métodos para el cálculo de la socavación local en pilas...

• Vol. IX, Núm. 1 • Enero-Abril 2015 •36

Ingeniería y Tecnología Artículo arbitrado

ResumenLa socavación local en las pilas y estribos es la principal causade fallas de los puentes. El objetivo de esta investigación fueevaluar las metodologías para el cálculo de la socavación localen las pilas de puentes. Se analizaron 11 métodos para el cálculode la socavación en pilas de puentes. Se evaluaron losparámetros que contemplan las metodologías más utilizadas parael cálculo de socavación local en pilas, considerando sus ventajasy desventajas. Para el análisis se agruparon los parámetros entres tipos: hidráulicos (velocidad, tirante y peso específico),geométricos (ancho, forma y ángulo de ataque) y geotécnicos(diámetro de partículas y peso específico). Los parámetros másutilizados en los métodos evaluados son los geométricos,posteriormente los hidráulicos y los menos utilizados son losparámetros geotécnicos del material del cauce. La mayoría delos autores coinciden que las variables que influyen en elfenómeno de socavación local de las pilas de los puentes enorden de importancia son: las dimensiones transversales de lapila, la velocidad de la corriente y su tirante, finalmente lagranulometría del material del cauce.

Palabras clave: erosión, partículas en suspensión, velocidad deerosión, vórtices.

AbstractLocal scour at piers and abutments is the main cause of failurein bridges. The objective of this research is a review ofmethodologies for calculating the local scour at hen piers ofbridges. 11 methods for the calculation of scour of the piers ofbridges were analyzed. It was compared what parameterscontemplated each considering their advantages anddisadvantages. For the analysis, the parameters were groupedinto three types: hydraulic (velocity, depth and specific gravity),geometric (width, shape and angle of attack) and geotechnical(particle diameter and specific gravity). The most commonlyused parameters are geometrical, and then hydraulic and leastused are the geotechnical parameters of the channel material.Most authors agree that the variables that influence thephenomenon of local scour of the piers of bridges in order ofimportance are: the transverse dimensions of the pier, the currentvelocity and depth, and finally the granulometry of the riverbedmaterial.

Keywords: erosion, suspended particles, erosion velocity,vortex.

Methods for quantification of local scourat bridge piers

ANTONIO CAMPA RODRIGUEZ1, FERNANDO RAFAEL ASTORGA BUSTILLOS1,2

_________________________________1 Universidad Autónoma de Chihuahua. Facultad de Ingeniería. Circuito No. 1, Campus Universitario 2. Chihuahua, Chih., programa deDoctorado en Ingeniería.

2 Dirección electrónica del autor de correspondencia: [email protected].

Recibido: Diciembre 4, 2013 Aceptado: Junio 19, 2015

Métodos para el cálculo de lasocavación local en pilas de puentes

37• Vol. IX, Núm. 1 • Enero-Abril 2015 •

Introducción

a socavación es un fenómeno natural causado por la acción de la erosión delagua que fluye en los cauces de ríos y canales. La socavación local es laeliminación de los sedimentos alrededor de los elementos estructurales que seL

encuentran en el flujo del agua. Esto significa el descenso del nivel del lecho del río por laerosión del agua, de tal manera que hay una tendencia para exponer la cimentación delos puentes como resultado de la acción erosiva de las corrientes de agua, a medida quela erosión progresa continuamente, socava los cimientos de la estructura originando elcolapso de ésta (Khwairakpam y Mazumdar, 2006).

Según el modo de transporte de lossedimentos desde aguas arriba del flujo, lasformas de socavación local se clasifican ensocavación en agua clara y socavación en lechomóvil. La socavación en agua clara se producecuando el sedimento es removido de la fosa deerosión pero no existe reabastecimiento delhueco socavado; mientras la socavación enlecho móvil se produce cuando hay untransporte de sedimentos, por lo que parte deeste sedimento se queda atrapado en el huecode socavación (Dey et al., 1995). Solo enEstados Unidos, la socavación en las pilas delos puentes es la principal causa de falla en másde 487,000 puentes (Landers y Mueller, 1996).Varios investigadores como Lefter (1993), laFHWA (1998) y Antunes (2005) la han reportadoque la causa principal del colapso de lospuentes en Estados Unidos es la socavación.

La mayoría de las fallas de los puentes enel mundo son por socavación, principalmentedebido a la socavación de sus pilas o estribos,habiéndose determinado que el 50% de lasfallas se deben a este fenómeno (Richardson,1999). Otros estudios referentes a puentes yobras menores elevan el porcentaje de falla porsocavación a un 90% del total de los casos(Smith, 1979). En México se carecen deestudios referentes, sin embargo, la experienciaen casos atendidos en diversas dependenciasrelacionadas con la infraestructura de las víasterrestres, permite estimar que la socavaciónes la causa del 90% de los colapsos en lospuentes (Solares, 1989).

La socavación local en las pilas de lospuentes es causada por el cambio de direcciónde las líneas de corriente, la turbulencia, laaceleración del flujo y los vórtices resultantesinducidos por la obstrucción al flujo (Raudkivi,1986). En las pilas dentro del cauce, se producenuna serie de turbulencias, las cuales hacen queel nivel del río descienda especialmente junto aestas estructuras, alrededor de las pilas se formauna fosa profunda por socavación, producida porun sistema de vórtices generados por lainterferencia que la pila causa al flujo. Elmecanismo que produce la socavación estáasociado a la separación tridimensional del flujoen la cara aguas arriba de la pila y a un vórticeperiódico al pie de ella, en la Figura 1 podemosapreciar el comportamiento del flujo en una pilacilíndrica (Dargahi, 1990).

Figura 1. Comportamiento del flujo en una pila cilíndrica (Ettemaet al., 2011).

Existen una gran cantidad de métodos parael cálculo de la socavación local alrededor depilas. La mayoría de las ecuaciones sonaplicables para cauces aluviales y no consideran

ANTONIO CAMPA RODRIGUEZ Y FERNANDO RAFAEL ASTORGA BUSTILLOS: Métodos para el cálculo de la socavación local en pilasde puentes


la posibilidad de que materiales más gruesospresentes en el lecho acoracen el hueco desocavación, lo que limitaría su profundidad. Losmétodos más conocidos desarrollados paracalcular la socavación local en pilas son: Laurseny Toch (1956), su adaptación de Neill (1964); almétodo de Larras (1963); Arunachalam (1967);Carsten (1966); Maza y Sánchez (1968);Yaraoslavtziev (1969); Breusers, Nicollet y Shen(1977); Melville y Sutherland (1988); Froehlich(1991) y el Método de la Universidad Estatal deColorado (CSU), (1995). Los estudios deinvestigación más recientes son los de Ettemaet al. (1998), Sheppard y Miller (2006). A la fechano existe ninguna solución rigurosa ni exacta, lamayor parte de los métodos que se emplean enla actualidad están basados en datos delaboratorio, los cuales exhiben importanteslimitaciones, tales como rangos restringidos delos parámetros, efectos de escala y hastainadecuados ajustes de las ecuacionesmatemáticas para describir las tendenciasobservadas (Farias et al., 2009).

En la presente investigación, se plantea elproblema de la socavación local en las pilas delos puentes, se analizan algunos métodos deamplia difusión a nivel mundial, puntualizándosealgunas deficiencias importantes de los mismosy se proponen nuevas líneas a investigar paramejorar el cálculo de la socavación local. Losbeneficiarios con esta investigación serán losusuarios de las carreteras, los interesados eneste tema tanto de las universidades como lasdependencias de gobierno involucradas en laconstrucción y conservación de carreteras.

Metodología

Existen diversos métodos para el cálculode la socavación local en pilas, la mayor parteestán basados en datos de laboratorio con unaserie de limitaciones, las que no representan lacondiciones reales del fenómeno, permitiendoúnicamente realizar solo la estimación de lasocavación. A pesar de que existen investiga-ciones con diferentes enfoques de la ingeniería,los puentes siguen colapsándose, debido a queeste es un fenómeno muy complejo de estudiar.

Para evaluar estas metodologías seestudiaron once métodos dedicados al cálculode socavación local en pilas con el fin dedetectar sus fortalezas, pero al mismo tiempodetectar qué les falta para que se conviertan enmétodos más confiables. El análisis fue a travésde una revisión bibliográfica.

1. Método Laursen y Toch

2. Método de Larras

3. Método de Carsten

4. Método de Arunachalam

5. Método de Maza-Sánchez (UNAM)

6. Método de Yaroslavtziev

7. Método de Breusers, Nicollet y Shen

8. Método de Melville y Sutherland

9. Método de Froehlich

10. Método de la Universidad Estatal deColorado (FHW)

11. Método de Sheppard y Miller

Se analizaron los principales parámetrosque intervienen en el proceso de erosión de laspilas (ver Figura 2):

Los geométricos: ancho de la pila (a), formade la pila y ángulo de ataque de la corriente ();los hidráulicos: la velocidad de la corrienteaguas arriba de la pila (V), el tirante hidráulicofrente a la pila (Y

n) y peso específico del agua

(w); y los geotécnicos: diámetro de partículas

de suelo (d) y el peso específico del suelo S).

Hay un gran número de métodos yecuaciones en la literatura para la estimaciónde socavación local en las pilas de los puentes.La mayoría, si no todas, de estas ecuacionesson empíricas y se obtienen a partir de los datosde laboratorio de experimentos con flujoestacionario. Debido a la complejidad del flujo ydel transporte de sedimentos asociados con losprocesos de la socavación local, hay una seriede grupos dimensionales necesarios paracaracterizar completamente la socavación.Muchos de estos grupos, tales como la relaciónde la profundidad del agua con el diámetro de laestructura, pueden mantenerse constantesentre el modelo del laboratorio y la estructura



del prototipo, la mayoría de los experimentosde laboratorio se llevan a cabo con lossedimentos próximos a escala prototipo (Jonesy Sheppard, 2008).

Figura 2. Principales parámetros que intervienen en el procesode socavación de pilas.

Método de Laursen y Toch (1956).

Este método fue desarrollado en el Institutode Investigación Hidráulica de Iowa, fueconfirmado con algunas mediciones en el ríoSkunk realizadas por Hubbard y Laursen en1955. Se desarrolló bajo condiciones detransporte continuo de sedimentos. El métodoes aplicable para suelos arenosos, no estáclaro si se puede aplicar para gravas, perodefinitivamente no es válido para el caso deboleos, la ecuación general del método es:

En donde ds es la profundidad de socavación

local medida a partir del fondo del cauce (enmetros), K

f es el coeficiente que depende de la

forma de la pila, Kg es el coeficiente que depende

de la relación Hs /a, H

s es el tirante del agua

después de la socavación por contracción (enmetros), K es el coeficiente que depende del

(1)aKKKd gfs

ángulo de ataque del flujo y a es el ancho de lapila (en metros). Para fondos de sedimentossueltos más finos, el método debería utilizarsecon reservas, siendo inaplicable para sedimentosmuy finos de gran cohesión. No considera lavelocidad media de la corriente, para estemétodo, dicha velocidad es inexistente, ya quesi varía la velocidad se mantiene el equilibrio entresuministro y capacidad de extracción de lossedimentos. El método no toma en cuenta ningúnparámetro geotécnico del material del fondo,únicamente los parámetros de la geometría dela pila, tirante del flujo y el ángulo de incidenciade la corriente (Laursen y Toch, 1956).

Método de Larras (1963).

El método propone una ecuación teórico-práctica deducida de mediciones de socavacióntomadas en varios puentes franceses despuésde haberse producido la creciente. Larras seconcentró en la máxima profundidad desocavación para condiciones próximas avelocidad crítica del movimiento de sedimentos(Juárez y Rico, 1984).

(2)

La fórmula de Larras permite un cálculorápido, sencillo y con resultados conservadores,es de uso práctico al considerar solo lascaracterísticas geométricas de la pila, noconsidera ningún parámetro geotécnico delmaterial del fondo. El máximo absoluto de laprofundidad de socavación es distinto al delequilibrio. Es uno de los pocos autores querealiza estudios con variadas formas de laspilas. Aplicable solo en el caso general de alturasde agua superiores a 30 o 40 veces del diámetrodel sedimento y de secciones con menos del10% de contracción (Juárez y Rico, 1984).

Método de Arunachalam (1967).

Arunachalam realizó una modificación dela ecuación de Englis-Poona (1948) y propusola siguiente expresión (Breusers, Nicollet yShen, 1977):

75.005.1 aKKd fs



1334.1

95.1334.16/13/2

3/2

aq

qds (3)

Donde q es el caudal unitario aguas arribadel puente (m3/s-m). El método solo toma encuenta el ancho de la pila y el caudal unitario dela corriente, no considera el tirante hidráulico niel ángulo de aplicación de la corriente. El métodono especifica el rango de aplicación en cuantoal tipo de régimen de la corriente, ni lascaracterísticas geotécnicas del material defondo para el que fue desarrollado.

Método de Carsten (1966).

Carsten encontró la siguiente expresiónpara condiciones de socavación en lecho móvil(Shen y Schneider, 1969):

(4)

(5)

(6)

Donde Ns es el número del sedimento,

es la densidad relativa cuyo valor común paracuarzos es de 1.65, D es el tamaño delsedimento y g es la aceleración de la gravedad.La ecuación se puede usar en cualquier sistemade unidades compatibles y es de las pocas queinvolucra el efecto del tamaño del sedimento ysu peso específico, no especifica para qué tiposde materiales es aplicable el método, pero síespecifica que es aplicable solo para pilascirculares, no considera la existencia de unaprofundidad de equilibrio en ausencia de aportede sedimentos. La ecuación es aplicable parasocavación en agua clara y en lecho móvil.

6/5

02.5

25.1546.0

s

ss N

Nad

gD

VNs

w

ws

Método de Maza-Sánchez (UNAM, 1968).

Es un método aplicable para lechoscubiertos por arena y grava. Para su aplicaciónel método se basa en el uso de curvaselaboradas a partir de resultados experi-mentales de laboratorio en investigacionesrealizadas en la División de Investigación de laFacultad de Ingeniería de la UniversidadAutónoma de México. Las curvas se derivaroncon materiales de diámetro entre 0.17 mm y0.56 mm. Es recomendable que el método seaaplicable solo para suelos con diámetros dentrode este rango. Los parámetros que intervienenen el método son: profundidad del flujo, anchode la pila, número de Froude y el ángulo deataque del flujo sobre la estructura (Maza ySánchez, 1968; Juárez y Rico, 1984).

El número de Froude (Fr) está dado por la

siguiente ecuación:

(7)

Método de Yaroslavtziev (1969).El criterio de Yaroslavtziev es el resultado

de las mediciones realizadas en la anteriorUnión Soviética, este investigador considera doscasos, uno cuando el fondo del río está formadopor materiales no cohesivos, y otro cuando estáformado por materiales cohesivos. Losparámetros que utiliza el método son lavelocidad media de la corriente aguas arriba dela pila (V), la profundidad de la corriente (Y

n), el

ángulo de incidencia de la corriente (), lageometría de la pila, el tipo de suelo y el diámetrode los granos del sedimento, este investigadorfue de los primeros en tomar en cuentaparámetros geotécnicos en el fenómeno desocavación, ya que la mayoría de losinvestigadores de su época, solo considerabanlos parámetros hidráulicos y geométricos de laspilas (Juárez y Rico, 1984).

La ecuación para suelos sin cohesión es:

(8)

sr

gH

VF

85

2

30)( dg

Vkekkd hfs



Donde e es un coeficiente de corrección,cuyo valor depende del sitio donde se coloca lapila, K

h considera la profundidad de la corriente

aguas arriba luego de la socavación general, d85

es el diámetro característico que indica que el85% del peso del material del cauce en estudio,lo constituyen partículas de diámetro menores aél, obtenido a partir de la curva granulométricadel material.

Cuando el material de fondo tiene undiámetro inferior a 0.5 cm, Yaroslavtzievrecomienda suprimir el segundo término de lafórmula. Si dos estratos adyacentes tuviesengranulometrías muy diferentes, se debe tomarel de mayor d

85 de ambas granulometrías, ya que

al ser afectados conjuntamente por lasocavación, los sedimentos se mezclarán.

Para el caso de suelos cohesivos, el métodoutiliza la misma ecuación que para los suelosgranulares, con la salvedad de que en lugar deldiámetro d

85 utiliza un diámetro equivalente d

e85 ,

que en un material granular producirá la mismasocavación (Juárez y Rico, 1984).

Yaroslavtziev advierte que su fórmula parasuelos granulares puede conducir a errorescuando:

Yn / a

sea menor de 2 y la pila esté desviada

respecto a la corriente, y

Yn / a

sea menor de 1.5 y esté o no desviada,

según Maza (1968).

En suelos cohesivos es muy probable quedurante el tiempo que dura una avenida no sellegue a alcanzar la profundidad total desocavación obtenida mediante este cálculo,puesto que la degradación del fondo en un suelocohesivo es más lenta que en un suelo arenoso.Yaroslavtziev y Cartens (1966), fueron de losprimeros investigadores que analizaron laimportancia del diámetro del sedimento delfondo del cauce.

Método de Breusers, Nicollet yShen (1977).

El método de Breusers, Nicollet y Shen fuedesarrollado en la década de los setenta(Breusers, 1984).

a

lKfformaf

a

hf

V

Vafd

cs 4321 (9)

De la ecuación Vc es la velocidad crítica

para inicio del movimiento de partículas defondo, h es la profundidad del agua, l es lalongitud de la pila, f

1 es un parámetro que

depende de la relación entre la velocidad mediadel flujo y la velocidad crítica para inicio delmovimiento de partículas de fondo, f

2, es un

parámetro que depende de la relación entre eltirante del flujo y el ancho de la pila, f

3 es un

parámetro que depende de la forma de la pila yf4

es un parámetro en función del ángulo deataque del flujo y la relación entre la longitud dela pila y el ancho de la pila.

El método no considera ningún parámetrogeotécnico del material de fondo, por lo que noespecifica si es aplicable a cualquier tipo dematerial. En el método únicamente intervienenlos parámetros hidráulicos y geométricos de laspilas.

Método de Melville y Sutherland (1988).

El método fue desarrollado en laUniversidad de Auckland (Nueva Zelanda) y estábasado en curvas envolventes de datosexperimentales, obtenidos en su mayoría deensayos de laboratorio. Según Ettema (1990),el método propuesto por Melville para estimarprofundidades de socavación de equilibrio enpilas, es mejor que otros métodos recomen-dados en algunas guías para diseño de losEstados Unidos, ya que ilustra sobre lasensibilidad de la socavación ante parámetroscomo caudal, sedimentos del lecho ycondiciones de la pila.

Sin embargo, Ettema (1990), tambiénargumenta, que por tratar de considerar losefectos más significativos sin un reconocimientoadecuado de las incertidumbres sobre lascondiciones bajo las cuales la socavación sepresenta, el método puede llegar a ser enalgunos casos muy preciso. El método adolecede problemas relacionados con el uso conjuntode los factores de corrección por ángulo de



ataque y por la forma de la pila, por la maneracomo se considera el efecto de la velocidad delflujo y del tamaño de los sedimentos. Ettema(1990) se inclina por usar la expresiónsimplificada d

s=2.4a.

La estimación de la profundidad desocavación según Melville (1988), está basadaen la socavación máxima que es posible obteneren una pila cilíndrica, la cual es 2.4a. De acuerdocon el método, esta profundidad máxima sereduce afectándola por ciertos factores queconsideran condiciones de agua clara,posibilidad de acorazamiento, profundidadespequeñas del agua, tamaño del sedimento,forma y alineamiento de la pila.

(10)

De la cual Ki es un factor de corrección por

intensidad del flujo, KD es el factor de corrección

por tamaño del sedimento, K es un factor de

corrección por gradación del sedimento.

Método de Froehlich (1991).

Una ecuación desarrollada por el Dr. DavidFroehlich, la cual es usada por el programaHEC-RAS (1998) como una alternativa a laecuación de la Universidad Estatal de Colorado:

(11)

Donde a’ es el ancho proyectado de la pilacon relación al ángulo de ataque del flujo, a esadicionado como un factor de seguridad y D

50

es el diámetro de la partícula de lecho en unamezcla cuyo 50% es menor, obtenido de lacurva granulométrica del material (HEC-18,2001).

Para pilas con punta circular alineadas conel flujo se tiene:

ds 2.4a para Fr 0.8

ds 3.0a para Fr > 0.8

KKKKKaKd fDhis

aDFrhaKd fs 09.050

22.047.062.0)'(32.0

Si la profundidad de socavación se analizapara un caso particular, Froehlich sugiere queno se adicione el factor de seguridad a al finalde la ecuación. El programa HEC-RAS (1998)siempre adiciona este factor de corrección(HEC-18, 2001).

Método de la Universidad Estatal deColorado (FHW, 1995)

Este método fue presentado como normade diseño por la Administración Federal deCarreteras de los Estados Unidos (FHWA), esuna ecuación desarrollada por la UniversidadEstatal de Colorado (CSU) para el cálculo de lasocavación local en pilas, tanto en agua claracomo en lecho móvil. Esta ecuación fuedesarrollada con base en análisis dimensionalde los parámetros que afectan la socavación yanálisis de datos de laboratorio. Es el métodomás usado en los Estados Unidos de América(HEC-18, 2001) y es uno de los dos que usa elprograma HEC-RAS (1998).

(12)

Para pilas con punta circular alineadas conel flujo aplica la misma regla que en el métodode Froehlich.

En donde Kc es un factor de corrección por

la forma del lecho, usualmente igual a 1.1, Ka

es un factor de corrección por acorazamientodel sedimento del lecho. Este factor fueintroducido en la versión corregida de HEC-18(1993) publicada en 1995.

La FHWA estableció limitaciones para laaplicación del coeficiente por acorazamiento,este coeficiente se aplica solo cuando d

50 > 60

mm, valor mínimo de Ka = 0.7. La experiencia

ha demostrado que para pilas muy anchas elmétodo da valores muy superiores a los reales.Igual situación ocurre cuando se calcula lasocavación para cimientos anchos. Sinembargo, este método es el más utilizadoespecialmente, por su carácter de norma

43.065.0

0.2 Frha

KKKKhd

acfs



obligatoria en los Estados Unidos. Este métodose basa en una curva envolvente de eventos demáxima socavación, lo que conlleva a que losresultados obtenidos sean conservadores. Elvalor de b que se utiliza en la fórmula, debe serel valor del ancho del pilar cerca al fondo delcauce después de tomar en cuenta tanto ladegradación a largo plazo como la socavaciónpor contracción del cauce (HEC-18, 2001).

Es uno de los pocos métodos, que juntocon el de Nueva Zelanda, analiza la importanciadel acorazamiento en la socavación en torno alos pilares. Para este autor el acorazamiento yengrosamiento de las capas superficiales tiendea reducir la socavación.

Método de Sheppard y Miller (2006).

El conjunto de ecuaciones de Sheppard yMiller (2006) está basado en la consideraciónde varias investigaciones previas, consolidandoresultados obtenidos a través de varios añosde experimentos llevados en la FHWA, algunosaspectos de la escuela europea de erosión local,fundamentalmente holandesa, a partir de lasinvestigaciones de experimentos propios, asícomo mediciones de campo. Las ecuacionesincluyen la importante observación sobre ladependencia normalizada de la profundidad desocavación local de a/D

50 en incrementos hasta

que el valor de a/D50

sea igual a 40, en el que elpunto de dependencia comienza a disminuir(Farias et al., 2009 y NCHRP, Report No. 682,2011).

Las ecuaciones propuestas por SheppardyMiller (2006) para la estimación de la socavaciónlocal en pilas simples, se diferencian según seala condición del flujo de aproximación en cuantoal transporte de sedimentos.

Para socavación en agua clara (0.47 < V/V

c < 1.0), la fórmula para d

s se expresa en

función del producto de tres funcionesprincipales:

(13)

503215.2D

af

V

Vf

a

hf

a

d

c

s

Para socavación en lecho vivo hastaalcanzar el pico de lecho vivo (1 < V/V

c < V

lp/

Vc):

(14)

Y para socavación en el lecho vivo conrango por encima del pico de lecho vivo (V/V

c >

Vlp

/Vc):

(15)

En donde Vlp es la velocidad límite de

erosión en lecho viva (0.5Vc) y las funciones f

1,

f2, y f

3 se calculan con las siguientes

ecuaciones:

(16)

(17)

(18)

5031

15.2

1

1

2.2D

af

V

VV

V

V

V

V

VV

V

a

hf

a

d

c

lp

cc

lp

c

lp

cs

a

hf

a

ds12.2

4.0

1 tanha

h

a

hf

2

2 ln2.11

cc VV

VV

f

13.0

50

2.1

50

50

503

6.104.0Da

Da

Da

Da

f

Discusión

La evaluación de cada uno de los métodosdescritos en el apartado anterior se puntualizaen el Cuadro 1, en el cual se muestra unadescripción detallada de las condiciones,ventajas y desventajas que aportan estosmétodos.



Cuadro 1. Análisis de los métodos para el cálculo de socavación local en pilas.

rotuA senoicidnoC sajatnevsedysajatneV

hcoTynesruaL yumeduorFedsoremúnarap,ocitírcbusojulfedsenoicidnocaraPlacolnóisoreedosaclearapetnemacinúodiláV.)5.0<(soñeuqep

.otnemidesedodazilarenegertsarranoc,savargarapracilpaedeupesisoralcátseon,saneraarapoloS

.nóisehocnarged,sonifyumsotnemidesarapelbacilpani

aledaicneulfnialaredisnoceuqsodotémsoremirpsoledonusEsámedA.ojulflaotcepsernocnóicatneirousynóiccesaledaírtemoeg

alomoc,ralucricaledsámedasalipedsamrofsartoaredisnocnúgninaredisnocoN.ralucitnelyacitpíle,ralucricimes,ralugnatcer

.ecuacledlairetamledocincétoegortemárap

sarraLedodotéM laotnitsidsenóicavacoseddadidnuforpaledotulosbaomixámlEledortemáidledyetnaritledetneidnepednisE.oirbiliuqeled

al,amelborpledelpmisetnemavisecxenóiculoS.otnemidessacitsíretcaracsalednóicnufneátseolosnóicavacoseddadidnuforp

osacleneoloselbacilpA.)serodavresnocsodatluser(alipaledortemáidledsecev04o03aseroirepusaugaedsarutlaedlareneg.nóiccartnoced%01ledsonemnocsenoiccesedyotnemidesled

sodatlusernocollicnesyodipároluclácnuetimrep,ocitcárposuedsEonuse,alipaledsacitsíretcaracsalolosraredisnoclA.serodavresnoc

edsamrofsadairavnocsoidutseazilaereuqserotuasocopsoled.salip

edodotéMmalahcanurA

alednóicacilpaedolugnáleinetnaritlearedisnoconodotémlEedopitlaotnaucnenóicacilpaedognarleacificepseoN.etneirroc

lairetamledsacincétoegsacitsíretcaracsalinetneirrocalednemigér.odotémleodallorrasedeufeuqlearapodnofed

aledohcnaleatneucneamotolosodotémlE.racilpaedelpmisyuM.etneirrocaledoiratinuladuacleyalip

netsraCedodotéM edolugnáaredisnoconeuqolrop,seralucricsaliparapoloSanuedaicnetsixealaredisnocoN.etneirrocaledaicnedicni

.sotnemidesedetropaedaicnesuaneoirbiliuqeeddadidnuforp

sodaredisnoC.elbairavomocotnemidesledortemáidleecudortnIedasofalasotnemidesedetropaetsixeodnauc:senoicidnoc

.sotnemidesedetropayahonodnaucynóicavacos

-azaMedodotéM)MANU(zehcnáS

nóicaredisnocneamotoN.6.0edseronemeduorFedsoremúnaraPsE.ocincétoegortemárapnúgninin,otnemidesledortemáidle

euqseroyamserolavodnatluser,savargysaneraarapoloselbacilpa.etnemlatnemirepxesodinetbosol

nocsalucítraparapsavrucsatseedritrapaadinetbosenóicavacosaLarapelbacilpaseon,mm65.0ymm71.0ertneoidemortemáid

.ognarledareufsortemáid

edodotéMveiztvalsoraY

araponu,satnitsidsenoicaucesodenoporpeuqedrasepAsoleusne,sovisehocselairetamaraportoysovisehoconselairetam

alraznaclaaeugellesoneuqelbaborpyumsesovisehoc,oluclácetseetnaidemadinetbonóicavacosedlatotdadidnuforp

euqranoisorenesámaromedesovisehocoleusnueuqaodibedaledaicnetsixealageiN.)rodavresnocyum(osoneraoleusnuynesruaLropadiregusnóicavacosedoirbiliuqeeddadidnuforp

odnaucserorreeddadilibisoP.hcoTalodnaucy,etneirrocalaotcepseradaivsedalipaly2<a/nY

.5.1<a/nYnóicaler

nuertnesaicnerefidsalóredisnoceuqserotuasoremirpsoledonusEsatnitsidsalumrófsododnazilaer,ovisehoconortoyovisehocoleus

ledsonargsoled58dortemáidlearedisnoC.osacadacarap.otnemides

edodotéMtellociN,sresuerB

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Como podemos apreciar en el Cuadro 1,cada uno de los autores presenta una serie desimplificaciones, limitantes de aplicación yformas de abordar el problema de la socavación,cada método fue desarrollado en condicionesdiferentes debido a la complejidad del fenómeno,por este motivo, se dificulta el proceso decomparación de un método con otro. Además,los resultados de cada método difieren uno deotro en gran magnitud, lo que dificulta lahomogeneidad de criterios para ser aplicados enel campo. Es por esto, que en este análisis nose pretende realizar una comparacióncuantitativa de los métodos, sino enfatizar cuálesson sus bondades, deficiencias y centrarsepaulatinamente en el método de interés para cadacaso en particular. Por este motivo, al utilizarcualquier relación de cálculo es necesariopreviamente saber bajo qué condiciones ysupuestos ha sido deducido, para así aplicarlodentro de su respectivo rango de validez. Sinembargo, muchas veces no está claro cómodeterminar la relación a utilizar, cuál es su rangode validez, bajo qué condiciones físicas esposible utilizarla o cuál es el significado de cadauna de las variables presentes en ella. Debido aesto, los diversos tipos de fórmulas y relacionesdadas representan, en muchas ocasiones, unagran dificultad de interpretación para su aplicación,desde el punto de vista de la ingeniería civil.

El Cuadro 2, presenta un resumen de losparámetros utilizados por los métodos evaluados.

Cuadro 2. Parámetros utilizados en los métodos de socavaciónlocal de pilas.

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En el Cuadro 2 se puede apreciarclaramente que los parámetros más utilizadosen los métodos evaluados son: los geométricos,posteriormente los hidráulicos y los menosutilizados son los parámetros geotécnicos delmaterial del fondo. La mayoría de los autorescoinciden en que las variables que influyen enel fenómeno de socavación local de las pilasde los puentes son, en orden de importancia:

a) dimensiones transversales de la pila.

b) velocidad de la corriente y tirante.

c) granulometría del material del fondo.

Los parámetros hidráulicos que más seutilizan son: la velocidad de la corriente aguasarriba del pilar (V) y el tirante frente al pilar (Y

n),

los cuales representan en su mayoría lassituaciones hidráulicas. Sin embargo, losparámetros geotécnicos de mayor importanciason, el diámetro representativo del sedimento(d) y el peso específico del sedimento (

s), que

si bien es cierto son propiedades importantesdel suelo, no son suficientes para representarel comportamiento del mismo.

No se puede decir que (d) represente alsuelo, porque es demasiado genérico. En elcauce se pueden encontrar distintos tipos demateriales (cohesivos como arcillas, nocohesivos como gravas o arenas), con susrespectivas propiedades de acuerdo a suestructura y, (d) no es un parámetro adecuadopara representarlos. Por esta razón, se puededecir que las fórmulas de estos métodos norepresentan la estructura del tipo de suelo quese encuentra en el fondo del cauce.

Solo uno de todos los métodosmencionados, Yaroslavtziev, considera lasdiferencias entre un suelo cohesivo y otro nocohesivo, realizando dos fórmulas distintas paracada caso. Sin embargo, Yaroslavtziev hacehincapié que para suelos cohesivos es muyprobable que durante el tiempo que dura unaavenida no se llegue a alcanzar la profundidadtotal de socavación obtenida mediante estecálculo, debido a que un suelo cohesivo sedemora más en erosionar que un suelo arenoso(Juárez y Rico, 1984).



Los métodos no consideran la estratigrafíadel suelo, es decir, no toman en cuenta losdiferentes estratos que pueden existir bajo elfondo del cauce de un río. Generalmente, seconsidera como si solo existiera un manto dela misma granulometría y resistencia. Por esto,en ocasiones cuando se tiene un estrato dematerial no cohesivo (arenas) y este es seguidopor un estrato de material cohesivo(generalmente arcillas) no se considera elprimero, debido a que ofrece poca resistenciaa la erosión. Por lo tanto, en el estudio de laerosión máxima, se calcula como si en lasuperficie se encontrara el estrato cohesivo,como si fuera todo un manto de las mismascaracterísticas y propiedades, obteniéndoseresultados conservadores.

Conclusiones

El cálculo de la socavación local en pilas depuentes, es de significativa importancia debido aque la mayoría de las fallas de puentes en elmundo es debido a la socavación local. El colapsode estas estructuras no solo implica pérdidaseconómicas, sino también vidas humanas.

Para el cálculo de la socavación local en pilas,a la fecha no existe ninguna solución robusta, lamayor parte de los métodos que se emplean,están basados en datos de laboratorio, con unaserie de limitaciones, tales como rangosrestringidos de aplicaciones y suposiciones. Alaplicar los métodos, los resultados obtenidosdifieren uno de otro en gran magnitud, lo quedificulta su interpretación. Al utilizar cualquiermetodología de cálculo es necesario previamentesaber bajo qué condiciones y supuestos ha sidodeducida, para así aplicarla dentro de su respectivorango de validez. Sin embargo, muchas veces noestá claro cuál es su rango de validez y bajo quécondiciones físicas es posible utilizarlo.

En la comparación de los parámetrosevaluados para cada autor podemos concluir quelos parámetros más utilizados son losgeométricos, seguido de los hidráulicos y losmenos utilizados son los geotécnicos. Losparámetros hidráulicos que más se utilizan,representan en su mayoría las situaciones

hidráulicas. Sin embargo, los únicos parámetrosgeotécnicos que se utilizan son el diámetrorepresentativo del sedimento d y el peso específicodel sedimento , los cuales no son suficientes pararepresentar el comportamiento del material delcauce. En el cauce se pueden encontrar distintostipos de materiales, ya sean cohesivos, comoarcillas; y no cohesivos, como gravas o arenas,con sus respectivas propiedades, de acuerdo consu estructura, el parámetro d no es suficiente paracaracterizar a todos los tipos de suelo que sepueden encontrar en el fondo del cauce. Por lotanto, este es un campo en el que se puedendesarrollar nuevos trabajos de investigación.

El principal problema de los métodosdisponibles se deriva de que sus autores hancentrado principalmente su atención en torno aun estudio principalmente hidráulico. Lapredicción de la erosión requiere una integraciónde los conocimientos de varias ramas de laingeniería como son geológicas, geotécnicas,hidráulicas e hidrológicas.

La socavación local en las pilas de lospuentes no debe limitarse únicamente a ladeterminación de la magnitud de la socavación,una de las causas principales que originan elcolapso de los puentes es la falta de medidaspreventivas contra la socavación. Tales accionespueden ser la colocación de pantallas o cilindrosde diámetros pequeños para disipar la energía opedraplenes que sustituyan el material de fondo,con diámetros de sus elementos lo suficiente-mente grandes para que no sean levantados yarrastrados por la corriente. En la actualidadexisten sistemas comerciales utilizados paradisipar la energía, tal es el caso del sistema A-Jacks, empleado para estabilizar márgenes,protección de socavación y disipación de energía.Es primordial que existan programas de monitoreopara tomar medidas preventivas y así evitar quela socavación local provoque la falla del puente.La decisión final sobre la cimentación de laestructura de un puente no solo debe basarse enlos resultados que arrojen las ecuaciones, sinotambién en el criterio del ingeniero proyectista quedebe tomar en cuenta todos los factores queinvolucran el problema a solucionar.



Agradecimientos

A la Facultad de Ingeniería de la UniversidadAutónoma de Chihuahua y al CONACYT por suvalioso apoyo para la elaboración de estainvestigación.

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Nomenclatura de variablesa = ancho de la pila. = ángulo de ataque de la corriente.V = Velocidad media de la corriente aguas arriba de la pila.Y

n = Tirante hidráulico frente a la pila.

w = Peso específico del agua.

D = Diámetro de partículas de suelo.

s = Peso específico del suelo.

ds = Profundidad de socavación local medida a partir del fondodel cauce.

Kf = Coeficiente que depende de la forma de la pila.

Kg

= Coeficiente que depende de la relación.K = Coeficiente que depende del ángulo de ataque del flujo.H

s = Tirante del agua después de la socavación por contracción.

q = Caudal unitario aguas arriba del puente.N

s = Número del sedimento.

= Densidad relativa cuyo valor común para cuarzos es de 1.65.D = Tamaño del sedimentog = Es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s2).F

r = El número de Froude.

e = Coeficiente de corrección, cuyo valor depende del sitiodonde se coloca la pila.

Kh = Coeficiente que considera la profundidad de la corriente.

d85

= Diámetro característico que indica que el 85% del peso delmaterial del cauce en estudio.

Vc = Velocidad crítica para inicio del movimiento de partículasde fondo

h = Profundidad del flujo frente a la pila.l = Longitud de la pila.f1 = Parámetro que depende de la relación entre la velocidadmedia del flujo y la velocidad crítica para inicio delmovimiento de partículas de fondo.

f2 = Parámetro que depende de la relación entre el tirante del

flujo y el ancho de la pila.f3

= Parámetro que depende de la forma de la pila.f4

= Parámetro en función del ángulo de ataque del flujo y larelación entre la longitud de la pila y el ancho de la pila.

Ki = Factor de corrección por intensidad del flujo.

KD =

Factor de corrección por tamaño del sedimento.K

= Factor de corrección por gradación del sedimento.a’ = Ancho proyectado de la pila con relación al ángulo de

ataque del flujo.D

50 = Diámetro de la partícula de lecho en una mezcla cuyo 50%

es menor.K

c = Factor de corrección por la forma del lecho, usualmenteigual a 1.1.

Ka = Factor de corrección por acorazamiento del sedimento dellecho.

Vlp =Velocidad límite de erosión en lecho viva.



Este artículo es citado así:

Campa-Rodriguez, A., F.R. Astorga-Bustillos. 2015. Métodos para el cálculo de la socavación local en pilas depuentes. TECNOCIENCIA Chihuahua 9(1): 36-48.

Resumen curricular del autor y coautores

ANTONIO CAMPA RODRÍGUEZ. Obtuvo el título ingeniero civil en el año de 1993 en la Universidad Autónoma de Zacatecas, el grado de Maestroen Ingeniería con especialidad en Vías Terrestres en el año de 1997 en la Universidad Autónoma de Chihuahua, el grado de Maestroen Administración de la Construcción en el Instituto Tecnológico de la Construcción de la Cámara Mexicano de la Industria de laConstrucción, en el año 2003. Es ingeniero residente de construcción en la Secretaría de Comunicaciones y Obras Públicas del Estadode Chihuahua desde el año 1997 a la fecha. Estudiante del programa de Doctorado en la Facultad de Ingeniería de la UniversidadAutónoma de Chihuahua desde el año 2009.

FERNANDO RAFAEL ASTORGA BUSTILLOS. Terminó su licenciatura en 1987 como ingeniero civil en la Facultad Ingeniería de la UniversidadAutónoma de Chihuahua (UACH). Maestría en Ingeniería de las Vías terrestres en 1988 en la Facultad de Ingeniería de la UACH.Maestría en Ingeniería Ambiental en 2007 en la Universidad de Texas en El Paso. Doctorado en Ciencia de Materiales en 2010 porel Centro de Investigación de Materiales Avanzados (CIMAV). Desde 1988 labora en la Universidad Autónoma de Chihuahua, dondeha ocupado puestos administrativos: jefe del departamento de construcción y mantenimiento de la UACH de 1988 a 1992.Secretario administrativo de la Facultad de Ingeniería de la UACH de 1994 a 1998. Profesor-Investigador en la Facultad de Ingenieríadesde 1988 a la fecha, con categoría ATC. Presidente de academias en la Facultad de Ingeniería de la UACH: Academia deUrbanismo, Academia de Doctorado y Academia de Ambiental. Consejero Técnico de la Facultad de Ingeniería y ConsejeroUniversitario de la UACH. Ha sido conferencista en congresos Nacionales e Internacionales. Área de especialización ImpactoAmbiental y Vías Terrestres. Consultor de Gobierno del estado de Chihuahua, donde ha publicado 10 planes de Desarrollo Urbanoy 3 planes de Ordenamiento Territorial. Ha llevado a cabo 30 estudios de Manifiesto de Impacto Ambiental para construcción defraccionamientos. Estudios de Cambio de Uso del Suelo para cuatro carreteras y tres presas. Supervisión ambiental para unacarretera a cargo de la SCT en el estado de Jalisco. Publicación de 11 artículos en revistas arbitradas. Actualmente dirige cuatroalumnos de doctorado, diez alumnos de maestría y a tres alumnos de licenciatura. Evaluador de CACEI desde 1998. Pertenece alColegio de Ingenieros Civiles de Chihuahua A.C. donde ha ocupado diversos puestos en las mesas directivas.


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