UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO DISEÑO DE CUATRO OBRAS GEOTÉCNICAS: CIMENTACIÓN CON PILOTES PRE-EXCAVADOS SOBRE SUELOS BLANDOS DE GRANO FINO, ESTRUCTURA DE PANTALLA DE CONCRETO CON ANCLAJES ACTIVOS, TÚNEL CARRETERO ALTERNATIVO EN RUTA NACIONAL 35 Y ANÁLISIS DE DEFORMACIONES EN TRES SISTEMAS FLEXIBLES DE RETENCIÓN: GAVIONES Y SUELO REFORZADO Trabajo final de investigación aplicada sometido a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil para optar al grado y título de Maestría Profesional en Geotecnia LEANDRO ARGUEDAS SALAS Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2020 II DEDICATORIA A mis hijos Alejandro y Valeria, así como a mis padres Luis Andrés y María Isabel y por último mis queridos abuelitos Manuel Salas y Carmen Salas (QdDg). AGRADECIMIENTOS Primero a Dios, por dejarme llegar hasta acá, derramando siempre bendiciones en mi vida. El agradecimiento especial, a mi familia que durante estos años me ha brindado su apoyo y comprensión constituyéndose en un motor de vida para nuestra familia. A todos los profesores del programa de Maestría en Ingeniería Geotécnica, por todos los conocimientos que me han transmitido y la ayuda bridada a lo largo de este proceso, en especial a la Ing. Ana Monge M.Sc. y el Ing. Danilo Jiménez M.Sc., que me brindaron toda su colaboración para realizar este trabajo. A mi amigo y compañero Olman Leiva, que siempre me colabora con su ayuda y experiencia, brindándome muy buenos consejos para aplicarlos en el trabajo escrito. A todos aquellos compañeros de maestría, que siempre estuvieron anuentes a prestarme su valiosa ayuda, colaboración y que han sido parte fundamental en el logro de mis objetivos. III “Este trabajo final de investigación aplicada fue aceptado por la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar al grado y título de Maestría Profesional en Geotecnia”. ________________________________________ Ph.D. Guillermo González Beltrán Representante del Decano Sistema de Estudios de Posgrado ________________________________________ M.Sc. Ana Lorena Monge Sandí Profesora Guía ___________________________________ M.Sc. Danilo Jiménez Ugalde. Lector ___________________________________ M.Sc. Marcia Cordero Sandí. Lectora ___________________________________ M.Sc. Oscar Calvo Carranza. Representante del Director del Programa de Posgrado ______________________________________ Leandro Arguedas Salas. Sustentante IV TABLA DE CONTENIDO DEDICATORIA ..................................................................................................................................... II AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................................... II HOJA DE APROBACIÓN ………………………………………………………………………………………………………………….III TABLA DE CONTENIDO ..................................................................................................................... IV RESUMEN ........................................................................................................................................ VII LISTA DE TABLAS ............................................................................................................................ VIII LISTA DE ECUACIONES .................................................................................................................... XVI LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................ XVIII LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................................. XXVII CAPÍTULO PRIMERO: CIMENTACIÓN CON PILOTES PRE-EXCAVADOS SOBRE SUELOS BLANDOS DE GRANO FINO ...................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 7 CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO ..................................... 24 DISEÑO DE LA OBRA..................................................................................................... 30 PLANOS CONSTRUCTIVOS ............................................................................................ 48 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS....................................................................................... 49 PRESUPUESTO .............................................................................................................. 87 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 91 RECOMENDACIONES .................................................................................................... 92 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 93 CAPÍTULO SEGUNDO: ESTRUCTURA DE PANTALLA DE CONCRETO CON ANCLAJES ACTIVOS ..... 94 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 94 V MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 100 CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO ................................... 118 DISEÑO DE OBRA ....................................................................................................... 129 PLANOS CONSTRUCTIVOS .......................................................................................... 151 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS..................................................................................... 154 PRESUPUESTO ............................................................................................................ 161 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 163 RECOMENDACIONES .................................................................................................. 165 REFERENCIAS ............................................................................................................. 167 CAPÍTULO TERCERO: TÚNEL CARRETERO ALTERNATIVO EN RUTA NACIONAL 35 ..................... 168 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 168 MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 179 CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO ................................... 257 DISEÑO DE OBRA ....................................................................................................... 268 PLANOS CONSTRUCTIVOS .......................................................................................... 276 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS..................................................................................... 279 PRESUPUESTO ............................................................................................................ 287 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 290 RECOMENDACIONES .................................................................................................. 292 REFERENCIAS ............................................................................................................. 294 CAPÍTULO CUARTO: ANÁLISIS DE DEFORMACIONES EN TRES SISTEMAS FLEXIBLES DE RETENCIÓN 296 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 296 MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 301 CARACTERIZACIÓN DEL PROYECTO Y MODELO GEOTÉCNICO ................................... 321 VI DISEÑO DE LA OBRA................................................................................................... 333 PLANOS CONSTRUCTIVOS .......................................................................................... 355 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS..................................................................................... 358 PRESUPUESTO ............................................................................................................ 368 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 375 RECOMENDACIONES .................................................................................................. 377 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 378 ANEXOS ...................................................................................................................... 380 VII RESUMEN El primer informe técnico muestra el desarrollo de cómo se aplica la solución de cimentaciones profundas, específicamente la de pilotes pre-excavados sobre suelos blandos, en una zona donde se pretende la construcción de un edificio de apartamentos de 15 niveles, en la zona de Granadilla de Curridabat, en la que se tienen estratos de baja capacidad portante. Constará del diseño geotécnico de pilotes pre-excavados para la construcción de dicha estructura, así como el cálculo de los asentamientos que se esperen se llegue a presentar, y por último se realizará el comparativo entre los valores obtenidos y lo establecido en el CCCR 2009. La segunda investigación muestra el desarrollo de cómo se aplica la solución de una estructura anclada en un sótano, necesaria para la construcción del condominio. Los muros anclados para sótanos son elementos constructivos que deberán cumplir con tres funciones principales, contener el terreno durante el proceso constructivo, evitar la deformación de estructuras vecinas y crear espacios en sótanos para estacionamientos o pequeñas bodegas. Se realizará el diseño geotécnico, para determinar el refuerzo necesario para la estabilidad de la excavación a realizar, obteniendo factores de seguridad aceptables tal y como se establece en el CCCR 2009. El tercer estudio presentará una alternativa de diseño, de un túnel vial en el tramo que se encuentra en la Nueva Carretera a San Carlos (RN35), donde existe uno de los mayores problemas de inestabilidad con la construcción del Puente Laguna. Se analizará geotécnicamente las obras de sostenimiento de la excavación subterránea, en la que el túnel atraviesa dos estratos principales formados por roca blanda, y varios sectores de falla. Se utilizó como primera aproximación, la metodología de interacción suelo-estructura por medio de métodos analíticos y para definir el soporte real, se utilizó un método numérico (Técnica de Reemplazo de Núcleo). El cuarto trabajo pretende realizar un estudio comparativo entre tres tipos de muros flexibles (Gaviones, Suelo Reforzado con Cara de Gaviones y Geotextil Tejido de Cara Envuelta), utilizando dos tipos de materiales de relleno, uno un material volcánico de granulometría fina (limos arcillosos), típico de la zona de la GAM, y el otro un material granular, tipo base o lastre. El estudio comparativo constará de dos tipos de investigación-. El primero sería en cuanto a las deformaciones que se puedan presentar al ser cargados, realizando un modelo en elemento finito para proyectar su comportamiento de deformabilidad. El segundo sería realizar un comparativo económico de todas las alternativas, para determinar cuál es el que tiene mayor beneficio. VIII LISTA DE TABLAS Tabla 1.1. Valores propuestos para β (Bjerrum 1969).......................................................... 15 Tabla 1.2. Valores de la adherencia entre la arcilla y pilotes (Adaptado de Tomlinson 1957) ...................................................................................................................................... 18 Tabla 1.3. Valores recomendados de ψ ................................................................................ 18 Tabla 1.4. Valores típicos de Cp ............................................................................................. 22 Tabla 1.5. Modelación numérica de estratos presentes en sitio.......................................... 29 Tabla 1.6 Cálculo de coeficiente sísmico .............................................................................. 30 Tabla 1.7. Cálculo de las cargas permanentes y temporales ................................................ 31 Tabla 1.8. Momento y fuerza cortante debido al sismo calculado ...................................... 31 Tabla 1.9. Cálculo de resistencia fricción para pilote de 0.60 m .......................................... 34 Tabla 1.10. Cálculo de resistencia por punta para pilote de 0.60 m .................................... 34 Tabla 1.11. Cálculo de la resistencia total para pilote de 0.60 m ......................................... 35 Tabla 1.12. Cálculo del número de pilotes pilote de 0.60 m ................................................ 35 Tabla 1.13. Cálculo de la eficiencia por grupo de pilotes de 0.60 m .................................... 35 Tabla 1.14. Grupo de pilotes de 0.60 m sometido a carga por sismo .................................. 35 Tabla 1.15. Cálculo de la carga máxima y mínima de pilotes de 0.60 m sometido a carga por sismo ............................................................................................................................. 36 Tabla 1.16. Cálculo de la resistencia fricción para pilote de 0.80 m .................................... 36 Tabla 1.17. Cálculo de la resistencia por punta para pilote de 0.80 m ................................ 36 Tabla 1.18. Cálculo de la resistencia total para pilote de 0.80 m ......................................... 37 Tabla 1.19. Cálculo del número de pilotes pilote de 0.80 m ................................................ 37 Tabla 1.20. Cálculo de la eficiencia por grupo de pilotes de 0.80 m .................................... 37 IX Tabla 1.21. Grupo de pilotes de 0.80 m sometido a carga por sismo .................................. 37 Tabla 1.22. Cálculo de la carga máxima y mínima de pilotes de 0.80 m sometido a carga por sismo ............................................................................................................................. 38 Tabla 1.23. Cálculo de la resistencia fricción para pilote de 1.00 m .................................... 38 Tabla 1.24. Cálculo de la resistencia por punta para pilote de 1.00 m ................................ 38 Tabla 1.25. Cálculo de la resistencia total para pilote de 1.00 m ......................................... 39 Tabla 1.26. Cálculo del número de pilotes pilote de 1.00 m ................................................ 39 Tabla 1.27. Cálculo de la eficiencia por grupo de pilotes de 1.00 m .................................... 39 Tabla 1.28. Grupo de pilotes de 1.00 m sometido a carga por sismo .................................. 39 Tabla 1.29. Cálculo de la carga máxima y mínima de pilotes de 1.00 m sometido a carga por sismo ............................................................................................................................. 40 Tabla 1.30. Cálculo de la resistencia fricción para pilote de 1.20 m .................................... 40 Tabla 1.31. Cálculo de la resistencia por punta para pilote de 1.20 m ................................ 40 Tabla 1.32. Cálculo de la resistencia total para pilote de 1.20 m ......................................... 41 Tabla 1.33. Cálculo del número de pilotes pilote de 1.20 m ................................................ 41 Tabla 1.34. Cálculo de la eficiencia por grupo de pilotes de 1.20 m .................................... 41 Tabla 1.35. Grupo de pilotes de 1.20 m sometido a carga por sismo .................................. 41 Tabla 1.36. Cálculo de la carga máxima y mínima de pilotes de 1.20 m sometido a carga por sismo ............................................................................................................................. 42 Tabla 1.37. Asentamiento elástico del pilote (para cada diámetro) .................................... 43 Tabla 1.38. Asentamiento del pilote causado por la carga en la punta (para cada diámetro) ...................................................................................................................................... 44 Tabla 1.39. Asentamiento del pilote causado por la carga a lo largo del fuste (para cada diámetro) ...................................................................................................................... 44 X Tabla 1.40. Asentamiento elástico total del pilote (para cada diámetro) ............................ 44 Tabla 1.41. Asentamiento total (elástico + consolidación) del pilote para cada diámetro estudiado ...................................................................................................................... 45 Tabla 1.42. Cantidad de pilotes de acuerdo a su diámetro y carga vertical ......................... 46 Tabla 1.43. Resumen de Capacidad Admisible por pilote y por Grupo de Pilotes ............... 46 Tabla 1.44. Granulometría del agregado fino para concreto estructural. ASTM C136. ....... 49 Tabla 1.45. Requisitos del agregado fino para concreto estructural.................................... 50 Tabla 1.46. Requisitos del agregado grueso para concreto estructural. .............................. 51 Tabla 1.47. Requisitos para el agua de mezcla ..................................................................... 53 Tabla 1.48. Límites para el asentamiento del concreto ....................................................... 59 Tabla 1.49. Resistencia promedio requerida a la compresión ............................................. 60 Tabla 1.50. Masa de las barras por unidad de longitud ....................................................... 70 Tabla 1.51. Diámetro mínimo de doblez. ............................................................................. 72 Tabla 1.52. Requisitos del revenimiento para la construcción de pilotes. ........................... 77 Tabla 1.53. Características de la suspensión mineral para lodos de perforación. ............... 78 Tabla 1.54. Normas de referencia para las pruebas de carga de los pilotes. ....................... 85 Tabla 1.55. Normas de referencia para pruebas de integridad de pilotes ........................... 86 Tabla 1.56. Costo de perforación del pilote de acuerdo con su diámetro ........................... 87 Tabla 1.57. Costo del concreto para cada pilote de acuerdo con su diámetro .................... 88 Tabla 1.58. Cantidad de acero vertical mínimo .................................................................... 88 Tabla 1.59. Cantidad de acero horizontal mínimo ............................................................... 88 Tabla 1.60. Costo del acero mínimo para cada pilote de acuerdo con su diámetro ............ 89 Tabla 1.61. Resumen del costo total para cada pilote de acuerdo con su diámetro. .......... 89 XI Tabla 2.1. Métodos de Iteración de Equilibrio Límite......................................................... 106 Tabla 2.2. Coeficiente de expansión por el método de inyección (Norma Francesa TA-95). .................................................................................................................................... 112 Tabla 2.3. Coeficiente F1 en función del tipo de anclaje .................................................... 114 Tabla 2.4. Coeficiente F3 en función del tipo de anclaje .................................................... 117 Tabla 2.5. Estratificación según sondeo SDMT ................................................................... 122 Tabla 2.6. Estratificación según SASW ................................................................................ 123 Tabla 2.7. Clasificación del sitio de cimentación según VS30............................................... 125 Tabla 2.8. Clasificación del sitio de cimentación con base en VS30 ..................................... 126 Tabla 2.9. Parámetros geomecánicos de cada estrato en esfuerzos efectivos .................. 127 Tabla 2.10. Parámetros geomecánicos de cada estrato en esfuerzos totales ................... 127 Tabla 2.11. Altura equivalente de suelo para carga vehicular con tránsito paralelo ......... 130 Tabla 2.12. Factores de Seguridad para el diseño de taludes temporales. ........................ 131 Tabla 2.13. Resumen de factores de seguridad de Estabilidad Global para la excavación, sin refuerzo, según el método utilizado, y para el caso estático y pseudo-estático ....... 134 Tabla 2.14. Cálculo de Capacidad de Tensión Admisible para anclajes 1 y 2 ..................... 136 Tabla 2.15. Cálculo de Capacidad de Tensión Admisible para anclaje 3. ........................... 136 Tabla 2.16. Cálculo de Capacidad de Tensión Admisible para anclaje 4. ........................... 137 Tabla 2.17. Detalle de Capacidad y Longitud de Anclajes .................................................. 137 Tabla 2.18. Resumen de factores de seguridad de Estabilidad Global para la excavación, con refuerzo, según el método utilizado, y para el caso estático y pseudo-estático ....... 141 Tabla 2.19. Resultados de las áreas tributarias para carga estática debidas al empuje y a la sobrecarga. ................................................................................................................. 143 Tabla 2.20. Resultados de las áreas tributarias para carga pseudo-estática. .................... 144 XII Tabla 2.21. Mayoración de carga ........................................................................................ 144 Tabla 2.22. Tensión admisible del acero ............................................................................. 145 Tabla 2.23. Adherencia entre anclaje y lechada ................................................................. 145 Tabla 2.24. Arrancamiento del bulbo ................................................................................. 146 Tabla 2.25. Costo del muro anclado con pernos activos y muro de concreto reforzado... 161 Tabla 3.1. Clasificación modificada de Deere et al (1970) sobre la de Terzaghi. ............... 180 Tabla 3.2. Parámetros de Clasificación RMR con su puntaje. ............................................ 181 Tabla 3.3. Ajuste del RMR según la orientación de las discontinuidades .......................... 182 Tabla 3.4. Clases de macizos de acuerdo con el puntaje y valores de resistencia al corte por clase ............................................................................................................................ 182 Tabla 3.5. Definición de sostenimiento a partir del índice RMR. ....................................... 183 Tabla 3.6. Ajuste RMR según la orientación del túnel respecto a discontinuidades principales. .................................................................................................................. 184 Tabla 3.7. Criterios para calcular el RMRb utilizados por Geocontrol desde 2000 ............ 185 Tabla 3.8. Criterios para valorar la resistencia de las discontinuidades ............................. 187 Tabla 3.9. Valoración de la presencia de agua en el frente ................................................ 187 Tabla 3.10. Hipótesis analizadas para escoger los criterios de evaluación del Id2 .............. 189 Tabla 3.11. Criterios para la evaluación de la alterabilidad de la matriz rocosa ................ 190 Tabla 3.12. Correlación entre el RMR y RMRTBM. ............................................................... 191 Tabla 3.13. Valores del factor de forma F. .......................................................................... 192 Tabla 3.14. Plastificación del frente de un túnel. ............................................................... 193 Tabla 3.15. Criterios para calcular el RMR14 básico. (Secuencia 1, 2 y 3) ......................... 194 Tabla 3.16. Criterios para calcular el RMR14 básico. (Secuencia 4 y 5) ............................. 195 Tabla 3.17. Evaluación de los factores de corrección del RMR14 ...................................... 195 XIII Tabla 3.18. Valores de los parámetros característicos de índice Q .................................... 198 Tabla 3.19. Valores de los parámetros característicos de índice Q (continuación) ........... 199 Tabla 3.20. Valores de los parámetros característicos de índice Q (continuación) ........... 200 Tabla 3.21. Valores de los parámetros característicos de índice Q (continuación) ........... 201 Tabla 3.22. Razón de soporte para la excavación (ESR) (Barton et al., 1974) .................... 203 Tabla 3.23. Estimación del soporte para las paredes de la excavación de Q ..................... 203 Tabla 3.24. Valores orientativos de ESR en función del tipo de excavación. ..................... 209 Tabla 3.25. Resumen de las soluciones analíticas y numéricas para la obtención de las curvas características del terreno. (*) indica que las soluciones se han obtenido de forma numérica. .................................................................................................................... 249 Tabla 3.26. Parámetros geomecánicos de acuerdo con ensayos de laboratorio, geofísica y correlaciones ............................................................................................................... 266 Tabla 3.27. Especificaciones de Arcos metálicos ................................................................ 285 Tabla 3.28. Lista de materiales y rubros para presupuesto de túnel y carretera............... 287 Tabla 3.29. Costo de túnel por Unidad Geotécnica ............................................................ 287 Tabla 3.30. Costo de conclusión de trazo original de carretera. ........................................ 288 Tabla 3.31. Costos de túneles en otros lugares .................................................................. 288 Tabla 3.32. Comparativo de costos carretera y túnel......................................................... 289 Tabla 3.33. Comparativo de costo carretera vs túnel + gastos de carretera a la fecha ..... 289 Tabla 4.1. Factores de reducción típicos para Geomallas Tejidas de poliéster .................. 311 Tabla 4.2. Factores de Reducción para Geotextiles Tejidos de Polipropileno ................... 312 Tabla 4.3. Parámetros del modelo de varios modelos del material usados para la estructura de gavión ..................................................................................................................... 319 XIV Tabla 4.4. Módulo Tangencial Total Aparente de curva experimental esfuerzo-deformación de la prueba de compresión uniaxial en la unidad de gavión para diferentes niveles de esfuerzo....................................................................................................................... 319 Tabla 4.5. Estratigrafía de acuerdo con la información geotécnica realizada. ................... 324 Tabla 4.6. Parámetros geomecánicos de los materiales .................................................... 326 Tabla 4.7. Parámetros para el análisis de deformación ..................................................... 330 Tabla 4.8. Parámetros de las canastas de gaviones llenas con piedra ............................... 331 Tabla 4.9. Parámetros de malla hexagonal doble torsión .................................................. 331 Tabla 4.10. Parámetros de geomalla uniaxial ..................................................................... 332 Tabla 4.11. Parámetros de geotextil tejido ........................................................................ 332 Tabla 4.12. Matriz de variantes a analizar .......................................................................... 333 Tabla 4.13. Factores de seguridad de Estabilidad de los muros GAV ................................. 340 Tabla 4.14. Factores de seguridad de Estabilidad de los muros SRG ................................. 341 Tabla 4.15. Factores de seguridad de Estabilidad de los muros GTCE ............................... 341 Tabla 4.16. Desplazamientos horizontales, verticales y totales de los muros GAV ........... 343 Tabla 4.17. Desplazamientos horizontales, verticales y totales de los muros SRG ............ 344 Tabla 4.18. Desplazamientos horizontales, verticales y totales de los muros GTCE .......... 345 Tabla 4.19. Deformaciones horizontales máximas y mínimas de los tres tipos de muro .. 352 Tabla 4.20. Desplazamientos verticales máximos y mínimos de los tres tipos de muro ... 353 Tabla 4.21. Especificaciones del revestimiento de PVC...................................................... 359 Tabla 4.22. Especificaciones de Geotextil No Tejido .......................................................... 360 Tabla 4.23. Especificaciones del geocompuesto para drenaje ........................................... 360 Tabla 4.24. Especificaciones de geomalla uniaxial ............................................................. 363 Tabla 4.25. Especificaciones del Geotextil Tejido de Alto Flujo ......................................... 363 XV Tabla 4.26. Requerimientos del relleno con material de sitio ............................................ 364 Tabla 4.27. Características mecánicas y físicas del material granular. ............................... 365 Tabla 4.28. Granulometría de material granular ................................................................ 365 Tabla 4.29. Presupuesto 01-GAV-SITIO. ............................................................................. 368 Tabla 4.30. Presupuesto 02-GAV-LASTRE. .......................................................................... 369 Tabla 4.31. Presupuesto 03-SRG-SITIO. .............................................................................. 370 Tabla 4.32. Presupuesto 04-SRG-LASTRE. ........................................................................... 371 Tabla 4.33. Presupuesto 05-GTCE-SITIO. ............................................................................ 372 Tabla 4.34. Presupuesto 06-GTCE-LASTRE.......................................................................... 373 Tabla 4.35. Costo unitario y total de cada alternativa de muro ......................................... 374 Tabla 4.36. Diferencias de costo entre el muro más económico y los demás ................... 374 XVI LISTA DE ECUACIONES Ecuación 2.1 ........................................................................................................................ 108 Ecuación 2.2 ........................................................................................................................ 108 Ecuación 2.3 ........................................................................................................................ 108 Ecuación 2.4 ........................................................................................................................ 110 Ecuación 2.5 ........................................................................................................................ 111 Ecuación 2.6 ........................................................................................................................ 112 Ecuación 2.7 ........................................................................................................................ 113 Ecuación 2.8 ........................................................................................................................ 114 Ecuación 2.9 ........................................................................................................................ 114 Ecuación 2.10 ...................................................................................................................... 114 Ecuación 2.11 ...................................................................................................................... 114 Ecuación 2.12 ...................................................................................................................... 115 Ecuación 2.13 ...................................................................................................................... 116 Ecuación 2.14 ...................................................................................................................... 116 Ecuación 2.15 ...................................................................................................................... 116 Ecuación 2.16 ...................................................................................................................... 124 Ecuación 2.17 ...................................................................................................................... 129 Ecuación 2.18 ...................................................................................................................... 129 Ecuación 2.19 ...................................................................................................................... 130 Ecuación 2.20 ...................................................................................................................... 141 Ecuación 3.1 ........................................................................................................................ 185 Ecuación 3.2 ........................................................................................................................ 191 XVII Ecuación 3.3 ........................................................................................................................ 191 Ecuación 3.4 ........................................................................................................................ 192 Ecuación 3.5 ........................................................................................................................ 192 Ecuación 3.6 ........................................................................................................................ 193 Ecuación 3.7 ........................................................................................................................ 194 Ecuación 3.8 ........................................................................................................................ 194 Ecuación 3.9 ........................................................................................................................ 196 Ecuación 3.10 ...................................................................................................................... 202 Ecuación 3.11 ...................................................................................................................... 204 Ecuación 3.12 ...................................................................................................................... 254 Ecuación 3.13 ...................................................................................................................... 254 Ecuación 3.14 ...................................................................................................................... 254 Ecuación 3.15 ...................................................................................................................... 255 Ecuación 3.16 ...................................................................................................................... 255 Ecuación 3.17 ...................................................................................................................... 255 Ecuación 3.18 ...................................................................................................................... 255 Ecuación 3.19 ...................................................................................................................... 256 Ecuación 3.20 ...................................................................................................................... 256 Ecuación 4.1 ........................................................................................................................ 310 Ecuación 4.2 ........................................................................................................................ 316 Ecuación 4.3 ........................................................................................................................ 316 Ecuación 4.4 ........................................................................................................................ 316 XVIII LISTA DE FIGURAS Figura 1.1. Pilotes trabajando por fuste (Tomado de la GCOCE-2009) .................................. 9 Figura 1.2. Pilotes trabajando por punta (GCOCE-2009) ........................................................ 9 Figura 1.3. Sección transversal de un grupo de pilotes ........................................................ 12 Figura 1.4. Vista en planta de un grupo de pilotes ............................................................... 13 Figura 1.5. Mapa Geológico del Área del Proyecto (Google Earth) ...................................... 24 Figura 1.6. Mapa Geológico del Área del Proyecto .............................................................. 26 Figura 1.7. Modelo geotécnico del subsuelo ........................................................................ 29 Figura 1.8. Detalle de perfil estratigráfico con losa flotante de 30 x 15 m .......................... 32 Figura 1.9. Detalle de perfil estratigráfico con losa flotante de 30 x 15 m .......................... 33 Figura 1.10. Verificación de Capacidad Portante Vertical. ................................................... 33 Figura 1.11. Verificación de Capacidad Portante Horizontal. ............................................... 33 Figura 1.12. Modelo geotécnico para losa con de pilotes. ................................................... 42 Figura 1.13. Verificación de Capacidad Portante vertical Grupo de Pilotes. Diámetro de 0.60 m. .................................................................................................................................. 43 Figura 1.14. Programa Settel 3D para el cálculo del asentamiento por consolidación. ....... 45 Figura 2.1. Croquis de anclaje provisional (GDEA-2001) .................................................... 101 Figura 2.2. Croquis de anclaje permanente (GDEA-2001) .................................................. 102 Figura 2.3. Rotura por longitud insuficiente de anclaje (GDEA-2001) ................................ 104 Figura 2.4. Rotura por inestabilidad local del anclaje (GDEA-2001) ................................... 105 Figura 2.5. Interacción de bulbos (GDEA-2001) .................................................................. 105 Figura 2.6. Envolventes de presión aparente, Terzaghi y Peck (después de Terzaghi y Peck, 1967, Soil Mechanics in Engineering Practice, Reimpreso con permiso de John Wiley & Sons, Inc.). ................................................................................................................... 109 XIX Figura 2.7. Capacidad a fricción última para arcillas y limos (Inyección tipo IU) ............... 113 Figura 2.8. Mapa del Área del Proyecto ............................................................................. 118 Figura 2.9. Vista satelital del sitio del proyecto .................................................................. 119 Figura 2.10. Ubicación en la propiedad de muro anclado. ................................................. 119 Figura 2.11. Mapa Geológico del Área del Proyecto .......................................................... 121 Figura 2.12. Variación de la Velocidad de onda cortante, Vs con la profundidad. ............ 125 Figura 2.13. Modelo Geotécnico ........................................................................................ 126 Figura 2.14. Modelo geotécnico con parámetros de cada estrato en esfuerzos totales ... 128 Figura 2.15. Factor de seguridad del análisis de Estabilidad Global. Bishop Simplificado. Caso Estático ........................................................................................................................ 131 Figura 2.16. Factor de seguridad del análisis de Estabilidad Global. Janbu Simplificado. Caso Estático ........................................................................................................................ 132 Figura 2.17. Factor de seguridad del análisis de Estabilidad Global. Morgenstern-Price. Caso Estático ........................................................................................................................ 132 Figura 2.18. Factor de seguridad del análisis de Estabilidad Global. Bishop Simplificado. Pseudo-Estático .......................................................................................................... 133 Figura 2.19. Factor de seguridad del análisis de Estabilidad Global. Janbu Simplificado. Pseudo-Estático .......................................................................................................... 133 Figura 2.20. Factor de seguridad del análisis de Estabilidad Global. Morgenstern-Price. Pseudo-Estático .......................................................................................................... 134 Figura 2.21. FS de Estabilidad Global con refuerzo. Bishop Simplificado. Caso Estático ... 138 Figura 2.22. FS de Estabilidad Global con refuerzo. Janbu Simplificado. Caso Estático ..... 138 Figura 2.23. FS de Estabilidad Global con refuerzo. Morgenstern-Price. Caso Estático .... 139 Figura 2.24. FS de Estabilidad Global con refuerzo. Bishop Simplificado. Pseudo-Estático .................................................................................................................................... 139 XX Figura 2.25. FS de Estabilidad Global con refuerzo. Janbu Simplificado. Pseudo-Estático 140 Figura 2.26. FS de Estabilidad Global con refuerzo. Morgenstern-Price. Pseudo-Estático 140 Figura 2.27. Envolvente de presión aparente para acillas duras ........................................ 142 Figura 2.28. Diagrama de carga estática debido al empuje de suelo (Terzaghi & Peck) y a la sobrecarga................................................................................................................... 142 Figura 2.29. Diagrama de carga pseudo-estática total ....................................................... 143 Figura 2.30. Ciclo por etapas del primer anclaje. ............................................................... 147 Figura 2.31. Esfuerzo horizontal total en el terreno. .......................................................... 147 Figura 2.32. Esfuerzo vertical total en el terreno. .............................................................. 148 Figura 2.33. Desplazamiento horizontal máximo en el terreno. ........................................ 148 Figura 2.34. Desplazamiento vertical máximo en el terreno.............................................. 148 Figura 3.1. Vista satelital del tramo de la carretera 18+400 @ 21+640 y el trazo de la línea del túnel ...................................................................................................................... 168 Figura 3.2. Vista aérea de lo construido del puente Laguna, kilómetro 19+700 ................. 169 Figura 3.3. Dimensiones del túnel por diseñar ................................................................... 171 Figura 3.4. Puntos de investigación usados para extrapolar a la zona de túnel ................ 172 Figura 3.5. Investigación realizada en PK18+600 ............................................................... 173 Figura 3.6. Investigación realizada en PK19+800 & 20+050 ............................................... 174 Figura 3.7. Investigación realizada en PK20+700 ............................................................... 175 Figura 3.8. Investigación realizada en PK21+050 ............................................................... 176 Figura 3.9. Investigación realizada en PK21+640 ............................................................... 176 Figura 3.10. Esquema de Terzaghi. ..................................................................................... 180 Figura 3.11. Tiempo de estabilidad de excavaciones sin soporte. ..................................... 183 Figura 3.12. Puntuación de la resistencia a compresión simple de la roca intacta ( σc ). .. 186 XXI Figura 3.13. Puntuación del número de discontinuidades por metro. .............................. 186 Figura 3.14. Histograma de frecuencia del RMR89 de la base de datos, Geocontrol S.A. (2014) .......................................................................................................................... 188 Figura 3.15. Histograma de frecuencia para las cuatro hipótesis de evaluación del Id2. ... 189 Figura 3.16. Correlación entre el RMR y RMRTBM ............................................................... 190 Figura 3.17. Cálculo Fe en función del RMR. ....................................................................... 191 Figura 3.18. Valores de Fs en función del ICE...................................................................... 193 Figura 3.19. Diagrama de soporte de túneles, sistema Q (Barton et al., 1974) .................. 202 Figura 3.20. Diagrama de soporte para túneles, según el índice Q, (Barton 2000) ........... 206 Figura 3.21. Arcos reforzados de concreto lanzado (RRS), (Grimstad y Barton, 1993) ...... 208 Figura 3.22. Q vs De ............................................................................................................ 209 Figura 3.23. Efecto de arco ................................................................................................. 210 Figura 3.24. Construcción subterránea............................................................................... 211 Figura 3.25. Primera fase de investigación ......................................................................... 215 Figura 3.26. Síntesis de la segunda fase de investigación. ................................................. 217 Figura 3.27. El desplazamiento radial del punto A depende de la rigidez del frente de avance. .................................................................................................................................... 218 Figura 3.28. Acciones de confinamiento y preconfinamiento de la cavidad. ..................... 219 Figura 3.29. Tercera fase de investigación. ........................................................................ 220 Figura 3.30. Definición de las categorías de comportamiento del frente .......................... 223 Figura 3.31. Ritmos de avance en diferentes túneles ........................................................ 224 Figura 3.32. Sistema A.DE.CO.-RS ....................................................................................... 225 Figura 3.33. Etapas del Sistema A.DE.CO.-RS ..................................................................... 231 Figura 3.34. Predicción de la categoría de comportamiento. ............................................ 234 XXII Figura 3.35. Tipos de efectos ejercidos por los medios de estabilización en uso. ............. 236 Figura 3.36. Fase de monitorización. .................................................................................. 240 Figura 3.37. Curva característica del terreno (GRC), curva característica del sistema de sostenimiento (SCC) y de evolución del radio de plastificación ................................. 242 Figura 3.38. Modelo de desplazamiento radial de la pared de una excavación circular en un macizo rocoso débil en función del avance del frente de la excavación.................... 243 Figura 3.39. Ejemplo de un túnel avanzado con perforación y voladura y sostenido con cuadros metálicos (izqda.) curva característica del macizo rocoso para clave (ABFH) y para los hastiales (ACEG) y curva característica del sistema de sostenimiento (DEF) (dcha.) para dicho ejemplo ......................................................................................... 245 Figura 3.40. Influencia de la rigidez del sostenimiento y distancia al frente ..................... 246 Figura 3.41. Esquema de planteamiento bidimensional del problema de avance de frente de excavación (tridimensional) junto con formación de zona de plastificación (área sombreada). ................................................................................................................ 248 Figura 3.42. Representación gráfica del método de convergencia-confinamiento compuesto por las curvas del perfil de deformación longitudinal (LDP), la curva característica del terreno (GRC) y la curva característica del sistema de sostenimiento (SCC). Se muestran también las definiciones de los factores de seguridad en tensiones (F.S.ten) y en desplazamientos (F.S.des). ........................................................................................... 249 Figura 3.43. Perfil de evolución de los parámetros materiales (cohesión y fricción) para criterio de rotura de tipo Mohr-Coulomb en función del parámetro de evolución de la plasticidad. .................................................................................................................. 251 Figura 3.44. Representación del problema autosimilar resuelto por Alonso et al. [2003] y su relación con el problema físico original ...................................................................... 252 Figura 3.45. Representación de curva característica de sostenimiento con comportamiento elasto-plástico perfecto .............................................................................................. 253 XXIII Figura 3.46. Curva de sostenimiento combinado resultante de dos sostenimientos de tipo elasto-plástico perfecto (sostenimientos 1 y 2). ........................................................ 254 Figura 3.47. Ubicación del Proyecto ................................................................................... 257 Figura 3.48. Detalle de la extensión de la Ruta Nacional 35, Naranjo - Florencia. Fuente: CONAVI........................................................................................................................ 258 Figura 3.49. Vista satelital del sitio del proyecto ................................................................ 258 Figura 3.50. Vista desde Los Ángeles de San Ramón, con las estribaciones de la Cordillera Volcánica Central. ....................................................................................................... 259 Figura 3.51. Mapa Geológico del Área del Proyecto .......................................................... 261 Figura 3.52. Ubicación de línea de túnel en mapa geológico ............................................. 262 Figura 3.53.Estratigafía definida en km 19+700 y trasladada al estacionamiento 19+740 del túnel ............................................................................................................................ 263 Figura 3.54.Estratigafía definida en km 19+800 y trasladada al estacionamiento 19+830 del túnel ............................................................................................................................ 263 Figura 3.55.Estratigafía definida en km 20+050 y trasladada al estacionamiento 20+060 del túnel ............................................................................................................................ 264 Figura 3.56.Estratigafía definida en km 20+700 y trasladada al estacionamiento 20+530 del túnel ............................................................................................................................ 264 Figura 3.57.Estratigafía definida en km 21+050y trasladada al estacionamiento 20+840 del túnel ............................................................................................................................ 264 Figura 3.58.Perfil longitudinal de túnel (Estacionamiento 18+400@ 20+300) .................. 267 Figura 3.59. Detalles geométricos del túnel ....................................................................... 268 Figura 3.60. Curva Característica para la Unidad Geotécnica Brecha ................................ 269 Figura 3.61. Curva Característica para la Unidad Geotécnica Ignimbrita ........................... 270 Figura 3.62. Curva Característica para la Unidad Geotécnica Falla .................................... 270 XXIV Figura 3.63. Deformación máxima para la Unidad Geotécnica Brecha .............................. 272 Figura 3.64. Envolvente de Momento para el revestimiento de concreto de Unidad Geotécnica Brecha ...................................................................................................... 272 Figura 3.65. Envolvente de Cortante para el revestimiento de concreto de Unidad Geotécnica Brecha ...................................................................................................... 272 Figura 3.66. Envolvente de Cortante para el refuerzo de barras #4 @ 0.40 m de Unidad Geotécnica Brecha ...................................................................................................... 273 Figura 3.67. Deformación máxima para la Unidad Geotécnica Ignimbrita ........................ 273 Figura 3.68. Envolvente de Momento y Cortante para el revestimiento de concreto de UG Ignimbrita .................................................................................................................... 274 Figura 3.69. Envolvente de Momento y Cortante para el refuerzo de UG Ignimbrita ....... 274 Figura 3.70. Deformación máxima para la Unidad Geotécnica Falla ................................. 274 Figura 3.71. Envolvente de Momento y Cortante para el revestimiento de concreto de UG Falla ............................................................................................................................. 275 Figura 3.72. Envolvente de Momento y Cortante para el refuerzo de UG Falla ................ 275 Figura 4.1. Muro de gaviones ............................................................................................. 302 Figura 4.2. Gavión tipo Caja (Ficha Técnica Prodac-Bekaert) ............................................. 303 Figura 4.3. Gavión tipo Saco (Ficha Técnica Prodac-Bekaert) ............................................ 304 Figura 4.4. Gavión tipo Colchón (Ficha Técnica Prodac-Bekaert) ....................................... 304 Figura 4.5. Concepto y elementos de una Tierra Armada .................................................. 306 Figura 4.6. Ejemplo práctico del refuerzo de suelos .......................................................... 306 Figura 4.7. Muro de Suelo Reforzado con paramento en gaviones (SRG) ......................... 307 Figura 4.8. Fricción, corte y trabazón en la malla doble torsión (Maccaferri) ................... 308 Figura 4.9. Elemento de gavión con cola (Ficha Técnica Prodac-Bekaert) ......................... 308 XXV Figura 4.10. Muro de Suelo Reforzado con Geotextil Tejido tipo Cara Envuelta (GTCE) ... 311 Figura 4.11. Equipo requerido para prueba de carga ......................................................... 314 Figura 4.12. Curva de Carga vs Asentamiento para determinar el Módulo de Compresibilidad Ev ................................................................................................................................. 317 Figura 4.13. Modelo de elemento finito y malla deformada para una prueba de compresión uniaxial en la unidad de un gavión con restricción (a) y sin restricción (b) ................ 318 Figura 4.14. Curvas de esfuerzo-deformación, restringidas y no restringidas, para el ensayo y la simulación ............................................................................................................. 320 Figura 4.15. Ubicación del proyecto de referencia ............................................................. 321 Figura 4.16. Ubicación de estructuras de retención ........................................................... 322 Figura 4.17. Sondeos realizados ......................................................................................... 324 Figura 4.18. Modelo geotécnico ......................................................................................... 325 Figura 4.19. Lugar donde se realizaron los ensayos de placa ............................................. 327 Figura 4.20. Realización de la Prueba de Carga .................................................................. 327 Figura 4.21. Gráficos de ensayos de placa realizados ........................................................ 328 Figura 4.22. Ensayo de placa para lastre ............................................................................ 329 Figura 4.23. Gráfico de prueba de carga de lastre de referencia ....................................... 329 Figura 4.24. Sección transversal diseñada para el Muro GAV-1A ...................................... 334 Figura 4.25. Cálculos para verificación estática de estabilidad interna de muro ............... 335 Figura 4.26. Cálculos para la verificación estática de deslizamiento y volcamiento .......... 335 Figura 4.27. Cálculos para verificación estática de Capacidad Portante del Terreno ........ 336 Figura 4.28. Cálculos para verificación estática de la Estabilidad Global ........................... 336 Figura 4.29. Sección transversal diseñada para el Muro SRG-4A ....................................... 337 Figura 4.30. Cálculos para verificación estática de estabilidad interna de muro ............... 337 XXVI Figura 4.31. Cálculos para la verificación estática de deslizamiento y volcamiento .......... 338 Figura 4.32. Cálculos para verificación estática de Capacidad Portante del Terreno ........ 338 Figura 4.33. Cálculos para verificación estática de la Estabilidad Global ........................... 338 Figura 4.34. Sección transversal diseñada para el Muro SRG-4A ....................................... 339 Figura 4.35. Cálculos para verificación estática de estabilidad interna de muro ............... 339 Figura 4.36. Cálculos para verificación estática de Capacidad Portante del Terreno ........ 340 Figura 4.37. Cálculos para verificación estática de la Estabilidad Global ........................... 340 Figura 4.38. Modelo de muro GAV para relleno de sitio y lastre ....................................... 342 Figura 4.39. Modelo de muro SRG para relleno de sitio y lastre ........................................ 342 Figura 4.40. Modelo de muro GTCE para relleno de sitio y lastre ...................................... 342 Figura 4.41. Desplazamientos Máximo Total para muro M#10 GAV-3B ............................ 343 Figura 4.42. Asentamiento Máximo Vertical para muro M#13 SRG-4A ............................. 344 Figura 4.43. Desplazamiento Máximo Horizontal para muro M#30 GTCE-8B ................... 345 Figura 4.44. Gavión caja ...................................................................................................... 358 Figura 4.45. Esquema del revestimiento metálico + PVC. .................................................. 359 Figura 4.46. Elementos de Suelo Reforzado con cara de gavión ........................................ 361 Figura 4.47- Esquema de la colocación de la geomalla ...................................................... 362 Figura 4.48. Colocación y traslape de geomalla ................................................................. 362 Figura 4.49. Detalle de costura de aristas de gavión .......................................................... 366 Figura 4.50. Detalle de diafragma. ...................................................................................... 366 Figura 4.51. Detalle de colocación de tensoras .................................................................. 367 Figura 4.52. Detalle de secuencia de llenado ..................................................................... 367 XXVII LISTA DE ABREVIATURAS CCCR: Código de Cimentaciones de Costa Rica 2009. CGTLCR: Código Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica CSCR: Código de Cimentaciones de Costa Rica. DMT: Marchetti Flat Dilatometer MEF: Método de Elementos Finitos. SUCS: Sistema Unificado de Clasificación de Suelos ML: Limos de baja plasticidad MH: Limos de alta plasticidad MASW: Método de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales SASW: Ensayos Espectrales de Ondas Superficiales GAM: Gran Área Metropolitana SPT: Ensayo de Penetración Estándar CPT: Ensayo de Penetración con Piezocono Eléctrico CPTu: Ensayo de Penetración con Piezocono Eléctrico con medición de presión de poro ASTM: American Society for Testing and Materials. ACI: American Concrete Institute. AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials FHWA: Federal Highway Administration CR2010: Manual de Especificaciones para la Construcción de Carreteras, Caminos y Puentes 1 CAPÍTULO PRIMERO: CIMENTACIÓN CON PILOTES PRE-EXCAVADOS SOBRE SUELOS BLANDOS DE GRANO FINO INTRODUCCIÓN Costa Rica, al igual que un sinnúmero de países a nivel mundial, enfrenta el constante desafío de un crecimiento poblacional que supera por mucho a las medidas de planificación urbana. Este problema, aunado, a un aumento casi exponencial de la flota vehicular, trae consigo la necesidad de generar, no solo una mayor cantidad de soluciones habitacionales, sino además que las mismas se encuentren ubicadas en las áreas céntricas urbanas, para que los tiempos de desplazamiento sean menos drásticos comparado con las afueras de las distintas ciudades. Los consumidores buscan tener acceso a soluciones habitacionales, asequibles, seguras y ubicadas cerca de los centros de trabajo, en las que adicionalmente, tengan la posibilidad de satisfacer todas sus necesidades sociales como compras y entretenimiento, sin requerir de grandes desplazamientos. Como respuesta a este tipo de requerimientos, se ha dado un importante auge del desarrollo habitacional de tipo vertical. Este tipo de desarrollos, han tenido mucha aceptación en adultos jóvenes de edades de entre 20 y 30 años, que inician su vida laboral o bien intentan independizarse y tienen como preferencia vivir en los centros de las ciudades, buscando apartamentos que se adapten a su estilo de vida y les brinden las facilidades ya descritas. Esta demanda por soluciones habitacionales que cumplan con los gustos y preferencias de este nicho de mercado, aunado a los altos precios de las propiedades existentes, ha obligado a los desarrolladores a diseñar y construir soluciones con un aprovechamiento intensivo de las áreas disponibles, así como a implementar construcciones de mayor dimensión o inclusive a la utilización de terrenos cuyas condiciones geotécnicas no son las más adecuadas. Planteamiento del problema Debido a la escasez de terrenos amplios y de buenas condiciones en la zona urbana, el desarrollo de edificios de gran altura se viene realizado en terrenos no aptos para la construcción de estos. Tales terrenos son no aptos, principalmente porque este tipo de estructuras tienen como desventaja el que generan grandes cargas y por ende, transfieren esfuerzos muy altos al terreno, provocando que 2 no se puedan construir utilizando cimentaciones convencionales, lo que conlleva a realizar el diseño de cimentaciones especiales, que suelen ser más difíciles de construir y más costosas. Pueden tenerse varias opciones de cimentaciones, que dependiendo de las cargas generadas por la construcción del edificio y de las condiciones geotécnicas del subsuelo, podrían tener una alta o baja complejidad. Estas soluciones únicamente se pueden proporcionar en los proyectos cuando existe una buena investigación geotécnica, de manera que se pueda identificar con detalle, las características geotécnicas de los materiales presentes en el sitio. Adicional a las cargas verticales generadas por la estructura, es necesario que la solución resista las cargas laterales, producto de los intensos y constantes sismos que tenemos en nuestro país, de manera que cumplan con lo establecido en el Código de Cimentaciones de Costa Rica (CSCR). Objetivo general Realizar el diseño geotécnico de la cimentación de una edificación de 15 pisos por medio de pilotes pre-excavados sobre un estrato de suelo blando. Objetivos específicos ✓ Realizar la recopilación de las investigaciones geotécnicas realizadas en el sitio. ✓ Realizar una descripción geológica del sitio. ✓ Determinar y analizar los parámetros de resistencia de cada una de las unidades geotécnicas del subsuelo. ✓ Generar un modelo geotécnico del subsuelo, con base en la descripción geológica y las propiedades geomecánicas del material de sitio. ✓ Realizar una modelación numérica para el diseño geotécnico de los pilotes pre-excavados. ✓ Realizar el cálculo de los pilotes necesarios para soportar las cargas generadas por la construcción del edificio. ✓ Verificar la resistencia de los pilotes ante cargas laterales, producto de los sismos. ✓ Realizar el cálculo de los asentamientos esperados y compararlos con lo establecido en el CCCR. ✓ Elaborar planos y presupuesto del diseño geotécnico de los pilotes pre-excavados. ✓ Realizar documento con especificaciones técnicas de los pilotes pre-excavados. 3 Importancia La importancia de este proyecto se basa en la necesidad de diseñar una cimentación no tradicional, producto de las condiciones del terreno del subsuelo y de las cargas que se generan con la construcción de una estructura de 15 niveles. La importancia de este proyecto radica, en el planteamiento y diseño de una cimentación no convencional, para la generación de una solución que soluciones la problemática de resistencia del terreno debido a los requerimientos necesarios producto de las cargas que se generan con la construcción de una estructura de 15 niveles. El aumento de construcciones o soluciones habitacionales en terrenos no aptos, ha generado un mayor requerimiento, no solo de buscar la utilización de este tipo de cimentaciones, sino además de que los procedimientos de cálculo y diseño sean detallados, ya que por novedoso que un procedimiento sea, es necesario no perder de vista que el principal factor es que deben ser soluciones, que cumplan con los niveles de seguridad requeridos para garantizar y salvaguardar la integridad de la vida humana La realización del análisis de este tipo de soluciones se vuelve medular para demostrar y verificar técnicamente que la solución es necesaria, esto debido, a las pocas condiciones de capacidad que tiene el terreno. Dicha justificación técnica sirve además como sustento y respaldo de la inversión económica, requerida para garantizarnos el cumplimiento de los niveles de seguridad propios en este tipo de edificaciones. Alcance El diseño que se presenta, en este informe, es un diseño meramente geotécnico y no estructural, es decir, se realiza un cálculo de la cantidad de pilotes necesaria para soportar las cargas, así como la geometría que debe tener cada pilote, en cuanto a diámetro y longitud, no así a la cantidad de acero necesario que este debe tener para su buen comportamiento. No se contempla el diseño estructural del empotramiento de los pilotes con la losa de concreto, ya que esto corresponde al diseño estructural de los pilotes, que no es parte del alcance de este trabajo. No se considera el efecto de la carga de fricción negativa, producto de alguna sobrecarga externa alrededor del sitio donde se construyen los pilotes. No se toman en cuenta algunas otras alternativas posibles de cimentación o mejoramiento de suelo. 4 Se realiza un presupuesto, en base al diseño geotécnico, es decir, de acuerdo con la cantidad y geometría del pilote. Sin embargo, al no contar con un diseño estructural, y por ende no contar con el detalle del acero de refuerzo a utilizar, se toman como válidos los precios de mercado para pilotes similares a los que se diseñaron, con el fin de conocer el costo aproximado de la obra. Con base en la información geotécnica realizada, en la que se tienen perforaciones SPT, sondeos DMT, perforaciones a rotación y perfiles por Geofísica, se genera un modelo geotécnico para llevar a cabo tanto el diseño geotécnico de los pilotes, así como el cálculo de los asentamientos que se pueden presentar. El cálculo de los pilotes se genera por medio de una hoja de Excel, por medio de los métodos que son indicados en el CCCR. Para el cálculo de los asentamientos en el terreno, no se cuenta con ensayos de consolidación del suelo, por lo que se toma de referencia las propiedades geomecánicas que se presentan en bibliografías y en el software Settle 3D con el que se hizo el análisis de los asentamientos esperados debido a las cargas que transmite la estructura al terreno, para luego compararlos con lo establecido en el CCCR. Respecto al análisis de cargas sísmicas, el diseño se basa en el método pseudo-estático, el cual utiliza una fuerza horizontal producto del peso de la masa a deslizarse y una aceleración para simular la fuerza de inercia generada por el sismo El presupuesto se realiza con base en precios de mercado, ya que al no contar con el diseño estructural del mismo no se puede determinar un costo más exacto. Sin embargo, se hace el cálculo de acero mínimo, para incluir este en el presupuesto que se realice. Limitaciones La información geotécnica en cuanto a ensayos de laboratorio y de campo son los obtenidos por dos informes geotécnicos que fueron facilitados, en donde se cuenta con la siguiente información: ✓ 4 perforaciones por medio del Método de Perforación Estándar (SPT) y el sistema a rotación de 30 m cada una. ✓ 5 sondeos exploratorios Marchetti Flat Dilatometer (DMT) con una profundidad máxima de 17.0 m. ✓ 2 sondeos a rotación de 30 m de profundidad. 5 ✓ 3 perfiles sísmicos por medio del método de Análisis Multicanal de Ondas superficiales (MASW) En cuanto al modelo geotécnico, se toman los espesores de los estratos como constantes y horizontales, de acuerdo con un promedio de lo obtenido en los dos informes. Se utiliza una hoja cálculo en Excel para el desarrollo de los cálculos del diseño de los pilotes pre- excavados. Se usa adicionalmente un programa de cómputo con el cual se comparan los resultados obtenidos y se verifica que el diseño es compatible. Metodología Se pretende realizar el diseño de la cimentación de un edificio de 15 niveles en una zona donde tenemos la presencia de un suelo blando, compuesto por limos arcillosos (Clasificación SUCS: ML y MH), que debido a las cargas que genera el edificio, la resistencia de este estrato no es suficiente, por lo que es necesario la realización de una cimentación especial, que pueda contrarrestar las cargas a las que será sometido el suelo. Para realizar un diseño geotécnico de una cimentación de pilotes pre-excavados se toman los datos obtenidos en dos estudios geotécnicos que fueron contratos por la empresa a la cual el proyecto le pertenece y que fueron facilitados, para fines académicos, en los cuales se elaboraron ensayos para la caracterización geomecánica tales como: perforaciones realizados mediante el ensayo SPT (Standard Penetration Test), ensayos de rotación mediante un barril doble giratorio con broca de diamante para la obtención de núcleos, sondeos exploratorios DMT, geofísica para determinar el perfil de velocidad de las ondas de corte Vs para obtener mediante correlaciones una distribución de las capas de los materiales en la zona de interés. Adicionalmente se utilizan los resultados de los ensayos de laboratorio tales como, límites de consistencia (ASTM D 4318), contenido de humedad (ASTM D 2216), clasificación SUCS (ASTM D 2478), peso unitario (ASTM D 2937). A partir de la información aportada por lo ensayos, se genera un modelo geo-mecánico que presenta las condiciones del subsuelo. Así mismo se cuenta con el suministro de las cargas actuales con las cuales va a contar la edificación para su funcionamiento, mismas que son utilizadas para el análisis de las cimentaciones propuestas. Posteriormente a la modelación del terreno, se realiza el cálculo para obtener el diseño geotécnico de los pilotes pre-excavados, de acuerdo con lo establecido en el CCCR. Para ello se utiliza una hoja 6 de cálculo, para determinar la geometría de los pilotes y la cantidad necesaria para la cimentación del edificio. Adicionalmente, se hace una evaluación de los asentamientos esperados según las condiciones. Esto se realiza también por medio de una hoja de cálculo. Los factores de seguridad entre la resistencia de los pilotes y las cargas aplicadas producto del edificio deberán ser como mínimo los establecidos en CCCR. Se realiza luego el análisis de asentamientos que se presentará en el terreno, y estos deberá ser dentro de las tolerancias aceptables e indicadas en el CCCR. De no ser así, se procederá a realizar la modificación correspondiente para obtener los valores los valores aceptables. Una vez realizada la verificación de resistencia y de asentamientos, se procede a la elaboración de los planos de la cimentación, con las especificaciones de los materiales utilizados, procedimientos constructivos correctos y una lista de actividades de control de calidad, que deben de ser implementados una vez se esté construyendo los pilotes. Por último, con los planos ya finalizados, se procederá a realizar un presupuesto, lo más detallado posible, tomando en cuenta que no se cuenta con el detalle del acero necesario a ser utilizado en los pilotes pre-excavados, por lo que se toman precios de proyectos similares y cercanos a la obra, de manera que se tenga un costo muy cercano con la realidad. 7 MARCO TEÓRICO Cimentaciones Profundas Según lo indica la Guía de Cimentaciones de Obras de Carreteras de España (GCOCE-2009), la cimentación de estructuras exige, la transmisión de grandes cargas concentradas, por lo que en ocasiones la cimentación directa, es decir fundaciones superficiales, no son convenientes. La presencia de grandes espesores de suelos blandos próximos a la superficie es una de las razones principales para proyectar una cimentación profunda. La elección del tipo de cimentación, superficial o profunda, debe hacerse lo antes posible, pues los reconocimientos geotécnicos necesarios para el proyecto normalmente son diferentes en uno y otro caso. Generalmente, tales reconocimientos, en caso de duda, deben permitir el proyecto de ambas alternativas. Las pequeñas obras y los terraplenes no suelen requerir cimentación profunda excepto en zonas de terrenos muy blandos. En esos casos se suelen realizar tratamientos de mejora del terreno, aunque también pueden realizarse pilotes de pequeña capacidad unitaria, espaciados regularmente. Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura mediante una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fuste, y resistencia a la penetración o resistencia por punta. Ambas dependen de las características del pilote y del terreno, y la combinación idónea es el objeto del proyecto. Cuando las cargas transmitidas por el edificio no se pueden distribuir adecuadamente en una cimentación superficial, excediendo la capacidad portante del suelo. Existe cierto grado de incertidumbre en la capacidad final de un pilote, es por esto que buena parte de la investigación que se viene desarrollando en este campo tiene que ver con métodos que permitan hacer un control de calidad a bajo costo del pilotaje antes de aplicar las cargas. El mejor método, aunque el más costoso es hacer una prueba de carga. Otros métodos alternativos son: pruebas de resonancia, prensa hidráulica de Osterberg, pruebas de análisis de ondas, pruebas sísmicas. En muchos casos las teorías que permiten estimar la resistencia de fuste y la resistencia de punta son de tipo empírico. Son el resultado de un análisis estadístico del comportamiento de ciertos pilotes en determinadas condiciones de terreno. Por lo tanto, es sumamente importante conocer el origen y las condiciones bajo las cuales determinadas fórmulas de cálculo son válidas. 8 Se debe tomar en cuenta que, en los estratos inmediatos a los cimientos, se produzcan asentamientos que deben ser estimados, ya que por lo general el suelo resistente está a mayor profundidad; caso que se presenta en edificios de mayor altura debido a que se deben apoyar en terrenos de buena calidad para lo que por lo general se requiere de cimentaciones profundas para alcanzar suelos competentes. Esto podría suceder por ejemplo cuando el terreno está sometido a grandes variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones, y el material presente son arcillas expansivas, cuando la edificación está cimentada y hay presencia de nivel freático muy cercano a la misma o bien cuando los cimientos están sometidos a esfuerzos de tracción debido a que el edificio se encuentra expuesto a fuertes vientos, en estos casos los asentamientos pueden ser imprevisibles de no analizarse previamente. En la cimentación por pilote deben observarse los siguientes factores de incidencia: ✓ El rozamiento y adherencia entre suelo y cuerpo del pilote. ✓ La resistencia por punta, en caso de transmitir compresiones, para absorber esfuerzos de tracción puede ensancharse la parte inferior del pilote, para que trabaje el suelo superior. ✓ La combinación de ambos. Los tipos de cimentación profunda (GCOCE-2009) que pueden resultar en un determinado proyecto son variados, si bien, a efectos de ordenar las recomendaciones que siguen, pueden agruparse de la manera siguiente: ✓ Pilotes aislados: También denominados pila-pilote. Suelen ser elementos de gran capacidad portante que prolongan la estructura de la pila de apoyo dentro del terreno, hasta la profundidad requerida. Es una solución extendida para puentes de luces moderadas. ✓ Grupos de pilotes: Es la solución más usual. La carga de la pila se transmite a varios pilotes a través de un encepado relativamente rígido, que enlaza sus cabezas. ✓ Zonas pilotadas: Pilotes regularmente espaciados que en ocasiones se usan para reducir zonas pilotadas. Continúan indicando que en cuanto a su forma de trabajo, los pilotes pueden clasificarse en: ✓ Pilotes por fuste: En aquellos terrenos en los que la capacidad portante crece de una manera paulatina con la profundidad, sin existir un nivel claramente más resistente, el pilote transmitirá su carga al terreno fundamentalmente a través del fuste. Se suelen denominar pilotes «flotantes», como se muestra en la Figura 2.1 9 Figura 1.1. Pilotes trabajando por fuste (Tomado de la GCOCE-2009) ✓ Pilotes por punta: En aquellos terrenos en los que aparezca, a cierta profundidad, un estrato claramente más resistente, las cargas del pilotaje se transmitirán fundamentalmente por punta. Se suelen denominar pilotes «columna», tal como se muestra en la Figura 1.2. Figura 1.2. Pilotes trabajando por punta (GCOCE-2009) Tipos de pilotes según método constructivo El elemento esencial de la cimentación profunda es el pilote. Éste puede ser de naturaleza y formas muy variadas. En general siempre será un elemento aproximadamente cilíndrico o prismático, cuya longitud es mucho mayor (al menos cinco veces) que la dimensión transversal media (diámetro equivalente que se definirá más adelante). 10 Se pueden considerar los dos grupos siguientes: ✓ Pilotes prefabricados hincados: Su ejecución implica el desplazamiento del terreno y ello puede inducir cierto aumento de la compacidad del mismo. ✓ Pilotes perforados (o excavados) de concreto «in situ»: Suelen ser llenados de concreto en perforaciones previas que pueden realizarse con técnicas bastantes diferentes entre sí. Tipos de pilotes según su material El material que constituye el pilote tiene importancia al evaluar su capacidad de soporte. Por ello conviene distinguir los distintos materiales que se usan normalmente, que son los siguientes: ✓ Concreto «in situ»: Son los que se utilizan con más frecuencia. Normalmente se realizan mediante perforación o excavación previa, aunque también pueden ejecutarse mediante desplazamiento del terreno o con técnicas mixtas (excavación y desplazamiento parciales). ✓ Concreto prefabricado: Puede ser concreto reforzado (concreto de alta resistencia) u concreto pretensado. Normalmente se utilizan para fabricar pilotes hincados. ✓ Acero: Suelen utilizarse secciones tubulares o perfiles en doble U, o en H. Los pilotes de acero se suelen hincar con azuches (protecciones en la punta). ✓ Madera: Es una solución común para pilotar zonas blandas amplias, para apoyo de estructuras con losa o terraplenes. El tipo de madera más usado es el tronco de eucalipto. Métodos de estado límite (Según GCOCE-2009) Estado límite último Siempre será necesario comprobar los siguientes estados límite: ✓ Estabilidad general o global de la zona de apoyo: Esta comprobación requiere suponer varias posibles líneas de ruptura que engloben a toda la cimentación o a parte de ella. Las técnicas de análisis son las mismas que se utilizan en el cálculo de estabilidad de taludes. ✓ Capacidad de soporte (o portante): La rotura de la cimentación puede producirse por falta de resistencia del terreno. La falla puede producirse de diferentes formas (modos de falla), los que se describen: o Hundimiento: Se produce cuando las cargas verticales agotan la resistencia del terreno a compresión. 11 o Arranque: Se produce cuando existen pilotes a tracción y se alcanza el agotamiento por esfuerzo rasante en el fuste del pilote. o Ruptura horizontal del terreno: Se produce cuando las presiones horizontales (o en general transversales al eje del pilote) agotan la capacidad del terreno, según un plano horizontal (transversal a dicho eje). ✓ Ruptura estructural: Puede producirse cuando las cargas transmitidas superan la resistencia del pilote o del encepado. Estas situaciones han de analizarse por procedimientos específicos. Estado límite de servicio Las cimentaciones profundas pueden fallar por deformaciones excesivas que, sin implicar la ruina estructural de las mismas, impiden el correcto uso de la cimentación o supongan problemas estéticos o funcionales inadmisibles. Otras comprobaciones Aparte de las comprobaciones comunes a todas las cimentaciones profundas, en algunas circunstancias serán necesarias otras, de modo adicional. Entre ellas pueden citarse las siguientes: ✓ Posibilidad de ruina de la cimentación debido a socavaciones provocadas por cursos fluviales. ✓ Erosiones causadas por escorrentías locales. ✓ Vibraciones y daños estructurales, causados en construcciones próximas por la ejecución de pilotes hincados. ✓ Corrosión de los pilotes metálicos, particularmente en las zonas de variación del nivel del agua. ✓ Posible expansión del terreno provocando el problema inverso al rozamiento negativo, causando el levantamiento de la cimentación. ✓ Ataque químico del terreno o de las aguas a los pilotes. ✓ Modificación local del régimen hidrogeológico, por conexión de acuíferos ubicados a distinta profundidad que podrían quedar conectados al ejecutar los pilotes. ✓ Posible contaminación medioambiental, debida a los lodos o polímeros que se utilizan en la excavación de pilotes de concreto «in situ». 12 ✓ Estabilidad de los taludes de las excavaciones y plataformas realizadas para construir el pilote. ✓ Asentamientos, por mala limpieza del fondo, de las excavaciones de los pilotes perforados. ✓ Posibles efectos sísmicos y en particular la posible licuefacción del entorno, que pudiera englobar al propio pilote. Configuración geométrica (Según GCOCE-2009) Cuando el análisis se realiza para proyectar una determinada cimentación, la disposición geométrica se suele realizar por iteraciones, diseñando diferentes disposiciones de pilotes hasta alcanzar una situación óptima. Cuando se trata de analizar una situación ya existente, es imprescindible conocer los datos geométricos de la disposición de pilotes. De cada uno de los pilotes será necesario conocer: ✓ Longitud total. Longitud del pilote dentro de cada uno de los distintos terrenos, en particular, la longitud de empotramiento en el estrato resistente, en pilotes que trabajen por punta. Los detalles del pilote se detallan en la Figura 1.3 . Figura 1.3. Sección transversal de un grupo de pilotes 13 ✓ Características geométricas de la sección transversal del pilote: Área A, diámetro D (o diámetro equivalente) y mínimo momento de inercia respecto a los ejes que pasan por su centro de gravedad, Io. Del grupo de pilotes ha de conocerse: ✓ El número de pilotes. Su distribución en planta. Son de especial interés los datos de separación entre los ejes de los pilotes, sx, sy, como se muestra en la Figura 1.4 Figura 1.4. Vista en planta de un grupo de pilotes Ha de conocerse también la forma y dimensiones del encepado e incluir su peso, así como el de las tierras que lo puedan recubrir, en el cómputo de acciones. La configuración geométrica del terreno debe quedar claramente establecida. Normalmente se identificarán los diferentes terrenos que existen en función de la profundidad. Resulta de especial importancia definir la ubicación del nivel freático o, en su caso, la red de filtración correspondiente. Puede ser conveniente realizar, en este sentido, diferentes hipótesis (distintas situaciones de proyecto) para cubrir la posible variabilidad de este dato. Como detalle de gran importancia en la configuración geométrica, debe citarse el nivel del terreno alrededor del pilotaje. El terreno superficial soporta lateralmente al encepado del pilotaje y por ello es esencial su presencia. En aquellos casos en los que pueda existir socavación habrá que postular diferentes situaciones, una de ellas, de carácter accidental, debe representar la situación correspondiente a la máxima socavación prevista. 14 En todo caso, en aquellas cimentaciones profundas ubicadas en cursos de agua, el encepado debe situarse a profundidad suficiente, de manera que no suponga un obstáculo al flujo de agua y sus arrastres. Sistema constructivo de pilotes pre-excavados Los pilotes colados en sitio son un tipo de pilotes ejecutados “in situ”, es decir en el sitio de la obra. La denominación se aplica cuando el método constructivo consiste en realizar una perforación en el suelo a la cual se le colocará un armado en su interior y posteriormente se rellena con concreto. En ocasiones, el material en el que se está cimentando, es un suelo friccionante como son arenas, materiales gruesos y limos, los cuales pueden ser considerados como materiales friccionantes ya que, al poseer una estructura cohesiva tan frágil, cualquier movimiento como el que produce la broca al perforar, hace que se rompa dicha cohesión y el material trabaje como un suelo friccionantes. Es por ello que se presentan desmoronamientos en el interior de las paredes de la perforación; a este fenómeno se le denomina "caídos", es por ello que se recurre a diversos métodos para evitar que se presente. Uno de los principales métodos de evitar "caídos", consiste en colocar el "lodo bentonítico" en el interior de la perforación, y colocar posteriormente el concreto dentro, el lodo saldrá por diferencia de densidades. Otro método menos empleado, es el uso de "camisas" o "ademes" de acero recuperables, los cuales no son más que secciones metálicas que se introducen en la excavación y evitan que el material de las paredes caiga. Como precauciones que hay que tener a la hora de la colocación del concreto “in situ” es que la distancia mínima entre la piloteadora y la colocación del concreto debe ser especificada. Se han realizado pruebas que muestran que las vibraciones provenientes de la piloteadora no tienen efectos contrarios sobre el concreto fresco, y un criterio de un pilote abierto entre las operaciones de perforación y las de colocado es considerado como satisfactorio. La camisa, cascarón, tubo o tubería, debe ser inspeccionado justo antes a rellenarlo con concreto y debe estar libre de material extraño y no contener más de diez centímetros de agua, a menos que se utilice el método “tremie” para introducir concreto. El concreto debe ser colocado en cada perforación o camisa sin interrupción. Si es necesario interrumpir el proceso de colocado de concreto por un intervalo de tiempo tal que endurezca el concreto, se deben colocar dovelas de acero en la zona superior del pilote. Cuando el colado se suspende, todas las rebabas deben ser retiradas y la superficie del concreto debe ser lavada con una lechada fluida. 15 Cargas en pilotes (Según CCCR 2009) Existen diferentes tipos de cargas que se generan o se aplican a los pilotes, producto de diferentes situaciones. Se describen algunas de estas a continuación. Fricción negativa Una cimentación profunda que atraviesa un estrato compresible puede verse afectada por el fenómeno de la fricción negativa, si la resistencia del pilote es esencialmente de punta. Esta situación ocurre típicamente cuando alguna sobrecarga externa consolida la capa blanda. En este caso el movimiento del suelo, relativo al pilote, es hacia abajo y genera una fuerza de arrastre sobre el pilote denominada fricción negativa. Esta fuerza hacia abajo deberá ser sumada a las cargas de la estructura para establecer la carga total sobre el pilote. La magnitud de la fuerza debida a la fricción negativa (FNegativa) puede estimarse a partir de: 𝐹𝑁𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = (𝛽) ∗ 𝜎 ′ 0 ∗ 𝐴𝐿 En donde:  = Factor empírico equivalente al producto del coeficiente de empuje en reposo por la tangente del ángulo de fricción entre el pilote y el suelo. ’0 = Esfuerzo vertical efectivo promedio a lo largo del tramo sometido a la fricción negativa [kPa]. AL = Área del fuste del pilote en contacto con el tramo del suelo que genera la fricción negativa [m2]. Bjerrum (1969) propone los siguientes valores para β: Tabla 1.1. Valores propuestos para β (Bjerrum 1969) Conviene advertir que, en muchos casos de rozamiento negativo, debido a la colocación de rellenos sobre suelos cohesivos blandos, el mayor rozamiento negativo corresponde al relleno, 16 especialmente si es granular y bien compactado. Entonces el factor β podría llegar a valer 0,5 e incluso más. Otro criterio comúnmente empleado es que un pilote interior puede ser sobrecargado, por fricción negativa, como máximo con un peso igual al del volumen de arcilla tributaria de dicho pilote. En un pilote de borde, sin embargo, la sobrecarga puede ser mayor y este efecto puede acentuarse en los pilotes esquineros. En estos últimos, un límite a la sobrecarga que puede llegar a producir la fricción negativa, lo impone la adherencia entre el suelo y el pilote en todo el fuste de este. Empujes laterales del terreno Una cimentación profunda que atraviesa un estrato compresible de suelo cohesivo puede verse afectada también por el fenómeno de los empujes laterales del terreno sobre los pilotes, si se construye un relleno asimétrico con relación a ellos. Cualquier otra sobrecarga en el terreno, sea cual sea su origen, asimétrica con relación al pilotaje (por ejemplo, la presión de cimentación de una losa de un edificio adyacente, o un talud) puede causar este fenómeno. Asimismo, la excavación a un lado del pilotaje puede generar empujes laterales. Los empujes laterales del terreno se tendrán en cuenta como una acción, en el diseño de los pilotes, cuando el incremento de la presión vertical sobre el estrato compresible sea mayor o igual que el triple de su resistencia al corte no drenado cu. Se han propuesto diversas formas de estimar la magnitud de los empujes laterales del terreno sobre los pilotes, así como varios criterios para el cálculo de las flexiones inducidas, que conducen a resultados dispares, por lo que debe quedar en manos de un especialista. Es relativamente frecuente ignorar este fenómeno. La no consideración de los empujes laterales cuando se dan las condiciones para que existan conduce, en la mayoría de los casos, a la rotura de los pilotes, a grandes movimientos de las estructuras cimentadas en ellos y a severos daños. Los problemas de fricción negativa y de empujes laterales se pueden evitar si se instalan los pilotes después de que se hayan producido las deformaciones del estrato compresible debidas a las sobrecargas. 17 Capacidad de carga axial última para pilotes (Según CCCR 2009) Se describe brevemente la metodología del cálculo para la capacidad de soporte de cada pilote. La capacidad última de un pilote Qult se calcula como la suma de la resistencia que aporta la fricción entre el fuste y la roca Qfricción más la resistencia que aporta el estrato de apoyo en la punta del pilote Qpunta. En términos matemáticos esto se traduce como: Qult = Qfricción + Qpunta Ecuación 1 Capacidad de carga en suelos cohesivos (condición no drenada) En suelos cohesivos puros, los componentes de capacidad de carga por fricción lateral y punta toman la forma: 𝑄𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐶𝐴 ∗ 𝐴𝑓 Ecuación 2 𝑄𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 = 𝑞𝑏 ∗ 𝐴𝑏 = 𝑐𝑢 ∗ 𝑁 ∗ 𝑐 ∗ 𝐴𝑏 Ecuación 3 En donde: CA = Adherencia suelo-pilote que se deberá establecer con base en la resistencia al corte no drenada (cu), de conformidad con lo establecido en la Tabla 1.2. cu = Resistencia al corte no drenada promedio del suelo (para el caso de la capacidad de carga por fricción, debe utilizarse el valor ponderado de cu a lo largo del fuste. En el caso de la punta debe considerarse el valor ponderado a una profundidad bajo la base igual a 1,5 – 2 diámetros) Af = Área del fuste en contacto con el suelo. Ab = Área de la base del pilote. N*c = Factor de capacidad de carga para pilotes en arcilla (usualmente se toma como 9.0) 18 Tabla 1.2. Valores de la adherencia entre la arcilla y pilotes (Adaptado de Tomlinson 1957) En el caso de pilotes pre-excavados y colados en sitio, la adherencia se deberá calcular a partir de la siguiente expresión: 𝐶𝐴 = 𝛼 ∗ 𝑐𝑢 Ecuación 4 En donde: 𝛼 = 𝛼1 ∗ 𝛼2 ∗ 𝛼3 ∗ Ψ Ecuación 5 1 = 0.65 (pilote redondo) 2 , 3 = (1-0.75/L) donde L es la longitud del pilote Los valores de ψ recomendados para distintas condiciones de excavación se presentan en el Tabla 1.3. Tabla 1.3. Valores recomendados de ψ Los valores recomendados para la adherencia podrán ser modificados por el diseñador si tiene la información adicional que respalden los nuevos valores (pruebas de carga, ensayos especiales de laboratorio o campo, cono eléctrico, etc.). 19 La resistencia por fricción en el caso de arcillas normalmente consolidadas, puede también ser evaluada en términos de esfuerzos efectivos, a partir de la siguiente expresión: 𝑄𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 0.3𝑃 ∗ ∗∑𝜎′0𝑖 𝑛 𝑖=1 ∗ Δ𝑙𝑖 Ecuación 6 En donde: P* = Perímetro del pilote ∆li = Espesor de la capa considerada. ’0i = Esfuerzo efectivo vertical en el punto medio de la capa considerada. Efecto de grupo de pilotes (CCCR 2009) La capacidad de carga de un grupo de pilotes es generalmente distinta a la suma de las capacidades individuales de los pilotes que componen el grupo. Se utiliza el término "Eficiencia" para designar la relación de la capacidad del grupo respecto a la suma de las capacidades individuales de los pilotes. En los suelos arenosos, la eficiencia del grupo puede exceder la unidad, como resultado de la compactación de la arena que incrementa la fricción lateral. Por su parte, en los suelos cohesivos, el factor de eficiencia normalmente es menor de la unidad y puede ser tan bajo como 0.5. El ingeniero deberá evaluar cuidadosamente la eficiencia (ε) al establecer la capacidad de carga de un grupo de pilotes. Aunque existen diversas metodologías para estimar la eficiencia de grupos de pilotes de fricción en arcilla, se presenta, a continuación, la fórmula propuesta por Converse – Labarre, en la que se calcula la eficiencia (ε) a partir de la siguiente expresión: 𝜀 = 1 − [𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( 𝐷 𝑠 ) (𝑛 − 1)𝑚 + (𝑚 − 1)𝑛] 90𝑚𝑛 Ecuación 7 En donde:  = Eficiencia del grupo de pilotes 20 D = Diámetro del pilote [m] s = Separación centro a centro del pilote [m] m = Número de hileras de pilotes en el grupo n = Número de pilotes en cada hilera Efectos sísmicos (CCCR 2009) En regiones con depósitos arenosos y algunos de grano fino, se debe considerar el posible efecto del fenómeno de licuación al evaluar el comportamiento de la fundación. De existir un potencial de licuación elevado, en el análisis de la capacidad de carga del pilote se deberá despreciar la resistencia contribuida por los estratos potencialmente licuables y de aquellos estratos superiores. Aún más, se deberá considerar la posibilidad de que estratos superiores cohesivos generen una fricción negativa sobre el pilote luego de la licuación de las capas de arena subyacentes. En estructuras importantes cimentadas sobre pilotes en suelos blandos, se deben estudiar los efectos de la interacción suelo-estructura. Asentamiento de pilotes El asentamiento de un pilote producto de una carga vertical Qw, es ocasionada por tres factores: 𝑠 = 𝑠1 + 𝑠2 + 𝑠3 Ecuación 8 Donde: S = asentamiento total del pilote. S1 = asentamiento elástico del pilote. S2 = asentamiento del pilote causado por la carga en