Análisis del efecto de la rugosidad en el contacto roca-pilote sobre la resistencia por fuste de pilotes

Gutiérrez Chacón, José Gregorio (2020). Análisis del efecto de la rugosidad en el contacto roca-pilote sobre la resistencia por fuste de pilotes. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.63589.

Description

Title: Análisis del efecto de la rugosidad en el contacto roca-pilote sobre la resistencia por fuste de pilotes
Author/s:
  • Gutiérrez Chacón, José Gregorio
Contributor/s:
  • Jiménez Rodríguez, Rafael
  • Melentijevic, Svetlana
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería y Morfología del Terreno
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El diseño de pilotes empotrados en roca tiene como objetivo principal transferir cargas estructurales a geomateriales más profundos y más resistentes. La estimación de la resistencia por fuste de este tipo de cimentación se realiza usualmente a través de las normativas o experiencias de cada país, o mediante el uso de correlaciones empíricas expresadas en función de la resistencia a compresión simple del material más débil (roca o pilote). No obstante, estas recomendaciones no consideran la influencia que otros aspectos importantes tienen sobre la resistencia por fuste de pilotes como, por ejemplo, la rugosidad en la interfaz roca-pilote. Trabajos y experiencias previas en campo sugieren que la rugosidad resultante durante la perforación de pilotes empotrados en roca es un factor que depende principalmente de la herramienta de perforación empleada, así como del tipo y resistencia de la roca. Esta tesis doctoral está enfocada en evaluar la influencia de la rugosidad en el contacto roca-pilote sobre la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca. Para ello, en primer lugar, se ha analizado el efecto de la rugosidad en juntas de roca-hormigón a través de ensayos numéricos de corte directo en PFC2D bajo condición de borde de Carga Normal Constante (CNL) y Rigidez Normal Constante (CNS) y su validación con resultados experimentales de ensayos de corte directo en juntas de arenisca-hormigón y gneis-hormigón realizados por Gu et al. (2003) y Gutiérrez (2013), respectivamente. Los resultados demuestran que cuando los modelos numéricos realizados en PFC2D son calibrados apropiadamente a través de ensayos de compresión simple y ensayos de corte directo en juntas planas, éstos permiten modelar de manera adecuada el comportamiento al corte de juntas roca-hormigón, (i) bajo condición de borde CNL y CNS, (ii) en rocas con diferente resistencia, y (iii) con diferente nivel de rugosidad en la junta, y además, con buena correspondencia al comportamiento experimental obtenido por Gu et al. (2003) y Gutiérrez (2013). En segundo lugar, se ha evaluado el efecto de la rugosidad sobre la resistencia por fuste de pilotes empotrados en roca considerando diferente nivel de rugosidad en la interfaz roca-pilote. Para ello, se han elaborado (i) modelos numéricos empleando el Método de Elementos Discretos (MED) en PFC3D, (ii) modelos numéricos utilizando el Método de Elementos Finitos (MEF) en Abaqus, y (iii) ensayos de centrífuga con pilotes fabricados de aluminio e instrumentados empleando una de las últimas tecnologías como lo es la fibra óptica. Los resultados han sido comparados con las predicciones obtenidas con correlaciones empíricas propuestas por otros autores basadas en resultados de ensayos de carga. Los resultados obtenidos sugieren que los modelos numéricos y ensayos de centrífuga son adecuados para reproducir el comportamiento de pilotes empotrados en roca considerando la rugosidad de la interfaz roca-pilote. Además, los resultados sugieren que cuando se perforan rocas de baja a mediana resistencia con herramientas de perforación estándar, las paredes de la cavidad resultan relativamente lisas a menos que se incremente su rugosidad de forma artificial con herramientas especiales de perforación; y que el daño en las asperidades de la interfaz roca-pilote comienza a ser excesivo cuando se producen asientos en cabeza del pilote superiores a 1% del diámetro del pilote, especialmente para pilotes rugosos. Finalmente, los resultados obtenidos con los modelos numéricos y ensayos de centrífuga realizados en esta tesis doctoral, junto con una base de datos de ensayos de carga realizados por otros autores y compilados en esta investigación, han sido empleados para proponer un nuevo factor aRF,0.01D para la estimación de la resistencia promedio por fuste de pilotes empotrados en roca considerando (i) un asiento en cabeza equivalente a 1% del diámetro del pilote, (ii) la rugosidad de la interfaz roca-pilote, y (iii) la resistencia a compresión simple del material intacto menos resistente (roca o pilote). ----------ABSTRACT---------- The design of axially loaded rock-socketed piles aims to transfer the structural load to a stronger and deeper foundation material. The side shear resistance of rock-socketed piles is usually estimated using recommendations from codes and standards, or using local knowledge obtained from full-scale static load tests, or employing empirical correlations as a function of the uniaxial compressive strength (UCS) of the weaker materials (rock or pile). However, this approach neglects the influence of other important aspects, such as the roughness of the pile-socket interface. Previous research and field experiences suggest that socket roughness is mainly a factor of the drilling tools employed, and on the type and strength of the rock. This work focuses on the influence of roughness at the socket’s pile-rock interface on the side shear resistance of rock-socketed piles. To do that, first, the effect of roughness at rock-pile interface has been analyzed using PFC2D to model direct shear tests of rock-concrete interfaces under Constant Normal Load (CNL) and Constant Normal Stiffness (CNS) boundary conditions with the corresponding validation of results with experimental data previously published in the literature. Results corresponding to direct shear test conducted on gneiss-concrete (Gutiérrez, 2013) and sandstone-concrete (Gu et al., 2003) interfaces are employed. Numerical results show that PFC2D numerical models, when adequately calibrated using information from uniaxial compression tests and from direct shear tests conducted on smooth interfaces, can satisfactorily reproduce the shear behaviour of rock-concrete interfaces, (i) under CNL and CNS boundary conditions, (ii) with rocks of different strengths, and (iii) with different interfaces roughness profiles, resulting in a good agreement with laboratory results obtained by Gutiérrez (2013) and Gu et al. (2003). Next, the socket roughness effect on side shear resistance of rock-socketed piles is examined. To do that, (i) numerical discrete element models –DEM, using PFC3D–, (ii) numerical finite element models –FEM, using Abaqus–, and (iii) centrifuge tests –using aluminum piles and Fiber Bragg gratings instrumentation– of rock-socketed piles with different degrees of socket roughness, are employed. Results are compared with predictions obtained using empirical correlations based on load test results and proposed by other authors. Results suggest that numerical models and centrifuge tests are suitable to reproduce rock-socket pile behaviour considering socket roughness, they also suggest that sockets drilled with standard tools in soft to medium rock tend to be relatively smooth, unless artificially roughened with special tools; and that damage to the interface asperities becomes more relevant after socket settlement of about 1% of the socket diameter, especially for rougher piles. Finally, numerical and centrifuge tests results conducted herein together with a load database compiled by the author, are employed to proposed the factor aRF,0.01D to predict the average side shear resistance of rock-socketed piles considering (i) a pile head settlement of 1% of the pile diameter, (ii) the socket roughness, and (iii) the UCS of the weaker materials (rock or pile).

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainBIA 2015-69152-RUnspecifiedUnspecifiedPredicción y análisis de deformaciones para la seguridad en túneles

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Item ID: 63589
DC Identifier: http://oa.upm.es/63589/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:63589
DOI: 10.20868/UPM.thesis.63589
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 04 Sep 2020 09:12
Last Modified: 04 Sep 2020 09:12
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