Socavacion en Puentes

SOCAVACION DE PUENTES

SOCAVACION EN PUENTES

I) GENERALIDADES:

Para determinar la profundidad de cimentación necesaria de una subestructura de un puente (pilar o estribo) se tiene que realizar el análisis de socavación, este parámetro es importante ya que conocida la profundidad de socavación se puede conocer las dimensiones del pilar o estribo y se puede tomar las medidas de prevención necesarias para evitar posibles colapsos futuros.

La socavación se determina sumando tres tipos de socavación: la socavación general, que depende principalmente del caudal de diseño, del tipo de suelo del fondo del cauce y de otros parámetros, se calcula basándose en el Método de Lischtvan - Levediev; el segundo tipo de socavación es la socavación por contracción que depende del caudal, del ancho del cauce y fue estudiado por Laursen; finalmente, el último tipo de socavación es la socavación local que es propio de los elementos estructurales que interactúan con el cauce del rio y es diferente para estribos y pilares, este tipo de socavación generalmente toma alturas algo mayores a las anteriores, y depende de la geometría del pilar o estribo.

Muchas de las ecuaciones para los tres tipos de socavación están basadas en modelos a escala reducida obtenidos en laboratorio que obedecen a una gran dispersión estadística.

II) OBJETIVO:

El objetivo principal es presentar la metodología para el cálculo de los tres tipos de socavación en subestructuras de puentes. En el presente trabajo se presenta las fórmulas y la aplicación a un caso práctico en forma simultánea de un puente de 75 m de luz con dos pilares en medio (longitudes extremos 27.0 m longitud central 29.0 m) y dos estribos laterales.

III) MARCO TEÓRICO:

III.1) Definición de socavación: es la remoción de materiales del lecho y de las bancas de un cauce debido a la acción erosiva del flujo de agua alrededor de una estructura hidráulica. La socavación del fondo de un cauce definido es el producto del desequilibrio entre el aporte sólido que trae el agua a una cierta sección y la mayor cantidad de material que es removido por el agua en esa sección.

Los materiales se socavan en diferentes formas: suelos granulares sueltos se erosionan rápidamente mientras que los suelos arcillosos son más resistentes a la erosión. Sin embargo, la socavación final de suelos cohesivos o cementados puede ser tan profunda como la socavación en suelos arenosos, variando el tiempo en el cual se produce.

La profundidad máxima de socavación:

- En suelos arenosos, puede ser cuestión de horas.- En suelos cohesivos, puede tardar días.- En piedras areniscas, puede tardar meses.

Est. Angel Quispe Lope COD: 08-32764 Página 1

PUENTES Y OBRAS DE U.N.J.B.G.

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- En piedras calizas, normalmente tardan años.- En roca tipo granito, puede tardar siglos.

Cabe mencionar que la socavación local se desarrolla en el tiempo muy rápidamente, y avanza hasta llegar a una situación de equilibrio sedimentológico, ya que la socavación no es indefinida para la erosión local ni para la general ni por contracción.

III.2) Socavación general

La socavación general es el descenso generalizado del fondo del río como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos del lecho en suspensión durante crecientes. Ocurre a todo lo largo del río y no necesariamente se debe a factores humanos como la construcción de un puente o de otra estructura. El descenso del lecho puede ser uniforme o no uniforme a través de la sección transversal. El fenómeno es todavía poco conocido siendo lo único seguro las medidas de campo pues los métodos de cálculo son apenas una lejana representación del comportamiento físico que ocurre en la realidad.

III.3) Socavación por contracción

La socavación por contracción es causada principalmente por la disminución del ancho del flujo ya sea por causas naturales o artificiales o por el cambio en el control aguas abajo de la elevación de la superficie del agua. La causa mas común de socavación por contracción es la reducción de la sección del flujo por los terraplenes de acceso al puente y en menor grado por las pilas que bloquean parte de la sección recta. La obstrucción es grande si los terraplenes se proyectan hasta el cauce principal o si interceptan amplias zonas de inundación.

Una disminución en la sección mojada implica aumento de la velocidad media del agua y del esfuerzo cortante. Por lo tanto, se presenta aumento en las fuerzas erosivas en la contracción ocasionando que la cantidad de material del lecho que es removido supere al que es transportado hacia el sitio. El aumento en velocidad produce el incremento en el transporte de material haciendo que el nivel del lecho descienda, que la sección mojada aumente, por lo que la velocidad y el esfuerzo cortante nuevamente disminuyen, haciendo que el equilibrio del río se vaya restableciendo con el tiempo. Esta situación de equilibrio se da cuando el material que es removido es igual al material que es transportado hasta el sitio en consideración.



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El flujo está confinado en el cauce principal. El ancho del cauce principal está reducido por la estructura del puente, o porque el puente está situado en una sección estrecha del cauce.

III.4) Socavación local

La socavación local se refiere a la remoción del material que circunda pilas, estribos, diques o terraplenes de acceso a un puente. Está causada por el cambio de dirección de las líneas de corriente, la turbulencia, la aceleración del flujo y los vórtices resultantes inducidos por la obstrucción al flujo.

III.4.1) Socavación local en pilares

El mecanismo que produce la socavación está asociado a la separación tri-dimensional del flujo en la cara aguas arriba de la pila y a un vórtice periódico al pie de ella, (Dargahi, B. 1990). La acumulación de agua hacia aguas arriba de la obstrucción produce una especie de onda en la



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superficie y un flujo vertical hacia abajo que crea un fuerte gradiente de presiones lo que ocasiona separación del flujo, como consecuencia de lo cual se origina un sistema de vórtices al pie de la pila llamados vórtices de herraduras que son los principales causantes de la socavación.

Bajo la acción de los vórtices, el sedimento es transportado de manera rotacional. El flujo hacia abajo al frente de la pila actúa como un jet vertical que forma un surco para luego girar 180°.

El flujo hacia arriba combinado con los vórtices de herradura que se forman en la base de la pila remueven el material del lecho y si la tasa de transporte de sedimento desde la zona de obstrucción es mayor que el aporte de sedimentos proveniente de aguas arriba, se crea el hueco de socavación.

III.4.2) Socavación local en estribos

La socavación en estribos se ha investigado menos que en pilas pero se piensa que está afectada por los mismos fenómenos que causan la socavación local en pilas como son separación del flujo y vórtices de herradura que remueven partículas localmente. La socavación local se produce en los estribos que obstruyen el paso del agua. Esta obstrucción forma un vórtice de eje horizontal que empieza en la parte aguas arriba y corre a lo largo del pie de la estructura y un vórtice de eje vertical al final de la misma. El vórtice al pie del estribo es muy similar al vórtice de herradura de las pilas y el vórtice al final es similar a los vórtices de estela más débiles que se forman aguas abajo. El caso de la socavación en estribos requiere todavía de mas estudio pues carece de soluciones confiables y completas, (Melville, B. W., 1992).



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La profundidad de socavación total ( Htotal ) se calcula sumando la socavación general ( Hg ), más la socavación por contracción( Hc ) y más la socavación local ( Hs ) (Ecuación 1)

H total=H g+H c+H s(Ecuación1)

IV) METODOLOGIA DE CÁLCULO:

IV.1) Socavación general (Hg):

Se utiliza el Método de Lischtvan-Levediev, el cual sirve para la determinación de la erosión general. Este método se basa en encontrar el equilibrio entre la velocidad media de la corriente y la velocidad media del flujo que se requiere para erosionar un material de diámetro y densidad conocidos. Se puede emplear en casos en que el material del subsuelo es homogéneo o heterogéneo o incluso cuando esta conformado por estratos. A continuación se va utilizar el método de Lischtvan-Levediev para el cálculo de la socavación general.

Figura 1

a. Caudal máximo de diseño (Q en m3 /seg): se supone un valor de DISEÑO Q =1036.04 m3/s

b. Tirante del agua en el río para la sección transversal en estudio (do): antes de la socavación. Para nuestro caso tendremos un tirante de río “do” por ejemplo en un pilar do=3.475 m

c. Ancho efectivo de la sección (Be): teniendo un ancho de cauce de río de 74.1 m y reduciendo el espesor de 2 pilares b1pilar = 0.80m, entonces Be = (74.1-2(0.8)) = 72.5 m

Be = 72.5 m



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d. Un coeficiente que toma en cuenta el efecto de contracción producido por las pilas (μ), según la Tabla 1.

Para nuestro caso se tiene que la velocidad de = 4.72 m/s (para el pilar), la que da un coeficiente por efecto de contracción de (considerando una separación entre pilares de 29 m): μ = 0.95(pilar)

e. Tirante medio de la sección (dm), se le obtiene dividiendo el área hidráulica (de la figura 1, hasta la cota de 4000 debido a que el caudal es 1036.04 m3/s) entre el ancho efectivo.

dm = 3.02 m

f. Calcular el coeficiente (α) mediante la ecuación: (Ecuación 2)

g. Para proceder con los cálculos de la socavación general se deberán utilizar la ecuación para suelos no cohesivos, donde la profundidad esta medida desde la superficie del agua, para obtener una altura de socavación con respecto al lecho del río se resta simplemente por do

- Para suelos no – cohesivos (se esta considerando de esta forma)

ds Tirante despues de producirse la socavación (m) Qd Caudal del ríoa Coeficiente dm Tirante medio-A/Bedo Tirante sin socavación (m) BeDm Diánmetro medio (mm) Sin obstáculosb Coeficiente que depende del TR (Ver cuadro) m Coeficiente de contracción (Ver cuadro)x Exponente que depende de:

Dm Para suelos granulares, no cochesivos (Ver cuadro)gs Para suelos finos, cochesivos (Ver cuadro)



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Ec. 3

Hg

α=Qd

(dm5/3∗Be∗μ)

Hg=( α∗(do )5

3

0. 68∗Dm0 .28∗β )

1(1+ x )


Remplazando los siguientes valores en la Ecuación anterior:

β = 0.97 (para un periodo de retorno de 50 años)Dm = 65.83 mm (de los datos de granulométrica del estudio de mecánica de suelos)χ = 0.29

Hg=( 2.38×3.4755/3

0.68×65.830.28×0.97)

11+0.29−3.475=1.92m

Este es un valor promedio para un punto en la parte central de la sección, para las partes laterales del río, éste valor es menor debido a que la velocidad es pequeña en comparación con la parte central del río. Se puede tomar un valor práctico de socavación general del estribo de la mitad de la socavación del pilar, es decir, 0.96m.

IV.2) Socavación por contracción (Hc)

Se recomienda la ecuación de Laursen (1963) el cual propuso para la erosión en puentes sin transporte de sedimentos la siguiente ecuación:

Hc=[ Qdiseño2

40×dm2 /3×W 2 ]

3 /7

− y1

Donde:

Q = Caudal a través de la contracción, (m3/s)

dm = Diámetro medio del material (1.25xDm) en la sección contraída, (m)

W = Ancho del canal en el fondo de la contracción, descontando pilares (m)



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Y1 = Profundidad del agua existente en la sección antes de la erosión, (m)

Remplazando los siguientes valores en la Ecuación:

Q DISEÑO =1036.04 m3/s

dm =1.25·(65.83mm)=0.0822875m

y1 = do=3.475 m

W = 73.85-2(0.8)= 72.25 m

Hc=[ 1036.042

40×0.08228752/3×72.252 ]3 /7

−3.475=0.64m

IV.3) Socavación local (Hs)

Socavación local en pilares

La ecuación de erosión local en pilares más comúnmente utilizada en Estados Unidos es la de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) recomendada por el Departamento de Transporte de Estados Unidos. Este tipo de socavación es la más perjudicial para los pilares y genera erosión aguas arriba del pilar debido al vórtice de estela que genera.

La formula es:

Hs=2.0K1 K2K 3K 4a0.65 y1

0.35Fr10.43

Donde

Hs = Profundidad de erosión local en pilares de puentes. (m)

y1 = Tirante de flujo aguas arriba del pilar. (m)

y2 = Factor de corrección por la forma de la parte frontal del pilar.



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Formas típicas de pilares de puentes.

Factor de corrección por la forma del pilar Kf=k1. Método de CSU

K2 = Factor de corrección por el ángulo de ataque.

K2=[cos (θ)+ Lasen(θ)]

0.65

Donde:

θ = Angulo que forma el flujo con respecto al pilar

L = Longitud del pilar a lo largo de la línea de flujo (m)

a = Ancho del pilar (m)

Nota: Si el factor L/a es mayor que 12, entonces solo se deberá usar L/a=12 como máximo y además, cuando θ es mayor de 5º, K2 domina y K1 pasa a ser igual a 1.00.

K3 = Factor de corrección por la condición del lecho.

Coeficiente de K3 para erosión que toma en cuenta la influencia del lecho del río, fórmula de la CSU.



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K4 = Factor que toma en cuenta el acorazamiento del lecho.

Para el cálculo del factor que hace intervenir el grado de acorazamiento K4, el cual hace decrecer la profundidad de erosión dependiendo del d50, cuando éste es igual o mayor que 0.06 m.

El procedimiento a seguir es el siguiente:

K4=[1−0.89 ( 1−V R )2 ]0.5, (Ecuaciónde Jones )

V R=[ V 2−V i

V C 90−V i]

V i=0.645( d50

a )0.053

V C 50

Donde:

VR = Relación de velocidadesV1 = Velocidad media en el canal principal (m/s)Vi = Velocidad de las partícula a ser movidas (m/s)VC90 = Velocidad critica para el diámetro d90 del material de fondo (m/s)VC50 = Velocidad critica para el diámetro d50 del material de fondo (m/s)a = Ancho del pilar (m)

Para aplicar el factor K4 se tienen los siguientes límites:

d50 > 0.06mVR > 1.0

El valor mínimo de K4 es 0.70

Para calcular las velocidades críticas se puede usar la siguiente expresión: V c=6.19 y1 /6 Dc1 /3

Donde:

y = La profundidad del agua justo aguas arriba del pilar (m)Dc = Diámetro critico de la partícula para la velocidad crítica Vc (m)a = Ancho del pilar (m)Fr1 = Número de Froude

Esta ecuación fue desarrollada a partir de datos de laboratorio y se recomienda tanto para condiciones de lecho en movimiento como de agua clara. Adicionalmente el HEC-RAS recomienda que el valor limite de:



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ys / y1 = 2.4 para F < 0.8 yys / y1 = 3.0 para F > 0.8

Laursen propone la evaluación de la socavación local en pilares con la siguiente figura.

Curvas para evaluar la socavación local en pilares. Según Laursen

En caso de pilares anchos, respecto a la magnitud del tirante del flujo, estos métodos tienden a sobrestimar la erosión. Sin embargo no se ha establecido mediante observaciones de campo como deberían de ajustarse los métodos para el caso de pilar ancho – tirante bajo.

A continuación evaluaremos la socavación local del pilar de nuestro puente de 75 m de longitud de tres tramos (23 m, 29 m y 23 m), considerando los siguientes valores:

a = 0.80 m; L = 4.00 m (largo del pilar con punta redondeada)

y = y1= 1 = do =3.475 m; v1= 1 V 4.72 m/s

K1= 1 (punta redondeada)

K2= 1 (Angulo que forma el flujo con respecto al pilar = 0°)

K3= 1.1 (Factor de corrección por la condición del lecho, fondo plano)

d50 =8.5mm= 0.0085m; d90=80mm= 0.080m (Estudio de Mecánica de Suelos)

V i=0.645( d50

a )0.053

V c 50=0.645( 0.00850.8 )

0.053

1.555=0.788m /s

V R=[ V 1−V i

V C 90−V i]=1.572m /s

K4=[1−0.89 ( 1−V R )2 ]0.5=[1−0.89(1−1.572)2 ]0.5

=0.842



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Fr1=V 1

(g . y1 )0.5=4.72

(9.81×3.475 )0.5=0.806(Numerode Froude)

Remplazando en la Ecuación se tiene:

Hs=2.0K1 K2K 3K 4a0.65 y1

0.35Fr10.43

Hs=2.0×1×1×1.1×0.842×0.80.65 3.475❑0.35 0.806❑

0.43

Hs=2.26m

V) PRESENTACION DE RESULTADOS:

Según los calculos, los resultados obtenidos son los siguientes:

Socavación General: Hg = 1.92 m

Socavación por Contracción: Hc = 0.64 m

Socavación Local: Hs = 2.26 m

Socavación Total: Ht = 4.82 m

VI) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

- La determinación del nivel de socavación es un parámetro importante en la concepción de un puente, ya que determina la profundidad de cimentación, es decir, el valor de Df.

- La socavación determina la altura total del pilar, parámetro importante en el análisis dinámico de un puente.

- La estimación de la profundidad de socavación, preveé medidas de mitigación, como enrocados por ejemplo.

- Es importante implementar un metodología para el análisis de socavación en el Perú con parámetros propios que reflejen mejor la realidad de los cauces en nuestro pais.



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