Socavación en puentes

Para el diseño de puentes, es necesario considerar el efecto de la socavación, la cual afecta la cimentación, tanto en la zona de las pilas como en la zona de los estribos.
La socavación es la degradación del fondo de un cauce, la remoción de los materiales del fondo por la acción del flujo de agua, ésta depende de las características de la corriente y de las propiedades de los materiales del fondo.
Dependiendo de las características del material del fondo del lecho, cuando se tienen suelos granulares éstos se erosionan muy rápidamente, a diferencia de los suelos arcillosos, que por su cohesión son más resistentes a la erosión.
Existen diversos factores que intervienen en la socavación, tal como el caudal del flujo de agua, forma y dimensiones de las pilas del puente, forma y dimensiones de los estribos, entre otros.
1.- Los factores geomorfológicos cmo la forma del río es importante en el evento de socavación en puentes, si éste tiene meandros, se puede producir la migración del canal, además de ocasionar erosión en el exterior de la curva, mientras que en el interior de la curva habrá sedimentación, lo cual modificará la sección hidráulica, lo que repercutirá en la velocidad y por lo tanto, en las características de arrastre o depósito de partículas.
2.- Los factores como la topografía, vegetación y tipo de suelo de un río determinan el transporte de agua y sedimentos hasta el sitio donde se encuentra el puente. La acumulación de escombro en la cimentación puede generar socavación en puentes, la cual dependerá del tipo y cantidad de vegetación que se encuentre en el cauce.
3.- Cuando se genera una avenida, el agua tiene la capacidad de arrastrar material sólido del fondo levantándolo y manteniéndolo suspendido por cierto tiempo, y también es capaz de transportar materiales que ya se encuentran suspendidos. Si se trata de una avenida extraordinaria, el agua se lleva todo a su paso y cuando toma su nivel normal, los materiales del fondo que ya se desplazaron empiezan a sedimentarse. Si hay mucho material depositado en una sección donde exista algún puente, la capacidad hidráulica de éste se puede ver afectada, pues la capa de material del fondo aumenta, haciendo que los tirantes tengan diferente elevación, ocasionando socavación en puentes.
4.- La geometría del puente influye considerablemente en el fenómeno de la socavación en puentes pues siempre que se tenga un puente sobre la corriente, habrá contracción del flujo por la restricción del área hidráulica, por lo que la posición de las pilas y los estribos es importante, pues al disminuir el área de flujo, se incrementará la velocidad, produciendo un incremento en el transporte de material.

Socavación general

La socavación general ocurre en todos los cauces, independientemente si existe alguna obra como un puente o no, pues es el descenso del fondo del cauce producido por una avenida, aumentando la capacidad de arrastre del material sólido y puede ser a corto o largo plazo, refiriéndose a corto plazo cuando viene una inundación y al poco tiempo ocurre otra, a largo plazo cuando el tiempo entre avenidas es de años.
Al presentarse una avenida y aumentar la velocidad del cauce, también incrementa la capacidad de arrastre de la corriente, por lo que comienza a degradarse el fondo, caso contrario, cuando empieza a disminuir la velocidad inicia una etapa de depósito de material.
Laursen (1963) propuso la siguiente expresión para deterninar la socavación en puentes:

Q es el gasto corresponde a la sección, W es el ancho de la sección, el tirante en la sección de contracción corresponde a Y2, también interviene el tamaño del material del lecho (Dm=1.25D50).

Ejemplo:
Determine la socavación general en un río cuyo gasto es 50m3/seg, el D50=30mm, el ancho de la sección (W) es 20 mts.

Socavación por contracción

La socavación en puentes por contracción es causada por la disminución del ancho del flujo ya sea por causas naturales, como contracción natural de la corriente, acumulación de basura, crecimiento de la vegetación en el cauce; o artificiales, como son las pilas y estribos de un puente.
Disminuir una sección del río, ocasiona la disminución del área de flujo, implica un aumento de velocidad media del agua, lo que representa un aumento en el esfuerzo cortante en el fondo del cauce, haciendo que la erosión y transporte del material en la sección de contracción sea mayor que el material transportado que el flujo ya traía. Al haber mayor transporte de material, la elevación del cauce disminuye, haciendo que el área de flujo aumente y por continuidad la velocidad y el esfuerzo cortante tienden a disminuir hasta que se alcanza un cierto equilibrio en el río.

Laursen (1963) propuso una expresión para determinar la socavación por contracción:

Donde:
Ds, profundidad media de socavación por contracción (m).
Hs, profundidad media del flujo en el cauce en la sección contraída del puente después de la socavación (m).
h2, profundidad existente en la sección contraída del puente antes de la socavación (m).
Q2, gasto a través del puente o en las laderas sin considerar el transporte de sedimentos (m3/s).
Dm, 1.25 del diámetro medio efectivo del material más pequeño del lecho en el cauce o en la zona de inundación que no es transportado por el flujo (m).
B2, ancho efectivo del cauce en el puente (m).
Además de la expresión propuesta por Laursen (1963) para el cálculo de socavación por contracción, también existe una expresión propuesta por la Universidad Tecnológica de Michigan (Michigan Tech, 2011)

ys profundidad promedio de socavación por contracción (m).
y2, profundidad promedio después de la socavación en la sección de contracción (m).
y1, profundidad promedio en la sección aguas arriba (m).
y0, profundidad promedio en la sección contraída antes de la socavación (m).
W1, ancho en la sección aguas arriba (m).
W2, ancho en la sección de contracción, es decir, ancho efectivo, ancho menos ancho de pilas (m).
K1, exponente dependiendo del transporte del material del lecho (m).

w=velocidad de caída del material del cauce, basado en el D50.
D50, diámetro medio efectivo del material.
S1, pendiente de la línea de energía en la sección.
Ejemplo:
Determine la socavación por contracción en pilas en un puente que está sobre un río de 50 mts de ancho, el cual cuenta con 3 pilas de 1.50 mts de ancho, el gasto a través del puente es de 55 m3/seg, el diámetro medio efectivo del material más pequeño en el cauce es de 40 mm., la profundidad existente en la sección contraída del puente antes de la socavación es de 1.10 mts.
B2=50-3(1.50)=45.50mts
Dm=40(1.25)=50mm
Q=35m3/seg
h2=1.10mts

Ds=1.53-1.10=0.43mts.
Usando la expresión propuesta por la Universidad Tecnológica de Michigan:
W1=50mts
W2=50-3(1.50)=45.50mts
S1=Pendiente de la línea de energía de la sección (0.00075)
y1=Profundidad promedio de la sección aguas arriba = 1.40mts
w=Velocidad de caída del material del cauce=0.195 m/seg

De la tabla, K1=0.64

y0=Profundidad promedio en la sección contraída antes de la socavación (m)=1.10mts.

Socavación local

La socavación en puentes local ocurre cuando el material que se encuentra alrededor de pilas y estribos es removido, se produce cuando cambia la dirección y aceleración de la línea de flujo, generando vórtices debido a la presencia de estas estructuras, pues las pilas y estribos cambian las condiciones hidráulicas.
Conocer la socavación en las pilas es esencial para el diseño de la cimentación, ya que la falla de este elemento es crucial para toda la estructura

Socavación local en pilas

La socavación local en pilas ocurre cuando el material que se encuentra alrededor de pilas y estribos es removido, se produce cuando cambia la dirección y aceleración de la línea de flujo, generando vórtices debido a la presencia de estas estructuras, pues las pilas y estribos cambian las condiciones hidráulicas.
Conocer la socavación en las pilas es esencial para el diseño de la cimentación, ya que la falla de este elemento es crucial para toda la estructura

YLP es la socavación local en la pila (m).
Y1 es el tirante aguas arriba de la sección del puente (m).
Y2 es el tirante en la sección del puente (m).
W1 es el ancho de la sección aguas arriba (m).
W2 es el ancho efectivo de la sección donde se localiza el puente (m).
Como se menciona anteriormente, el ancho efectivo será el ancho total menos ancho de pilas.
Ejemplo: Determine la socavación local en pilas en un puente que está sobre un río de 50 mts de ancho, el cual cuenta con 3 pilas de 1.50 mts de ancho, la profundidad existente en la sección aguas arriba del puente es de 1.40 mts.

Socavación local en estribos

Se considera usar la expresión propuesta por Richardson y Davis (1995). En esta expresión se considera el ancho del estribo, el tirante de la sección del puente y la velocidad del agua.

Donde:
YLE es la socavación local en estribos (m).
F es el número de Froude evaluado en la localización del puente.
L ancho del estribo (m).
Y2 tirante en la sección del puente (m).
Además, el número de Froude se evalúa como:

donde
V es la velocidad aguas arriba del puente (m/s).
g aceleración de la gravedad (9.81 m/s2).
Ejemplo: Determine la socavación local en estribos para un puente que tiene estribos de 4mts de ancho y el tirante en la sección del puente es de 1.40 mts. La velocidad del agua aguas arriba del puente es de 3 m/seg.
Y2=1.40 mts.

Socavación total

La socavación total es la suma de todos los tipos de socavación que puede sufrir un puente, socavación por contracción, socavación local en pilas y socavación local en estribos.
La socavación total para pilas está dada por la expresión:
YTP=YC+YLP
La socavación total para estribos está dada por la siguiente expresión:
YTE=YC+YLE
Donde:
YC, socavación por contracción.
YLP, socavación local en pilas.
YTP, socavación total en pilas.
YLE, socavación local en estribos.
YTE, socavación total en estribos.
Con esta expresión es posible estimar para las mismas condiciones y características del puente dónde se produce la mayor profundidad de socavación, si en las pilas o en los estribos y considerar la más importante, es decir, la mayor profundidad de socavación.
Para establecer si los resultados obtenidos son adecuados a las características y nivel de detalle de la información con la que se cuenta son adecuados, una vez que se tienen todos los cálculos y análisis de los tipos de puente, es necesario hacer una comparación de la profundidad de socavación calculada con profundidad de socavación real que hayan sufrido puentes de los que se tengan registros.

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