Trabajo de Cimentaciones Profundas

MAESTRIA EN TRANSPORTES Y CONSERVACION VIAL

MODULO I – GEOTECNIA VIAL

AUTORES:

Ing. Bada Alayo Delva Flor Ing. France Cerna Gonzalo Ing. Zarate Alegre Giovana Ing. Olartegui Cubas Rom Ing. Espinoza Salinas Teodoro

-TRUJILLO, MARZO 2015-

“CIMENTACIONES PROFUNDAS”“CIMENTACIONES PROFUNDAS”

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Maestría en Transportes y Conservación Vial:

Modulo I: Geotecnia Vial

INTRODUCCIÓN

Las CIMENTACIONES PROFUNDAS son aquellos elementos que transmiten la carga de una estructura hacia capas o estratos profundos del subsuelo, evitando con ello, el desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga o de alta deformabilidad.

El uso de pilotes es una de las técnicas más antiguas del hombre para superar las dificultades de la cimentación de estructuras en suelos blandos. Antes del siglo XIX, el tipo de cimentación más común en los edificios eran zapatas continuas, y sólo si el terreno era incapaz de soportar las presiones que ejercían las zapatas, se usaban pilotes. El diseño de estas cimentaciones estaba basado en la experiencia o simplemente dejado a la divina providencia.

Las cimentaciones profundas se emplean cuando los estratos de suelo o de roca situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar la carga, con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable.

Cimentaciones Profundas

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1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Definir que cimentación constituye el elemento intermedio que permite transmitir las cargas que soporte una estructura al suelo subyacente, de modo que no rebase la capacidad portante del suelo y que las deformaciones producidas en este sean admisibles para la estructura.

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Definir y aplicar la utilización de las cimentaciones profundas, para luego en futuros diseños proponerlas como un sistema constructivo.

Identificar el tipo de cimentación profunda utilizada dentro de la construcción, así como los elementos más importantes de la misma.

Determinar una metodología para el diseño adecuado y funcional de las cimentaciones profundas, así como proporcionar criterios para el análisis de estabilidad de la cimentación.

2. FUNDAMENTO TEORICO

2.1 CIMENTACIONES PROFUNDAS


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Son un tipo de Cimentaciones que solucionan la trasmisión de cargas a los estratos aptos y resistentes del suelo.

Se considera una cimentación profunda si su extremo inferior, en el terreno está a una profundidad superior a 8 veces su diámetro o ancho.

Son aquellas que por las condiciones del terreno, no es posible una cimentación superficial y, se recurre a la búsqueda de estratos resistentes a mayor profundidad a fin de garantizar la estabilidad de la estructura.

2.2 CASOS EN QUE SE UTILIZAN

Se opta por cimentaciones profundas cuando los esfuerzos transmitidos por el edificio no pueden ser distribuidos suficientemente a través de una cimentación superficial, y en la solución probable se sobrepasa la capacidad portante del suelo.

Cuando el terreno tiende a sufrir grandes variaciones estacionales: por hinchamientos y retracciones.

Cuando los estratos próximos al cimiento pueden provocar asientos imprevisibles y a cierta profundidad, caso que ocurre en terrenos de relleno o de baja calidad.

En edificios sobre el agua.

Cuando los cimientos están solicitados a tracción; tal como ocurre en edificios altos sometidos a esfuerzos por vientos, o en estructuras que necesitan elementos sometidos a tracción para lograr estabilidad, como estructuras de cables o cualquier estructura anclada al suelo.

2.3 TIPOS DE CIMENTACIONES

2.3.1. PILOTES

Son elementos esbeltos que se emplean para transmitir las

cargas de la superestructura y peso propio a través de

estratos de suelo de baja capacidad de carga hasta suelos

más profundos o estratos de rocas que posean la resistencia

requerida.


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2.3.1.1CLASIFICACION DE LOS PILOTES

Por la forma de transmisión de cargas al terreno

Por el tipo de material

Por el procedimiento de

puesta en obra

2.3.1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Algunas de las ventajas en el uso de pilotes son:

1.- Resultan convenientes cuando las condiciones del suelo no son favorables para la utilización de otro tipo de cimentaciones.

2.- Proporcionan buenas soluciones para la distribución de cargas en el subsuelo ya que pueden trabajar individualmente o en grupos de pilotes.

Algunas de las desventajas que presentan los pilotes son:

1.- La dificultad de aumentar o reducir su longitud en caso de que ésta no sea bien estimada.

2.- Es difícil saber a simple vista cuando un pilote ha fallado, ya que no es necesario que el pilote desaparezca en las profundidades subterráneas ni tampoco que se rompa o doble.


Por fuste.

Por punta.

Por la combinación de ambas

Homogonados “in situ”.

De concreto prefabricado.

De acero

De madera

Por desplazamiento.

Por extracción.

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3.- Si un pilote es colocado en un lugar equivocado, ya no es posible su extracción para reutilizarlo.

En cuanto a su forma de trabajo, los pilotes o los pilotajes pueden

clasificarse en (ver figura N° 01):

FIGURA N° 01. ESQUEMA DE CIMENTACIONES PROFUNDAS (PILOTAJES)

2.3.1.3 FUNCIONES Y USO DE LOS PILOTES

Transmitir carga a través de estratos blandos.

Repartir carga por fricción lateral.

Tomar carga de tracción por fricción negativa.

Proporcionar anclaje y carga horizontal

Evitar socavación

Proteger cimentaciones por excavaciones futuras

Cimentaciones en suelos expansivos y colapsables

Proteger estructuras marinas

Soportar muros de contención

Compactar el suelo.

2.3.1.4 ALCANCE

Se presentará los principales tipos de pilotes


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Se evaluara la capacidad portante y asentamiento de

pilotes y grupos bajo carga axial.

Fórmulas de hinca y ensayos de carga, como se muestra

en la figura N° 02.

FIGURA N° 02. CASOS DONDE PUEDEN NECESITARSE PILOTES


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Cuando las condiciones y estratigrafía del lugar lo permita, los

pilotes de punta siempre deberán ser los primeros en

seleccionarse, ya que son las más seguros puesto que al transmitir

las cargas a mayor profundidad, el edificio no experimentara

inclinaciones ni asentamientos fuertes y su estabilidad será mayor.

En la figura se ilustra la existencia de lentes de material resistente,

en los que apoyan algunos pilotes y otros descansan en el estrato

de roca sana más abajo. En esta distribución, es de esperarse que

con el tiempo las lentes de material firme junto con los pilotes que

soportan y parte del edificio experimenten un descenso, pues las

cargas inducidas provocaran que el suelo suave llegue a la fatiga

propiciando la consolidación del suelo bajo las lentes indicadas.

Esto provocara un hundimiento desigual en el edificio.


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2.3.2 PILAS

Son elementos de cimentación profunda con secciones

mayores que la de los pilotes, las cuales también transmiten al

subsuelo las cargas provenientes de una estructura y de la

misma cimentación con el propósito de lograr la estabilidad del

conjunto.

2.3.3 MICROPILOTES

Son elementos estructurales cuyos diámetros están

comprendidos entre 0.15 y menores de 0.30m. Los de más

frecuente aplicación en el recalce de estructuras son los de

diámetro 0.22m.

Se define como un pilote de pequeño diámetro, que transmite la

carga de una estructura a estratos de suelos más profundos,

principalmente por fricción por su punta, con asentamientos

prácticamente nulos.

2.3.4 MUROS PANTALLA

Es un muro de contención que se construye antes de efectuar el

vaciado de tierras, y transmite los esfuerzos al terreno.

En las grandes ciudades, para obtener más espacios de uso en

edificios, se proyectan sótanos o subsuelos que muchas veces

llegan hasta 20 metros de profundidad.

Muy usada en edificios de altura, que actúa como un muro de

contención y brinda muchas ventajas por ahorro de costos y

mayor desarrollo en superficies.

Es el tipo de cimentaciones más difundida en áreas urbanas

para edificios con sótanos.

Es un muro de contención que se construye antes de efectuar el

vaciado de tierras y transmite los esfuerzos al terreno.


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2.5 METODOLOGIAS PARA EL CÁLCULO DE CAPACIDAD EN

CIMENTACIONES PROFUNDAS

2.5.1. Capacidad de carga en los diferentes tipos de cimentaciones profundas

En las cimentaciones profundas existen también los criterios de

capacidad de carga última y capacidad de carga admisible, en el

caso de la capacidad de carga última existe una mayor

incertidumbre en los modelos para su determinación, por lo que

es importante realizar de ser posible pruebas de carga sobre

prototipos en sitio y los factores de seguridad deben fluctuar

entre 4 y 5.

Determinar la capacidad de carga última de un pilote, Qu es

complejo, sin embargo, se puede representar en forma práctica

como la suma de la capacidad de carga tomada por la punta del

pilote Qp, más la capacidad de carga tomada por la resistencia

al esfuerzo cortante (suelo – pilote) por la superficie del fuste del

pilote Qs.

Qu= Qp+ Qs

2.5.1.1 Capacidad de carga de un pilote de punta Qp

La capacidad de carga de un pilote de punta, tiene una

forma semejante a la fórmula de cimentaciones poco


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profundas, expresada como esfuerzo se puede

representar:

Considerando que el diámetro del pilote D, es

relativamente pequeño, el primer término de la ecuación

se puede eliminar sin una afectación considerable de la

determinación de la capacidad de carga, quedando la

ecuación:

Dónde:

c= cohesión del suelo que soporta la punta del pilote

q´=esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote

=factores de capacidad de carga para

cimentaciones profundas

La capacidad de carga de un pilote de punta, expresada

como fuerza, se determina multiplicando el esfuerzo por

el área transversal del pilote Ap, y se puede representar

como:

2.5.2. Capacidad de carga de pilotes y grupo de pilotes


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Capacidad de carga última de un pilote en suelo cohesivo.

Capacidad de carga última de un pilote en suelo granular.

Capacidad de carga admisible de un pilote.

Fricción negativa.

Capacidad de carga de grupos de pilotes.

a) CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA DE UN PILOTE EN SUELO COHESIVO.

a.1 FACTORES DE ADHESION PARA PILOTES EXCAVADOS

(TOMLINSON)

Se usa un factor de adhesión α de 0.45 para pilotes excavados en muchas arcillas aunque para pilotes cortos en arcilla muy fisurada, un valor de 0.3 es más usual. Se han reportado valores de 0.49 a 0.52 para arcillas de California. Para arcillas duras α puede ser tan bajo como 0.1.Tomlinson recomienda utilizar un valor de 0.45 si no se tiene experiencia previa con la arcilla, hasta un valor máximo de 100 KN/m2. Esto puede ser conservador para arcillas blandas y optimista para arcillas muy rígidas y fisuradas.


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b) CAPACIDAD DE CARGA ÚLTIMA DE UN PILOTE EN SUELO GRANULAR.


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b.1) VALORES DE KS Y δ PARA PILOTES HINCADOS

c) CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE DE UN PILOTE.


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d) FRICCIÓN NEGATIVA


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e) CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPOS DE PILOTES


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2.6 EJEMPLOS

2.6.1 Ejemplo N° 01

Determinar la capacidad de carga por punta de un pilote de 10 metros de

largo y una sección transversal circular de 30 centímetros de diámetro,

hincado en un estrato de arena (c=0) con las siguientes características:

Datos:

Suelo: Arena homogénea

γ= 1.7 t/m3

ϕ= 31°


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Nq =60 (Meyerhof)

De acuerdo a la fórmula para capacidad de carga por punta:

Por ser un suelo puramente friccionante c=0, la formula se reduce:

Qp = Ap qp = Ap (q´ Nq*)

Ap =

q´= (10)(1.7)=17

Qp = (0.071)(17)(60) = 72.42 t

Considerando que existe una la resistencia límite por punta definida por la

fórmula:

Aplicando los valores para hacer la comparación.

Por lo tanto la capacidad de carga última por punta del pilote es la menor:

Qp=13 tn

Capacidad de carga de un pilote por la resistencia al esfuerzo

cortante (suelo – pilote) de la superficie del fuste Qs

La capacidad de carga de un pilote tomada por la resistencia al

esfuerzo cortante (suelo – pilote), se puede determinar.


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Qs=pLf

Dónde:

p= perímetro de la sección transversal del pilote

L= longitud del pilote

f= resistencia al esfuerzo cortante suelo – pilote

En caso que existan diferentes estratos con características diferentes

en la cimentación, se deben sumar la contribución a la capacidad de

carga de cada estrato.


Determinar la capacidad de carga por fricción de un pilote de 12 metros de

largo y una sección transversal circular de 30 centímetros de diámetro,

hincado en un estrato de arena (c=0) con las siguientes características:

Datos:

Suelo: Arena homogénea

Y=1.7 t/m3


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Φ=28°

De acuerdo a la fórmula para capacidad de carga por la resistencia al

esfuerzo cortante (fricción): Qs=pLf

p = 0.30 = 0.942

L =12

En arenas el valor de f se puede determinar considerando la fricción suelo

pilote como un porcentaje de la fricción interna del suelo y el efecto del

empuje de tierra sobre el pilote en función del esfuerzo efectivo vertical (a 15

veces el diámetro o lado), expresada con la siguiente formula:

El valor de K varía entre los coeficientes de Rankine de los estados de

reposo Ko y del estado activo Kp, para fines del ejemplo se toma K=1

El esfuerzo efectivo vertical, en el ejemplo se considera el de la profundidad

Z=15d por lo tanto:

σ´=1.7 [(15)(0.30)]= 7.65

La fricción suelo – pilote, en este caso se considera como un 60% de la

fricción interna del suelo.

δ = 0.60 (28° ) = 0.293°

Por lo tanto el valor de f en este ejemplo es:

f = (1.4) (7.65) tan (0.293°)= 3.234

Substituyendo los valores en la ecuación carga última por fricción:


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Qs = (0.942)(12)(3.234)

Qs = 36.5 t

Capacidad de carga de una pila perforada

La capacidad de carga de una pila perforada, se puede determinar en

forma semejante a la de los pilotes: Qu= Qp+ Qs

La capacidad de carga de punta de una pila, tiene una forma semejante a

la fórmula de cimentaciones poco profundas, y se puede representar

como:

Considerando que el diámetro de la base de la pila es D

Dónde:

Ap= Área de la base de la pila (con o sin campana)

γ = Peso específico del suelo de la base

D = Diámetro de la base de la pila

c= cohesión del suelo que soporta la punta de la pila

q´=esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta de la pila

Ny ,Nc ,Nq =factores de capacidad de carga para cimentaciones profundas

La capacidad de carga por la adherencia o fricción del fuste de la pila, en

algún caso se puede considerar despreciable, de no ser así, tiene una

forma semejante a la formula pilotes, y se puede representar:

Qs= pLf


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Dónde:

p = perímetro de la pila

L = longitud de la pila

f = resistencia unitaria por fricción o adherencia

Conclusión

Para poder sacar la capacidad de un pilote se realiza varios pasos, pero

de esos, se pueden ver los aspectos más importantes del lugar a

trabajar, como es el tipo de suelo y las características que tiene, ya que

para poner una cimentación profunda, se debe estudiar la importancia de

esta y poner estas cimentaciones en estos lugares.

Al realizar este trabajo, nos dimos cuenta de los lugares de donde se

aplican las cimentaciones profundas y las normas que deben utilizar al

momento de montar la estructura en el área de trabajo, de igual manera

pudimos conocer las características de estas y los componentes más

importantes que tiene que tener para poder aguantar las cargas que se le

pudieran aplicar.


Calculo de la capacidad admisible del pilote de concreto

Calculo de Qp:

Método de Meyerhof

Qp = Ap*q'*Nq = Ap*γ*L*Nq

Para φ = 30°, N*q = 55

Qp = (3.14*0.30*0.30m2)*(1.8*4.0Ton/m2)(55)

Qp = 11.91 Ton

Qp = Ap*q' = Ap*N'q* tanφ


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Qp = (3.14*0.30*0.30m2)*55 * tan(30)

Qp =8.98 Ton

Método de Visic:

Qp = Ap*φ'o*N'σ = Ap*((1+2*(1- senoφ))/3)*q'*N'σ

Para φ=30° e Irr = 50, el valor de N'σ es aproximadamente 36, por lo que:

Qp = (3.14*0.30*0.30m2)*((1+2*(1-senφ))/3)*(1.8*4.0 Ton/m2)*36

Qp = 48.83 Ton

Metodo de Janbu:

Qp = Ap*q'*N'q

Para φ = 30° y n' = 90°, el valor de N'q = 19

Qp = (3.14*0.30*0.30m2)*(1.8*4.0 Ton/m2)*19

Qp = 38.66 Ton

Calculo de Qs:

Qs = K*σ'*tanδ*p*L

Para K, hincado de bajo desplazamiento

D = 0.6m, φ = 30, δ=0.8(30) = 24 σ' = 1.8*4.0

K=1,4*(1-senφ) σ' = 7.2Ton/m2

K = 1,4*(1-sen30)

K=0.7

P = 3.14*0.6 = 1.885m

Qs = k*σ'*tanδ*p*L

Qs = 0.7*7.2*tan(24)*1.885*4.0

Qs = 16.92 Ton

Por tanto:

Qu = (8.98+48.83+38.66)/3 +16.92

Qu = (8.98+48.83+38.66)/3 +16.92

Qu = 49.08 Ton

Qadm = Qp/3 + Qs/2.5 = 32.16/3 + 16.92/2.5


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Qadm = 17.49 Ton

Qadm = Qu/FS = 49.08/2.5

Qadm = 19.63 Ton = 192.5 KN


Cimentación de pila de un acueducto en rio tinto mediante pilotes

Una vez adoptado el diámetro se considera el tope estructural del elemento. Dicho tope estructural o máxima carga a aplicar sobre un pilote puede obtenerse por:

Se aplicará el método de los penetrómetros a las dos primeras capas. Para ello se debe utilizar la siguiente fórmula:

En estas dos capas no se tiene en cuenta la resistencia por punta, como es lógico, así, la contribución por fuste de la capa de limos será:


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Cálculo para la capa de gravas, también por el método de los penetrómetros, y nuevamente sin considerar la punta. Así,

En este caso hemos obtenido una resistencia unitaria por cálculo de 7 Tn/m2, que es mayor que las 5 Tn/m2 consideradas como cota superior para este material, por lo que reducimos su valor hasta éste. Igualmente, el coeficiente de seguridad se estima en 3.

La contribución por fuste de ambas capas está lejos de las 373 Tn, por lo que, como era de esperar, debemos empotrarnos en la capa de margas. El procedimiento de cálculo ahora es el de los suelos de transición, comentado en la introducción teórica. Por la adopción de los parámetros geotécnicos que se ha elegido, es aconsejable tomar como coeficiente de seguridad para la carga admisible una valor de 2.5.

La formulación a adoptar para la carga de hundimiento es la siguiente:


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Para el cálculo de la tensión efectiva vertical nos remitimos a las consideraciones iniciales, donde consideraremos que crece linealmente hasta 15 veces el diámetro, esto es, 18.75 metros. A este valor le sumamos los cinco metros que despreciamos por posible socavación del lecho del río, resultando de 23.75 metros, es decir, que la tensión vertical efectiva aumentará linealmente hasta el contacto de la capa de gravas y margas. Pasemos ahora a su evaluación:


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Como vemos, la carga de hundimiento resulta función del empotramiento en la capa de margas. Su determinación es inmediata, puesto que la carga admisible de la capa de margas ha de ser 373-60-26 =287 Tn. Como el coeficiente de seguridad adoptado en esta capa es de 2.5, la carga de hundimiento será:

Como vemos, este resultado es inadmisible, por lo que obliga a recalcular el pilote con un nuevo diámetro. Pasemos al siguiente diámetro comercial, pilote de 1500 repitiendo todo el proceso geotécnico.La contribución por fuste de la capa de limos será:

Cálculo para la capa de gravas, también por el método de los penetrómetros, y nuevamente sin considerar la punta. Así,

En este caso hemos obtenido una resistencia unitaria por cálculo de 7 Tn/m2, que es mayor que las 5 Tn/m2 consideradas como cota superior para este material, por


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lo que reducimos su valor hasta éste. Igualmente, el coeficiente de seguridad se estima en 3.

La formulación a adoptar para la carga de hundimiento es la siguiente:

Para el cálculo de la tensión efectiva vertical nos remitimos a las consideraciones iniciales, donde consideraremos que crece linealmente hasta 15 veces el diámetro, esto es, 18.75 metros. A este valor le sumamos los cinco metros que despreciamos por posible socavación del lecho del río, resultando de 23.75 metros, es decir, que la tensión vertical efectiva aumentará linealmente hasta el contacto de la capa de gravas y margas. Pasemos ahora a su evaluación:


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