:Ha de comprovar-se que cada piló és capaç de suportar l'esforç tallant i el moment flector al qual està sotmès:

Llei de moments flectors a causa de la força horitzontal que actua en el cap del piló

Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del pilóFlectors:Ha de comprovar-se que cada piló és capaç de suportar l'esforç tallant i el moment flector al qual està sotmès:

Llei de moments flectors a causa del moment actuant en el cap del piló


*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si hi ha la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)


Fonamentacions profundesAssentament d'un piló aïllat

L’assentament d'un piló aïllat pot calcular-se com:

Fonamentacions profundesAssentament d'un grup de pilons

-L’assentament d'un grup de pilons pot ser major que el d'un piló aïllat a causa dels efectes d'interferència.

-El càlcul de l’assentament del grup es du a terme com si es tractara d'una fonamentació superficial de dimensions B1 x L1 (funció de la disposició dels pilons, de la seua longitud i de α ) que ha de suportar tota la càrrega del grup, situada a una profunditat z sota el terreny (z= α.l2).

B1= Bgrup+(1-α) l2

L1= Lgrup+(1-α) l2

Fregament negatiu en pilotesFREGAMENT NEGATIU:El sòl circumdant assenta El sòl es penja del piló Indueix una COMPRESSIÓ

CAUSES:- Consolidació natural del rebliment que travessa els pilons

- Col·locació d'un reble o terraplè en la zona per a elevar la cota

- Col·locació de sobrecàrregues- Accions dinàmiques vibracions, terratrèmols, etc. que compacten el terreny

- Subsidència


Fregament negatiu en pilotes

Sòl compressible

Roca


Documents

MECÀNICA DEL SÒL I DE LES ROQUES - rua.ua.esrua.ua.es/dspace/bitstream/10045/39455/17/Tema_17... · Introducció Definició de fonamentació - Tota estructura (pont, edifici, sitja,