MECÀNICA DEL SÒL I DE LES ROQUES
Tema 17 – Fonamentacions profundes
Dept. d'Enginyeria Civil - Àrea d'Enginyeria del Terreny
Miguel Cano González
IntroduccióDefinició de fonamentació
- Tota estructura (pont, edifici, sitja, presa, etc.) ha d’estarnecessàriament suportada en el terreny.- Com que el terreny és més feble i deformable que elselements de construcció (acer o formigó) Cal disposard’elements que transmeten les tensions de les estructures alterreny FONAMENTACIONS.- La forma i dimensions de les fonamentacions depenen deles càrregues i de la naturalesa del terreny.
Tipus
Directes o superficials Construïdes a poca profunditat en sòls competents.
Profundes Construïdes a gran profunditat en sòls poc competents.
Fonamentacions profundesPiló
- Fonament profund que transmet les càrregues al terreny através d'un estrat de gran espessor o a un estrat profund demajor competència.- Element estructural longitudinal, de petita secció executadaa través del terreny, al qual transmet les càrregues del'estructura.- Segons Costet i Sanglerat: fonament profund D/B>10- Segons la Guia de fonamentacions en obres de carretera D/B>5- Estan documentats per Vitruvi (any 59 dC).- Es poden aconseguir profunditats de 60 m, diàmetres de 4 mi suportar càrregues de 20.000 KN (2000 t).
Fonamentacions profundesPiló
- S’empra:- En sòls amb baixa capacitat portant (fangs, torbes, etc.) Pressions de treball inferiors a 0,1 N/mm2 Resistència baixa.- En sòls molt deformables.- Quan hi ha un nivell freàtic elevat o es treballa en zonesmarines Major economia.- Amb grans càrregues concentrades.- Perill de soscavació Piles de ponts en lleres de rius.- Sòls blans en general.
Fonament. profundesParts
- Punta (o base): extrem inferior delpiló.- Cap: extrem superior del piló.- Fust: superfície perimetral del piló,cos del piló delimitat pel cap i lapunta.- Encepat: zona d'unió dels pilonsamb els pilars.
PILAR BIGA DE TRAVA
ENCEPAT
PILÓFUST
PUNTA
Fonamentacions profundesPilons - Tipus-s/ Forma de treball
- Pilons de fricció (per fust) Pilons flotants o de fricció- Pilons per punta Pilons columna
-s/ Mètode constructiu- Pilons prefabricats clavats- Pilons perforats (o excavats) de formigó in situ
-s/ Material- Formigó in situ- Formigó prefabricat- Acer- Fusta- Mixt
-s/ Forma secció transversal- Circular- Quadrada- Hexagonal- Octogonal- En H- Altres
Fonamentacions profundesPilons – Tipus (continuació)-s/ Tipus d'entubament
- Entubament obert- Entubament tancat- Entubament taponat
-s/ Diàmetre- Pilons D > 300 mm*- Micropilons D < 300 mm*
(*) Aquest límit (diàmetre) canvia en funció de la normativa considerada
Fonamentacions profundesPilons-s/ Forma de treballPilons per fust: transmeten la seua càrrega al terreny fonamentalment a través del fust Pilons flotants o de fricció.
Pilons per punta: les càrregues es transmeten fonamentalmentper punta Pilons columna.
Fonamentacions profundesPilons
-s/ Mètode constructiu
Pilons prefabricats clavats: l’execució implica el desplaçament del terreny i això pot induir un cert augment de la seua compacitat.
Pilons perforats (o excavats) de formigó in situ: solen ser formigonats en perforacions prèvies que poden realitzar-se amb tècniques bastant diferents entre si.
Fonamentacions profundesPilons-s/ Material pilóFormigó in situ: es realitzen mitjançant perforació o excavacióprèvia, encara que també poden executar-se mitjançantdesplaçament del terreny o amb tècniques mixtes (excavació idesplaçament parcials).Formigó prefabricat: pot ser formigó armat (formigons d'alta resistència) o formigó pretesat.Acer: solen utilitzar-se seccions tubulars o perfils en doble U o en H. Els pilons d'acer se solen clavar amb proteccions en la punta (guaspa, azuche [cast.], pile shoe [en.]).Fusta: és una solució comuna per a pilonar zones toves àmplies, per a suport d'estructures amb llosa o terraplens. El tipus de fusta més usat és el tronc d'eucaliptus.Mixtos: constituïts per combinació de dos o més materials.
Fonamentacions profundesPilons
-s/ Forma de la secció transversal
Circular
Quadrada
Hexagonal
Octogonal
En H
Altres
H
Fonamentacions profundes-En grups de pilons el clavament hade fer-se des de dins cap a fora.
- En hissar-los apareixen esforços de flexió més armadura.
ImportànciaFonamentacions profundesPILÓ TIPUS HERKULES
PILÓ TIPUS TERRATEST
Congreny (cast. zuncho)
Junta (2 peces iguals)
Guaspa (cast. azuche) especial per a roca
Guaspa (cast. azuche) plana o piramidal
Junta(2 peces diferents)
SECCIÓHEXAGONAL
SECCIÓQUADRADA
CPP-1: PILÓ PREFABRICAT DE FORMIGÓ ARMAT
Fonamentacions profundes
TIPUS DE PILÓ (NTE-CPP-1978) NO S’HAN D’UTILITZAR AMBCPP – 1 i 2 CUDOLS GRANS
RESTES DE CIMENTACIÓCIMENTACIÓ EN ÚS
PILONS PREFABRICATS
Fonamentacions profundesPilons
-s/ Forma de treballPilons per fust: transmeten la seua càrrega al terreny fonamentalment a través del fust pilons flotants o de fricció.
Pilons per punta: les càrregues es transmeten fonamentalmentper punta pilons columna.
Fonamentacions profundesCPI-8: PILÓ IN SITU D’EXTRACCIÓ AMB
BARRINA CONTÍNUA DE FUST BUIT
PILONS DE BARRINA CONTÍNUA (Starsol)
Fonamentacions profundesAltres aplicacions dels pilons
Estabilització de lliscaments de vessants i terraplens
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si hi ha la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació de talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si hi ha la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació de talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny per les càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un piló aïllat
Rck = Rpk + Rfk
Resistència característica a
l'enfonsament d'un piló aïllat
Resistència per punta
Resistènciaper fust
Rck
Rpk
Rfk
Plantejant l’equilibri ΣF=0:
Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un piló aïllat
Rck = Rpk + Rfk
Resistència característica a
l'enfonsament d'un piló aïllat
Resistènciaper punta
Resistènciaper fust
Rck
Rpk
Rfk
Plantejant l’equilibri ΣF=0:
Fonamentacions profundesCàrrega admissible d'un piló aïllat
S'obté dividint la càrrega d'enfonsament entre unfactor de seguretat apropiat:
Radm = (Rpk + Rfk) / R = Rck / R
R = 3.0 Per a llarg terminiR = 2.0 Per a curt termini i situacions
extraordinàries
Fonamentacions profundesCàlcul de pilonsDiàmetres equivalents
- Per a l’avaluació de la resistència per punta:
Deq = (4/ A)1/2
- Per a l’avaluació de la resistència per fust:
Deq = 1/ L
Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un piló aïllat
La resistència característica per punta serà:
Rpk = qp Ap
qp = resistència unitària per puntaA = àrea de la punta del piló
Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un piló aïllat
La resistència característica per fust serà:
Rfk = ∫0L f pf dz
f = resistència unitària per fustpf = perímetre de la secció transversal del pilóz = profunditat mesurada des de la part superior delpiló
z
dz
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d'enfonsament de pilons
En sòls
- Resistència per punta (Rpk)- Mètodes analítics- Mètodes basats en assajos de penetració in situ (SPT, CPT, pressiòmetre, etc.)
- Resistència per fust (Rfk)- Mètodes analítics- Mètodes basats en assajos de penetració in situ (SPT, CPT, pressiòmetre, etc.)
- Resistència global (Rck = Rpk + Rfk)- Proves de càrrega
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)
Resistència per punta - Sòls granulars:qp = fp ’vp Nq ≤ 20MPa
Resistència unitària d'enfonsament per punta
fp=3 en pilons clavats
fp=2.5 en pilons formigonats in situ
Pressió vertical efectiva natural al nivell de la punta = Σi zi
Factor de capacitat de càrrega:
Nq=(1+senØ’)/(1-senØ’)etanØ’
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)
Resistència per punta - Sòls fins – Llarg termini (amb drenatge):qp = fp ’vp Nq ≤ 20MPa
Resistència unitària d'enfonsament per punta
fp=3 en pilons clavats
fp=2.5 en pilons formigonats in situ
Pressió vertical efectiva natural al nivell de la punta = Σi zi
Factor de capacitat de càrrega:
Nq=(1+senØ’)/(1-senØ’)etanØ’
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)
Resistència per punta - Sòls fins – Curt termini (sense drenatge):qp = Np cu
Resistència unitària d'enfonsament per punta
Factor d’encastament: Recomanable Np=9
Resistència al tall sense drenatge al nivell de la punta (2D per damunt i 2D per sota de la punta)
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)
Resistència per fust - Sòls granulars:f = ’v kf f tg Ø’≤ 120 kPa
Resistència unitària per
fust
Tensió vertical efectiva al nivell considerat
Coeficient d'empenta horitzontal:Kf=1 en pilons clavatsKf=0.75 en pilons perforats
Angle de fricció intern del terreny
Factor de reducció de la fricció per fust:f=1 en pilons formigonats in situ i de fustaf=0.9 en pilons prefabricatsf=0.8 en pilons d’acer
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)
Resistència per fust - Sòls fins – Curt termini (sense drenatge):f = 100 cu/(100 + cu)
Resistència unitària per fust en KPa
Resistència al tall sense drenatge en KPa. cu=qu / 2 qu=resistència a compressió simple
NOTA: En pilons amb fust d'acer f es multiplicarà per 0.8
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)
Resistència per fust - Sòls fins – Llarg termini – (amb drenatge):f = ’v kf f tg Ø’≤ 100 kPa
Resistència unitària per
fust
Tensió vertical efectiva al nivell considerat
Coeficient d'empenta horitzontal:Kf=1 en pilons clavatsKf=0.75 en pilons perforats
Angle de fricció intern del terreny
Factor de reducció de la fricció per fust:f=1 en pilons formigonats in situ i de fustaf=0.9 en pilons prefabricatsf=0.8 en pilons d’acer
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons(mètode basat en assajos in situ - SPT)Resistència per punta - Sòls amb partícules majors de20 mm <30%
qp = fN N (Mpa)
Resistència unitària per punta (Mpa)
Valor mitjà del SPT. S'obtindrà com a mitjana de les mitjanes corresponents a la zona activa inferior i passiva superior
0.4 pilons clavats
0.2 pilons formigonats in situ
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons(mètode basat en assajos in situ - SPT)
EQUILIBRI VERTICAL
ZONA PASSIVA
ZONA ACTIVA
ZONA D’INFLUÈNCIA DE PUNTA
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons(mètode basat en assajos in situ - SPT)Resistència per fust - Sòls amb partícules majors de 20 mm<30%
f = 2.5 NSPT (kPa)
Resistència unitària per fust (Kpa)
Valor del SPT al nivell considerat ≤ 50 colps
NOTA: Per a pilons metàl·lics, cal reduir la resistència per fust un 80%
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d'enfonsament en pilons
En roca
-- Resistència per punta (Rp)- Mètodes analítics
-- Resistència per fust (Rf)- Mètodes analítics
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (Mètode analític)Resistència per punta (en roca)
qp,d = Ksp qu df
Resistència unitària per
punta
Factor d'encastament:
df = 1 + 0.4 Lf / d ≤ 3 amb:
Lf= longitud d'encastament
D = diàmetre real o equivalent del piló
Ksp=(3+s/D) / (10(1+300 a/s)1/2)
s = espaiat de les discontinuïtats
D = diàmetre real o equivalent del piló
a = obertura de la discontinuïtat
Resistència a compressió simple de la roca
Fonamentacions profundesCàlcul de la càrrega d’enfonsament en pilons (mètode analític)Resistència per fust en l'encastament (en roca)
f,d = 0.2 qu0.5
Resistència unitària per fust (Mpa)
Resistència a compressió simple de la roca (MPa)
Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un piló aïllat
Rck = Rpk + Rfk
Resistència característica a
l'enfonsament d'un piló aïllat
Resistència per punta
Resistència per fust
Rck
Rpk
Rfk
Plantejant equilibri ΣF=0:
Fonamentacions profundesCàrrega admissible d'un piló aïllat
S'obté dividint la càrrega d'enfonsament entre unfactor de seguretat apropiat:
Rcd = (Rpk + Rfk) / R = Rck / R
R = 3.0 Per a llarg terminiR = 2.0 Per a curt termini i situacionsextraordinàries
Fonamentacions profundesCondició d'enfonsament
El trencament es produirà quanla càrrega vertical sobre el capdel piló supere la resistència delterreny. Per tant, es compleix lacondició d’enfonsament si:
P < Rcd
Fonamentacions profundesCàrrega d'enfonsament d'un grup de pilons
-Quan hi ha n pilons en un encepat amb separacions≤ 3D, la càrrega d'enfonsament del grup serà ≤ n xRck a causa de la interacció entre ells-La càrrega d'enfonsament del grup de pilons seràigual a:
Rckg = x n x Rck
= 1 per a separacions entre eixos ≥ 3D = 0.7 per a separacions de 1D = interpolat per a separacions entre 1D i 3D
Fonamentacions profundesCàrrega admissible d'un grup de pilons
La càrrega admissible d'un grup de pilons serà iguala:
Rcdg = Rckg / R = ( x n x Rck) / R
I haurà de complir-se que:P < Rcdg
R = 3.0 Per a llarg terminiR =2.0Per a curt termini i situacions
extraordinàries
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si existeix la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si existeix la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesCondició de trencament per arrencada
Rfk
Rpk
Rfkt = 0.7 x Rfk
La resistència a tracció és igual al 70% de la resistència per fust a compressió.
Ha de complir-se que:
P < Rfkt/R
R = 3.5 per a situacions persistents i 2.3 per a accidentals
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si existeix la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesCondició de trencament horitzontal del terreny
Es comprovarà quan les càrregues horitzontals sobre el piló siguen superiors al 10% de la càrrega vertical. És a dir, quan:
H > P x 0.1
H
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si existeix la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del piló
Es comprovarà que els pilons són capaços de suportar les sol·licitacions que actuen sobre ells (tallants, axials i flectors)
Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del piló
Accions sobre els pilons:(se suposa encepat rígid i pilons articulats)
Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del pilóLímit estructural:Ha de comprovar-se que la càrrega axial de cada piló no supere el valor del topall estructural:
Àrea secció transversal del piló
Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del pilóFlectors:Ha de comprovar-se que cada piló és capaç de suportar l'esforç tallant i el moment flector al qual està sotmès:
Llei de moments flectors a causa de la força horitzontal que actua en el cap del piló
Fonamentacions profundesCondició de capacitat estructural del pilóFlectors:Ha de comprovar-se que cada piló és capaç de suportar l'esforç tallant i el moment flector al qual està sotmès:
Llei de moments flectors a causa del moment actuant en el cap del piló
Fonamentacions profundesComprovacions s/ CTE
*Estats límits últims (ELU)-Enfonsament-Estabilitat global (si hi ha la possibilitat que s’hi genere una superfície de lliscament que envolte tot el fonament. P. ex.: coronació talussos, mig vessant, etc.)-Trencament per arrencada (en pilons treballant a tracció)-Trencament horitzontal del terreny sota càrregues del piló-Capacitat estructural del piló (flectors, tallants, axials)
*Estats límits de servei (ELS)-Els moviments del terreny (horitzontals i assentaments)
Fonamentacions profundesAssentament d'un piló aïllat
L’assentament d'un piló aïllat pot calcular-se com:
Fonamentacions profundesAssentament d'un grup de pilons
-L’assentament d'un grup de pilons pot ser major que el d'un piló aïllat a causa dels efectes d'interferència.
-El càlcul de l’assentament del grup es du a terme com si es tractara d'una fonamentació superficial de dimensions B1 x L1 (funció de la disposició dels pilons, de la seua longitud i de α ) que ha de suportar tota la càrrega del grup, situada a una profunditat z sota el terreny (z= α.l2).
B1= Bgrup+(1-α) l2
L1= Lgrup+(1-α) l2
Fregament negatiu en pilotesFREGAMENT NEGATIU:El sòl circumdant assenta El sòl es penja del piló Indueix una COMPRESSIÓ
CAUSES:- Consolidació natural del rebliment que travessa els pilons
- Col·locació d'un reble o terraplè en la zona per a elevar la cota
- Col·locació de sobrecàrregues- Accions dinàmiques vibracions, terratrèmols, etc. que compacten el terreny
- Subsidència
Fonamentacions profundes