CAPACIDAD DE SOPORTE DE FUNDACIONES SUPERFICIALES INSERTADAS EN ARENA

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CAPACIDAD DE SOPORTE DE

FUNDACIONES SUPERFICIALES

INSERTADAS EN ARENA

Sexto Congreso Chileno de Geotecnia

Valparaíso – Noviembre 2007

Felipe Villalobos

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Aplicaciones costa afuera de

fundaciones superficiales insertadas

100 m 30 m 4 MN 90 m 6 MN Aerogeneradores en el mar Instalaciones petroleras y de gas

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¿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

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Secuencia de carga

Curvas carga-desplazamiento

0 20 40 60 80 100 120 0 100Carga vertical 200 300V: N 400 500 Penet ración h : mm 0 0,5 1 1,5 2 0 50 100 150 200 V/A: kPa h/2R A: instalación B: capacidad de soporte C: post rotura (Vc, hc): carga y penetración de contacto

arena carbonatada suelta DR = 26% arena silícica densa DR = 88% rotura (V_y, h_y): carga y penetración de fluencia

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Capacidad de soporte de fundaciones

superficiales

• Por más de 80 años se ha buscado una solución rigurosa,

sin empiricismo (N_γ 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

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Capacidad de soporte V

_o

de una fundación

con bordes insertados

V

_o

= 2

π

R

_e

∫

τ

h 0 e

dz

+ (

σ

'

v

N

q

+

γ

d

R

e

N

γ

)A

e

2π Re

∫

τ h 0 edz = 2π Re γd (KP tan δ’)e h 2

N_q (Bolton y Lau 1993) y N_γ (Martin 2005) para zapatas circulares K_P ≈ 2 y δ’ = 16º → (K_Ptanδ’)_e ≈ 0.6

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Descripción de los ensayos

Propiedades geotécnicas de las arenas usadas en los ensayos

Modelos de zapatas de 50.9 mm de diámetro hechas de tubos de bronce

L (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 2R Propiedad 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

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Fotos de microscopía de escáner de electrón

(Bowman et al. 2001)

Arena Dogs Bay (fragmentos de moluscos angulares)

Arena Leighton Buzzard (granos semi redondeados)

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Resultados de los ensayos

a) Dogs Bay b) Leighton Buzzard c) Leighton Buzzard DR = 26% DR = 40% DR = 47% 0 40 80 120 160 0 100 200 300 400 Vertical load V: N P e net ra tio n h: mm 0 1 2 3 0 50 100 150 V/Ao: kPa h/ 2R

Yield from experiment

φ'peak = φ'cs = 40o φ'mob: 35o 36o 37o 38o 0 40 80 120 160 0 100 200 300 400 Vertical load V: N P ene tr at io n h : m m 0 1 2 3 0 50 100 150 V/Ao: kPa h/ 2R

φ'peak = 36o φ'cs = 33o 34o 35o φ'mob = 0 40 80 120 160 0 100 200 300 400 Vertical load V': N P e net ra tio n h : m m 0 1 2 3 0 50 100 150 V'/Ao: kPa h/ 2R

φ'peak = 37o

φ'mob = 34o 35o 36o

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ARENA DENSA 0 40 80 120 160 0 200 400 600 800 1000 Vertical load V: N Penet ra tion h: mm 0 1 2 3 0 100 200 300 400 500 V/A_o: kPa h/ 2R

φ'_peak = 42o φ'mob:39.5o 40o 41o 43o 0 40 80 120 160 0 200 400 600 800 1000 Vertical load V: N Penet ra tion h : m m 0 1 2 3 0 100 200 300 400 500 V/Ao: kPa h/ 2R

φ'peak = 43o

41o 42o

φ'mob: 39o 40o

a) Leighton Buzzard b) Leighton Buzzard DR = 83% DR = 88%

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N

_q

para zapatas circulares

Valores experimentales comparados con valores teóricos

10 100 1000

30 35 40 45

Angle of frictionφ': degrees

B ear in g c apac ity fa ct or Nq 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 ' V R 1 2 d ∆ ∆ π γ

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N

_γ

para zapatas circulares

10 100 1000

30 35 40 45

Angle of friction φ': degrees

B

earing capacity factor

Nγ 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 = ₂ d y R F V π γ −

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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

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Conclusiones

• Valores experimentales de N_q fueron obtenidos durante

la respuesta en endurecimiento después de la rotura

• N_q aumenta con L (sobrecarga). N_q teórico estima bien

los valores experimentales solo para L/2R = 0, para L/2R = 2 ellos son subestimados

• N_γ 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

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