CAPACIDAD DE SOPORTE DE FUNDACIONES SUPERFICIALES

INSERTADAS EN ARENA

Sexto Congreso Chileno de GeotecniaValparaíso – Noviembre 2007

Felipe Villalobos

Universidad Católica de la Santísima Concepción

Aplicaciones costa afuera de fundaciones superficiales insertadas

100 m

30 m

4 MN

90 m6 MN

Aerogeneradores en el mar

Instalaciones petroleras y de gas

¿Para qué estudiar la capacidad de soporte de fundaciones superficiales?

• Capacidad de soporte última bajo carga vertical

• Capacidad de soporte como una secuencia de etapas de carga

• Formulación de una ley de endurecimiento en teoría de la plasticidad

Secuencia de cargaCurvas carga-desplazamiento

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500Carga vertical V: N

Pene

traci

ón h

: mm

0

0,5

1

1,5

2

0 50 100 150 200 V/A : kPa

h/2RA: instalación

B: capacidad de soporte

C: post rotura

(Vc, hc): carga y penetración de contacto

arena carbonatada sueltaDR = 26%

arena silícica densa

DR = 88%

rotura

(Vy, hy): carga y penetración de fluencia

Capacidad de soporte de fundaciones superficiales

• Por más de 80 años se ha buscado una solución rigurosa, sin empiricismo (Nγ y factores) ni efectos de superposición

• Hoy en día existen soluciones rigurosas para zapatas superficiales corridas, circulares y cónicas, pero no todavía para zapatas con bordes o mantos insertados

• Se asume un mecanismo de falla general de corte, el cual es válido solo en suelos densos

• En fundaciones con bordes insertados las propiedades iniciales del suelo cambian durante la instalación, lo cual dificulta el posterior análisis de capacidad de soporte

Capacidad de soporte Vo de una fundación con bordes insertados

Vo = 2π Re ∫ τh

0edz + (σ'v Nq + γdRe Nγ)Ae

2π Re ∫ τh

0edz = 2π Re γd (KP tan δ’)e h2

Nq (Bolton y Lau 1993) y Nγ (Martin 2005) para zapatas circulares

KP ≈ 2 y δ’ = 16º → (KPtanδ’)e ≈ 0.6

Descripción de los ensayosPropiedades geotécnicas de las arenas usadas en los ensayos

Modelos de zapatas de 50.9 mm de diámetro hechas de tubos de bronceL (mm): 0, 13.3, 26, 38.7, 51, 76.9 y 102.1

L/2R: 0, 0.26, 0.51, 0.76, 1, 1.51 y 2.01

L

2RPropiedad Arena Dogs Bay

Arena Leighton Buzzard

Mineralogía carbonatada silícica D10: mm 0.11 0.63 D30: mm 0.18 0.70 D50: mm 0.24 0.80 D60: mm 0.29 0.85 Cu 2.66 1.36 Cc 1.00 0.92 Gs 2.75 2.65 γd min: kN/m3 9.52 14.65 γd max: kN/m3 13.60 17.58 emin 0.984 0.479 emax 1.834 0.774 φ’cs: (o) 40.3 33.0

Fotos de microscopía de escáner de electrón(Bowman et al. 2001)

Arena Dogs Bay (fragmentos de moluscos angulares)

Arena Leighton Buzzard

(granos semi redondeados)

Resultados de los ensayos

a) Dogs Bay b) Leighton Buzzard c) Leighton BuzzardDR = 26% DR = 40% DR = 47%

0

40

80

120

160

0 100 200 300 400Vertical load V: N

Pen

etra

tion

h: m

m

0

1

2

3

0 50 100 150 V/A o : kPa

h/2R

Yield from experiment

φ'peak = φ'cs = 40o

φ'mob: 35o 36o 37o 38o

0

40

80

120

160

0 100 200 300 400Vertical load V: N

Pen

etra

tion

h: m

m

0

1

2

3

0 50 100 150 V/A o : kPa

h/2R

Yield from experiment

φ'peak = 36o

φ'cs = 33o

34o 35oφ'mob =

0

40

80

120

160

0 100 200 300 400Vertical load V': N

Pen

etra

tion

h: m

m

0

1

2

3

0 50 100 150 V'/A o : kPa

h/2R

Yield from experiment

φ'peak = 37o

φ'mob = 34o 35o 36o

ARENA SUELTA

ARENA DENSA

0

40

80

120

160

0 200 400 600 800 1000Vertical load V: N

Pen

etra

tion

h: m

m

0

1

2

3

0 100 200 300 400 500 V/A o : kPa

h/2R

Yield from experiment

φ'peak = 42o

φ'mob:39.5o 40o 41o

43o

0

40

80

120

160

0 200 400 600 800 1000Vertical load V: N

Pen

etra

tion

h: m

m

0

1

2

3

0 100 200 300 400 500 V/A o : kPa

h/2R

Yield from experiment

φ'peak = 43o

41o

42o

φ'mob: 39o 40o

a) Leighton Buzzard b) Leighton BuzzardDR = 83% DR = 88%

Resultados de los ensayos

Nq para zapatas circulares

Valores experimentales comparados con valores teóricos

10

100

1000

30 35 40 45 Angle of friction φ': degrees

Bea

ring

capa

city

fact

or N

q 0

0.26

0.51

0.76

1

1.51

2

0 (Bolton & Lau, 1993)

2 (Meyerhof, 1951)

2 (Meyerhof, 1963)

2 (Martin, 2004)carbonate sand

silica sand L/2R

Nq = w

'VR

12

d ∆∆

πγ

La reducción de Nq debido a la fricción en las paredes de la zapata es despreciable

Nγ para zapatas circulares

10

100

1000

30 35 40 45Angle of friction φ': degrees

Bea

ring

capa

city

fact

or N

γ

0

0.26

0.51

0.76

1

1.51

2

0 (smooth; Cassidy & Houlsby,2002)0 (smooth; Martin, 2004)

0 (rough; Cassidy & Houlsby,2002) 0 (rough; Martin, 2004)

2(rough; Meyerhof, 1963)

2 (rough; Martin, 2004)

silica sand

carbonate sand

L/2R

Valores experimentales comparados con valores teóricos

Nγ = 2d

y

RFV

πγ−

Conclusiones- La capacidad de soporte aumenta con el largo L de la zapata - Se encontró que la capacidad de soporte debe calcularse con el

valor del ángulo de fricción movilizado, el uso de φ’peak induce a sobrestimaciones de la capacidad de soporte

- En la arena carbonatada suelta no se llegó al estado crítico, φ’mov< φ’peak (falla por punzonamiento)

- En la arena silícica suelta se llegó al estado crítico, φ’mov = φ’cs(falla de corte local)

- En la arena silícica densa la dilatación controló la respuesta de la fundación. La formación de un tapón de arena al interior de la zapata redujo φ’mov por debajo de φ’peak (falla de corte general)

Conclusiones• Valores experimentales de Nq fueron obtenidos durante

la respuesta en endurecimiento después de la rotura

• Nq aumenta con L (sobrecarga). Nq teórico estima bien los valores experimentales solo para L/2R = 0, para L/2R = 2 ellos son subestimados

• Nγ concuerda con los valores experimentales para L/2R = 0 y base lisa

• Para L/2R > 0 Ng aumenta considerablemente debido al contacto rugoso suelo-suelo bajo zapata

www.civil.ucsc.cl avillalobos@ucsc.cl