fundaciones-indirectas unlp

Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

Ing. Augusto José Leoni 1

GEOTECNIA IGEOTECNIA IGEOTECNIA IGEOTECNIA I

““““Transferencia de cargas al terrenoTransferencia de cargas al terrenoTransferencia de cargas al terrenoTransferencia de cargas al terreno””””

2222da da da da ParteParteParteParte

Profesor: Ing. Augusto José Leoni

FUNDACIONES SOBRE PILOTES

w

Suelos con poca capacidad portante, arcillas blandas o

arenas sueltas

Suelos con capacidad portante importantes, arcillas muy

compactas o arenas densas

Elementos estructurales de transferencia de cargas

Fundaciones indirectas, pilotes



TIPOS DE PILOTES

a b c

a) Pilote hincado (elemento premoldeado)

b) Hinca de camisa metálica, limpieza interior colocación de armadura y colado del hormigón

c) Pozo romano ó cilindro de fundación

Pilotes hincados



Martillo diesel

Pilotes Pre perforados y hormigonados in situ



Vibradores para hincar camisas metálicas

Esquema constructivo de un pilote hormigonado in situ con escarificador de punta



Pilotes con bulbo expandido tipo Franki

Pilotes Pre perforados y hormigonados in situ (TRELICON)



INTERACCIÓN SUELO - PILOTE

qf

qp

Q

δδδδ

QT = Qf + Qp

Qf = qf. Area del fuste

Qp= qp.Area de puntaqf = Tensión de fuste

qp = Tensión de punta

TENSIÓN DE FUSTE

σv’ = γ’. z

σh’ = ko . σv’

v

hok

σ

σ= )'1( φsenk o −= (Jaky)

ττττ

τ = c + σh . tan(δ) = c + σv . ko . tan(δ)

δ ≅ 2/3 . φ’

Ko varía de acuerdo al tipo de suelos y a la metodología

constructiva del pilote

Para pilotes hincados tendremos una compresión horizontal del

suelo que rodea al pilote, mientras que para un pilote excavado

los suelos circundantes al pilote se relajan disminuyen su

tensión horizontal.

Z



σvo

σho

vo

hokoσ

σ=

σh > σho k > ko

Elemento de suelo antes de colocar el pilote.

La relación de tensiones horizontales y

verticales coincide con “ko”

El mismo elemento de suelos luego de la hinca

del pilote, sufre una gran compresión horizontal

con lo cuál aumenta σh y por ende aumenta k

TENSIONES EN EL FUSTE PARA PILOTES HINCADOS

TENSIONES EN EL FUSTE PARA PILOTES EXCAVADOS

El elemento de suelos señalado se

encuentra en una situación de “ko”,

antes de que lo afecte la excavación del

cilindro

El mismo elemento sufre una relajación de

tensiones horizontales cuando es alcanzado por la

excavación del cilindro por lo tanto pasa de “ko”a

tener una tensión horizontal menor σh < σho por lo

tanto disminuye k < ko

qf = c + σv . k . tan(δ) vo

hokoσ

σ=



Resumen de los valores a aplicar del coeficiente “Ks” para la valoración de

las tensiones de fuste en suelos granulares sin cohesión.

)tan(.. φσ sv Kqf =v

hsK

σ

σ=

Ks = Valor de “K” en el terreno circundante al

pilote, luego de instalado el mismo.

Depende de la metodología de instalación

Para pilotes perforados y hormigonados in situ tomaremos: ))(1( φsenKK os −==

Para pilotes hincados tomaremos: 31 << sK

Donde Ks = 1 para arenas de baja Dr(%)

Ks = 3 para arenas de alta Dr(%)

Ks = 1 + 0,02.Dr (con Dr en %)

RESISTENCIA DE PUNTA

Mecanismo de rotura

I

II

III

2 a 3 D

1,5 D

Zona I: Suelos confinados que acompañan el descenso de

la punta

Zona II: Suelos en equilibrio plástico que se deslizan en

superficies curvas.

Zona III: Suelos en equilibrio plástico que siguen las

hipótesis de Rankine

Suelo granulares densos

Suelos granulares sueltos y cohesivos no cementados

La superficie de falla no se desarrolla completamente

y el suelo fluye hacia los costados del pilote a medida

que éste penetra en el suelo



CALCULO DE LA TENSIÓN ÚLTIMA DE PUNTA DEL PILOTE

z

q’ = γγγγ’. z

qp

Igual que en el cálculo de las fundaciones directas, podemos reemplazar la carga de la tapada al nivel de la punta por una tensión equivalente

q’ = γγγγ’.z

Por lo tanto podemos aplicar la Fórmula General de Capacidad de Carga de Brinch Hansen y hacer las simplificaciones pertinentes

γγγγγ idSNBiqdqSqNqqicdcScNccq u ......2

1...'..... ++=

≅ 0

Q

En primer término tenemos que decir que el valor de “B” por lo general es pequeño y casi siempre < 1,00 m por lo que el último término de la ecuación no tiene mayor incidencia en el resultado final

y como las cargas son en todos los casos axiales no tendremos que considerar los factores de inclinación, con lo cuál la Fórmula General quedará relegada a lo siguiente:

dqSqNqqdcScNccq u ..'.... +=

CALCULO DE LA TENSIÓN ÚLTIMA DE PUNTA DEL PILOTE

z

q’ = γγγγ’. z

qp

dqSqNqqdcScNccq u ..'.... += (Para φφφφ > 20° Sc.dc ≅≅≅≅ Sq.dq)

dcScNqqNccq u .).'..( +=

Q

upunta).q de ( AreaQp total =

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

0 10 20 30 40

Sc.dc Sq.dq

φφφφ



Suelos granulares

Cohesión c = 0 dcScNqqq u ..'.=

Suelos cohesivos saturados

Fricción φφφφ ≈ 0 dqSqNqqdcScNccq u ..'.... +=

'... qdcScNccq u +=

= 1

Para φ = 0 Nc = 5,14

Para D/B > 7 Sc.dc = 1,8

qu = 9.c + q’

z

qp

Q

z

D

φφφφ

SUELOS GRANULARES

Limitación en la aplicación de la fórmula de capacidad de carga de punta

dcScNqqq u ..'.=Partiendo de la fórmula: La misma indica que aumentando la profundidad

aumentaría indefinidamente y en forma lineal la capacidad de punta de los pilotes. Esto estácomprobado que no es así ya que por el efecto de arco que se produce en los suelos granulares, la

presión de la tapada “q’” en cercanía de una estructura, crece desde la superficie, hasta un cierto

nivel denominado Profundidad Crítica o Altura Crítica “hc” y luego se mantiene constante. Este

valor de “hc” depende de la densidad relativa del suelo granular.

Efecto arco en suelos granulares

σσσσ

dcScNqqqu ..'.=

Z

hc



hc = 20.BSuelos densos

hc = 15.BSuelos medianamente densos

hc = 10.BSuelos sueltos

Por lo tanto, si el pilote tiene una longitud

dentro del manto granular superior a la hctendremos

dcScNqhcq u ...'.γ=

qmáx = γγγγ’ . hc

Z

q’

q = γγγγ’ . hc

qu

EL EFCTO ARCO EN LA TENSIÓN DE FUSTE DE LOS PILOTES

q’

qf1L1 = hc

L2qf2

)tan(.2

..1 δγ hc

kq sf =

)tan(...2 δγ hckq sf =

v

hsk

σ

σ=

+= )tan(....)tan(..

2

.... 2. δγδγ

π Lhckhchc

kBQ ssfusteT



TENSIÓN DE FUSTE EN SUELOS COHESIVOS

Arcillas blandas a medianamente compactas (cu < 0,50 kg/cm2)

Suelo amasado por la

hinca del pilote (e ≅1,5.B)

)tan(. δστ Nc +=

vohN k σσσ .==

)tan(..'. δγτ okzc +=

Para suelos arcillosos blandos a med. Compactos, saturados δ ≅ 0 τ = cu

Este amasado disminuye enormemente la resistencia al corte de estos suelos,

pero por fenómenos tixotrópicos (recomposición de la estructura y aumento de

la resistencia al corte) en menos de 1 mes la resistencia disponible en los casos

de pilotes de hormigón rugoso, es superior a la cohesión inicial.

Por lo tanto tomaremos en estos casos que la resistencia de fuste última, será

igual a la cohesión no drenada

qu = cu

TENSIÓN DE FUSTE EN SUELOS COHESIVOS

Arcillas saturadas compactas (cu > 0,50 kg/cm2)

Gráfico propuesto por Kerisel en base

a experiencias sobre suelos europeos

Para cu = 2 kg/cm2

qf = 0,3 x 2 kg/cm2 = 0,60 kg/cm2

La experiencia local nos indica que la tensión de fuste última tanto para pilotes hincados

como perforados, puede tomarse igual a la cohesión no drenada obtenida a partir de un

ensayo triaxial “Q” con un valor máximo de 1 kg/cm2, por seguridad.

qu = cu

)( u

w

cfc

qf=



TENSIÓN DE FUSTE EN SUELOS COHESIVOS FRICCIONANTES

)tan(. δστ Nuc +=

vohN k σσσ .==

)tan(..'. δγ kzcq uu +=

σv = γ’. z

σh = ko . σv

v

hok

σ

σ=

)'1( φsenko −= (Jaky)ττττ

δ ≅ 2/3 . φ

Z

Pilotes hincados: ko ≤ ks ≤ 3

Pilotes excavados: ks = ko

CARGA ADMISIBLE TOTAL DE UN PILOTE AISLADO

qf

qp

qf.adm = Tensión de fuste admisible =

qp.adm = Tensión de punta admisible =

Fs

q fu

Fs

qpu

Qadm.

Qadm = (Area de punta).qpadm + perímetro.∑(qf.adm.L)

L

Coeficiente de seguridad

Pilotes hincados

Pilotes excavados

Peso propio y sobrecarga Fs ≥ 2,5

Peso propio + sobrecarga + viento Fs ≥ 2

Peso propio y sobrecarga Fs ≥ 3

Peso propio + sobrecarga + viento Fs ≥ 2,5

Con ensayo de carga Fs ≥ 1,6

Con ensayo de carga Fs ≥ 1,6



EJERCICIOS

FRICCIÓN NEGATIVA

Suelo de relleno

(Terraplén)

Suelo blando

compresible

saturado

Estrato inferior

granular denso

∆∆∆∆s

El manto de arcillas blandas saturadas se consolida por acción de la

sobrecarga que le impone el terraplén y por lo tanto experimenta

asentamientos que se traducen en tensiones de fuste negativas sobre el

pilote

∆∆∆∆P

Tensión de fuste

negativa “qf(-)”



VALORACIÓN DE LA FRICCIÓN NEGATIVA

La resistencia al corte de una arcilla blanda compresible aumenta a

medida que el suelo se consolida, por lo tanto se incrementa su

resistencia al corte y con ello su fricción sobre la superficie del pilote.

Este incremento se observa comparando los resultados de un ensayo

“Q”con otro “R”ejecutados sobre el mismo suelo

CRI

CRI

τ τ

σ σ

ccu

φcuφ = 0

Ensayo triaxial “Q” Ensayo Triaxial consolidado, no drenado “R”

σ

∆ccu

Vemos que para una tensión σ el valor de la tensión de corte se

incrementa de ccu + ∆ccu Esto llevó a Skemptom a plantear una

ecuación para estimar el valor de la fricción negativa sobre los pilotes

en éste tipo de suelos:

qf(-) = qf + ∆qf(-) donde el valor de ∆qf(-) = σ.(0,11+0,004.Ip)

En la que “σ” es la tensión media que induce la sobrecarga en el

manto compresible

VALORACIÓN DE LA FRICCIÓN NEGATIVA

∆σ∆σ∆σ∆σ

σσσσmedio

qf(-) = qf + ∆∆∆∆qf(-)

∆∆∆∆qf(-) = ∆σ∆σ∆σ∆σmedio.(0,11+0,004.Ip)

qf(-) = cu + ∆σ∆σ∆σ∆σmedio . (0,11 + 0,004.Ip)

∆σ∆σ∆σ∆σ

h1 ∆σ∆σ∆σ∆σ = γγγγ . z

z

h2

h3

cu1

cu1

cu3 Qtotal = Ap .qpadm + perímetro.( - cu1.h1 - qf(-).h2 + cu3.h3)

qpadm

).004,011,0´).(´( Ipc vvu +∆+= σσ



FRICCIÓN NEGATIVA

h1

h2

cu1

cu2

Asentamiento

por

consolidación

Asentamiento

del pilote

Fricción negativa

inicial

Fricción negativa

final

∆H

Cu2

Cu1 + ∆Cu1

Cu1 Cu1

-

-

+

FRICCIÓN NEGATIVA

h1

h2

cu1

cu2

Asentamiento

por

consolidación

Asentamiento

del pilote

Fricción negativa

inicial

∆H

Cu2

Cu1

)1(

.

oe

HeH

+

∆=∆

)1/(o

eeE

+∆

∆=

∆=

σ

ε

σ

E

HSp

σ∆=

.

σ∆=

SpEH

.

-

-

+H

Por otra parte si suponemos que el

pilote tiene un asentamiento de Sp = 3

cm, que el manto arcilloso tiene una

humedad inicial de 60% y una final al

terminar la consolidación de 55 % con

un γs = 2,70 gr/cm³ y que la presión de consolidación media es de 1,30

kg/cm², podremos calcular la altura en

la que se igualan los asentamientos, o

sea donde los movimientos relativos

son nulos, haciendo.

( ) 135,0)55,060,0.(70,2 =−=−=∆ fi

w

s wweγ

γ

62,160,0.70,2. === i

w

so we

γ

γ

²/25 cmkgE =

cmcmkg

cmcmkgH 57

²/30,1

3²./25==



ASENTAMIENTO DE PILOTES

qf

qp

Q

L

El asentamiento total de un pilote aislado puede ser estimado a partir de tres sumandos, de acuerdo a la siguiente expresión:

s = s1 + s2 + s3

Donde:

s1 = Asentamiento debido a la deformación del pilote

s2 = Asentamiento debido a la tensión de punta del pilote qp

s3 = Asentamiento debido a la tensión de fuste del pilote qf

Cálculo de s1: (deformación del pilote) EL

s σε ==

pp EA

LQs

.

.=

Q

Ap

Ep

L

pp

Fp

EA

LQQs

.

).(1

ξ+=

ξ = 0,5 ξ = 0,65

qf qf

Qp = Carga que toma la punta bajo

condiciones de servicio

QF = Carga que toma el fuste bajo

condiciones de servicio

ξξξξ = Coeficiente que toma en cuenta la

forma del diagrama de qf


Cálculo de s2 (carga de la punta)

r

p

Es

Dqs αν ).1(

.2

2 −=

Es = Módulo elástico del suelo en la punta

D = Diámetro del pilote

qp = Tensión de punta del pilote

ααααr = Factor de influencia para L = B ααααr ≈ 0,85

νννν = Relación de Poisson

Cálculo de s3 (carga del fuste)QF = Carga que toma el fuste en condiciones de servicio

L = Longitud del pilote

p = Perímetro del pilote

D = Diámetro o ancho del pilote

Iws = Coeficiente de influencia

D

LI ws .35,02 +=

ws

s

F IE

D

Lp

Qs ).1(

.

2

3 ν−

=




Vesic, Propone para el cálculo del asentamiento por la tensión de punta del pilotes y la de

fuste, las siguientes expresiones:

pu

pps

qD

CQs

.

.2 =

Qsp = Carga de servicio en la punta

D = Diámetro del pilote

qup = Tensión última de la punta

Cp = Coeficiente empírico

0,12 a 0,090,05 a 0,03Limos blandos o duros

0,06 a 0,030,03 a 0,02Arcillas blanda o duras

0,09 a 0,180,02 a 0,04Arenas densas o sueltas

Pilotes perforadosPilotes hincadosTipo de suelos

Valores de Cp

).16,093,0( pCB

LCs +=

pu

sFs

qL

CQs

.

.3 =

Donde

QsF = Carga en el fuste debido a la carga de servicio

B = Diámetro o ancho del pilote L = Largo del pilote

qup = Tensión última de la punta

Cs = Coeficiente empírico = f(Cp)

Para la carga de punta

Para la carga de fuste

GRUPO DE PILOTES

n

m

s s s

Grupo de 12 pilotes de diámetro “D’ y longitud “L”, separados una distancia “s”entre ejes y

distribuidos en “m” filas por “n”columnas, donde m = 3 y n = 4.

L

D

Filas = Las más largas

Columnas = Las más cortas



GRUPO DE PILOTES

La incidencia del bulbo de presiones llega a una mayor profundidad y puede afectar

mantos compresibles subyacentes

GRUPOS DE PILOTES HINCADOS EN ARENAS

Se pueden presentar problemas en función de la densidad de la arena, de la separación de

los pilotes y de la secuencia de hinca de los mismos.

Hincados desde afuera hacia adentro

Hincados desde adentro hacia afuera

Hincados desde un costado hacia el otro costado



GRUPO DE PILOTESSe llama Eficiencia de un grupo de pilotes “ηηηη” al cociente entre la carga última del

grupo “Qug” y la sumatoria de las cargas últimas individuales “Qu”

∑=

Qu

Qugη

La ecuación semi empírica de Converse – Labarre permite estimar la eficiencia de un grupo

de pilotes teniendo en cuenta lo siguiente:

−+−−=

nm

nmmn

..90

).1().1(1 θη

Donde “m” es el N° filas, “n” es el N° de pilotes por fila

y θθθθ se expresa en grados, (D = Diámetro; s = Separación)

De ésta forma la capacidad del grupo se puede evaluar

haciendo:

=

s

Dgradoso 1-tan)(θ

)..( QuNQug oη=

m = 3

n = 4

s

D

)...( QunmQug η=

Eficiencia de grupos de pilotes en suelos cohesivos

Qult = Carga última de un pilote individual

QG = Carga última del grupo

Ge = Eficiencia del grupo



GRUPO DE PILOTES con el fuste en suelos cohesivos

60°B

qfH1

H2

Qug

γγγγ1

φφφφ1 = 0

c1

γγγγ2

φφφφ2

c2=0

γγγγ3 φφφφ3 c3

qfHLBLBNBNHQug q .)..(2.)....2

1..( 122211 +++= γγγ

]...4

.)......[(. 1

2

211 qfHDD

dcScNHnQunQug q ππγ +==

Para s < 3.D

Para s > 8.D

B

Ls

qf = cu

D

GRUPO DE PILOTES con el fuste en suelos friccionantes

60°B

qf

H1

H2

Qug

γγγγ1

φφφφ1

c1= 0

γγγγ2

φφφφ2

c2=0

γγγγ3 φφφφ3 c3

)tan(.2

..)..(2.)....2

1..(

2

1122211 δγγγ γ

HkLBLBNBNHQug sq +++=

δ

σh

v

hhk

σ

σ=

)tan(.2

..)tan(.. 11 δγδσ

Hkkqf hvh ==

Para s < 3.D

Para s > 8.D )]tan(.2

.....4

.)......[(. 111

2

211 δγππγH

kHDD

dcScNHnQunQug sq +==

B

L

s

D

Teniendo en cuenta siempre la altura crítica, tanto para el fuste como para la punta



ASENTAMIENTO DE UN GRUPO DE PILOTES:Con la punta en suelos granulares, según Meyerhof (1976)

Nc

BIqmmS

g

g

...92)( =

5,0.8

1 ≥−=gB

LI L = Longitud embebida de los pilotes

Factor de influencia que depende de la longitud embebida de los pilotes, debe

ser ≥ 0,5

I =

Valor promedio del SPT corregido, correspondiente al manto subyacente a la

punta de los pilotes.(entre la profundidad “L” y “L+Bg”)

Nc =

Ancho y largo de la sección transversal del grupo (en metros)Bg y Lg =

Presión de trabajo al nivel del apoyo de la punta del grupo de pilotes

calculada como Q/(Bg.Lg) (en kg/cm2)

q =

Para arenas limosas “SM” se aconseja duplicar el valor del asentamiento calculado

ASENTAMIENTO DE UN GRUPO DE PILOTES:Con la punta en suelos granulares, según Vesic (1977)

D

BSimmS

g

g .)( =

Ancho o diámetro del pilote

Asentamiento del grupo

D =

Sg =

Ancho de la sección transversal del grupo (en metros)Bg =

Valor del asentamiento de un pilote aislado (expresado en mm)Si =

Para arenas limosas “SM” se aconseja duplicar el valor del asentamiento calculado



Antecedentes e

información previa

Estudio de suelo +

ensayos in situ + ensayos

de laboratorio

Tipo de estructuras carga

etc

Suelo granular (arenas,

gravas)

Tipo de

suelo

Suelos cohesivos (arcillas

limos)

Roca aflorante o a

pequeña profundidad

Incidencia del nivel

freático sobre las

excavaciones

constructivas

Cimentación directa

(zapatas, bases, plateas)

Mejora del

terreno

Cimentación indirecta

(cilindros, pilotes)

Resistencia Deformabilidad

DeformabilidadInteracción con

edificios cercanos

Deformabilidad

Tolerancias

del edificio

Optimización

de

excavaciones

Análisis de

asentamientos según

tipo de edificio

Alta Baja Alta

Baja

AltaBaja

MediaMedia

Si

No

Media

Alta

No admite

Admite

fundaciones-indirectas unlp

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