Capitulo 7-Fundaciones Indirectas PDF

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Geotecnia-Fundaciones indirectas...

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CAPITULO 8

FUNDACIONES INDIRECTAS

Prof. Ing. Augusto J. Leoni

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Prof. Ing. Augusto J. Leoni

CAPITULO 8

PERMÍTANME UN PEQUEÑO MIMO PARA EL ALMA La sensación que experimenté cuando el 5 de noviembre del 2012 les comuniqué a los alumnos, una vez terminada la clase en la Facultad de Ingeniería de la UNLP, que ésta era la última clase de mi carrera como educador, fue muy rara y se me cruzaron muchas cosas que tenían que ver con: -

El trabajo incesante desde que me recibí de Ingeniero, para que en nuestra Facultad se pudiera contar con un Laboratorio de Mecánica de Suelos, cosa que pude concretar recién luego de 19 años de gestión.

-

Los 32 años que luché para que me dieran la oportunidad de tener un concurso limpio y transparente, para acceder a un cargo de Profesor Ordinario en el Área Geotecnia, que gané en el 2005 accediendo directamente al cargo de Profesor Titular que hoy finaliza.

-

Los años de trabajo preparando apuntes que sé que son utilizados, para mi orgullo, en otras Facultades de la Argentina y en el extranjero.

En realidad, cuando uno está frente a los alumnos en estas circunstancias, se cruzan todas estas imágenes, y es inevitable que la voz se quiebre en un instante, más cuando tenía que agradecerles a los alumnos el concepto que tenían de mi labor como docente y que han plasmado en la última encuesta publicada por la Facultad de Ingeniería y que resumo en el siguiente gráfico. LAB LABOR OR D OC OCENTE ENTE Prof. Ing. Augusto José Leoni

No contesta (9.00%) Malo (1.00%) Regular (2.00%) Bueno (7.00%)

Muy Bueno (16.00%) Exelente (65.00%)

Que el 88 % de los 110 alumnos consultados, considere que mi trabajo como docente está entre “Excelente”, “Muy Bueno”, y “Bueno” es el mejor regalo que he tenido en toda mi carrera docente y justifica cualquier sacrificio que haya tenido que afrontar. Muchas Gracias.

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CAPITULO 8

Índice Item

Descripción

Página

1

Introducción

5

2

Fundaciones indirectas

5

3

Pilotes hincados

7

4

Cilindros de fundación

10

5

Pilotes Franki

15

6

Pilotes con hélice continua

17

7

Interacción suelo – pilote

18

7.1

Tensión de fuste

19

7.1.1

Tensiones de fuste para suelos granulares

22

7.1.2

Tensiones de fuste para suelos cohesivos

23

7.1.2.1

Tensiones de fuste para arcillas blandas

23

7.1.2.2

Tensiones de fuste para arcillas compactas

25

7.2

Cálculo de las tensiones de punta

25

8

Tensiones de fuste negativas (Fricción negativa)

32

9

Carga de trabajo para un pilote aislado

38

9.1

Método de cálculo a partir de resultados del ensayo SPT

39

9.2

Fórmulas de hinca

40

10

Coeficiente de balasto horizontal

41

10.1

Coeficiente de balasto horizontal en suelos finos (con SPT >5)

41

10.2

Coeficiente de balasto horizontal en suelos granulares

43

10.3

Coeficiente de balasto horizontal para suelos arcillosos blandos (SPT < 5)

44

Ejercicio 1

45

Ejercicio 2

46

Ejercicio 3

48

Ejercicio 4

51

11

Asentamiento de un pilote aislado

55

11.1

Asentamiento por deformación del pilote

56

11.2

Asentamiento debido a la carga de punta

57

11.3

Asentamiento debido a la carga de fuste

57

11.4

Asentamiento teniendo en cuenta las ecuaciones de Vesic

58

Ejercicio 5

59

11.5 11.6 12

Cálculo de la constante de resorte en la puna de pilote apoyado en suelos finos. Cálculo de la constante de resorte en la puna de pilote apoyado en suelos granulares. Grupo de pilotes

3

62 63 64

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12.1

Eficiencia de un grupo de pilotes

66

12.2

Asentamiento de grupo de pilotes

69

Ejercicio 6

70

13

Micropilotes

73

13.1

Fundamentos de los micropilotes

74

13.2

Aplicaciones

75

13.3

Procedimientos constructivos

78

13.3.1

Micropilotes construidos con Inyección Global Unica (Sistema IGU)

80

13.3.1.1

Anclajes inyectados autoperforados (AIA)

82

13.4

Micropilotes construidos con Inyección Repetitiva y Selectiva (sistema IRS)

85

13.5

Fluidez de la lechada

91

13.6

Cómputo de materiales

91

13.7

Resistencia estructural

96

13.8

Método de diseño

97

13.8.1

Experiencias de Gouvenot

98

13.8.2

Experiencias de Lizzi

98

13.8.3

Metodología Francesa (Michel Bustamante 1985)

99

13.8.3.1

Ensayos de Presiometría

99

13.8.3.2

Ensayo Normal de Penetración o “SPT”

105

13.8.4

Metodología de cálculo Brasileña (Da Costa Nunes)

111

13.9

Tope estructural

114

13.10

Seguridad frente al pandeo

115

13.11

Ejemplo de cálculo

116

13.12

Disposición de los micropilotes

121

13.13

Control de la lechada de inyección

123

13.13.1

Densidad de las lechadas

124

13.13.2

Viscosidad de las lechadas

126

13.14

Ensayos de carga sobre micropilotes

129

13.14.1

Ensayos de carga a compresión

129

13.14.2

Ensayo de carga a tracción

134

Esquema final

137

Bibliografía

139

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1.- Introducción El presente apunte surge como recopilación de mis años de profesor titular del Área Geotecnia de la Facultad de Ingeniería de la UNLP y de mis 44 años de trabajo continuo en la especialidad. El mismo intenta ser un apunte para los alumnos de Ingeniería Civil en sus cursos de Geotecnia, y una guía importante para los ingenieros en sus actividades profesionales. Se detallan en el mismo las definiciones relevantes, las condiciones de borde que justifican los cálculos de capacidad de carga, algunas de las distintas teorías que, a criterio del autor, permiten resolver satisfactoriamente los cálculos de capacidad de carga. Y finalmente se presentan algunos ejercicios y cálculos, que de ninguna forma son exactos, pero que nos orientan sobre algunos temas adicionales como son los asentamientos, y la capacidad de carga de los grupos.

2.- Fundaciones indirectas Las prolongaciones de las estructuras que se proyectan en la ingeniería civil y que permiten el apoyo o la fundación de las mismas en el terreno, se conocen por dos grupos principales: -

Las fundaciones directas

-

Las fundaciones indirectas

Los dos grupos de fundaciones son elementos estructurales que transmiten las cargas de las columnas de la estructura principal al terreno natural. En las fundaciones directas, las dimensiones del apoyo, son significativamente mayores a las secciones de las columnas, y la misma depende de las cargas que transmiten y de la posibilidad que tiene el terreno natural de soportar tensiones sin experimentar deformaciones excesivas. Estas fundaciones además y por lo general se ubican a poca distancia de la estructura principal aún, cuando esta tenga subsuelos. Dentro de las fundaciones directas tenemos las plateas de fundación (a), las bases aisladas (b), y las zapatas continuas (c), Figura 1. Cuando ninguna de estas fundaciones directas, pueden ser implementadas, ya sea por la magnitud de las cargas a transferir al terreno, o por la mala calidad de los suelos

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superficiales para recibir estas cargas, debemos buscar de transmitir estas cargas a otros mantos de mayor compacidad (suelos finos), o mayor densidad relativa (suelos gruesos).

b

a

c

Figura 1: Distintos tipos de fundaciones directas

Como es lógico, estos mantos los tendremos que buscar a mayor profundidad, con elementos estructurales que nos permitan llegar hasta ellos. De acá el nombre que surge para estas fundaciones “Fundaciones Profundas” o “Fundaciones indirectas”. El primero de ellos es obvio y el segundo se refiere a la utilización de un elemento estructural, comúnmente denominado “pilote”, que transfiere en forma indirecta (en comparación con las fundaciones de la figura 1) las cargas a un estrato de suelos de mayor capacidad de carga, que se ubica “alejado” de la estructura principal. Figura 2. Existen diferentes metodologías para conformar una fundación indirecta mediante pilotes, las más conocidas o utilizadas son las siguientes: -

Pilotes Hincados

-

Cilindros de fundación

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Los primeros, son elementos paralelepípedos premoldeados que se construyen por lo general, en moldes apropiados, de hormigón armado y que luego se hincan en el terreno hasta llegar a los estratos más resistentes. Los segundos son excavados, con herramientas manuales o mecánicas, luego de coloca la armadura y se cuela en hormigón.

w

Elementos estructurales de transferencia de cargas “Pilotes”

Suelos con poca capacidad portante, arcillas blandas o arenas sueltas

Suelos con capacidad portante importantes, arcillas muy compactas o arenas densas

Figura 2: Fundaciones indirectas

3.- Pilotes hincados El uso de los pilotes para la fundación de estructuras, es muy antiguos. Se han detectado restos de estos elementos construidos con madera, que se remonta desde hace 6.000 años, en construcciones localizadas en Europa, realizadas por las tribus “que habitaban los lagos suizos”. Se tienen también, hoy ejemplos de construcciones en Venecia, como “La Torre del Campanile” que fue reconstruida en 1902, sobre los mismos pilotes de madera de 1000 años de antigüedad y que todavía se encuentran en excelente estado.

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A la fecha hay defensores acérrimos de los pilotes de madera que aducen que son mejores que sus homólogos de hormigón o acero, en lo que se refiere a su bajo coste, facilidad de transporte, manipulación (especialmente en zonas de difícil acceso), durabilidad (en la que se incluye su buen comportamiento en suelos ácidos o alcalinos y sumergidos), no se ven afectados por las corrientes eléctricas, no requieren protecciones frente a la corrosión, y a su facilidad de corte, mecanización e instalación. Además, constituye la cimentación más barata en relación con la carga soportada. A mi entender, los mismos pueden ser de aplicación para casos especiales, y se ven muy limitados por la carga que puedan resistir. Por lo general los pilotes hincados que se utilizan a la fecha son premoldeados de hormigón armado, o confeccionados con perfiles de acero. Estos pilotes se construyen en “planchadas” o “canchas” apoyados sobre el terreno nivelado en las que se colocan los encofrados y las armaduras de varios pilotes y luego se procede a colar el hormigón, logrando confeccionar una gran cantidad de pilotes o tramos de los mismos, en una sola maniobra. Figura 3.

Figura 3: Cancha de pilotes premoldeados

Los pilotes hincados no tienen límites en cuanto a su longitud, la limitación en su longitud la establece la altura del mástil de la máquina que va a proceder al hincado. Por lo tanto, en los casos en que la longitud del pilote supere la altura del mástil de la máquina, los pilotes se construyen en tramos que luego a medida que se los hinca en el terreno se van acoplando. Para ello se colocan solidariamente a la armadura de los pilotes placas

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metálicas que tiene un diseño especial (macho - hembra) que permiten la unión de los dos tramos soldando las dos placas y recubriéndolas con epoxi. Figura 4. Otra de las limitaciones en el largo del tramo de pilote que se construye, radica en el esfuerzo a flexión que los mismos tienen que resistir al momento de ser elevados desde su posición horizontal, hasta su posición vertical o inclinado para su hinca final.

Figura 4: Placa de unión de los tramos de pilotes

Originalmente, estos pilotes se hincaban en el terreno con una masa importante que se levantaba con un malacate y se dejaba caer sobre la cabeza del mismo, que a su vez se protege con un capacete metálico para que no se destruya el hormigón del mismo. Con el avance de la tecnología se reemplazó la masa de caída libre, por el martillo automático diésel que se muestra en la figura 5.

Figura 5: Accionamiento del martillo automático

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El martillo automático es básicamente un gran pistón macizo que se desplaza por una camisa, como si fuera un motor diésel de un solo pistón. Su funcionamiento se puede describir de la siguiente forma: a) El Pesado pistón cae libremente desde una cierta altura y en su caída acciona un inyector de combustible que entra en la cámara de combustión donde el aire y el combustible inyectado se comprimen hasta que se produce la ignición de la mezcla (aire - combustible), generando un importante aumento de volumen de los gases generados. b) Esta combustión impulsa el pistón hacia arriba, y por el principio de acción y reacción genera un impacto sobre la cabeza del pilote que lo hinca en el terreno. c) A medida que el pistón se eleva deja en descubierto los orificios de salida de los gases de la combustión. d) Mientras continúa su ascenso, el pistón genera la entrada de aire fresco a la cámara de combustión y vuelve a su posición original la leva del inyector. e) A medida que asciende, el pistón pierde energía, se detiene y reinicia el ciclo, generando un nuevo impacto sobre el pilote. Estos martillos se catalogan, o se clasifican, por el trabajo que desarrollan en cada impacto, que consiste en multiplicar el peso del pistón por su altura de caída.

4.- Cilindro de fundación Otro tipo de estructura que se utiliza para conformar una fundación indirecta son los cilindros de fundación. Estos elementos se construyen también de hormigón armado, pero a diferencia de los pilotes hincados los mismos son moldeados in situ, por lo tanto, se debe practicar una perforación en el terreno de las mismas dimensiones del cilindro proyectado. Cuando los suelos a atravesar para conformar el cilindro, se componen por suelos finos “medianamente compactos” a “compactos”, las perforaciones se pueden hacer con hoyadoras equipadas con baldes especiales o mechas con helicoidales, como las que se muestran en la figura 6. En los casos en que los suelos que haya que atravesar, sean suelos gruesos (arenas), con la napa elevada, estas perforaciones se podrán ejecutar utilizando lodos bentoníticos para

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estabilizar las paredes de la excavación. En estos casos, solamente se pueden utilizar baldes, ya que con mechas helicoidales y debajo de la napa, los suelos (finos o arenosos) no se sostienen.

Figura 6: Hoyadoras equipadas con balde y con mechas helicoidales

En los casos particulares que tengamos que perforar arenas debajo de la napa de agua y estemos trabajando con lodos bentoníticos, el balde para extraer el material granular debe

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tener una cara plana en el sentido vertical. Figura 7. De esta manera permitiremos que rápidamente pasen los lodos bentoníticos hacia el fondo de la perforación cuando izamos el balde lleno de material, y evitando así que la extracción del mismo provoque vacío sobre el suelo que queda debajo del balde, y para que la arena del fondo no pierda su densidad natural. De cualquier manera, la maniobra de izado del balde en este tipo de estratigrafías se debe hacer en forma muy lenta, para evitar el sifonaje del material que se excava.

Figura 7: Balde de una hoyadora con una cara plana vertical

En los casos en que los suelos a excavar, sean suelos granulares “sueltos”, o suelos finos “blandos”, debemos tener en cuenta que una vez finalizada la excavación con lodos bentoníticos, las paredes de la excavación, puede cerrarse parcialmente o completamente. Para evitar esto, es recomendable que la perforación para materializar el cilindro de fundación se haga con una camisa metálica, que podrá formar parte luego del pilote o se podrá retirar a medida que se procede al colado del hormigón. Una técnica muy apropiada para colocar la camisa metálica, es utilizar vibradores, eléctricos o hidráulicos Figura 8. Estos equipos tienen por lo general, cuatro (4) mordazas hidráulicas que permiten fijar el vibrador a la camisa. Tienen además en su interior, pares de motores eléctricos o hidráulicos que hacen girar masas excéntricas, que generan movimientos vibratorios verticales con una frecuencia elevada, lo que hace que con el peso del vibrador y el de la propia camisa, la misma penetre en el suelo fino blando o granular, para luego proceder a retirar con el balde, los suelos del interior de la camisa. 12

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Figura 8: Vibrador para hincar camisas metálicas

Otra alternativa que se puede implementar para la construcción de los cilindros de fundación, consiste en agrandar la base de la punta de los pilotes, mediante el uso de un escariador como el que se muestra en la figura 9. Este elemento solamente puede ser utilizado en suelos finos cohesivos, ya que obviamente si se tratara de suelos granulares, los mismos se desmoronarían al ser excavados con una pendiente negativa. En la figura 10 que se adjunta, se muestran las maniobras que se practican para la construcción de un cilindro de fundación. En el primer cuadro se observa que se practica la excavación en un manto superior no cohesivo, que puede desmoronarse, y por lo tanto se coloca un caño camisa para evitar esto, (nótese que se está trabajando sin lodos bentoníticos) la camisa en este caso solamente abarca la profundidad del manto superior. Alcanzado el manto cohesivo se

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prosigue la perfor...