PILOTES SOMETIDOS A CARGA AXIAL PSEUDO - ESTÁTICA

Tabla 1. Parámetros del modelo constitutivo Morh Coulomb.

2.2. Hardening Soil

Es la variante del modelo Mohr Coulomb Modificado, es una aproximación de segundo orden para el comportamiento elastoplástico con endurecimiento con deformación. Se considera el aumento de la rigidez de los suelos a pequeñas deformaciones. Este modelo se aplica con los parámetros descritos en la tabla 2.

Figura 2. Comportamiento de los esfuerzos y deformaciones.

Tabla 2. Parámetros del modelo constitutivo Hardening Soil.

2.3. Cam Clay Modificado

Ideal para la simulación de materiales cohesivos, este modelo se basa en cuatro principios: propiedades elásticas, superficie de fluencia, potencial plástico y ley de endurecimiento. De un conjunto de ensayos triaxiales se pueden obtener los parámetros descritos en la tabla 3.

Figura 3. Relación de cambio volumétrico-presión vs esfuerzo-deformación.

Tabla 3. Parámetros del modelo constitutivo Cam Clay.

PRUEBA DE CARGA AXIAL SOBRE PILOTES

Esta prueba es considerada como un método confiable para determinar la capacidad de carga en el pilote. La carga a compresión axial se aplica a la cabeza del pilote a velocidad constante hasta que alcanza la capacidad máxima, provocando que se generen asentamientos en el pilote.

midas GTS NX a través de MEF ayuda a resolver problemas geotécnicos, relacionando parámetros geológicos, geofísicos y geométricos, que pueden ingresarse al software y recrear la curva de carga vs deformación.

Figura 4. Carga vs asentamiento del pilote TP1.

CARACTERÍSTICAS DE LOS PILOTES

4.1. Pilote TPI

En Bolivia [1] se estudiaron cuatro pilotes con diferentes métodos constructivos, se escogió el pilote TP1 que fue excavado y colado in situ, con diámetro de 40cm, longitud de 17.5m, dividido en 6 estratos hasta la profundidad de 23m, el nivel freático se encuentra a una profundidad de 3m, alcanzó la carga máxima de 1909.32kN generando un asentamiento de 17.89mm. El artículo no menciona el martillo usado en el ensayo SPT, por lo que se asume que los valores de golpes de penetración corresponden con equipos que son 60% eficientes (N60), a partir de este dato se obtuvieron algunos parámetros faltantes.

4.2. Pilote TE3

En Brasil [2] se realizó la prueba de carga para nueve pilotes de distintos tipos: tres excavados, tres excavados con barrenas con hélices y tres construidos con omegas (cabezal impulsado por rotación) se escogió uno de los excavados denominada E3, cuenta con diámetro de 40cm, 12m de longitud, soportó una carga de 780.17kN y tuvo asentamiento máximo de 65.94mm. El nivel freático está a 17m de profundidad. El perfil litológico posee 3 estratos hasta la profundidad de 16m.

4.3. Pilote P16

En China [3] se probaron ocho pilotes colados in situ, separados 4m entre sí, se eligió el pilote P16 con longitud de 70m, diámetro de 80cm, divididos en 12 estratos de suelos arcillosos hasta 80m de profundidad con presencia de nivel freático en superficie, la carga máxima estimada que soportó el pilote fue de 8571.43kN generando un asentamiento máximo de 44.48mm.

4.4. Pilote TP1-1

Al lado oeste del sur de Irán [4] se realizaron pruebas a cinco pilotes en todos los casos el nivel freático se encontró a 0m de profundidad. De este estudio se tomaron en cuenta tres pilotes para la modelación numérica (TP1-1, TP3 y TP5), el pilote TP1–1 tiene diámetro de 1m, longitud de 30m, se divide en cinco estratos en su mayoría arenosos hasta la profundidad de 36 m, tuvo una capacidad de carga máxima de 9810kN con deformación de 10.97mm. Se contó con valores del ensayo SPT, a partir de correlaciones se obtuvieron los parámetros faltantes.

4.5. Pilote TP3

Este pilote [4] tiene similitud con el pilote TP1-1 en el tipo de suelo, diámetro y carga alcanzada, pero con una longitud de 22m, generando una deformación de 27.04mm, tiene cuatro estratos hasta una profundidad de 28m.

4.6. Pilote TP5

El pilote TP5 [4] se divide en cuatro estratos en su mayoría arenosos con presencia de un estrato arcilloso, llega hasta la profundidad de 25m, su diámetro es de 1m con una longitud de 20m, la carga fue de 9810kN, teniendo una deformación máxima de 32.78mm.

4.7. Análisis de los parámetros

En esta investigación se utilizó el número de golpes (N) del Sondeo de Penetración Estándar para determinar algunos parámetros faltantes, sin embargo, es importante considerar los siguientes aspectos:

• Una caracterización geotécnica basada en correlaciones deriva en un diseño robusto, que, a su vez, genera sobrecostos innecesarios en los proyectos haciendo los incluso inviables.
• Cualquier relación empírica sirve únicamente como una estimación.
• Lo valores reales provienen de pruebas “in situ”, por lo que, en la práctica profesional es conveniente invertir en trabajos de campo detallados que permitan obtener resultados precisos.
• En caso de que sea forzoso utilizar correlaciones, se sugiere verificar que estas ecuaciones sean las apropiadas, debido a que no siempre se ajustan adecuadamente a todos los tipos de suelo.

A partir de ciertas correlaciones se logró determinar la resistencia al corte no drenado en suelos cohesivos (), la cohesión efectiva (), el ángulo de fricción (), el ángulo de dilatancia (), el módulo de elasticidad (), módulo de elasticidad no drenado (), modulo efectivo (), coeficiente de Poisson (), módulo de corte (), Índice de plasticidad (), módulo elástico de referencia tangente en cargas edométricas (), modulo elástico de referencia secante en ensayos triaxiales (), modulo elástico de referencia en descarga-recarga (), coeficiente de presión lateral de tierra en reposo (), razón de sobreconsolidación (), el índice de compresión () e índice de expansión (), pendiente de la línea normalmente consolidada (), pendiente de la línea sobreconsolidada () y la pendiente de la línea de estado crítico (). Todas las correlaciones utilizadas las encuentra en el articulo en el cual se basó esta publicación.

CONFIGURACIÓN DE LA MODELIZACIÓN

Para simular la estratigrafía se crearon materiales isotrópicos para cada modelo constitutivo, para el concreto se creó el material elástico. El pilote se simulo como elemento sólido utilizando elementos de orden superior.

Se asignó una interfaz que genera una conexión entre el suelo y la estructura, para que exista esta conexión entre la rigidez de los elementos y los parámetros no lineales, se calcula la rigidez normal (Kn) y tangencial (Kt) que relacionan el Módulo edométrico (Eoed) y el Módulo de corte de cada estrato (Gi), asimismo la cohesión (c) y la fricción (Φ) de la interfaz. El asistente de interfaz calcula estos valores ingresando el espesor virtual (tv) y el factor de reducción (R).

Los valores recomendados para el espesor virtual varían de 0.01⁓0.1 dependiendo de la diferencia que exista entre los materiales. El factor de reducción depende de la homogeneidad de los estratos, por ejemplo, suelo/concreto en arenas: 0.8⁓1.0, suelo/concreto en arcillas: 0.7⁓1.0.

RESULTADOS

Con el objetivo de no hacer tan extenso este documento, nos enfocaremos en los resultados del pilote P16, en el cual la mayoría de los parámetros fueron proporcionados en el artículo publicado [3]. Con esta simulación numérica se evidencia que el modelo Cam Clay se ajusta a la curva de la prueba de carga, demostrando que los pilotes con estratos en su mayoría arcillosos se relacionan perfectamente con este método.

Figura 5. Carga vs deformación, pilote P16.

Se calculó el coeficiente de correlación R2, cuando este valor es mayor al 90% significa que los datos se ajustan al modelo inicial, siempre y cuando, exista poca desviación entre los valores obtenidos de la prueba de carga y el derivado del modelo numérico. A continuación, se muestran las deformaciones máximas de cada modelo constitutivo.

Tabla 4. Comparación de resultados, pilote P16.

Graficando los resultados se observa que las líneas de tendencia de las comparaciones tienen la misma pendiente a excepción del modelo Cam Clay con pendiente aproximada a 45°, lo que lo hace ideal para la simulación de materiales arcillosos.

Figura 6. Desplazamiento normalizado por diámetro, pilote P16.

La importancia de la longitud del pilote prioriza en que a mayor longitud menor deformación del suelo, este pilote cuenta con 70m de longitud, si el pilote es largo la plastificación sucede en el fuste y se disipa al llegar a la punta en contacto con el suelo, de tal manera las deformaciones máximas se evidencian en la cabeza del pilote en menor proporción hasta un poco menos de la mitad del fuste, sin muestras de deformaciones al llegar a la punta del pilote.

Figura 7. Deformación en la cabeza del pilote P16, modelo Cam Clay

CONCLUSIONES

Los modelos constitutivos elastoplásticos dependen directamente de la cantidad de información que se disponga y que sea representativa de los estratos que influyen en la respuesta del pilote, es decir, mientras menos correlaciones se apliquen, mejor ajuste se obtendrá a las pruebas de campo. Por ejemplo, en el pilote P16 las curvas son similares con pendientes parecidas, resultando valores de R2 del 99%, además, debido a su estratificación arcillosa el modelo Cam Clay se ajustó a la curvatura de la prueba de carga.

En el caso de suelos estratificados con arenas y arcillas en general se observa que los tres modelos constitutivos se acercan con buena aproximación a los resultados de la prueba de carga. El modelo Hardening Soil presenta una curvatura inicial, acercándose con buena precisión a la condición de falla tanto en carga como en desplazamiento. El modelo Mohr Coulomb presenta resultados cercanos a la prueba de carga, por lo que puede utilizarse como una aproximación inicial.

REFERENCIAS

[1 ] A. Rosales, F. Pinto, M. A. Terceros. “Comportamiento a carga axial de pilotes con sistema de expansión y desplazamiento total,” CONGRESO UPADI, Argentina 2014.

[2] P.L. Rocha, “Estacas escavadas, hélice contínua e ômega: estudo do comportamiento a compressáo em solo residual de diabásio, através de provas de carga instrumentadas em profundidade,” Tesis doctoral, Escuela Politécnica de la Universidad de Sāo Paulo, Sāo Paulo, 2001.

[3] S. Lu, N. Zhang, S. Shen, A. Zhou, H. Li. “A deep-learning method for evaluating shaft resistance of the cast-in-site pile on reclaimed ground using field data”. ISSN 1862-1775, China 2020.

[4] H. Allelahi, M. Adampira. “Comparison between empirical and experimental ultimate bearing capacity of bored piles-a case study”. Saudi Society for Geosciences, Irán 2015.