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Seminarios CSI - Colombia, Nicaragua, El Salvador y Guatemala
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Trabajo 3 - Pilotaje, cimentaciones profundas
*Trabajo incluido en CD Constru Aprende 1 |
| Análisis Estático De La Capacidad De Carga De Un Pilote |
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La máxima capacidad de carga de un pilote o pilar es la suma de la resistencia por la punta y por la fricción lateral en el instante de la carga máxima: QO = QBB + QSF (3) Los valores máximos de QEBC y QSFC se pueden analizar separadamente. ambos están basados en el estado de los esfuerzos alrededor del pilote (o de cualquier cimentación profunda) y en la forma de distribución del esfuerzo cortante que se desarrolla al fallar. En el pilote resistente por la punta, esta se asemeja a una cimentación por superficie enterrada profundamente. Cuando se carga el pilote se forma un cono de suelo no alterado que se adhiere a la punta. Como la punta va penetrando mas profundamente conforme aumenta la carga, el cono fuerza el suelo hacia los lados cortando la masa a lo largo de una superficie curva. Si el suelo es blando, compresible o tiene un modulo de elasticidad bajo, la masa situada mas allá de la zona de esfuerzo cortante se comprime o deforma, permitiendo que el cono penetre mas. Esta es una forma de esfuerzo cortante local similar al descrito para las cimentaciones poco profundas. Si el suelo o la roca son muy rígidos, la zona de esfuerzo cortante se extiende hasta que el desplazamiento total permita al cono perforar el suelo hacia abajo. Se han propuesto varias formas para la zona de esfuerzo cortante para evaluar la resistencia por la punta. Igual que los resultados de los análisis de las cimentaciones poco profundas, estos se pueden expresar en la forma general siguiente: qo = Br Nr + cNc + q'Nq (3) 2 Para los pilotes en que B es pequeño, frecuentemente se omite el primer termino: qo = cNc + q'Nq (4) Aunque se ha deducido muchos factores diferentes de capacidad de carga para cimentaciones profundas, la variación de los que han sido verificados con alguna extensión, por ensayos en pilotes de tamaño natural, se representan en figuras. Las curvas inferiores son los factores de Meyerhof para cimentaciones poco profundas, corregidas para la forma circular o cuadrada. Las curvas superiores son para la falla general de esfuerzo cortante, adaptadas de las de Meyerhof y se requiere el desarrollo completo de la zona de esfuerzo cortante, lo que solamente puede ocurrir en un sólido rígido-plastico o en una arena compacta. Las curvas intermedias son adaptadas de los trabajos de Berezantzev; en arena estas curvas se ajustan a los resultados de los ensayos en modelos a escala grande y a tamaño natural en pilotes hincados.
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Es difícil precisar cual es el factor de capacidad de carga correcto que debe usarse en cada caso. Los factores para cimentaciones poco profundas se aplican a los pilotes resistentes por la punta o a los pilotes, cuando descansan en estratos duros, y sobre los cuales se encuentran formaciones débiles. También se aplican a los pilotes embebidos en arcillas blandas y arenas sueltas. Los factores mas altos se aplican solamente a las arcillas mas duras y a las arenas muy compactas, en las cuales la punta del pilote queda embebida a una profundidad de 10D. Los factores para condiciones intermedias entre estos limites, se pueden hallar por interpolación, pero con cautela. Los ensayos han demostrado, en muchos casos reales, que las curvas intermedias son aplicables. Si los pilotes son hincados en el suelo, el ángulo de fricción que debe usarse es el que se obtiene después de la hinca. Según Meyerhof, en las arenas se produce un aumento de 2 a 5 grados sobre el valor obtenido antes de la hinca. Si la colocación del pilote se hace con chiflón de agua o con perforación previa, el ángulo no cambia prácticamente. El valor apropiado de q' al nivel de la cimentación, depende de la longitud del pilote. q' = rz si z < zc (5a) q' = rzc si z > zc (5b) La fricción lateral que actúa a lo largo del fuste del pilote es igual a la suma de la fracción mas la adherencia en la superficie del pilote o a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo inmediatamente adyacente al pilote, cualquiera que sea menor. Si f es la fricción lateral: f = c' + 'h tan ' o (6a) f = ca + 'h tan donde ca es la adherencia y el angulo de rozamiento entre el suelo y la superficie del pilote. Los valores de ca y de tan se pueden determinar por una prueba directa de esfuerzo cortante, substituyendo una mitad de la caja del aparato para el ensayo por el material de la superficie del pilote. Los ensayos hechos con pilotes de tamaño natural indican los siguientes valores de ca son relación a los de c en arcillas saturadas, obtenidos en pruebas de esfuerzo cortante sin drenaje: ca = 0.9c c < 0.5 Kg/cm2 (6b) ca = 0.9 + 0.6(0.49c -1) c > 0.5 Kg/cm2 (6c) En estas expresiones c y ca están en Kg. / cm2.
La mas baja proporción en el aumento de ca en suelos en los cuales c > 0.5
Kg/cm2, parece ser debido a un pequeño vacío que se forma alrededor del pilote
durante la hinca y posiblemente a los esfuerzos de tracción que se producen
alrededor del extremo superior del fuste del pilote durante la carga. Hay alguna
evidencia de que ca aumenta lentamente con el tiempo hasta llegar a igualarse a
c. |
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qo = 4N ( en Kg / cm2) (7a) fo = 0.02N ( en Kg / cm2) (7b) Inmediatamente después de la hinca, la resistencia del suelo (y la adherencia) corresponden a la condición de reamasado. Después de que un suelo de arcilla ha tenido la oportunidad de reconsolidarse y, en algunos casos, endurecerse tixotropicamente, la adherencia y la resistencia del suelo inmediatamente adyacente al pilote aumenta y hasta puede exceder la resistencia original del suelo. Los pilotes extraídos de suelo arcilloso, frecuentemente están cubiertos con una capa de suelo de varios centímetros de espesor que esta adherida firmemente a la superficie del pilote. La capacidad total de carga de un pilote es nominalmente, la suma de la resistencia por la punta que se ha movilizado y el producto de la fricción unitaria lateral movilizada por el área de la superficie lateral del pilote. Sin embargo, la carga máxima o de falla, Qo, no es necesariamente igual a la suma de la resistencia máxima por la punta y la fricción lateral máxima. Primero, porque puede que no se movilicen simultáneamente las resistencias por la punta y por fricción lateral en las diferentes secciones del fuste del pilote. Considérese un pilote cuyo fuste este en un suelo débil, no rígido, pero cuya punta descanse en un estrato rígido. Un movimiento relativamente pequeño del pilote, hacia abajo, seria suficiente para producir la falla por capacidad de carga, mientras que el mismo movimiento no seria lo suficientemente grande para producir la falla por fricción lateral; por consiguiente, solo una parte de la fricción lateral se habría movilizado en el instante de la falla. La reflexión del fuste del pilote por efecto de la carga (que es máxima en la superficie del terreno, pero menor en la punta), la diferente rigidez de los distintos estratos en contacto con el pilote y la compresión del suelo debajo de la punta del pilote, también contribuyen a una movilización desigual de la resistencia por la punta y de la fricción lateral. El resultado final es que la verdadera capacidad de carga del pilote puede ser notablemente menor que la suma de los valores máximos. Esta diferencia se agrava en los suelos ultra susceptibles, donde la falla produce una perdida de resistencia. Por estas razones la fricción lateral de los estratos débiles generalmente se desprecia en los cálculos. El pilote hincado tiene, generalmente, una capacidad de carga máxima mayor que la del pilote colocado con excavación previa o con chiflón de agua, porque los valores máximos, tanto el de resistencia por la punta como el de fricción, se alcanzan durante la hinca. Una segunda causa de la diferencia
entre la capacidad de carga calculada y la real de los pilotes, proviene de la
fricción negativa. Los esfuerzos que se desarrollan en el suelo por el pilote y
por cualquier carga superficial, como el relleno, no soportada directamente por
los pilotes, hace que el suelo no consolide. Si hay algún estrato muy
compresible a algún nivel por arriba de la punta del pilote, la consolidación
hará que el suelo de arriba se mueva hacia abajo con respecto al pilote. Esto
estratos en vez de soportar el pilote, debido a su movimiento descendente,
añaden carga al pilote. Esta fricción negativa ha sido tan grande en algunos
casos, que ha producido la falla de la cimentación por pilotaje y debe por lo
tanto, considerarse en el proyecto. |
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