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CAPACIDAD DE SOPORTE DE FUNDACIONES SUPERFICIALES
INSERTADAS EN ARENA
Sexto Congreso Chileno de GeotecniaValparaíso – Noviembre 2007
Felipe Villalobos
Universidad Católica de la Santísima Concepción
Aplicaciones costa afuera de fundaciones superficiales insertadas
100 m
30 m
4 MN
90 m6 MN
Aerogeneradores en el mar
Instalaciones petroleras y de gas
¿Para qué estudiar la capacidad de soporte de fundaciones superficiales?
• Capacidad de soporte última bajo carga vertical
• Capacidad de soporte como una secuencia de etapas de carga
• Formulación de una ley de endurecimiento en teoría de la plasticidad
Secuencia de cargaCurvas carga-desplazamiento
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500Carga vertical V: N
Pene
traci
ón h
: mm
0
0,5
1
1,5
2
0 50 100 150 200 V/A : kPa
h/2RA: instalación
B: capacidad de soporte
C: post rotura
(Vc, hc): carga y penetración de contacto
arena carbonatada sueltaDR = 26%
arena silícica densa
DR = 88%
rotura
(Vy, hy): carga y penetración de fluencia
Capacidad de soporte de fundaciones superficiales
• Por más de 80 años se ha buscado una solución rigurosa, sin empiricismo (Nγ y factores) ni efectos de superposición
• Hoy en día existen soluciones rigurosas para zapatas superficiales corridas, circulares y cónicas, pero no todavía para zapatas con bordes o mantos insertados
• Se asume un mecanismo de falla general de corte, el cual es válido solo en suelos densos
• En fundaciones con bordes insertados las propiedades iniciales del suelo cambian durante la instalación, lo cual dificulta el posterior análisis de capacidad de soporte
Capacidad de soporte Vo de una fundación con bordes insertados
Vo = 2π Re ∫ τh
0edz + (σ'v Nq + γdRe Nγ)Ae
2π Re ∫ τh
0edz = 2π Re γd (KP tan δ’)e h2
Nq (Bolton y Lau 1993) y Nγ (Martin 2005) para zapatas circulares
KP ≈ 2 y δ’ = 16º → (KPtanδ’)e ≈ 0.6
Descripción de los ensayosPropiedades geotécnicas de las arenas usadas en los ensayos
Modelos de zapatas de 50.9 mm de diámetro hechas de tubos de bronceL (mm): 0, 13.3, 26, 38.7, 51, 76.9 y 102.1
L/2R: 0, 0.26, 0.51, 0.76, 1, 1.51 y 2.01
L
2RPropiedad Arena Dogs Bay
Arena Leighton Buzzard
Mineralogía carbonatada silícica D10: mm 0.11 0.63 D30: mm 0.18 0.70 D50: mm 0.24 0.80 D60: mm 0.29 0.85 Cu 2.66 1.36 Cc 1.00 0.92 Gs 2.75 2.65 γd min: kN/m3 9.52 14.65 γd max: kN/m3 13.60 17.58 emin 0.984 0.479 emax 1.834 0.774 φ’cs: (o) 40.3 33.0
Fotos de microscopía de escáner de electrón(Bowman et al. 2001)
Arena Dogs Bay (fragmentos de moluscos angulares)
Arena Leighton Buzzard
(granos semi redondeados)
Resultados de los ensayos
a) Dogs Bay b) Leighton Buzzard c) Leighton BuzzardDR = 26% DR = 40% DR = 47%
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400Vertical load V: N
Pen
etra
tion
h: m
m
0
1
2
3
0 50 100 150 V/A o : kPa
h/2R
Yield from experiment
φ'peak = φ'cs = 40o
φ'mob: 35o 36o 37o 38o
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400Vertical load V: N
Pen
etra
tion
h: m
m
0
1
2
3
0 50 100 150 V/A o : kPa
h/2R
Yield from experiment
φ'peak = 36o
φ'cs = 33o
34o 35oφ'mob =
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400Vertical load V': N
Pen
etra
tion
h: m
m
0
1
2
3
0 50 100 150 V'/A o : kPa
h/2R
Yield from experiment
φ'peak = 37o
φ'mob = 34o 35o 36o
ARENA SUELTA
ARENA DENSA
0
40
80
120
160
0 200 400 600 800 1000Vertical load V: N
Pen
etra
tion
h: m
m
0
1
2
3
0 100 200 300 400 500 V/A o : kPa
h/2R
Yield from experiment
φ'peak = 42o
φ'mob:39.5o 40o 41o
43o
0
40
80
120
160
0 200 400 600 800 1000Vertical load V: N
Pen
etra
tion
h: m
m
0
1
2
3
0 100 200 300 400 500 V/A o : kPa
h/2R
Yield from experiment
φ'peak = 43o
41o
42o
φ'mob: 39o 40o
a) Leighton Buzzard b) Leighton BuzzardDR = 83% DR = 88%
Resultados de los ensayos
Nq para zapatas circulares
Valores experimentales comparados con valores teóricos
10
100
1000
30 35 40 45 Angle of friction φ': degrees
Bea
ring
capa
city
fact
or N
q 0
0.26
0.51
0.76
1
1.51
2
0 (Bolton & Lau, 1993)
2 (Meyerhof, 1951)
2 (Meyerhof, 1963)
2 (Martin, 2004)carbonate sand
silica sand L/2R
Nq = w
'VR
12
d ∆∆
πγ
La reducción de Nq debido a la fricción en las paredes de la zapata es despreciable
Nγ para zapatas circulares
10
100
1000
30 35 40 45Angle of friction φ': degrees
Bea
ring
capa
city
fact
or N
γ
0
0.26
0.51
0.76
1
1.51
2
0 (smooth; Cassidy & Houlsby,2002)0 (smooth; Martin, 2004)
0 (rough; Cassidy & Houlsby,2002) 0 (rough; Martin, 2004)
2(rough; Meyerhof, 1963)
2 (rough; Martin, 2004)
silica sand
carbonate sand
L/2R
Valores experimentales comparados con valores teóricos
Nγ = 2d
y
RFV
πγ−
Conclusiones- La capacidad de soporte aumenta con el largo L de la zapata - Se encontró que la capacidad de soporte debe calcularse con el
valor del ángulo de fricción movilizado, el uso de φ’peak induce a sobrestimaciones de la capacidad de soporte
- En la arena carbonatada suelta no se llegó al estado crítico, φ’mov< φ’peak (falla por punzonamiento)
- En la arena silícica suelta se llegó al estado crítico, φ’mov = φ’cs(falla de corte local)
- En la arena silícica densa la dilatación controló la respuesta de la fundación. La formación de un tapón de arena al interior de la zapata redujo φ’mov por debajo de φ’peak (falla de corte general)
Conclusiones• Valores experimentales de Nq fueron obtenidos durante
la respuesta en endurecimiento después de la rotura
• Nq aumenta con L (sobrecarga). Nq teórico estima bien los valores experimentales solo para L/2R = 0, para L/2R = 2 ellos son subestimados
• Nγ concuerda con los valores experimentales para L/2R = 0 y base lisa
• Para L/2R > 0 Ng aumenta considerablemente debido al contacto rugoso suelo-suelo bajo zapata
www.civil.ucsc.cl avillalobos@ucsc.cl