Cimentaciones profundas

CIMENTACIONES PROFUNDAS. Son aquellas que trasmiten la carga de la sper-estructura a estratos profundos del suelo. El tipo ms comn son los pilotes. Micro pilotes. Pilotes normales. Trasmiten las cargas en dos formasPilas. 1) Carga por punta: trasmite la carga en la punta del pilote.Q pultp Aq= 2) Carga por friccin: trasmiten la carga por friccin lateral.Q latraluf Af=

Pilotes. Todos los pilotes trabajan de las dos formas Qu = Qp + Qf Clasificacin de los pilotes: Segn el Material: a) Pilotes de madera: sern duraderos siempre y cuando no se sometan a proceso de mojado y secado se pudren. b) Pilotes de concreto. c) Pilotes de acero. Segn la seccin transversal: Circulares Cuadrados Tubular

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egn la seccin longitudinal:

Poligonal Perfiles S

Rectos tronco-cnico telescopio pata de elefante bulbo ensanchado Segn la superficie externa: a) Lisas: prefabricados, acero, concreto, madera. b) Rugosa: camisas corrugadas o vaciados en sitio. Segn el tipo de construccin: a) Pilotes Hincados: acero, madera concreto.

eltos. .

b) Pilotes vaciados en sitio: b.1) rotados o sin camisa: suelos cohesivos. b.2) con camisa: suelos areno arcilloso o sub.3) pilotes Franklin: reforzados y bulbo en la punta Pilotes de Acero: Hincados Generalmente son de tubos de acero o perfiles H laminados, los tubos en muchos casos se rellenan de concreto. Capacidad admisible del pilote: Q = A f adm s sAs = rea de la seccin transversal del acero. fs = esfuerzo admisible del acero (0,33 0,5) fy. Los empalmes se realizan por medio de soldadura o remaches. Longitud usual: (15 60) mts. Carga usual: (30 120) Ton. Ventajas: a) Fciles de manejar con respecto a las longitudes deseadas. b) Resistentes altos esfuerzos de hincado. c) Penetran en estratos duros tales como grava y roca blanda.

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d) Alta capacidad de carga. Desventajas: a) Relativamente costosos.

te el hincado.

eden daarse o desviarse de la verticalidad durante el hincado al

ilotes de concreto:

b) Alto nivel de ruido duranc) Sujetos a corrosin. d) Los Pilotes H puatravesar estratos duros o en presencia de obstrucciones grandes. P Prefabricados: Hincados.

radas u octogonales. omentos flexionante por manipulacin y

Secciones generalmente cuadEl refuerzo se proporciona para que resista mtransporte, as como la carga vertical y momentos por carga lateral. Longitud usual: (10 15) mts. Carga usual: (30 300) Ton. Ventajas: a) Pueden ser sometidos a un hincado de alto impacto.

a una sper-estructura de concreto. b) Son resistentes a la corrosin. c) Pueden combinarse fcilmente Desventajas: a) Difciles de ser cortados a la medida precisa. b) Difciles de transportar. Vaciados en sitio: Pueden ser con camisa y sin camisa.

mxima (30 40) mts. Longitud usual: (5 15) mts; longitudCarga usual: (20 50) Ton. Ventajas: a) Relativamente econmicos.

aciar el concreto. b) Posible inspeccin antes de vc) Fcil de extender. Desventajas: a) Difciles de empalmar despus del fraguado.

reto. ndo al concreto.

apacidad de carga de los pilotes.

b) Se pueden crear vacos en el vaciado del concc) En suelos blandos, puede existir derrumbes oprimie C

todo Esttico: M

apacidad de carga de Punta. C

p = qult * Ap

f = f * Alateral pilote

ult = Qp + Qf

Q Q Q

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Capacidad de carga ltima de un pilote.

cuacin de Terzaghi para cimentaciones superficiales circular: E

BNNcNq 3,03,1 _ ++= qcultLa ecuacin general de capacidad de carga es:

FFNFFcNq 1_ ++= dsqdqsqcdcscu FFBN 2

Por lo que podemos expresarla como:

ndo los factores necesarios de forma y profundidad.

pilote es relativamente pequeo sin introducir un serio error =>

, pero como qu = qp la carga de punta de un pilote es:

p = rea de la punta del pilote. ta la punta del pilote.

punta del pilote.

**_

* BNNcNq ++= qcu=*** ;; NNN Factores de capacidad de carga incluyeqc

Como B=D => **_

* DNNcNq qcu ++=

Como D en un 0* DN_

**qcu NcNq +=

)( *_

*qcpppp NcNAqAQ +==

Ac = cohesin del suelo que soporqp = resistencia unitaria de punta del pilote.

=_ Esfuerzo vertical efectivo al nivel de la

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=qN Factores de capacidad de carga. **;cNCapacidad de carga por friccin. Se expresa como:

= LfpQ f pf

= permetro de la seccin del pilote. = resistencia unitaria por friccin a cualquier profundidad Z

f se considera constante.

to

=L longitud del pilote donde p y M do de Meyerhof para estimar: Q p Arena: (c = 0). La capacidad de carga de punta (qp) de un pilote en arena generalmente crece con la

Capacidad de carga de punta y naturaleza de la variacin de la resistencia unitaria de punta en

La variacin de N con el ngulo de friccin figura (11.12)

La Resistencia de punta lmite es:

profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y alcanza un valor mximo para una relacin de empotramiento de Lb/D = (Lb/D)crit.

una arena homognea.

*_

qpppp NAqA ==*

Qq

_

Lpqpp qANAQ L = *

( )* P = presin atmosfrica = 10 Ton/m2

tagNPq qaL 5,0= a

nemos un suelo homogneo = ngulo de friccin del suelo del estrato de apoyo. tSi e

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ar: L = Lb Y el ensayo de penetracin estnd

601601 D aaL( )4)(4,0 NPLNPq =

(N1)60 = valor promedio corregido del nmero de penetracin estndar cerca de la punta del pilote (aproximadamente 10 Darriba y 4Dabajo) de la punta del pilote. Pa = presin atmosfrica = 10 Ton/m2.

rcillas:

A ( = 0): pilotes en arcillas saturadas no drenadas.

enada del suelo debajo e la punta del pilote.

todo de Vesic para estimar:

ACACNQ 9* == pupucpCu = cohesin no dr d M (Qp) (1.977)

esfuerzo efectivo normal medio del terreno a nivel de la punta del pilote.

Aplico la teora de expansin de cavidades.

(_

*cNAqAQ +== )*0 qcpppp N_ =0

_021 + K_

0 3 =

Ko = coeficiente de presin de tierra en reposo = 1 sen ( ) =**;NN factores de capacidad de carga. c

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( )0*

213KN

NPq

+= ; ( ) )(cot1** gNN qc = Segn Vesic; )(* rrIfN = Irr = ndice de rigidez reducida para el suelo.

+= rr

rr III

1; Ir = ndice de rigidez

( )( ) )(tan)(tan12 gcG

gcE

I ss

sr +=++=

Es = mdulo de elasticidad del suelo

=s relacin de Poisson del suelo Gs = mdulo cortante del suelo

= deformacin volumtrica unitaria promedio de la zona plstica debajo de la punta del pilote. Para condicin sin cambio de volumen (por ejemplo arena densa arcilla saturada) = 0 => Ir = Irr. Los valores ( ) para diferentes ngulos de friccin del suelo e I**; NNc rr para = 0 (condicin no drenada) tabla 11.4

( )( )2

2134* ++= rrc ILnN

Ir = se obtiene en laboratorios de consolidacin y triaxiales. Para uso preliminar se recomienda los siguientes valores:

Tipo de suelo Ir Arena (70 150) Limos, arcillas (condicin drenadas) (50 100) Arcillas (condicin no drenada) (100 200)

En base a pruebas de penetracin de cono en el campo Balde y otros dieron las siguientes correlaciones para Ir.

(%)300

rr FI = (para penetracin mecnica del cono)

(%)170

rr FI = (para penetracin elctrica del cono)

c

cr q

feconosistenciadlafriccionsistenciaaF ==

ReRe

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Mtodo de Janbu para estimar: (Qp) (1.976) Q )( ** qcpp NqNcA +=Supone superficie de falla en la punta del pilote

Superficie de falla en la punta del pilote. ( ) e gq ggN )(tan22* ()(tan1)(tan ++=

)(cot)1( ** angNN qc = Tabla 11.5 9060 Mtodo de Coyle y Castello para Qp en arenas: (1981)

pqp ANQ*=

= esfuerzo vertical efectivo en el nivel de la punta del pilote. Nq* = factor de capacidad de carga. (Figura 11.14)

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Mtodo para determinar Qp con ensayos SPT y CPT. Ensayo SPT: (tabla 11.6) N60 = promedio cerca de la punta del pilote (4D abajo y 10D arriba de la punta del pilote) Ensayo CPT: resistencia de penetracin del cono qc Mtodo LCPC (1982) qp = qc(eq)Kb qc(eq) = resistencia equivalente promedio del cono Kb = factor emperico de capacidad de carga.

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Mtodo LCPC. Pasos para determinar qc(eq)

1. considera la resistencia qc en la punta del cono en un intervalo del 1,5D debajo de la punta y 1,5D arriba de la punta del pilote.

2. calcule el valor promedio de qc(prom) dentro de la zona mostrada. 3. elimine los valores que sean mayores de 1,3qc(prom) y los valores que sean menores que

0,7qc(prom). 4. calcule qc(eq) promediando los valores qc restantes.

Kb = 0,6 (arcillas y limos) Kb = 0,375 (arenas y gravas). Resistencia por Friccin Qs en Arenas: Q = LfpsPara determinar f se debe tener en cuenta: 1.- la naturaleza de la instalacin del pilote, los pilotes hincados en arenas densifica el suelo a su alrededor, que hace que disminuya el ngulo de friccin. La zona de densificacin de la arena que rodea al pilote es aproximadamente 2,5 veces el dimetro del pilote en la arena circundante.

Compactacin del arena cercana a pilotes hincados Meyerhof 1961

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2.- la friccin unitaria superficial crece con la profundidad ms o menos linealmente hasta una profundidad L y permanece luego constante.

Resistencia por friccin unitaria para pilotes en arenas. La magnitud de la profundidad critica: L = (15 20) D conservadoramente tomamos 15D. 3.- a profundidades similares, la friccin unitaria superficial en arenas sueltas es mayor para un pilote de alto desplazamiento que para un pilote de bajo desplazamiento. 4.- a profundidades similares, los pilotes perforados hincados con chorro de agua a gran presin, tendrn menos friccin que el caso de pilotes hincados. Considerando lo anterior tenemos: Para Z = (0 L) )(tan,0 gKf = Para Z = (L - L) f = fz=L K = coeficiente de presin efectiva de tierra.

=,o esfuerzo vertical efectivo a la profundidad bajo consideracin. = ngulo de friccin entresuelo y pilote.

K varia con la profundidad es aproximadamente igual a: Kp = coeficiente de presin pasiva de Ranking en la parte superior del pilote y menor que K0 = coeficiente de presin en reposo a una profundidad mayor, se recomienda los siguientes de K.

Tipo de pilote K Perforados con o sin chorro de agua )(10 senK = Hincados de bajo desplazamiento (1 1,4) K0 Hincado de alto desplazamiento (1 1,8) K0


Los valores de - ( 8,05, 0 ) Bhusam (1982)

rDgK 0065,018,0)(tan +=

rDK 008,05,0 += Dr = compacidad relativa (%) Coyle y Castello (1981)

pLgKpLfQ proms ))(tan(,

0

_ ==

;

0

_ = presin de sobrecarga efectiva promedio. = ngulo de friccin entre el suelo y pilote = 8,0

El coeficiente K de presin lateral de tierra (fig 11.19)

pLgKQs )8,0(tan,

0

_ =


Correlacin con los resultados de SPT. Meyerhof (1976) indico que fprom para pilotes hincados de alto desplazamiento se pueden obtener por: fprom = 0,02 pa (N1)60 (N1)60 = valor corregido promedio de la resistencia a la penetracin estndar. pa = presin atmosfrica (10 ton/m2) para pilotes hincados de bajo desplazamiento fprom = 0,01 pa (N1)60 QS = pLfprom Briaud (1985) basados SPT f = 0,224pa(N60)0,29 =>

== 29,060 ))((224,0 NLpPLfpQ aS En suelos homogneos se puede estimar el valor promedio N60 QS = pLfprom Donde: fprom = 0,224 pa (N60)0,29prom. Resistencia por friccin en arcillas: existen varios mtodos Mtodo: )( (Vijay Vergiga y Focht 1.972); Se basa en que el desplazamiento del suelo causado por el hincado del pilote conduce a una presin lateral pasiva.

)2(,

0

_

Uprom Cf +=

;

0

_ = esfuerzo vertical efectivo medio para la longitud de penetracin. CU = resistencia cortante media no drenada ( 0= ) = figura 11.22 QS = pLfprom

Debe tenerse cuidado para obtener los valores de y C;

0

_ u en suelos estratificados.


Aplicacin del mtodo en suelos estratificados


Mtodo: )( : suelos arcillosos. UCf =

= factor emprico de adhesin (fig. 11.24)

= 0 UCF

,0 = esfuerzo efectivo vertical.

Q LpCLfp US == Mtodo: ( ): pilotes hincados en arcillas saturadas.

'0=f

,0 = esfuerzo vertical efectivo

= K tang( R ) R = ngulo de friccin de la arcilla drenada.

K = coeficiente de presin de tierra en reposo. ))(1( ,RsenK = arcillas normalmente consolidadas. OCRsenK R ))(1(

,= arcillas preconsolidadas. OCR = tasa de preconsolidacin. Para arcillas normalmente consolidadas

,0

,, )(tan))(1( RR gsenf =


Para arcillas preconsolidadas.

,0

,, )(tan))(1( OCRgsenf RR= Con el valor de f obtenemos: = LfpQS Friccin negativa: es un fenmeno que carga al pilote por lo tanto disminuye su capacidad de carga. Se presenta cuando: 1.- la arcilla esta en proceso de consolidacin. 2.- en rellenos no compactados (no controlados). 3.- cambio o baja del nivel fretico. 4.- si una capa se esta consolidando, la que esta por encima ofrece friccin negativa sobre el pilote.

Friccin negativa Mtodos de clculo: a) Relleno de arcilla sobre suelo granular: El esfuerzo superficial negativo (hacia abajo) sobre el pilote es: )(tan ,0 gKfn =K = coeficiente de presin de tierra = )(10 senK =

,0 = Esfuerzo vertical efectivo a cualquier profundidad: = ( ), Zf,f = peso especifico efectivo del relleno.

= ngulo de friccin suelo-pilote )7,05,0( Por lo que la fuerza total de arrastre ser:

2)(tan

)(tan(2,

0

, gHpKzdzgpKQ ffH

fn

f

== Hf = altura del relleno. Si el material esta saturado o nivel fretico esta sobre el relleno el peso especifico efectivo debe ser reemplazado por peso especifico hmedo.

,f


b) Relleno de suelo granular sobre arcilla. En este caso el esfuerzo de friccin negativa sobre el pilote existe entre z=0 a z=L1 y se denomina profundidad neutra (Vesic 1977), se determina como: ( )

'2

2

,,

11

ffffff HHHLLHL

L

+=

Donde ( ) = pesos especficos efectivos del relleno y del estrato de arcilla respectivamente.

', yfPara pilotes de punta: L1 = (L-Hf) punta del pilote. La friccin negativa ser: )(tan ,0 gKfn =

))(1( 0 senKK == , ; ZH ff ,,0 += )7,05,0( =

dzgzHpKdzpfQL

ff

L

nn )(tan)(11

0

,

0

+==

( )2

)(tan)(tan

,21

1

gHpKLLgHpKQ ffffn += Si los materiales estn saturados los pesos especficos efectivos deben reemplazarse por los pesos especficos hmedos. Diseo de Pilotes: Estimacin de la longitud del pilote: se requiere un buen criterio, la seleccin de tipo a usar y del mecanismo de transferencia de carga al suelo. Pilotes de punta: si tenemos presencia de lecho de roca o de material rocoso a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan hasta esa superficie.

QU

QP

L

Roca

Suelo dbil

QU = Qp

Si en vez de suelo rocoso se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro de ese estrato.


QU

QP

L

Suelo dbil

Lb

QS

Capa de suelo duro

Lb = profundidad de penetracin en el estrato de apoyo QU = QP + QS Si (QS) es pequea => QU = QP

Pilotes de friccin: no se encuentra material duro a profundidad razonable.

QU

QP

LSuelo dbil

QS

QU = QP + QS Si (QP) es pequea => QU = QS La longitud depende: de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamao del pilote.

- Para calcular el rea de la seccin transversal Ap y el permetro p de los pilotes con perfiles o tubulares de acero abierto, se debe considerar el efecto de tapn del suelo.

Tapn de

suelo

Acero

d2

d1

Tapn desuelo

Acero

D

Pilotes Tubulares: 4

2DAP= ; el permetro: Dp =

Pilotes H: Ap = d1d2; el permetro: p = 2(d1 + d2) como d2>d1 => D = d1

- En la estimacin de la carga de punta se obtiene es la carga bruta de punta ultima, ya que se incluye el peso del pilote, por lo que la carga de punta neta es:


Q ppp AQ brutaneta = )()( En la prctica se hace: - suelos con: 0> ; QP(neta) = QP(bruta) - suelos cohesivos con: 1;0 , == qN( ) PcP ACNQ bruta += *)( ( )[ ] PPPCPCP QCAACNACNQ neta ===+= 9**)(

La carga admisible ser: FSQu

adm =Q El factor de seguridad varia (2,5 4) dependiendo de la incertidumbre relativas al calculo de la carga ultima. Diseo Estructural de Pilotes: 1.- Efectuar una exploracin cuidadosa del sub-suelo, para determinar la clase y espesor de las capas del suelo que lo conforman. 2.- Elegir Dimensiones del pilote, basndose en: a) El peso mximo que podra manejarse con el equipo que se dispone. b) La eficiencia del martillo que se va ha emplear y el peso mximo del pilote. c) Las cargas que obran sobre cada fundacin y su efecto sobre los pilotes considerados como columnas. d) El tipo de material por atravesar con el pilote, el cual resulta determinante para sus dimensiones. 3) Elegida la longitud tentativa para el pilote en base a las consideraciones anteriores, se debe hincar un pilote de prueba, de ser posible realizar una prueba esttica de carga para comprobar su capacidad de carga. 4) Calcular la capacidad de carga del pilote, para diferentes rechazos y longitudes, a fin de seleccionar la longitud ms econmica. 5) Una vez conocidas las dimensiones definitivas se procede a proyectar el pilote de concreto; para la cual: a) Determinar el refuerzo necesario para resistir como columna esbelta o no, segn el caso, la carga axial de calculo que va ha ser igual a la capacidad de carga del pilote se debe incrementar entre un (30 al 50)% para prever los efectos de impacto. b) Verificar su capacidad resistir, como viga los momentos causados por el peso propio al ser levantados y manipulados para su colocacin. c) Se les provee zunchos o ligaduras requeridas por su trabajo como columnas, sin son hincados en los extremos aumentar el nmero de zunchos en una longitud (2D). 6) Se distribuye los pilotes bajo la fundacin a fin de cada pilote reciba igual carga y que no exceda la resistencia admisible del suelo, esto se logra haciendo coincidir el punto de


aplicacin de la resultante de las cargas que actan con el centro de gravedad de la figura que forman los pilotes, se acostumbra a utilizar una distribucin sencilla, con simetra radial.

Zunchado en la punta de los pilotes. 7) Cuando la resultante de las cargas no esta centrada con relacin al rea de los apoyos, diagrama trapezoidal de presiones se puede disponer de dos formas: a) Colocamos en dos o mas filas, simtricas con relacin a la lnea media de la fundacin y separando los pilotes entre si de tal forma que la carga sobre cada una de ellas sea igual a su resistencia admisible, para dos filas de pilotes esta separacin se obtiene:

Dos filas de pilotes con cargas iguales.

)3(

4

minmax1 SSb

R+=a )(

4

maxmin2 SSb

R+=a

R = resistencia del pilote. Smax = presin mxima bajo la fundacin. Smin = presin mnima bajo la fundacin b = ancho de la fundacin. a1 = Separacin centro a centro de pilotes. a 2 = Separacin centro a centro de pilotes. b) Usar filas de pilotes a separaciones uniformes, filas que se colocan bajo el centro de gravedad de los trapecios resultantes al dividir el diagrama de presiones en un numero N de


reas iguales, la separacin entre las N filas de pilotes se pueden obtener analticamente por medio de la siguiente expresin:

)(2)(3

minmax

minmax

2

max

minmax

max3

SSNSS

Ss

SSS

bX

nin

=

Pilotes a separacin uniforme 8) Una vez realizada la disposicin de los pilotes, se proyecta una losa que distribuya la carga de la infraestructura entre los pilotes necesarios para soportarla. 9) Chequeamos punzonado columna y pilotes y viga ancha, los aceros los calculamos en la misma posicin y forma que zapatas aisladas. 10) La separacin mnima de pilotes ser: Smin = 2,5B pilotes a friccin. Smin = 2B pilotes hincados sobre capas densas. Smin = 90 cms excavados y vaciados en sitio. B = ancho o dimetro del pilote. Pilotes en Grupos: Eficiencia del grupo: ( ): Generalmente los pilotes se usan en grupos para trasmitir la carga al suelo, los mismos estn unidos por una zapata cabezal. Como los pilotes se colocan cerca uno de otro, los esfuerzos trasmitidos por los mismos se traslapan, reduciendo la capacidad de carga de los pilotes, lo ideal seria espaciarlos de manera que la capacidad de carga del grupo no fuese menor que la suma de las capacidades de carga de los pilotes individuales el esparcimiento mnimo es d = 2,5D --- (3 a 3,5)D La eficiencia de la capacidad de carga de un grupo de pilotes se define como:

= uug

QQ )(

= eficiencia del grupo. Qg(u) = capacidad de carga del grupo de pilotes. Qu = capacidad de carga de cada pilote sin el efecto del grupo.


Numero de pilotes en grupos = n1 x n2 Lg > Bg Lg = (n1 - 1) d + D Bg = (n2 - 1) d +D Pilotes en grupos.

Qg(u) = fprom pg L pg = 2(n1 + n2 2) d + 4D Qu = pLfprom [ ]

pnnDdnn

pLfnnLDdnnf

QQ

prom

prom

u

ug

21

21

21

21)( 4)2(24)2(2 ++=++==

++== uuug QpnnDdnnQQ

21

21)(

4)2(2 Si: < 1 => Qg(u) = uQ Si: > 1 => Qg(u) = uQ Feld (1943): sugiri un mtodo para determinar la capacidad de carga de pilotes individuales cuando solo se considera la resistencia a la friccin en un grupo de pilotes. De acuerdo a Feld la capacidad de carga de un pilote se reduce 1/16 por cada diagonal adyacente o fila de pilotes.


Mtodo Feld para grupos de pilotes.

Tipo de pilote No de pilotes No de pilotes Adyacentes/pilote Factor de reduccin

Para cada pilote Capacidad

Ultima A 1 8 1 8/16 0,5 Qu B 4 5 1 5/16 2,75 Qu C 4 3 1 3/16 3,25 Qu = 6,6 Qu = Qg(u)

Para este caso tenemos:

%7295,6)( === uuu

ug

QQ

QQ

- Para grupos de pilotes hincados en arena con d > 3D Qg(u) = que incluya carga de friccin y punta de los pilotes individuales. uQ - Para grupos de pilotes perforados en arena con d = 3D Qg(u) = (2/3 a ) incluye capacidad de carga de friccin y punta de los pilotes individuales.

uQ


Capacidad ultima de carga de un grupo de pilotes en arcilla saturada.

Capacidad ultima de grupos de pilotes en arcilla. 1.- Determine:

)(21 spu QQnnQ += donde: Qp = Ap [9Cu(p)] Cu(p) = cohesin drenada de la arcilla en la punta del pilote.

= LpCQ us [ ] += LpCCAnnQ upupu )(21 9 2.- Determine la capacidad ultima suponiendo que los pilotes del grupo actan como un bloque con dimensiones Lg x Bg x L, la resistencia por friccin es: += LCBLLCp uggug )(2 Calcula la capacidad de carga de punta:

*)(

*)( )( cpuggcpuppp NCBLNCAqA ==


*cN = (figura 11.52)

La carga ltima ser: ++= LCBLNCBLQ uggcpuggu )(2*)( 3.- Comparar los dos valores el menor de los dos valores ser Qg(u).


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