I CONGRESO – SEMINARIO INTERNACIONAL DE I CONGRESO – SEMINARIO INTERNACIONAL DE FUNDACIONES PROFUNDASFUNDACIONES PROFUNDAS

SANTA CRUZ DE LA SIERRASANTA CRUZ DE LA SIERRABOLIVIABOLIVIA

PILOTES EXCAVADOS DE GRAN DIÁMETRO EN PILOTES EXCAVADOS DE GRAN DIÁMETRO EN ARCILLAS DURASARCILLAS DURAS

Ing. Oscar VardéIng. Oscar VardéAbril de 2013Abril de 2013

Ubicación del Proyecto

Ubicación del Proyecto

Conexiones Viales de la Provincia de Entre Ríos

Datos BásicosLongitud total de la obra: 59,4 km

Longitud total de viaductos y puentes: 12,2 km

Longitud del puente principal: 608 metros

Viaducto Oeste: 1.122 metros

Viaducto Este : 2.368 metros

Puentes en zona de islas: 8.184 metros.

Longitud total de terraplenes: 47,3 km

Cantidad de pilotes de diámetro 2,0 m/1,8 m: 650

Volumen total del hormigón: 250.000 m3

Volumen total de suelo refulado para terraplenes: 25.000.000 m3

Remoción de arcillas superiores: 11.000.000 m3

Peso total del acero: 63.000 Toneladas, tipo ADN-420

Obenques: peso total 682 Toneladas.

Asfalto: 17.618 Toneladas

Contratista y Subcontratistas

• Consorcio Contratista – Puentes del Litoral S.A. : Impregilo-Iglys, Hochtief, Benito Roggio, Sideco-Iecsa, Techint.

• Construcción de Terraplenes : Boskalis-Ballast Nedam (Holanda)• Ejecución de Pilotes : Pilotes Trevi (Argentina/Italia)• Investigaciones Geotécnicas In Situ : Torres y Vercelli (Argentina) y Pilotes Trevi• Ensayos especiales In Situ, ensayos de laboratorio, coordinación y supervisión

de estudios, diseño de fundaciones, seguimiento del comportamiento : Vardé y Asociados

• Proyectistas : Puente Principal, Leonhardt Andrä und Partner (Alemania), Puentes en Zona de Islas, Inco Ingegneri Consulenti (Italia)

• Estudios hidráulicos : Serman y Asociados (Argentina)

Traza Conexíon Física

CARBÓN CHICOLA CAMISETA 1

PARANACITO VICTORIA

SAN LORENZO

BANDERAS

CARBÓN GRANDE 2

CARBÓN GRANDE 1ZANJA LA ZORRA

PARANACITO ROSARIO BARRANCOSO

PUENTE PRINCIPALVIADUCTOS ESTE Y OESTE

PUENTE PRINCIPAL(608 m)

VIADUCTO OESTE(1131 m)

VIADUCTO ESTE

(2377 m)

CEIBO/VICTORIA

LA CAMISETA 2

Puente PrincipalViaducto Oeste

Puente PrincipalViaducto Este

Puente Principal

Puente Principal – Pila Principal Este

Puente PrincipalPila Principal Este

Puente PrincipalPila Principal Este

Pila Principal Este – Defensa

Puente Principal – Pila Principal Oeste

Puente Principal – Pilas de Anclaje

Viaducto Este – Tramo 1

Puente Principal y Viaducto Este

Viaducto Este

Puentes en Zona de Islas

Puente Nombre del Puente Progresiva del eje del cauce

Longitud del puente

Longitud de transparencia bruta

Longitud de transparencia neta

m m m m

ZA Puente Ceibo/Victoria 56.527,40 512,00 503,34 487,34

ZB Puente Carbón Chico 54.640,15 752,00 743,50 719,50

ZC Puente Carbón Grande 1 51.294,32 632,00 613,90 593,90

ZD Puente Carbón Grande 2 49.375,61 512,00 503,34 487,34

ZE Puente Paranacito Victoria 1 44.926,00 1.112,00 1.101,72 1.065,72

ZG Puente La Camiseta 1 37.659,84 872,00 863,34 835,34

ZH Puente La Camiseta 2 33.313,48 632,00 623,34 603,34

ZI Puente Barrancoso 28.812,30 752,00 743,50 719,50

ZJ Puente Banderas 24.784,49 512,00 503,34 487,34

ZK Puente San Lorenzo 21.193,82 752,00 732,02 708,02

ZN Puente Zanja La Zorra 9.650,15 632,00 623,34 603,34

ZO Puente Paranacito Rosario 6.537,57 512,00 484,78 468,78

Total 8.184,00 8.039,46 7.779,46

Longitud hidráulica actual del valle sobre la traza

57.292,00 Porcentaje de la longitud actual del valle sobre la traza (con P.Pcpal.)

18,81%

Puentes en Zona de Islas Vista aérea

Puente Paranacito Victoria

Puente Principal – Viaducto EstePerfil Geotécnico Longitudinal

Puente Principal – Viaducto EstePerfil Geotécnico Adoptado

Puente Ceibo Victoria – Corte y Planta

Puente Ceibo Victoria – Detalle

Puente Ceibo VictoriaPerfil Geotécnico Longitudinal

Puente Ceibo VictoriaPerfil Geotécnico Adoptado

Puente Ceibo Victoria – Estribo

Puente Ceibo Victoria – Pilas

Puente Ceibo Victoria – Tablero

Caudales del río Paraná

Caudales de DiseñoCrecida Centenaria: 60.000 m3/s

Crecida Milenaria: 75.000 m3/s

Crecida 500 años: 70.000 m3/s

Caudales en el Cauce Principal en Pico de CrecidaCrecida Centenaria: 27.600 m3/s

Crecida Milenaria: 32.500 m3/s

Crecida 500 años: 31.700 m3/s

Resumen Datos Geotécnicos, Socavaciones y Punta de Pilotes

Nombre Progresiva del eje Lecho del Techo arenas Techo arcillas Socavaciones Punta de

del Puente del cauce río muy densas miocénicas centenaria milenaria Pilotes

m m I.G.M. m I.G.M. m I.G.M. m I.G.M. m I.G.M. m I.G.M.

Puente Principal 1.951,60 –4,70/–7,70 –19,00/–28,00 –35,00/–41,00 –23,50 (1) –51,50/–54,50

Viaducto Este 2.306,60 a 4.632,60 –12,20/+8,00 –22,00/–25,00 –38,00/–41,00 –15,00/–22,00 (1) –46,40/–51,00

Paranacito Rosario 6.537,57 +5,80/+7,20 –12,00 –34,00 –7,00 (1) –29,05 (2)

Zanja La Zorra 9.650,15 +5,40/+7,20 –14,00/–28,00 –38,00 –6,50 –8,00 –34,00 (2)

San Lorenzo 21.193,82 +5,30/+5,80 –12,00/–16,00 –34,00/–38,00 –11,00 –12,50 –39,60/–43,40

Banderas 24.784,49 +4,60/+5,90 –22,00 –37,00 –10,50 –11,50 –42,40

Barrancoso 28.812,30 +5,20/+7,10 –19,00 –23,00/–24,00 –6,00 –8,00 –30,80/–33,80

La Camiseta 2 33.313,48 +5,30/+5,80 –6,00 –30,00 –6,50 –9,50 –36,40

La Camiseta 1 37.659,84 +2,60/+5,10 –12,00/–21,00 –29,00 –7,00 –9,00 –34,80

Paranacito Victoria 44.926,00 +1,60/+6,80 –11,00/–14,00 –22,00/–23,00 –8,00 –11,00 –30,05

Carbón Grande 2 49.375,61 +3,90/+5,40 –13,00 –21,00 –6,00 –7,00 –28,05

Carbón Grande 1 51.294,32 +1,40/+5,30 –13,00 –18,00 –4,70 –8,10 –27,40

Carbón Chico 54.640,15 +4,40/+6,00 –12,00 –19,00/–27,00 –3,70 –11,20 –27,40/–32,40

Ceibo/Victoria 56.527,40 +2,40/+5,20 –12,00 –22,00 –3,50 –7,50 –29,40

(1) igual socavación centenaria y milenaria (2) pilotes fundados en arenas

Socavaciones

Puentes en zona de islas

Se adopta una relación S/φ = 2,25.

Puente Principal

Pila Eje Socavación Localizada (S/φ)

Pila Defensa agua arriba

Anclaje Este 41 5,00 4,50 Principal Este 42 5,50 4,75 Principal Oeste

43 4,75 4,75

Anclaje Oeste

44 4,00 4,50

Viaducto Este

1. Grupos de 3 pilotes (Tramos 1 y 2): • Sector 3: 2,55 veces el diámetro del pilote • Sector 2: 3,25 veces el diámetro del pilote

2. Grupos de 4 a 6 pilotes (Tramo 3): 3,50 veces el diámetro del pilote

3. Grupo de 5 a 6 pilotes, con defensas contra choque de embarcaciones (Tramo 4):

Tipo de Pila Eje Progresiva Socavación localizada /Diámetro

(m) Pilas Defensas

A 35 2.606,60 3,75 2,50 A 36 2.546,60 3,75 2,50 B 37 2.486,60 3,75 3,00 C 38 2.426,60 4,50 3,25 D 39 2.366,60 4,50 3,75 E 40 2.306,60 4,50 4,00

1. Criterios Básicos de Diseño Como fue establecido en nuestros informes técnicos, los criterios básicos utilizados en el diseño son:

• Uso de pilotes de gran diámetro, 1,80 m y 2,00 m.

• Penetración mínima de 3 diámetros en las arcillas duras

• Embebimiento total en suelos competentes:

1. Por debajo de socavación centenaria más la socavación localizada: 10 diámetros

2. Por debajo de socavación milenaria más la socavación localizada: 8 diámetros en puentes en zona de islas, 10 diámetros en el Puente Principal y Viaducto Este.

2. Capacidad de Carga de Punta Para el cálculo de la capacidad de carga del suelo se utilizaron los datos obtenidos en los ensayos especiales de laboratorio realizados sobre muestras extraídas con sacamuestras Denison (4 sondeos) y las fórmulas estáticas de Brinch Hansen y Caquot – Kerisel.

Como elemento básico comparativo se utilizaron también los resultados de las determinaciones efectuadas con el presiómetro Ménard (3 sondeos). Se considera que las determinaciones del presiómetro Ménard son válidas y representativas de las condiciones geotécnicas de las arcillas.

Criterios de Diseño para Pilotes de Gran Diámetro

Fórmula de Brinch Hansen

Parámetros Drenados (cohesión: c’; y ángulo de fricción interna: φ’ ) c’ (kg/cm2) φ’

(º) tg(φ’) Nq Nc qu (tn/m2)

0,25 27 0,5095 13,20 23,94 631 0,40 27 0,5095 13,20 23,94 702 0,20 28 0,5317 14,72 25,80 675 0,30 28 0,5317 14,72 25,80 725 0,25 29 0,5543 16,44 27,86 777 0,30 28 0,5317 14,72 25,80 725 0,30 26 0,4877 11,85 22,25 593 0,35 26 0,4877 11,85 22,25 614 0,20 29 0,5543 16,44 27,86 750 0,25 28 0,5317 14,72 25,80 700

qu = sc.dc (c.Nc + q.Nq) donde: • qu : tensión última de punta • sc : factor de forma • dc : factor de profundidad • sc.dc = 1,95 (se adopta este valor como promedio inferior conservativo) • Nc y Nq : factores de capacidad de carga • c : cohesión • q : sobrecarga debido al suelo en el nivel de punta del pilote, se adopta un valor de 20 tn/m2

Parámetros No Drenados (cohesión: cu; y ángulo de fricción interna: φu )

cu (kg/cm2) φu

(º) tg(φu) Nq Nc qu (tn/m2)

1,90 17 0,3057 4,77 12,34 643 2,50 14 0,2493 3,59 10,37 645 1,70 24 0,4452 9,60 19,32 1.015 1,80 23 0,4245 8,66 18,05 971 2,20 16 0,2867 4,34 11,63 668 1,70 23 0,4245 8,66 18,05 936 2,40 15 0,2679 3,94 10,98 667 1,80 19 0,3443 5,80 13,93 715 2,10 16 0,2867 4,34 11,63 645 1,80 21 0,3839 7,07 15,81 831

Fórmula de Caquot – Kerisel

qu = c.Nc + q.N y N = s2 . s'2, si h = 0

N = Nq’si 0 < h < h0 N = Nq si h > h0

donde: • qu : tensión última de punta • Nc y Nq, Nq’: factores de capacidad de carga • h0 : ficha crítica • h : penetración en arcillas duras • s2 . s'2 y s5 : coeficientes de cálculo • c : cohesión • q : sobrecarga debido al suelo en el nivel de punta

del pilote, se adopta un valor de 20 tn/m2

Parámetros No Drenados (cohesión: cu; y ángulo de fricción interna: φu )

cu (kg/cm2)

φu (º)

tg(φu) sen(φu) Nq h0 h - h0 Nc s2 . s'2 s5 Nq' qu (tn/m2)

1,90 17 0,3057 0,2924 8,5 2,1 3,9 24,5 4,91 2,29 -4,2 636 2,50 14 0,2493 0,2419 5,7 1,6 4,4 19,0 3,66 1,95 -9,9 588 1,70 24 0,4452 0,4067 22,6 4,0 2,0 48,4 10,21 3,41 19,4 1.275 1,80 23 0,4245 0,3907 19,5 3,6 2,4 43,6 9,16 3,21 15,1 1.175 2,20 16 0,2867 0,2756 7,4 1,9 4,1 22,5 4,45 2,17 -6,4 643 1,70 23 0,4245 0,3907 19,5 3,6 2,4 43,6 9,16 3,21 15,1 1.132 2,40 15 0,2679 0,2588 6,5 1,7 4,3 20,6 4,03 2,06 -8,3 625 1,80 19 0,3443 0,3256 11,1 2,5 3,5 29,4 6,02 2,55 1,0 753 2,10 16 0,2867 0,2756 7,4 1,9 4,1 22,5 4,45 2,17 -6,4 621 1,80 21 0,3839 0,3584 14,7 3,0 3,0 35,7 7,40 2,86 7,4 935

Parámetros Drenados (cohesión: c’; y ángulo de fricción interna: φ’ )

c’

(kg/cm2) φ’ (º)

tg(φ’) sen(φ’) Nq h0 h - h0 Nc s2 . s'2 s5 Nq' qu (tn/m2)

0,25 27 0,5095 0,4540 35,4 5,4 0,6 67,5 14,30 4,12 35,1 877 0,40 27 0,5095 0,4540 35,4 5,4 0,6 67,5 14,30 4,12 35,1 978 0,20 28 0,5317 0,4695 41,3 6,0 0,0 75,9 16,05 4,39 41,3 978 0,30 28 0,5317 0,4695 41,3 6,0 0,0 75,9 16,05 4,39 41,3 1.054 0,25 29 0,5543 0,4848 48,4 6,6 -0,6 85,5 18,06 4,70 48,1 1.177 0,30 28 0,5317 0,4695 41,3 6,0 0,0 75,9 16,05 4,39 41,3 1.054 0,30 26 0,4877 0,4384 30,4 4,9 1,1 60,2 12,76 3,86 29,4 788 0,35 26 0,4877 0,4384 30,4 4,9 1,1 60,2 12,76 3,86 29,4 819 0,20 29 0,5543 0,4848 48,4 6,6 -0,6 85,5 18,06 4,70 48,1 1.134 0,25 28 0,5317 0,4695 41,3 6,0 0,0 75,9 16,05 4,39 41,3 1.016

Ensayos PresiométricosEl cálculo de las tensiones de punta de pilotes sobre la base de los resultados de los ensayos presiométricos se realizó siguiendo los procedimientos especificados en la norma francesa DTU – 13.2. La capacidad de carga de los pilotes por punta puede calcularse utilizando la fórmula:

qu = Kp . Pl

donde: • qu : tensión última de punta • Kp : factor que depende del tipo de pilote y de suelo • Pl: presión límite, obtenida del ensayo presiométrico

Em (MPa) Pl (MPa) qu (tn/m2)

193 8,6 1.376 92 6,7 1.072 93 6,3 1.008 138 5,1 816 135 7,5 1.200 211 9,7 1.552 203 10,9 1.744 173 7,7 1.232 208 10,2 1.632 149 9,6 1.536 171 10,9 1.744 464 11,6 1.856 107 9,7 1.552 87 5,1 816 116 6,6 1.056 155 8,3 1.328 85 6,3 1.008

Presiómetro Ménard

Ejecución del Ensayo

Sonda

Presiómetro Ménard

Presiómetro Ménard

Trabajos de perforación

Viaducto Este

Panel de Control

Presiómetro

Capacidad de Carga por Punta Se adoptó como valor último ponderado, qu = 600 tn/m2.

Capacidad de Carga por Fricción Como valores últimos de resistencia a fricción se adoptaron, en principio los indicados a continuación: • arenas medianamente densas a densas: 8 tn/m2 • arenas muy densas: 15 tn/m2 • arcillas muy firmes y duras: 15 tn/m2 En los pilotes correspondientes a los estribos se evaluó el efecto de la fricción negativa.

Capacidad de Carga

Para la verificación del comportamiento de las fundaciones frente a esfuerzos horizontales se utilizaron los siguientes valores del coeficiente de reacción horizontal (kh). a) Arenas

Para todas las arenas se utilizaron valores de kh linealmente variables con la profundidad.

• Diagrama básico

En primer lugar se define un diagrama denominado “básico” de kh que varía linealmente en función de la profundidad, adoptando un valor nulo en el nivel adoptado de socavación generalizada.

Los incrementos de kh por metro de profundidad para las arenas se indican a continuación:

Material ∆kh (kg/cm3/m de profundidad) Arenas medianamente densas a densas 0,20 Arenas muy densas 0,40

• Diagrama de uso incluyendo la socavación localizada

Se definió, sobre la base del diagrama “básico”, adoptando un valor nulo (0 kg/cm3) al nivel de la erosión localizada y uniendo este punto con el diagrama básico a una profundidad igual a 2,5 diámetros por debajo de dicho nivel, mediante una ley lineal.

b) Arcillas

Para las arcillas se utilizaron valores constantes de kh:

Material kh (kg/cm3) Arcillas muy firmes 4 Arcillas duras 5

Coeficientes de Reacción Horizontal

Detalle de Guía para Pilotaje en agua

Excavación de Pilote

Herramienta de Excavación

Izado de Camisa Metálica

Colocación de Camisa Metálica

Vibrado de Camisa

Detalle de Vibrador

Vibrado de Camisa

Hormigonado de Pilote (zona de islas)

Hormigonado de Pilote (zona de islas)

Hormigonado de Pilote (zona de islas)

Ensayos de IntegridadMétodo Cross-Hole

Cross-Hole TestDisposición de Sondas – φ 1,80 m

Defensas - Planta

Defensas - Detalles

Defensas – Vista aérea

Defensas – Colocación de armadura

DefensasColocación de armadura

Defensas Hormigonado

Defensas Hormigonado

Defensas Hormigonado

Comparación Ensayos de Carga

Ensayo de CargaInstrumentación

Típica

Ensayo de CargaInstrumentación

Ensayo de Carga Armadura

Ensayo de CargaDetalle Celda Osterberg

Ensayo de CargaDetalle Celda Osterberg

Ensayo de CargaDisposición Celda y Armaduras

Ensayo de CargaInstrumentación - LVWDT

Ensayo de Carga Instrumentación

Ensayo de Carga Instrumentación

Ensayo de Carga – Medición Desplazamiento Punta del Pilote (viga de referencia)

Sondeo en Ensayo de Carga

Ensayo de CargaCurva Carga - Asentamiento

Ensayo de CargaDistribución de Fricción

Curva Integrada Carga - Asentamiento

Ensayo de CargaCurva Carga – Asentamiento Integrada

Ensayo de CargaCurva Carga – Asentamiento Integrada

con ajuste por compresión de pilote

Evaluación de Cargas AdmisiblesVerificación Pilote Pila Principal Este

a) Datos del Pilote:

• Diámetro: 2 metros • Área transversal: 3,14 m2 • Perímetro: 6,28 m2/m de longitud • Cota de Punta: -54,50 m I.G.M.

b) Niveles de Solicitación

• Estado 1: Peso Propio + Sobrecarga de Servicio • Estado 2: Peso Propio + Sobrecarga de Servicio + Viento

c) Perfil del Suelo

• Cota de socavación generalizada: -23,50 m I.G.M. • Socavación Localizada: 11 m • Cota de socavación total: -34,50 m I.G.M.

d) Cargas admisibles para los Estados 1 y 2

Cota Estado 1 Estado 2

Tensiones Cargas Tensiones Cargas

(m I.G.M.) (tn/m2) (tn) (tn/m2) (tn)

Arenas muy densas -34,50 a -35,00 7,5 23,55 10,0 31,40

Arcillas -35,00 a -54,50 7,5 918,45 11,25 1.377,68

Fricción 942,00 1.409,08

Punta 160 502,40 240 753,6

Total 1.444,44 2.162,68

Estos valores son superiores a las cargas de trabajo definidas por el cálculo estructural.

CONCLUSIONES

• Los estudios realizados para la construcción de las fundaciones de la obra mediante pilotes de gran diámetro han permitido lograr un importante conocimiento de las propiedades de las arcillas duras y de la interacción suelo-pilote.

• Los métodos empleados en los ensayos de carga, instalando celdas hidráulicas en la punta del pilote, han tenido una utilidad relevante en la definición de la carga última de punta y las relaciones tensión – deformación de las arcillas de fundación.

• Las evaluaciones para el dimensionado de los pilotes con el empleo de métodos habituales de la ingeniería geotécnica y el uso de criterios aplicados para el tipo de fundación involucrada dieron resultados satisfactorios.