Pozos Perforados y Cajones

Dr. Jorge E. Alva Hurtado

ANLISIS GEOTCNICO DE POZOS PERFORADOS Y CAJONES DE

CIMENTACIN

ANLISIS GEOTCNICO DE POZOS PERFORADOS Y CAJONES DE

CIMENTACIN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAAFACULTAD DE INGENIERA CIVIL

SECCIN DE POST GRADO

POZOS PERFORADOS Y CAJONES DE CIMENTACIPOZOS PERFORADOS Y CAJONES DE CIMENTACINN

INTRODUCCINPOZOS PERFORADOS- Tipos de Pozos Perforados- Procedimientos Constructivos- Capacidad de Carga

En arenaEn arcilla

- Asentamiento de Pozos Perforados

CAJONES DE CIMENTACIN- Tipos de Cajones de Cimentacin- Capacidad de Carga- Espesor del Sello de Concreto en Cajones Abiertos

INTRODUCCIN

- Se denominan cajones de cimentacin, pilas, pozos perforados opilas perforadas.

- Cimentacin vaciada in-situ con dimetro mayor a 0.75 m, con osin acero de refuerzo y con o sin campana.

- El trmino pozo o pila perforada se refiere a un agujero perforadoo excavado al fondo de la cimentacin y luego vaciado conconcreto.

- En base al tipo de suelo, se puede usar entubado o listones de madera para prevenir la entrada de suelo a la excavacin.

- El dimetro es grande, de modo que pueda entrar personal deinspeccin.

VENTAJAS DE POZOS PERFORADOS- Un solo pozo en lugar de grupo de pilotes y cepa.

- Ms fcil construccin en arena y grava densa que hincar pilotes.

- Se pueden construir antes de la nivelacin del terreno.

- Se evita el empleo de martillos de hincado, que ocasionan ruido yy daan las estructuras vecinas.

- El hincado de pilotes en arcilla produce levantamiento del terrenoy movimiento lateral en pilotes ya hincados.

- La campana proporciona gran resistencia a la traccin.

- Se puede inspeccionar la base del pozo.

- Se emplea equipo ligero en la construccin.

- Tienen mayor resistencia a cargas laterales.

DESVENTAJAS DE POZOS PERFORADOS

- El concretado puede demorarse por mal tiempo.

- Se necesita buena supervisin.

- Puede producirse deformaciones en el terreno y dao a lasestructuras vecinas.

CAJN DE CIMENTACIN (CAISSON)

Es una subestructura utilizada en ros, lagos y muelles. Se

hunde la estructura hasta alcanzar terreno firme. En el fondo

existe un borde cortante, el material del interior se elimina por

la parte superior y luego se vaca concreto.

POZOS PERFORADOS

Tipos de Pozos Perforados

a) Pozo Recto:a) Pozo Recto: Pasa por debajo del suelo blando al suelofirme o roca. Puede utilizar entubado. Laresistencia se desarrolla por punta y porfriccin.

b) Pozo Acampanado:b) Pozo Acampanado: Consiste de parte recta y campana en laparte inferior. La capacidad portante essolamente por punta en el diseo.

c) Pozo Empotrado:c) Pozo Empotrado: El pozo recto puede empotrarse en roca.La capacidad portante se toma por puntay por friccin en roca.

TIPOS DE POZOS PERFORADOSTIPOS DE POZOS PERFORADOS

Sueloblando

Sueloblando

45 30

RocaRoca o

suelo duro Suelo de buenacapacidad portante

(d)

d) empotrado en rocaa) recto b) y c) acampanado

Suelo de buenacapacidad portante

0.15-0.30 m.

POZOS PERFORADOSProcedimientos Constructivos

a) Ma) MTODO DE CHICAGO:TODO DE CHICAGO:Se excavan a mano pozos circulares de 1.1 m o ms de dimetro yen profundidades de 0.6 - 1.8 m. Se utilizan listones de madera conanillos de acero en las paredes. Al llegar a terreno firme se excavala campana. Se rellena de concreto.

b) Mb) MTODO DE GOW:TODO DE GOW:Se excava a mano el pozo. Se utiliza tubera metlica telescpicapara proteger la excavacin. Con el vaciado del concreto se retirala tubera. El dimetro mnimo es 1.22 m. Se han alcanzadoprofundidades de hasta 30 m.

PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOSPROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS

b) Mtodo de Gowa) Mtodo de Chicago

Anillode acero

Listonesde madera

Entubadode acero

POZOS PERFORADOSProcedimientos Constructivos

c) PERFORACIc) PERFORACIN MECANICA:N MECANICA:

Se utilizan ahora equipos de perforacin que tienen bordes odientes cortantes, dependiendo del tipo de suelo. Por rotaciny presin se extrae suelo del muestreador. Se tienen dimetrosde hasta 3 m. Al llegar al estrato portante se utiliza el ensanchadorpara excavar la campana. En roca se utiliza brocas de carbonode tungsteno. En suelos arcillosos blandos o granulares sueltosse utiliza entubado o lodo bentontico.


ENSANCHADORENSANCHADOR

DIAGRAMA ESQUEMATICO DE PERFORACIONDIAGRAMA ESQUEMATICO DE PERFORACION


Varilla deperforacin

Roca

Entradade agua

Salida deagua

Barreno

Suelo

Placa

Ncleo de roca

Entubado

PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE UN PILOTE EXCAVADO

EXCAVACIN

EXCAVACIN CON CUCHARA DE ALMEJA

COLOCACIN DE ACERO DE REFUERZO

ACOMODANDO EL ENCOFRADO DEL PILOTE EXCAVADO

VACEADO DEL CONCRETOMEDIANTE EL USO DEL TUBOTREMI.

VACIADO DE CONCRETO

COLUMNAS DE CIMENTACIN TERMINADAS

EQUIPO NECESARIO (exc. con lodo)

EQUIPO NECESARIO (herramientas)

POZOS PERFORADOSCapacidad de CargaCapacidad de Carga

Qu = Qp + QsDonde: Qu = carga ltima

Qp = capacidad de carga ltima en la baseQs = resistencia lateral a la friccin

La capacidad de carga ltima en la base es:

Qp = Ap (c Nc* + q Nq* + 0.3 Db N*)

Donde: Nc* Nq* N* = factores de capacidad de cargaq = esfuerzo efectivo vertical en la baseDb = dimetro de la baseAp = rea de la base = /4 Db2

Generalmente se omite el ltimo trmino, excepto en pozos perforados cortos, luegoQp = Ap (cNc* + qNq*)

La capacidad de carga neta en la base es:

La resistencia lateral a la friccin es

Donde: p= permetro del pozo = Dsf= friccin lateral unitaria

( ) [ ])1Nq(qcNAnetQ **cpp +=

= 1L0s dzpfQ

Capacidad de CargaPOZOS PERFORADOS

CAPACIDAD DE CARGA CAPACIDAD DE CARGA LTIMA DE POZOS PERFORADOSLTIMA DE POZOS PERFORADOS

Qp

z

Qp

Db

Qs

L1

z

Qs

Db = Ds

Sueloc

L

QuQu

L = L1

Sueloc

b) rectoa) acampanado

Ds

POZOS PERFORADOSCapacidad de Carga en ArenaPrimera MetodologPrimera Metodologaa

Qp(net) = Ap q (Nq* - 1)

Los valores de Nq* son los propuestos por Vesic, que son un lmite inferior a los de otros investigadores

Segunda MetodologSegunda Metodologaa

Donde: ko = coeficiente lateral de reposo = 1 - sen = ngulo de friccinN*= se calcula de y de Irr

q1N3

)k21(A)net(Q *opp

+=

Donde:

Irr = ndice de rigidez reducido del suelo

Es = mdulo de elasticidad

= relacin de Poisson

De las dos alternativas se escoge el menor valor.

+= tgq)1(2EI Srr

POZOS PERFORADOSCapacidad de Carga en Arena

POZOS PERFORADOS

El valor de f aumenta hasta 15 Ds y permanece constante= 2/3; v esfuerzo efectivo a la profundidad z.

dztg)sen1(DdzfpQ vL

0sL

0s11 ==

Capacidad de Carga en Arena

FsQQ

Q s)net(p)net(ad+=

Angulo de fricciAngulo de friccin del suelo, (n del suelo, ())

Nq*

FACTOR DE CAPACIDAD PORTANTE NFACTOR DE CAPACIDAD PORTANTE N**qq DE VESIC PARADE VESIC PARACIMENTACIONES PROFUNDASCIMENTACIONES PROFUNDAS

*N

Angulo de friccin del suelo, ()

20

Irr = 200

10080

60

10= Irr

FACTOR DE CAPACIDAD DE CARGA DE VESIC, FACTOR DE CAPACIDAD DE CARGA DE VESIC,

*N

40

A

n

g

u

l

o

d

e

f

r

i

c

c

i

A

n

g

u

l

o

d

e

f

r

i

c

c

i

n

d

e

l

s

u

e

l

o

,

(

n

d

e

l

s

u

e

l

o

,

(

)

)

Valor corregido de N

CORRELACICORRELACIN ENTRE EL VALORN ENTRE EL VALORCORREGIDO DE N y CORREGIDO DE N y

POZOS PERFORADOS

Donde: p = permetro del pozo perforado* = vara de 0.3 a 1.0, conservadoramente 0.4

Capacidad de Carga en Arcilla

*cN

Para arcillas saturadas

1CP25.021.0

u

a

+=

*cup)net(p NCAQ =

Donde: Cu = cohesin no - drenada= 9

==

=1LL

0Lu

*s LpCQ

41 Compresin106 Pozos Rectos

65 Tensin

* = 0.21 + 0.26 (Pa/Cu) ( 1)

Grupo 1Grupo 2Grupo 3

Facto

r de a

dhes

in,

*

Resistencia Cortante no drenada normalizada Cu/Pa

VARIACIVARIACIN DE N DE * CON C* CON Cuu//PPaa KulhawyKulhawy y y JacksonJackson, 1989), 1989)

POZOS PERFORADOS

Donde:S = asentamiento total del pozo perforadoS1 = asentamiento por deformacin axialS2 = asentamiento por la carga en la baseS3 = asentamiento por la carga de friccin

Asentamiento de Pozos Perforados

S = S1 + S2 + S3

El asentamiento de un pozo perforado bajo una carga axial detrabajo es:

Clculo de S1

pp

wswp1 EA

L)QQ(S

+=Donde:

Qwp = carga transmitida en la baseQws = carga transmitida por friccinAp = rea de la base del pozo perforadoL = longitud del pozo perforadoEp = mdulo de elasticidad del material = coeficiente de distribucin de friccin lateral

0.5 uniforme y parablica0.67 triangular

POZOS PERFORADOSAsentamiento de Pozos Perforados

Clculo de S2

wp2s

s

swp2 I)1(E

DqS =

POZOS PERFORADOSAsentamiento de Pozos Perforados

Donde:qwp = carga unitaria en la base = Qwp/ApDs = dimetro del pozo perforadoEs = mdulo de elasticidad del suelo en la bases = relacin de Poisson del sueloIwp = factor de influencia, vara entre 1 y 2

Clculo de S3

sDL35.02+

POZOS PERFORADOS

Asentamiento de Pozos Perforados

Donde:p = permetro del pozo perforadoL = longitud empotrada del pozo perforadoIwp = factor de influencia =

wsss

sws IED

pLQS )1( 23

=

CIMENTACIN DEL NUEVO PUENTE AGUAYTIAExploracin Geotcnica

1) CISMID-UNI (1994) Informe a Lainez Lozada S.A. Ingenieros Consultores.Lneas de refraccin ssmicaCalicatasCono Peck

Perforaciones diamantinas

Recomienda cimentar a 10 metros por presencia de grava suelta.

2) GEOTECNICA S.A. (1998) Informe a COSAPI S.A.Perforaciones diamantinasCono Peck

3) Hidroenerga Consultores (1998) Informe a COSAPI S.A.

Lneas de refraccin ssmica, margen derecha.Informe de parmetros geotcnicos para posible modificacin de cimentacin.

Diseo de la cimentacinMargen derecha : Grupo de 8 pilotes de 11 m de longitud y 1 m de Cmara de anclaje : Grupo de 48 pilotes de 15 m de longitud y 1.2 m de Base de la torre : Grupo de 21 pilotes de 10 m de longitud y 1.2 de .Estribo derecho : Grupo de 4 pilotes de 10 m de longitud y 1.0 m .

Cargas por pilote : 100 a 240 toneladas

LEYENDA

PUENTE AGUAYTA MARGEN DERECHA

VISTA GENERAL DEL ANTIGUO PUENTE AGUAYTA. EN LA MARGEN DERECHA SE HA CONSTRUIDO LA CIMENTACIN POR POZOS PERFORADOS DEL PUENTE NUEVO.

VISTA DEL ESTRIBO DERECHO DESDE LA MARGEN IZQUIERDA. NUEVOPUENTE AGUAYTA

PUENTE DE CONCRETO EN LA MARGEN DERECHA DEL RO AGUAYTA. CIMENTACINPOR POZOS PERFORADOS.

EJECUCIN DE POZOS PERFORADOS EN LA MARGEN IZQUIERDA DEL NUEVOPUENTE AGUAYTA.

PROCESO CONSTRUCTIVO DE PILOTESPERFORADOS EN LA MARGEN IZQUIERDADEL RO AGUAYTA.

ACERO DE REFUERZO QUE SE INTRODUCE EN LOS POZOS PERFORADOS EN ELNUEVO PUENTE AGUAYTA.

PROCESO DE EJECUCIN DE POZOSPERFORADOS CON LODO BENTONTICO.

NUEVO PUENTE AGUAYTIA. MARGEN DERECHA, TORRE Y ANCLAJE

NUEVO PUENTE AGUAYTA. DESDE MARGEN DERECHA AL COSTADO SE APRECIA EL ANTIGUO PUENTE

CAJONES DE CIMENTACICAJONES DE CIMENTACIN (CAISSONS)N (CAISSONS)

Tipos de Cajones de Cimentacin

- CajCajn Abierton Abierto- CajCajn Cerradon Cerrado- CajCajn Neumn Neumticotico

CAJCAJN ABIERTON ABIERTO

** DUCTOS DE CONCRETO QUE PERMANECEN ABIERTOS EN LASPARTES SUPERIOR E INFERIOR DURANTE LA CONSTRUCCIN.

* * EN LA PARTE INFERIOR EXISTE UN BORDE CORTANTE.

** EL CAJN SE HUNDE HASTA EL ESTRATO PORTANTE. EL SUELODEL INTERIOR SE EXTRAE MEDIANTE BALDES.

** LOS CAJONES PUEDEN SER CIRCULARES, CUADRADOS, REC-TANGULARES U OVALADOS.

** UNA VEZ ALCANZADO EL ESTRATO PORTANTE, SE VACIA CON-CRETO BAJO AGUA PARA FORMAR UN SELLO EN EL FONDO.


* CON EL SELLO ENDURECIDO SE BOMBEA EL AGUA EN EL INTE-RIOR. LUEGO SE LLENA EL INTERIOR CON CONCRETO.

* SE PUEDE LOGRAR GRANDES PROFUNDIDADES A BAJO COSTO.

* UNA DESVENTAJA ES LA FALTA DE CONTROL DE CALIDAD DELCONCRETO DEL SELLADO.

* UN MTODO ALTERNATIVO ES USAR TABLESTACAS PARA FOR-MAR UNA ISLA DE ARENA.

CAJN RECTANGULAR


SECCION A-A

NIVELDE AGUA

SUELO

A

BORDE CORTANTE

CAJN CIRCULAR

A

SUELO

SECCION A-A

BORDE CORTANTE

NIVELDE AGUA

AA

CAJCAJN CERRADON CERRADO

* ESTE CAJN TIENE EL FONDO CERRADO.

* SE CONSTRUYEN EN TIERRA Y LUEGO SE TRANSPORTAN ALSITIO.

* SE HUNDEN GRADUALMENTE LLENANDO EL INTERIOR CON ARENA,BALASTO O CONCRETO.

* SU COSTO ES BAJO.

* EL ESTRATO PORTANTE DEBE SER HORIZONTAL O NIVELADO POREXCAVACIN.

CAJCAJN CERRADON CERRADO

SECCION A-A

NIVELDE AGUA

RELLENO

AA

CAJCAJN NEUMN NEUMTICOTICO** SE UTILIZAN PARA PROFUNDIDADES DE 15-40 M. CUANDO LAEXCAVACIN NO PUEDE MANTENERSE POR EL FLUJO DE SUELO.

** LA CAMARA DE TRABAJO TIENE ALTURA DE 3 m. Y ESTA BAJOPRESION DE AIRE PARA PREVENIR LA ENTRADA DE SUELO YAGUA.

** HASTA 15 PSI (100 KN/m2) NO SE REQUIERE DESCOMPRESIONDE TRABAJADORES.

* HASTA 44 PSI (300 KN/m2) LOS TRABAJADORES NO PUEDENESTAR MS DE 2 HORAS, REQUIRIENDOSE ETAPAS DEDESCOMPRESIN.

* POR EL DUCTO BAJAN LOS TRABAJADORES Y SUBE EL MATERIALDE EXCAVACIN.

* PUEDEN REQUERIRSE VARIOS DUCTOS CON SUS ACUMULADO-RES DE AIRE.

CAJCAJN NEUMN NEUMTICOTICO

BALDE PARAREMOVEREL SUELO

TUBERIA DEAIRE COMPRIMIDO

TUBERIA DESALIDA

NIVEL DEAGUA

DUCTO PARAPERSONAL Y

MATERIAL

CAMARA DETRABAJO

ACUMULADORDE AIRE

SUELO

ESCALERA

BORDECORTANTE

CAJONES DE CIMENTACICAJONES DE CIMENTACINN

Capacidad de CargaCapacidad de Carga

Se aplica los mismos conceptos que para pozos perforados.


Espesor del Sello de Concreto en Cajones AbiertosEspesor del Sello de Concreto en Cajones Abiertos

+=

BiLi61.11fc

qBi866.0t (cajn rectangular)

fcqRi18.1t = (cajn circular)

Donde:

Ri = radio interior del cajn circularq = presin unitaria en la base del cajnfc = esfuerzo permisible del concreto a la flexin (0.1 - 0.2 fc)Bi = ancho interior del cajn rectangularLi = largo interior del cajn rectangular

El valor de q puede aproximarse a:

Donde:w = densidad del aguac = densidad del concretoH = altura del nivel freticot = espesor del sello

cw tHq



Donde:

pi = permetro interior del cajn2 Ri (cajn circular)2 (Li + Bi) (cajn rectangular)

Ai= rea interior del cajn Ri2 (cajn circular)Li Bi (cajn rectangular)

tptAHAv

i

ciwi =1. Verificacin por corte perimetral en el contacto

CAJONES DE CIMENTACICAJONES DE CIMENTACINNEspesor del Sello de Concreto en Cajones AbiertosEspesor del Sello de Concreto en Cajones Abiertos

Donde:

= 0.85

)m/MN(cf17.0)m/MN(v 22u =

El corte perimetral en el contacto debe ser menor que el corte permisible.


2. Verificacin por subpresin

Si el cajn se desagua completamente, la fuerza de subpresinhacia arriba Fu es:

Fu = ( R2o) H w (cajn circular)Fu = (Bo Lo) H w (cajn rectangular)



Fd debe ser mayor que Fu, en caso contrario, aumentar el espesor delsello

Fd = Wc + Ws + QsDonde:

Wc = peso del cajnWs = peso del selloQs = friccin lateral

La fuerza hacia abajo Fd es causada por el peso del cajn, el sello y lafriccin lateral en la interface cajn suelo

ciAFdFut

=


(b) Planta de cajn rectangular

(a) Cajn circular

R0

Qs

L0H

RiB0 Bi

Li

NIVEL DEAGUA

SUELO

ESPESOR t DEL SELLO

ESPESOR DEL SELLO DE CONCRETOESPESOR DEL SELLO DE CONCRETOEN CAJONES ABIERTOSEN CAJONES ABIERTOS

CIMENTACIN DEL NUEVO PUENTE YURACYACUExploracin Geotcnica

1) CISMID-UNI (1996) Informe al PEAM-INADELneas de refraccin ssmica y down holeEnsayos de penetracin estndarAlternativas de cimentacin por pozos perforados y cajonesde cimentacinRecomienda cimentar a cota 785

Diseo de la Cimentacin (Ing. Eduardo Gallo Deza)Cajones de cimentacin circulares de 5 y 7 m para estribos y pilaresCota a alcanzar 785Cajones abiertos hincados y eventualmente neumticos.

Sta IsabelSanta Isabel

S an Jo s Olaya

C hun chi

B alsa yacu

H uaca mayo

S an J.J.

R oC ap ital d e Depa rtamentoC arre te ra Pan am. Asfa ltadaC arre te ra Afirmada

ZONA DEESTUDIO

SAN MARTIN

UBICACIN DEL REA DE ESTUDIO DEL PUENTE YURACYACU

ESQUEMA DE DISPOSICIN DE LOS PILARES DEL FUTURO PUENTE Y PROFUNDIDADA PARTIR DE LA CUAL SE CONTABILIZA LA LONGITUD DEL PILOTE

814

812

810

808

806

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770

m.

770

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810

812

814 mPila

rdel Futuro Puente

MAR G EN DERECHA

S-2810.31 0 10 20 30 40 50

0 10 20 30 40 50810.92S-1

20

S-30 10 4030 50810.77 810.57

S-40 10 20 30 40 50

Zapata Cabezal

RIO MAYO

PILOTE PILOTE

MAR G EN IZQUIERDA

NF al 02 de Julio de 1996

CL

CH

ML

SM

SM

CH

ML

SM

Pt

CL

SM

CH

OH

ML

SM

SC

CH

SM

ML

SM

CH

Pt

CH

ML

SM

CH

ML

OH

Pt

CL

SM

PtSC

SH

SM

SC

CH

CL

ML

SM

Pt

ML

CH

OH

ML

CL

ML

SM

SP

CL

SM

CH

ML

SM

Pt

CL

SM

CL

13

13

12

11

11

12

13

12

11

12

22

168

9

8

17

50

43

34

27

5

10

10

20

20

12

8

5

9

5

8

5

3 5

4

15

8

17

11

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6

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19

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37

20

37

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35

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29

19

10

10

39

43

18

32

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24

22

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14

19

14

24

14

10

4

4

4

11

43

39

17

11

11

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25

19

8

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14

14

13

16

7

8

5

2

2

5

3

PILAR Y ESTRIBO DEL PUENTE YURACYACU EN LA MARGEN DERECHA. CIMENTACINPOR CAJONES DE CIMENTACIN QUE SE ENCUENTRAN CERCA DE SU COTA FINAL.

PROFUNDIDAD ALCANZADA POR EL CAJN DE 5 m. DE DIMETRO EN EL ESTRIBO DERECHO. NTESE LA INCLINACIN DEL CAJN Y LA PERTURBACIN DEL SUELO CIRCUNDANTE.

DISTINTAS PROFUNDIDADES ALCANZADAS POR LA CIMENTACIN DE LOS PILARESDE 7 m. DE DIMETRO EN LAS MRGENES DEL RO MAYO. PUENTE YURACYACU.

CAJONES DE CIMENTACIN DE PILAR Y ESTRIBO EN LA MARGEN IZQUIERDA DEL RO MAYO.PUENTE YURACYACU.

DETALLE DE LA CAMPANA NEUMTICA EN EL ESTRIBO DE LA MARGEN IZQUIERDA DELPUENTE YURACYACU. NTESE LA PLATAFORMA DE LASTRADO.

EQUIPO AIR LIFT UTILIZADO EN LA EXCAVACIN DEL MATERIAL AL INTERIOR DELCAJN DE CIMENTACIN.

DETALLE DE EXTREMO DE TUBERA UTILIZADA CON EL AIR LIFT EN PUENTE YURACYACU.

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Pozos Perforados y Cajones