Ingeniería Geotécnica - U3S1 - Cimentaciones profundas

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CIMENTACIONES PROFUNDAS
Curso : Ingeniería geotécnica
Prof. : Msc. José Luis Carrasco Gutiérrez
CIMENTACIONES PROFUNDAS
Contenido:
A.DEFINICIÓN (NORMA PERUANA E.050)
B.TIPOS DE PILOTES.
C.SITUACION DONDE SE REQUIEREN DE PILOTES
D.MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA
E.CALCULO DE CAPACIDAD DE CARGA AXIAL
F.ASENTAMIENTOS
G.FRICCION NEGATIVA
H. NOCIONES SOBRE DISEÑO POR CARGA LATERAL
DEFINICIÓN DE CIMENTACIÓN PROFUNDA
Norma peruana E.050
Aquella donde:
Df / B > 5
Donde:
Df : Profundidad de la cimentación
B : Ancho o Diámetros de la cimentación
Son cimentaciones profundas:
• Pilotes, micropilotes
• Cajones de cimentación.
TIPOS DE PILOTES SEGÚN:
• Material
• Desplazamiento del suelo
• Transferencia de carga al suelo
CLASIFICACIÓN DE PILOTES
POR EL MATERIAL:
• Madera
• Concreto
- Prefabricado
- Vaciado in-situ (tubo hincado o perforado)
• Acero
• Tubular
• H
• Otros
• De Desplazamiento
- Desplaza y comprime el suelo
- Aumenta capacidad de carga (no siempre de inmediato)
- Incluye madera, concreto prefabricado, tubular con 
punta cerrada o si forma tapón de suelo.
• Desplazamiento Limitado
- Perforado, luego vaciado in-situ
- H
- Tubular abierto (si no forma tapón)
POR DESPLAZAMIENTO:
CLASIFICACIÓN DE PILOTES
CONCEPTO DE TAPÓN
• Si Qs interno > Qp Suelo:
Forma tapón
Tapón baja con el tubo
• Si Qs interno < Qp suelo:
No forma tapón
Tubo se desliza con respecto al suelo interno
 Qs interno
Qp suelo (sin área de acero)
POR TRANSFERENCIA DE CARGA:
• De Fricción
- En un solo estrato o estratos de rigidez similar
- Generalmente
Fricción Lateral (Qs) >> Resistencia de Punta (Qp)
- Asentamiento puede ser importante
• De Punta
- Se apoya en estrato bastante más resistente
- Rechazo durante el hincado si es hincado
- Observación durante perforación si es perforado
- Generalmente se debe despreciar fricción en estratos de baja 
resistencia.
• Combinación Punta + Fricción
CLASIFICACIÓN DE PILOTES
SITUACIONES DONDE SE REQUIEREN DE PILOTES
ESTIMACIÓN DE LA LONGITUD DEL PILOTE Y MECANISMO DE 
TRANSFERENCIA
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA
CAPACIDAD DE CARGA – PILOTE AISLADO
Existen muchos criterios y formulaciones desarrollados, de ellas
se pueden indicar:
• Fórmulas de Hinca
• Pruebas de carga
• Ecuación de Propagación de Ondas
• Pile Driving Analyzer (PDA)
• Fórmulas Estáticas
MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA CARGA ÚLTIMA
Pruebas dinámicas
A través de las fórmulas de hinca, se trata de
relacionar la capacidad de carga de un pilote con su
resistencia al hincado.
Permite evaluar las condiciones del terreno en un
pilotaje revelando variaciones que no fueron aparentes
en la investigación de campo.
(sólo como historia)
• Poco precisa, una de las más antiguas
RuS = En - EL
Suponer : EL = Ru. c
c = penetración adicional que ocurriría si no hubiesen pérdidas de energía
RuS = En - Ru c
Ru = (resistencia última)
c = 0.1” para martillos de vapor
c = 1 ” para martillos de caída libre
Ra = (resistencia admisible)
FS = 6 a 12
p
s
u W
F
R

cs
En

FORMULA DE ENGINEERING NEWS RECORDS (ENR)
MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA CARGA ÚLTIMA
FÓRMULAS DINÁMICAS
Limitaciones
• Poco aplicable a pilotes de fricción
No reemplaza a fórmula estática:
• No toma en cuenta que las arcillas se amasan y luego se
reconsolidan
• Las arenas pueden licuar debido a la vibración
• Considera el aporte por fricción lateral de suelos de baja resistencia
que generalmente no se debe considerar en pilotes que resisten por
punta.
• El cálculo de las pérdidas de energía es poco preciso: Se requiere FS
elevado.
• Permite estimar la resistencia Ru en función del rechazo (s)
para pilotes de punta
• Permite decidir cuando detener el hincado de pilotes de punta
• Permite estimar esfuerzo de compresión en el pilote
• Permite elegir el martillo adecuado durante el hincado
Usos
MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA CARGA ÚLTIMA
Pruebas de carga
Se considera como la forma más precisa de calcular tanto la
capacidad de carga de un pilote como el asentamiento. Su
realización implica un costo significativo. Este ensayo sigue
la norma ASTM D-1143
MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA CARGA ÚLTIMA
Ecuación de onda
• Este método usa la solución de la ecuación de onda para 
determinar la capacidad de carga de un pilote.
• Se consideran parámetros dinámicos adicionales para los 
cálculos (Quake y dumping)
• Cálculo más preciso : Pueden usarse factores de seguridad 
menos conservadoes Fs = 2.0 - 2.5
• Aplicación similares a las fórmulas de hinca
- Obtener Ru en función de s y martillo
- Elegir martillo
- Calcular s para un martillo determinado
- Calcular compresión y tracción en el pilote
MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA CARGA ÚLTIMA
• Pueden dar diferentes resultados.
• Las arcillas se amasan y generan sobre presión hidrostática durante 
hincado. Luego reconsolidan.
• Las arenas pueden licuar durante hincado
• Sobre presión hidrostática.
• Fórmula dinámica depende del martillo.
• Es como una prueba de carga, si no se aplica carga no se puede medir 
resistencia.
• Efectos dinámicos: quake y damping
Fórmulas dinámicas y/o PDA versus fórmulas estáticas
CIMENTACIONES PROFUNDAS (NORMA E.050)
Consideraciones en el cálculo de la capacidad de carga
Dentro de los cálculos de capacidad de carga de los
pilotes no se deben considerar los:
* Estratos licuables
* Aquellos de muy baja resistencia
* Suelos orgánicos ni turbas.
ECUACIONES ESTÁTICAS DE CAPACIDAD DE CARGA
Resistencia por fricciónResistencia por punta
CRITERIOS ESTÁTICOS – CAPACIDAD DE CARGA POR PUNTA - Qp
Meyerhof (Arenas)
Vesic 1977 Es calculado en términos de esfuerzos efectivos:
(Arcillas
(f=0°))
Jambu 1976 Considera sus propios factores: N*c y N*q
CAPACIDAD DE CARGA POR FRICCIÓN LATERAL (Qf)
La dificultad radica en la estimación de la “Resistencia de fricción lateral
unitaria (f)”. Depende de la naturaleza de la instalación del pilote.
ARENAS – Meyerhof 1961
CAPACIDAD DE CARGA POR FRICCIÓN LATERAL (Qf) Y PUNTA (Qp)
La dificultad radica en la estimación de la “Resistencia de fricción
lateral unitaria (f)”.
ARCILLAS
Condición no drenada
Condición drenada
Condición no drenada
FÓRMULA ESTÁTICA
• Resistencia Última
Qu = Qs + Qp – W
• Carga Admisible:
Qa = Qs + Qp – W
Fs
• FS depende de grado de certeza sobre el 
suelo, típicamente 3 a 6.
• Cuidado con sobre estimar SPT en gravas 
Qu
 Qs
W
Qp
FÓRMULA ESTÁTICA (…continuación)
Qs = AL . s
s = adhesión o fricción del suelo circundante
AL = área lateral
Qp =Ap . qp
qp = capacidad de carga del suelo bajo la punta
(similar a zapatas, pero con otros coeficientes de capacidad de carga)
Ap = área punta (decidir si es razonable asumir tapón de suelo)
Qs = ∑ AL . s
s= ca adhesión después de amasado y reconsolidado
s =  cu
Valores Típicos:
(Tomlinson, 1963)
FÓRMULA ESTÁTICA – SUELOS COHESIVOS
Cu (kg/cm2) Ca (kg/cm2)
0 – 0.375 0 – 0.35
0.375 - 0.75 0.35 – 0.50
0.75 – 1.5 0.5 – 0.65 (0.60)
> 1.50 0.65 (0.60)
FÓRMULA ESTÁTICA – SUELOS COHESIVOS (CONT..)
Qp= Ab . qp
qd = cu Nc + Df Nq + 1/2  zapatas)
Para arcilla saturada : Nq = 1, N
qd = cu Nc +  L 
Nc = 6 poca penetración en estrato resistente
9 buena penetración en estrato resistente
FÓRMULA ESTÁTICA – SUELOS GRANULARES
Qs = ∑AL. s
s = fricción suelo - pilote
s = `H x tan  = K . ´v tan 
Donde:
´H = Presión efectiva horizontal
´V = Presión efectiva vertical
K = coeficiente de empuje lateral
 = ángulo de fricción suelo - pilote
´h
FÓRMULA ESTÁTICA – SUELOS GRANULARES (CONT..)
• Hincados de desplazamiento:
K = Ko a 2 Ko
• De desplazamiento limitado:
K = 0.75 Ko a 1.75 Ko
• Perforados y vaciados in situ:
K = 0.71 Ko a Ko 
• Introducción con gata:
K = 0.50 Ko a 0.7 Ko
Donde:
Ko = 1- sen ø´
Ko = Coeficiente de empuje de tierras en reposo
ø´ = ángulo de fricción interna del suelo
FÓRMULA ESTÁTICA – SUELOS GRANULARES (CONT..)
Valores de:
• Acero liso / arena : 0.5ø´a 0.7ø´
• Acero rugoso / arena: 0.70ø´a 0.9ø´
• Concreto prefabricado / arena: 0.8ø´a ø´
• Concreto vaciado in situ / arena: ø´
MÉTODOS ESTÁTICOS RECOMENDADOS POR LA FHWA (USA)
MÉTODOS ESTÁTICOS RECOMENDADOS POR LA FHWA (USA)
La predicción de un asentamiento en un pilote es complejo debido a la
perturbación y cambios en el suelo por la instalación del pilote
Método semi empírico:
Asentamiento total: ST = Ss + Sp + Sps
El asentamiento debido a la deformación axial del pilote (Ss).
El asentamiento generado por la acción de punta (Sp)
El asentamiento generado por la carga transmitida por fricción (Sps).
Método empírico:
B=diámetro (pulg); Qva=Carga (lbs); Ap=Área de la sección del pilote;
L=Longitud del pilote (pulg);Ep=(Módulo de elasticidad (lbs/pulg^2)









pp
va
T
EA
LQB
S
100
CIMENTACIONES PROFUNDAS: NORMA E.050
ASENTAMIENTOS
En el caso de pilotes en suelo cohesivo, el principal componente del
asentamiento del grupo proviene de la consolidación de la arcilla. Para
estimar el asentamiento, en este caso, puede reemplazarse al grupo de
pilotes por una zapata imaginaria ubicada a 2/3 de la profundidad del grupo
de pilotes, de dimensiones iguales a la sección del grupo, y que aplica la
carga transmitida por la estructura.
CAPÍTULO 4: CIMENTACIONES PROFUNDAS (NORMA E.050)
FRICCIÓN NEGATIVA
Fricción Negativa
• Si el estrato superior es compresible y
recibe carga, sufre asentamiento y trata de
arrastrar el pilote hacia abajo.
• Se calcula igual que la fricción lateral, pero
en lugar de soportar al pilote se considera
carga aplicada.
CIMENTACIONES PROFUNDAS (NORMA E.050)
ESPACIAMIENTO ENTRE PILOTES
Usos:
• Transmitir las cargas de la edificación a un estrato competente.
• En sistemas estructurales diversos.
• En edificios de gran altura. Con cargas importantes
• Permitirá mayor estabilidad de toda la superestructura
Controles:
• Verificar el perfil estratigráfico para determinar profundidad del pilote
• Establecer modelo geotécnico de transferencia e carga (punta, fricción lateral o mixto)
• Establecer/Calibrar los parámetros resistentes del terreno (cohesión y fricción), para controlar el hincado.
• El espaciamiento entre pilotes de 3D a 5D, según norma E.050
• Evaluar niveles freáticos y licuación temporal de suelos
Modelación:
• Se puede modelar el pilote como una viga sobre una base elástica vertical.
• El pilote no sólo trabajará en compresión sino también tendrá un comportamiento elástico en todo el
contorno del pilote (lateral) y podrá representarse con resortes.
• Se puede evaluar el aporte del cabezal (Antiguamente se consideraba que los pilotes soportaban el 100%
de la carga).
Cimentación con pilotes
CIMENTACIONES PROFUNDAS
PILOTES HINCADOS
PILOTES HINCADOS
PILOTES – CIMENTACIÓN CONTENCIÓN
MICROPILOTES
MICROPILOTES - CONTENCIÓN
MICROPILOTES
Fuente: Terratest
• En la mayoría de casos los pilotes se usan en grupos para
transmitir la carga estructural al suelo.
• Normalmente se construye una zapata cabezal sobre un
grupo de pilotes. El cabezal puede estar en contacto con el
terreno o por encima.
u
uG
Q
Q


CAPACIDAD DE CARGA EN PILOTES
GRUPO DE PILOTES
• La eficiencia de la capacidad de carga
de un grupo de pilotes se define
como:
• Los pilotes y el suelo entre ellos, se consideran como
un gran pilote. Se calcula capacidad de carga por la
fórmula estática:
• Se calcula la suma de las capacidades de carga de los 
pilotes aislados:
• Se toma la menor:
Factor de grupo: 1
.

u
uG
Qn
Q
FG
 bsu QQnQn  ..
CAPACIDAD DE CARGA - GRUPO DE PILOTES
EFICIENCIA DE GRUPO
sGpGuG QQQ 
Ver: Braja Das. 5ta Ed.
Capacidad de carga – Grupo de pilotes
QsG
QpG
PILAS DE CIMENTACIÓN
PILAS DE CIMENTACIÓN
Fuente: Terratest
CIMENTACIONES PROFUNDAS (NORMA E.050)
Los pilares son elementos estructurales de concreto
vaciados in-situ, con diámetro mayor a 1m con o sin
refuerzo de acero y con o sin fondo ampliado.
La capacidad de carga de
un pilar son calculados
con los mismos métodos
estáticos utilizados en el
cálculo de pilotes
hincados. Se tomarán en
cuenta los efectos por
punta y fricción.
ESPACIAMIENTO ENTRE PILOTES
VENTAJAS DE LAS PILAS
• Fácil construcción en arenas y pilotes que hincar
pilotes.
• Ausencia de martillos de hincado que provocan ruidos y
dañan estructuras vecinas.
• En arcillas, se minimiza el levantamiento de pilas o
movimiento lateral como en pilotes hincados.
• Se puede inspeccionar la base del pozo.
• Se emplea equipo ligero para su construcción.
•La campana proporciona mayor resistencia a la tracción
e incrementa su resistencia por punta.
CAPÍTULO 4: CIMENTACIONES PROFUNDAS (NORMA E.050)
Acampanamiento en la base circular de la pila
Aflojamiento del suelo circundante
Se podrá acampanar el pilar en el ensanchamiento de la
base a fin de incrementar la capacidad de carga de la pila,
siempre y cuando no exista peligro de derrumbes.
El aflojamiento del suelo circundante deberá controlarse
por:
a) Rápida excavación del fuste y vaciado de concreto
b) Mediante el uso de un forro en la excavación del fuste
c) Por aplicación del método del lodo de bentonítico
DISEÑO DE PILAS BASADO EN ASENTAMIENTO
MÉTODO DE : REESE O´NEIL 1988
Resumieron datos adimensionales sobre la relación carga –
asentamiento para el caso de pilotes perforados, cuyas curvas de
comportamiento se muestran tanto para cargas transferidas por fricción
lateral y por punta para suelos cohesivos y no cohesivos
DISEÑO DE PILAS – BASADO EN ASENTAMIENTO
Método de Reese O´Neil 1988 - ARCILLAS
Qs se moviliza para 0.2 a 0.8% de Ds
Resistencia lateral Resistencia de punta
Qp se moviliza para 2 a 5% de Db
Normalmente de define al 5%
DISEÑO DE PILAS – BASADO EN ASENTAMIENTO
Método de Reese O´Neil 1988 - ARENAS
Resistencia lateral Resistencia de punta
Qs se moviliza para 0.1 a 1.0% de Ds
Qp continúa incrementando para s > 5% de Db
Normalmente de define al 5%
Procedimientos de ejecución
Fuente: Terratest
Procedimientos de ejecución
Fuente: Terratest
CONSTRUCCIÓN DE PILAS
Fuente:
PILAS
Fuente:
PILAS
Fuente:
PILAS – Uso de “Casing” temporal
Fuente:
EJERCICIO
Ds=1m
Db=1.20m
10m
1m
Arena suelta:
=17KN/m3
Arena densa:
=19KN/m3
N60=60 (SPT)
Cálculo de la capacidad de carga de un pilote pre-excavado
• Calcular la capacidad de carga última de un pilote sobre un estrato de
arena suelto y apoyado sobre otro denso.
• Calcular la capacidad de carga para un asentamiento de 2cm. Emplear el
método de Reese O'Neill. El N60, del ensayo de SPT dentro de una distancia
d, es de 60.
EJERCICIO
EJERCICIO
Cálculo
Cálculo
2290 KN
Cálculo
2940 KN
2940 KN
Cálculo
Ábaco 1 Ábaco 2
Ábacos para capacidad de carga en suelos arenosos
0.45
1.70
0.90
2.0