paniagua inclusiones rígidas
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Walter I. Paniagua
Santa Cruz de la Sierra, Bolivia
Abril, 2013
1. Conceptos generalesa. Definiciones; tipos de inclusionesb. Inclusiónc. Plataforma de transferencia
2. Diseño de inclusiones rígidasa. Métodos analíticosb. Métodos numéricos
3. Construcción de inclusiones rígidasHincadas
de concretode acero
Coladas en sitioCFAPerforación con kellyPilotes de desplazamiento
Comentarios finales
Las inclusiones son elementos de forma cilíndrica
o prismática, no conectados con la estructura, que
pueden colocarse en el suelo recurriendo a
diferentes técnicas
¿Para qué sirven?
Resistencia
Deformabilidad
Permeabilidad
Respuesta dinámica
Tipos de inclusiones, de acuerdo con el procedimiento constructivo
RígidasHincado
aceroconcretomadera
Colado in situcon presiónsin presión
Semi-rígidasSoil mixingJet groutingColumnas de vibro-concretoColumnas de módulo controlado
FlexiblesColumnas de gravaPilas de agregado (Geopiers, Vibropiers)Reemplazo dinámico
Transferencia de carga por arqueoTransferencia de carga por fricción negativa
La relación entre los módulos delsuelo y la inclusión (de variosórdenes de magnitud) no permite unacompatibilidad de deformaciones.
Hay una interacciónsuelo-estructura compleja
Existen cuatro (4) componentes principalesque interactúan entre sí:
La estructura / losa
La plataforma de transferencia
La inclusión rígida
El suelo circundante
El diseño de una solución con inclusionesdeberá incorporar todos los componentes
Nivel neutro
Fricción negativa
Fricción positiva
Esfuerzos de punta
Esfuerzos de punta
1. Conceptos generalesa. Definiciones; tipos de inclusionesb. Inclusiónc. Plataforma de transferencia
2. Diseño de inclusiones rígidasa. Plataforma de transferenciab. Métodos analíticosc. Métodos numéricos
3. Construcción de inclusiones rígidasHincadas
de concretode acero
Coladas en sitioCFAPerforación con kellyPilotes de desplazamiento
Comentarios finales
1) La capa de repartición tenga la rigidez suficiente para transmitir la carga de la
superestructura a la cabeza de las inclusiones,
2) No se rebase la capacidad de carga por punta de la cabeza de la inclusión,
3) Que la cabeza de la inclusión no induzca cargas puntuales en la losa de
cimentación,
4) Que la losa de cimentación por si sola cumpla con la revisión de los estados
límite de falla,
5) Que se cumpla con la revisión de los estados límite de servicio.
La plataforma de transferencia (LTP)
- Hecha de material granular compactado- También puede ser de limos / arenas
cementadas o tratadas con cal- Puede tener georedes o geotextiles,
dependiendo del método de diseño- Generalmente de 600 a 1200 mm espesor
- Principal objetivo: Transferir la carga de la estructura a las inclusiones rígidas
Enfoques de diseño:
- FHWA (USA) : Método de Collin (Viga)- British Standard : Membrana (Catenaria) - France ASIRI: Método de arqueo
qs
Todos estos métodos tienen el mismo objetivo: evaluar (Qp) y (qs) en función del espesor (H), ángulo de fricción (F ) y módulo (E)
H
1mCostra
seca
Dq
Cabeza de la
inclusión
Superficie
de falla
s’Ht
qi
Dq
d
g, c, f’
Costra dura
h
Superficie
de fallaCabeza de
la inclusión
qsqs
D
fgf f tan
2sin1
4 sin qh
OCRcd
hqiu
Se basa en la suposición de que la LTP trabaja como viga y transfiere toda la carga superior a lasinclusiones rígidas:
• Requiere un mínimo de tres capas de geotextil• El espesor de la LTP es mayor que la mitad del claro entre inclusiones
/ slab
Se utiliza un enfoque de catenaria:
• El geotextil se coloca directamente arriba de la cabeza de las inclusiones rígidas• El geotextil entre las inclusiones lleva la carga a la inclusión a través de tensión. La tensión en
el geotextil se calcula con la teoría de membranas
Rigidinclusion
Recomienda que el espesor de la LTP sea de cuando menos 1.4 vecesel claro
Britsh Standard German Standard
El programa nacional de investigación ASIRI en Francia ha demostrado que el beneficio de una capa de geotextil es mínimobajo la losa (más benéfico bajo un terraplén, ya que proveeconfinamiento y restricción lateral)
ASIRI propone que se utilice el método de cono de difusión paramodelar la transferencia de carga en la LTP bajo la losa
El ángulo de difusión (F) se asume el ángulo pico de fricción del material de la LTP
De la geometría propuesta, la carga en la inclusión rígida (Qp) y el esfuezo en el suelo (qs) pueden ser estimados y usados paracálculo de asentamientos.
Para tomar en cuenta las interacciones de:
- Transferencia de carga en LTP- Transferencia de carga a lo largo de la inclusión rígida- Asentamiento diferencial entre suelo e inclusión
Métodos• Empíricos• Analíticos• Numéricos
Principio: Remplazar el suelo mejorado con inclusiones por un material homogéneo equivalente
total
columna
sueloinclusionHomog
A
Am
pmpmP
1
sueloinclusionHomog
sueloinclusionHomog
sueloinclusionHomog
mm
cmcmc
EmEmE
ggg 1
1
1
Esta solución es simplista, pero da una buena primera aproximación de los asentamientos. Algunas limitantes:
• Sobrestima la carga en las inclusiones• Subestima los asentamientos• Si la diferencia de rigideces es muy alta, arroja resultados irracionales
Diseño de inclusiones: ecuaciones de Mindlin
Hipótesis: Medio semi-infinito continuo y elástico
Zz KL
fs
Elemento Finito
Diferencias finitas
Elemento distinto
Elementos finitos
Diferencias finitas
3D FDM
Elemento distinto
Diseño de inclusiones: métodos numéricos
Diseño de inclusiones: Método de elemento finito (MEF)
Los modelos axisimétricos se utilizan
comúnmente bajo losas (simetría)
=> Análisis de celda unitaria
Diseño de inclusiones: MEF axisimétrico
Carga = 110ton dmáx = 4.7 [cm]
Asentamiento diferencial con respecto a las zapatas de 1 nivelDd 0.7cm-> g =0.0003 << 0.002
Sim
ula
ció
n d
e 8
incl
usi
on
es
de
4”
de
d
iám
etro
y c
on
ca
bez
al d
e 6
”
a) Capacidad de la
losa de cimentación
b) Capacidad del
grupo de inclusiones
d) Capacidad de la
estructura de la
inclusión
c) Capacidad
individual de cada
inclusiones
1. Conceptos generalesa. Definiciones; tipos de inclusionesb. Inclusiónc. Plataforma de transferencia
2. Diseño de inclusiones rígidasa. Plataforma de transferenciab. Métodos analíticosc. Métodos numéricos
3. Construcción de inclusiones rígidasHincadas
de concretode acero
Coladas en sitioCFAPerforación con kellyPilotes de desplazamiento
Comentarios finales
Estrato
duro
Pilotes
de fricción
negativa
Cajón de
cimentación
Arcilla
compresible
Pilotes
de fricción
unidos al
cajón
Pilotes entrelazados
Pilotes de fricción (A) + Inclusiones (B)
Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La
Corona” Xalostoc, Edo. México
Costra de arcilla desecada
Arcilla muy blanda I (w>200%)
Arena limosa con gravas muy compacta
Arcilla muy blanda II
Arena limosa muy compacta
Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La Corona”
Xalostoc, Edo. México
Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La Corona” Xalostoc, Edo. México
Silos
Tanques de dodecil
Pilotes entrelazados Fábrica de Jabón “La Corona” Xalostoc, Edo. México
Descarga al suelo: 21 t/m2
Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion
Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion
Suelos blandos: depósitos aluviales; estratos de materiales granulares y cohesivos con lentes de grava y bolsas de arena licuable.
Prof roca > 1,000 m
Tirante de agua de más de 60 m
Colisión de buques tanque de 180,000 ton, viajando a 16 nudos
Vientos de 250 kg/hr
Sismo de +7.0 Richter; aceleraciones 0.48 g en el fondo marino
200 inclusiones en cada zapata
Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion
Deflexión de inclusiones en un modelo de centrífuga
Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion
Hincado inclusiones de pilotes de acero Puente Rion - Antirion
Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion
Inclusiones con pilotes de acero Puente Rion - Antirion
1. Conceptos generalesa. Definiciones; tipos de inclusionesb. Inclusiónc. Plataforma de transferencia
2. Diseño de inclusiones rígidasa. Plataforma de transferenciab. Métodos analíticosc. Métodos numéricos
3. Construcción de inclusiones rígidasHincadas
de concretode acero
Coladas en sitioCFAPerforación con kellyPilotes de desplazamiento
Comentarios finales
En cada silo:
Nº de inclusiones 106Separación 2 m x 2 mDiámetro 60 cmLongitud 22 mConcreto simple f´c=150 kg/cm2
Capa de reparticiónLosa de concreto 0.7 mReforzadoTerraplén 0.8 m
66 edificiosCinco pisos
Mecanismo de transferencia de carga
16.65 m
15.90 m
5 niveles
Losa de cimentación reforzada con contratrabes
PR
OF
. m
Resistencia de punta, kg/cm
PR
OF
. m
Resistencia de punta, kg/cm
Resistencia de punta, kg/cm
PR
OF
. m
PR
OF
. m
Resistencia de punta, kg/cm
A A
-2.500 0.000 2.500 5.000 7.500 10.000 12.500 15.000
-12.500
-10.000
-7.500
-5.000
-2.500
0.000
Vertical displacementsExtreme vertical displacement -664.27*10
-3 m
m
-0.680
-0.640
-0.600
-0.560
-0.520
-0.480
-0.440
-0.400
-0.360
-0.320
-0.280
-0.240
-0.200
-0.160
-0.120
-0.080
-0.040
-0.000
0.040
Arcilla blanda
Lente de arena arcillosa
Arcilla media
Manto rocoso
Arcilla café oscuro
Terraplén Asentamiento máximo 68 cm
A A
-5.000 -4.000 -3.000 -2.000 -1.000 -0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000
-9.000
-8.000
-7.000
-6.000
-5.000
-4.000
-3.000
-2.000
-1.000
-0.000
1.000
Plastic Points
Plastic Mohr-Coulomb point Tension cut-off point
Inclusión
Arcilla
blanda
Lente de arena arcillosa
Arcilla media
Arcilla café oscuro
Terraplén
7.44
8.25
9.06
9.87
10.68
11.49
12.30
13.11
13.92
14.73
15.54
16.35
17.16
Method (6)
Modulus of Compressibility (Iteration)
Settlements s [cm]
Max. s = 17.61 at node 130, Min. s = 7.03 at node 1
Asentamiento máximo 17 cm
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Carg
a A
xia
l (t)
Desplazamiento vertical (mm)
99.7
100.2
100.7
101.2
Dec/05 Mar/06 Jul/06 Oct/06 Jan/07 Apr/07 Aug/07 Nov/07 Feb/08 Jun/08 Sep/08
NIV
EL (m
)
FECHA
Nivelaciones Edificio 59
CENTRO DE EDIFICIO 59
Esquina 2
ESQUINAS EDIFICIO 59
Esquina 3
Esquina 1
Esquina 4
Hundimiento observado: 12 cm < 17 cm calculado
ESQUINA 1
ESQUINA 2
ESQUINA 3
ESQUINA 4
PUNTOCENTRAL
NORTE
100
100.5
101
101.5
Nov/07 Jun/08 Dec/08 Jul/09 Jan/10 Aug/10 Feb/11
NIV
EL (m
)
FECHA
Nivelación Edificio 58
CENTRO DE EDIFICIO 58
Esquina 2
ESQUINAS EDIFICIO 58
Esquina 3 Esquina 1
Esquina 4
ESQUINA 1
ESQUINA 2
ESQUINA 3
ESQUINA 4
PUNTOCENTRAL
NORTE
Hundimiento observado: 11 cm < 17 cm calculado
Planta de Etanol, Navolato, Sinaloa
65238
119910
4299
10045600
3935
11145
8209
2187
6000
6701
7600 1500
15999
6977
6382
232
6687
3201
1500
ARQ. FRANCISCO SAINZ SAINZ
500
139919
29551
10150
1 de Octubre del 2006ARQ. FRANCISCO SAINZ SAINZ
N.S
.C.+
8. 6
49
N. S
.C.+
8.6
7
N.C
.S. +
8. 6
7
N. C
. S. +
8. 6
7N
. C. S
. +8
. 747
CANAL DESAGUE
CANAL DESAGUE278
1500
CA
NA
L S
UB
LA
TE
RA
L D
EL
LA
TE
RA
L F
RA
NC
ISC
O C
AÑ
ED
O
VIA FERROCARRIL
AUTOPISTA
Mov
itel
1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5
H
G
F
E
D
C
B
A
1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5
J
I
K
I
J
A
B
C
D
E
F
G
H
1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5
H
G
F
E
D
C
B
A
1513 1410 11 126 7 8 91 2 3 4 5
J
I
K
I
J
A
B
C
D
E
F
G
H
KK
0 PARA REVISION
DESTILMEX
0
DESTILMEX
172.9 °
4207
4708
4552
143.7°
143.7°
16936
16484
74.1°
105.9°
105 .9°
7010
11900500 11587
1203 697210000
1500
22000
920012852
314815000
37507503
7270
27669
47331
11677
19055
12009
25782
24605
23535
186802404
28255
8450
3108
8691
1222
6895
11551
1828
3286
8189
419
9970
2685
11945
11810
3133
23004
304
6244
2025
2089
14879
15921
245
10012
1966
13019
3522
7999
960
1276
4765
4633
771
555
700
802
8217
3632
6791
8899
3913
2299
6049
4900
9997
4999
15901
70003360
8301
19106
57127531
2990
100001500
760013300 2700
15001
47701
10522
40000 1500
25946
22613
102981700
8450
29601
47000
10000
106700
19055
CALDERA 1 CALDERA 2
Almacén DDGS
Sembrado arquitectónico
Almacén DDGS
40 x 75 m
3 a 10 t/m2
Sondeos SPT
Propiedades mecánicas de los materiales
Análisis con cimentación superficial -losa
0
5
10
15
20
25
30
35
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Carga uniformemente repartida, en t/m 2
As
en
tam
ien
to,
en
cm
Centro
Mitad largo
Esquina
Análisis con cimentación superficial -losa
Asentamientos con losa de cimentación
AA
0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000
-30.000
-25.000
-20.000
-15.000
-10.000
-5.000
0.000
Vertical displacements
Extreme vertical displacement -387.72*10-3 m
m
-0.400
-0.380
-0.360
-0.340
-0.320
-0.300
-0.280
-0.260
-0.240
-0.220
-0.200
-0.180
-0.160
-0.140
-0.120
-0.100
-0.080
-0.060
-0.040
-0.020
-0.000
0.020
Mejoramiento del suelo con inclusiones
Inclusiones
Diámetro 60 cm
Longitud 6 m
Capa de repartición 60 cm
Malla de análisis para inclusiones rígidasA A
-12.000 -10.000 -8.000 -6.000 -4.000 -2.000 -0.000 2.000 4.000 6.000
-12.000
-10.000
-8.000
-6.000
-4.000
-2.000
-0.000
2.000
Connectivities
Limo de baja
plasticidad
Arena limosa
Arena con gravillas
Terraplén
Inclusión
Carga repartida
Variación del asentamiento con la separación de inclusiones y la carga
0
5
10
15
20
25
30
35
2 3 4 5 6 7
Separación centro a centro de inclusiones, en m
Asen
tam
ien
to, en
cm
q=10 t/m2
q=6 t/m2
q=3 t/m2
arreglo de inclusiones tercio medio S = 4 m asentamiento máx 21 cm
tercios exteriores S =5 m asentamiento máx 14 cm
Asentamientos
• Se supone una losa de concreto reforzado con dimensiones
en planta de 40 x 75 m y espesor de 30 cm
• La cargas sobre la losa corresponden a una carga
uniformemente repartida de 3 t/m2 en toda el área más una
carga triangular, alcanzando en conjunto un valor máximo de
casi 11 t/m2 al centro
A = 40.00 [m]
B = 75.00 [m]
2.09
3.06
4.03
5.00
5.97
6.94
7.91
8.88
9.85
10.82
11.79
12.76
13.73
Method (6)
Modulus of Compressibility (Iteration)
Settlements s [cm]
Max. s = 14.26 at node 410, Min. s = 1.60 at node 1
Configuración de módulos de reacción
A = 40.00 [m]
B = 75.00 [m]
187.0
291.4
395.8
500.2
604.6
709.0
813.4
917.8
1022.2
1126.6
1231.0
1335.4
1439.8
Method (6)
Modulus of Compressibility (Iteration)
Moduli of subgrade reactions ks [kN/m2]
Max. ks = 1491.6 at node 11, Min. ks = 134.8 at node 21
Construcción de inclusiones
Almacén DDGS
Almacén DDGS
Inauguración de planta de etanol
Soil excavation during penetration
◦ Continuous flight auger
Small φ stem, cast in situ
Large ψ stem, cast in situ
◦ Partial flight auger on steel casing
Prefabricated
Cast in situ
Soil displacement during penetration
◦ Prefabricated pile type (torque < 70 kNm)
◦ Lost auger head + regained casing type
Screwing down
Pulling up
Screwing down (torque 150 – 500 kNm)
Screwing up
First generation
Second generation
Second generation
Third generation
Pile /
Technique
Country Developer –
Contractor*
Torque
needed
kNm
Diameter
mm
Length
m
First Generation
Atlas Belgium Franki 460-660
De Waal Belgium
USA
De Waal Palen
Morris Shea
310-610 30
Franki VB Germany Franki
Fundex Belgium
USA
Fundex SV
American Pile Driving
450-670 25-35
Pile /
Technique
Country Developer –
Contractor*
Torque
needed
kNm
Diameter
mm
Length
m
Second Generation
Screw injection Neetherlands Funderingstechnick 110-550
SVB Germany Jebens 400-670 < 24
SVV Germany Jebens 440 < 20
Tubex Belgium
USA
Fundex SV
American Pile
Driving
Pile /
Technique
Country Developer –
Contractor*
Torque
needed
kNm
Diameter
mm
Length
m
Third Generation
APGD USA Berkel 350-460 < 23
Displacement Germany Bauer 250 600 22
Screw pile UK Cementation 300/600
Soil
Displacement
UK Cementation
Discrepile Italy Trevi > 200 300-750 25-30
Omega Belgium Socofonda
T. France Soletanche-Bachy
TSD UK May Gurney 300-600 25
Screw flanges
compact sand
Screw flanges
soft soil
Segregation due to use of too dry
concrete
Grooving underside screw flange
Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica
Deep FoundationInstitute