Post on 27-Dec-2015
SOCAVACION EN PUENTES
LUIS ALBERTO CAMPUZANO CASTRO
Ingeniero Civil
Magister of Science
OBJETIVO
Determinar el perfil de socavación
de un río para diseñar un puente,
utilizando datos obtenidos en los
estudios de ingeniería.
PROBLEMA:
¿Qué datos de los estudios de
ingeniería se necesitan para
obtener un perfil de socavación?
SOCAVACION
SE ENTIENDE POR
SOCAVACION LA
ACCION DE
EXCAVAR
(EROSIONAR) LAS
ORILLAS O EL
FONDO DE UN
RIO, PUEDE SER
NATURALMENTE
O POR MEDIO DE
LA
INTERVENCION
DEL HOMBRE
TIPOS DE SOCAVACION O
EROSION EN PUENTES
TIPOS DE SOCAVACION
SOCAVACION NORMAL O GENERAL
SOCAVACION POR ESTRECHAMIENTO
SOCAVACION EN CURVAS
EROSION DE MARGENES
SOCAVACION LOCAL EN PILAS
SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS
SOCAVACION NORMAL O GENERAL
ES EL DESCENSO DEL
FONDO DE UN RIO QUE SE
PRODUCE AL
PRESENTARSE UNA
CRECIENTE O AVENIDA
MAXIMA
EXTRAORDINARIA, Y SE
DEBE AL AUMENTO DE LA
CAPACIDAD DE ARRASTRE
DEL MATERIAL SOLIDO
QUE EN ESE MOMENTO
ADQUIERE LA CORRIENTE,
EN VIRTUD DE SU MAYOR
VELOCIDAD
SOCAVACION POR
ESTRECHAMIENTO DEL CAUCE
LOS TERRAPLENES
DE ACCESO PUEDEN
OCASIONAR
ESTRECHAMIENTO
DE LA CORRIENTE
EN EPOCA DE
AVENIDAS
(REDUCCION DEL
CAUCE), CAUSANDO
UNA SOBRE
ELEVACION AGUAS
ARRIBA DEL PUENTE
(POSIBLE
INUNDACION)
EL INCREMENTO CONSIDERABLE DE LA ENERGIA
CINETICA DEL FLUJO EN EL ESTRECHAMIENTO,
PUEDEN PRODUCIR PROFUNDIDADES DE EROSIONES
EXCESIVAS EN LOS APOYOS, ESTO OBLIGA A
ESTIMAR NIVELES DE DESPLANTE DE LA
CIMENTACION MUCHO MAYORES O CONSTRUIR
OBRAS DE PROTECCION, LO QUE ELEVA LOS COSTOS
DEL PUENTE.
AVENIDA MAXIMA
EXTRAORDINARIA
SOCAVACION EN CURVAS
CUANDO EL RIO DESCRIBE UNA CURVA EXISTE
UNA TENDENCIA EN LOS FILETES LIQUIDOS
SITUADOS MAS LEJOS DEL CENTRO DE
CURVATURA, POR LO QUE LA PROFUNDIDAD DE
EROSION ES MAYOR EN LA PARTE DEL CAUCE
EXTERIOR DEL RIO.
EROSION EN
MARGENES
ES LA EROSION QUE
LAS AGUAS DE UNA
CORRIENTE
PRODUCEN EN LOS
MATERIALES
TERREOS
DELEZNABLES O
SOLUBLES QUE
FORMAN SUS
ORILLAS.
ESQUEMA DE EROSIONES
SOCAVACION LOCAL EN PILAS
ES AQUELLA QUE SE PRODUCE AL PIE DE LOS
OBSTACULOS RODEADOS POR LA
CORRIENTE DEBIDO AL CAMBIO DE LAS
CONDICIONES HIDRAULICAS DEL RIO
SOCAVACION LOCAL EN PILAS
SOCAVACION LOCAL DE PILAS DE
PUENTES
SOCAVACION DE CIMENTACION
Y VOLTEO DE PILAS
HUNDIMIENTO DE PILA POR
SOCAVACION LOCAL
SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS
Aquella que se produce por obstáculos que
solamente desvían la corriente, pero que están
ligados a la orilla.(ESTRIBOS Y ESPIGONES)
SOCAVACION LOCAL EN
ESTRIBOS
SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS
CALCULO DE SOCAVACION NORMAL
O GENERAL DEL CAUCE
PARA DETERMINAR LA
SOCAVACION GENERAL
DE CAUCES SE TIENE
ALGUNOS METODOS
COMO EL DE LISCHTVAN-
LEBEDIEV.
PARA APLICAR ESTE
METODO, ES IMPORTANTE
CLASIFICAR LOS CAUCES
DE LOS RIOS SEGÚN SE
INDICA EN LA TABLA
ADJUNTA
CLASIFICACION DE CAUCES DE RIOS
CAUCES MATERIAL DE
FONDO
DISTRIBUCION DE
MATERIAL DE
FONDO
DEFINIDO
COHESIVO
HOMOGENEA
HETEROGENEA
NO COHESIVO
HOMOGENEA
HETEROGENEA
INDEFINIDO
COHESIVO
HOMOGENEA
HETEROGENEA
NO COHESIVO
HOMOGENEA
HETEROGENEA
DEFINIDO.- Cuando tiene orillas bien
marcadas y en época de estiaje toda la
corriente escurre por el mismo.(Fig. 1)
Figura 1. Sección de un río con cauce principal definido.
a) Cauce principal, con franco arrastre de material.
b) Cauce de avenidas, en algunas ocasiones cubierto
con algo de vegetación.
1) Nivel de aguas mínimas ordinarias.
2) Nivel de aguas máximas ordinarias.
EJEMPLO DE CAUCE DEFINIDO
RIO PITAL – SANTA ROSA – EL ORO
Figura 2. Sección de un río con cauce principal indefinido.
a) Posible cauce principal.
1) Nivel de aguas mínimas.
2) Nivel de aguas máximas ordinarias.
INDEFINIDO.- Cuando en el estiaje el fondo del
cauce tiene una superficie casi plana sobre la
que se forman dos o más cauces por los que el
río fluye simultáneamente (Fig. 2)
EJEMPLO DE CAUCE
INDEFINIDO
METODO DE LISCHTVAN - LEBEDIEV
Se fundamenta en la condición
de equilibrio entre la velocidad
real media de la corriente (Vr)
y la velocidad media del flujo
(Ve) que se requiere para
iniciar el arrastre de las
partículas del cauce del río,
cuyas características son
conocidas (el método se aplica
independientemente de que la
distribución del material del
subsuelo sea homogénea o
heterogénea.
DATOS REQUERIDOS PARA APLICAR EL
METODO DE LISCHTVAN-LEBEDIEV
EL CAUDAL (GASTO) MAXIMO DE DISEÑO (Qd)
NIVEL DEL AGUA, EN EL RIO, EN LA SECCION
DEL CRUCE, PARA EL CAUDAL MAXIMO DE
DISEÑO (NAME).
SECCION TRANSVERSAL EN EL CRUCE,
OBTENIDA DURANTE EL ESTIAJE ANTERIOR.
TIPO DE SUELO DEL CAUCE. SI EL SUELO ES
GRANULAR, SE NECESITARA LA
GRANULOMETRÍA PARA DETERMINAR EL
DIAMETRO (Dm). SI EL SUELO ES COHESIVO,
SE REQUERIRA OBTENER EL PESO
VOLUMETRICO SECO (γs)
CALCULO DE LA VELOCIDAD REAL MEDIA
DE LA CORRIENTE ( Vr )
Para cualquier profundidad alcanzada
(1)
donde:
H0 = Profundidad inicial existente, en la sección del
cruce (m).
Hs = Profundidad después de producirse la
socavación, en la sección del cruce (m).
= Coeficiente que se determina a base de los
datos obtenidos, con la expresión:
sH
HVr
35
0
CUMPLIMIENTO DEL VALOR DE Vr
La expresión 1 se
cumplirá en la
medida en que el
ancho de la
sección del cruce
permanezca
constante durante
la avenida, y el
fondo del cauce
desciende
uniformemente en
todo el ancho de la
sección.
CALCULO DE LA VELOCIDAD REAL MEDIA
DE LA CORRIENTE ( Vr )
donde:
Qd = Caudal o gasto de diseño.
Be = Ancho efectivo en la sección del cruce (m).
Para determinar Be, se traza una perpendicular a la línea
de corriente. Sobre esta proyectan todas las pilas
(obstáculos) y se suman los espacios libres. De esta
manera considerará también el esviajamiento de la
corriente.
Hm = Tirante medio de la sección del cruce (m).
Se determina dividiendo el área hidráulica entre el ancho
efectivo.
= Coeficiente que considera la contracción producida
por las pilas (Tabla 1).
BeHm
Qd
35 (2)
CUMPLIMIENTO DEL VALOR DE Vr
La expresión 2 se cumple solo en tramos del
río donde el cauce principal de agua, durante
el estiaje, ocupa todo su ancho.
En los ríos donde el ancho durante el estiaje
es mucho menor que el correspondiente a la
época de avenidas, se formaran bancos donde
puede crecer vegetación, que provocará una
disminución de velocidad y aumento de
rugosidad, por lo tanto es importante mantener
libre de vegetación, la sección de cruce y en
tramos longitudinales aguas arriba y aguas
abajo.
CALCULO DE LA VELOCIDAD MEDIA DEL
FLUJO ( Ve )
Para suelos friccionantes
(3)
Para suelos cohesivos
(4)
Donde:
= Coeficiente que considera el periodo de retorno del caudal de diseño (Tabla 2).
x = Exponente variable, tiene valor diferente en cada expresión (Tabla 3). Para suelos friccionantes, su valor depende de Dm (mm), para suelos cohesivos, depende de γs (ton/m3).
x
sm HDV ***68,028.0
0
x
ss HV ***60,018.1
0
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACION
(Hs) PARA SUELOS HOMOGENEOS, IGUALANDO
Ve y Vr
Se conoce el tipo de suelo de la sección del cruce
y se supone que la rugosidad es constante
Para suelos friccionantes:
(5)
Para suelos cohesivos:
(6)
x
mD
HHs
1/1
28.0
35
0
68,0
x
s
HHs
1/1
18.1
35
0
60,0
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE
SOCAVACION (Hs) PARA RUGOSIDAD NO
UNIFORME EN LA SECCION DEL CRUCE:
Cuando en la sección del cruce existen dos o
más sectores con diferentes profundidades el
procedimiento de cálculo es similar (en cada
sector determinar el valor α)
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE
SOCAVACION (Hs) PARA SUELOS
HETEROGENEOS:
En cada eje vertical se selecciona el estrato
superior y de acuerdo con sus características
se aplica la ecuación adecuada (5 o 6)
CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL
CASO DE ESTRATIGRAFIA NO UNIFORME
INFORMACION GENERAL
Se requiere calcular la socavación general en la
sección transversal de un cauce, en el sitio
de emplazamiento de un puente, ubicado
perpendicularmente a la corriente, que tendrá
una longitud aproximada de 80 metros con
cuatro luces de 20 metros
Tabla 4. Características geométricas e
hidráulicas sección transversal de cauce,
en sitio de cruce.
Caudal máximo (m3/s) 664,0
Periodo de retorno (años) 100,0
Nivel superficie libre, caudal máximo (msnm) 76,2
Rugosidad uniforme
Ancho superficie libre del agua (m) 66,5
Separación entre pilas del puente (m) 20,0
Área hidráulica, nivel 76,20 msnm (m2) 237,0
Tirante medio (m) 3,7
Velocidad media (m/s) 2,8
Tabla 5. Características geotécnicas
sección transversal de cauce, en sitio de
cruce
Exploración y muestreo:
Se realizaron 4 perforaciones, en el sitio de cruce, pudiendo establecer que la estratigrafía está constituida por estratos de arena de gradación variable, intercalados con estratos arcillo-limosos de consistencia variable.
Datos
Diámetro medio de arena
Diámetro media arena gruesa
Peso volumétrico seco arcilla
0,40 mm
1,50 mm
1,40 t/m3
El perfil de la sección transversal del cauce, en el sitio del cruce y la estratigrafía del subsuelo se presentan en la Fig, 3
Fig. 3
Sección transversal del cauce en el sitio del cruce
PROCEDIMIENTO DE CALCULO
a) Para el cálculo de α, se aplica la ecuación (2)
a.1) El coeficiente μ, de la Tabla 1, para la longitud
entre pilas de 20 m. y velocidad media de 2,8
m/s, se obtiene μ=0,955.
a.2) Considerando que el puente no está esviajado
respecto a la corriente, el ancho efectivo (Be)
será igual al ancho de la superficie libre del
agua, correspondiente al caudal máximo (B)
menos la suma de los anchos de las pilas
supuestas (Σpi). Para el caso, el ancho
efectivo (Be) será igual a 64,0 m.
Be = B – Σpi = 66,5 – 2,5 = 64,0 m.
a 3) Por lo tanto el valor de α es igual a 1,23
Tabla No.- 1 COEFICIENTE DE
CONTRACCION μ
Velocidad media
en sección
cruce m/seg
Longitud libre entre dos pilas (claro) en m
10 13 16 18 21 25 30 42 52 63 106 124 200
< 1,0 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,0 0,98 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,5 0,94 0,95 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00 1,00
2,0 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 1,00
2,5 0,9 0,93 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 1,00
3,0 0,89 0,91 0,93 0,94 0,95 0,96 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99
3,5 0,87 0,90 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99
4,0 ó + 0,85 0,89 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,95 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99
PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE β
b ) Cálculo de β .- El valor del coeficiente β =
1,0 se obtiene de la Tabla 2, de acuerdo con
el período de retorno establecido para el
caudal máximo de diseño (100 años).
Tabla No.- 2 COEFICIENTE β
Periodo retorno
en años Coeficiente
1 0,77
2 0,82
5 0,86
10 0,90
20 0,94
50 0,97
100 1,00
500 1,05
1.000 1,07
Tabla No.- 3 VALORES DE “X” y “1/(1+X)” PARA
SUELOS COHESIVOS O FRICCIONANTES
SUELOS COHESIVOS SUELOS FRICCIONANTES
γs x 1/(1+x) γs x 1/(1+x) Dm(mm) x 1/(1+x) Dm(mm) x 1/(1+x)
0,80 0,52 0,66 1,20 0,39 0,72 0,05 0,43 0,70 40 0,30 0,77
0,83 0,51 0,66 1,24 0,38 0,72 0,15 0,42 0,70 60 0,29 0,78
0,88 0,50 0,67 1,28 0,37 0,73 0,50 0,41 0,71 90 0,28 0,78
0,88 0,49 0,67 1,34 0,36 0,74 1,00 0,40 0,71 140 0,27 0,79
0,90 0,48 0,68 1,40 0,35 0,74 1,50 0,39 0,72 190 0,25 0,79
0,93 0,47 0,68 1,45 0,34 0,75 2,50 0,38 0,72 250 0,25 0,80
0,96 0,48 0,68 1,52 0,33 0,75 4,00 0,37 0,73 310 0,24 0,81
0,98 0,45 0,69 1,58 0,32 0,76 8,00 0,36 0,74 370 0,23 0,81
1,00 0,44 0,69 1,64 0,31 0,76 8,00 0,35 0,74 450 0,22 0,82
1,04 0,43 0,70 1,71 0,30 0,77 10,00 0,34 0,75 570 0,21 0,83
1,08 0,42 0,70 1,80 0,29 0,78 15,00 0,33 0,75 750 0,20 0,83
1,12 0,41 0,71 1,89 0,28 0,78 20,00 0,32 0,76 1000 0,19 0,84
1,16 0,40 0,71 2,00 0,27 0,79 25,00 0,31 0,76
PROCEDIMIENTO DE CALCULO 1/(1+X)
c ) Cálculo de 1/(1+X) .- El valor de X, para los
diferentes suelos se obtiene de la Tabla 3, de
conformidad con el diámetro medio del material
o el peso volumétrico seco del mismo.
Dm
γs
x (1/1+x)
Arena 0,4 mm 0,41 0,71
Arena
gruesa 1,5 mm 0,39 0,72
Arcilla-
limosa 1,4 t/m3 0,35 0,74
PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE LA
ALTURA DE SOCAVACION: Hs
d) Calculo de Hs .- Se lo calcula para cada estrato, a partir
del tirante de agua existente entre el NAME y el fondo de
la sección original, aplicando las ecuaciones 5 o 6.
PROCESO.- Se calcula la profundidad Hs en el punto deseado
con los datos del primer estrato. Si el valor obtenido es
igual o menor al tirante (Ho) más el espesor del estrato, el
cálculo es CORRECTO. Si por el contrario Hs es mayor, se
calcula nuevamente con los datos correspondientes al
estrato subsiguiente y así sucesivamente, hasta lograr un
valor de Hs que se localice dentro del estrato analizado en
ese tanteo. Es conveniente tabular las profundidades de
los estratos, coincidente con la vertical del punto en
estudio.
En la Tabla 6 se presenta en forma resumida el cálculo de la
profundidad de la socavación general, para los puntos
seleccionados. Así mismo en la Figura 4 se presenta
gráficamente el perfil probable de la socavación.
Tabla No.- 6 Socavación general: Determinacion de
profundidad (método Lischtvan-Lebediev)
Caso: Estratigrafía heterogénea.
γ s
Punto 1 2 3 4 5 6 7
Estrato 1 1 2 1 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2
Materi
al
arena
f.
arena
f. arcilla
arena
f.
arcill
a
arena
grava
arena
f.
arcill
a
arena
f.
arcill
a
arena
f.
arcill
a
arena
f.
arcill
a
Qd 664 664 664 664 664 664 664 664 664 664 664 664 664 664
Hm 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70 3,70
Be 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00 64,00
0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955 0,955
1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23 1,23
Tr 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
γs 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40
Dm 0,40 0,40 0,40 1,50 0,40 0,40 0,40 0,40
X 0,41 0,41 0,35 0,41 0,35 0,39 0,41 0,35 0,41 0,35 0,41 0,35 0,41 0,35
1/(1+x) 0,71 0,71 0,74 0,71 0,74 0,72 0,71 0,74 0,71 0,74 0,71 0,74 0,71 0,74
Ho 2,00 3,50 3,50 5,00 5,00 5,00 4,50 4,50 4,00 4,00 3,20 3,20 2,50 2,50
Hs(c) 5,73 8,95 7,84 6,77 5,12 3,76
Hs(f) 4,15 8,05 12,27 9,74 10,84 9,43 7,24 5,40
Figura 4
Perfil probable de socavación en la sección transversal
del cruce (estratigrafía no uniforme)
Tabla No.- 7 Socavación general: determinación
de profundidad (método Lischtvan-Lebediev)
Caso: Estratigrafía uniforme
Figura 5
Perfil probable de socavación en la sección transversal
del cruce (estratigrafía uniforme – suelo friccionante)
Figura 6
Perfil probable de socavación en la sección transversal
del cruce. (estratigrafía uniforme – suelo cohesivo)
OTROS TIPOS DE SOCAVACIONES
SOCAVACION TRANSVERSAL
Se puede aplicar el método para socavación
general (Hs), considerando las reducciones del
área efectiva (Ao) y el ancho efectivo (Be)
Se puede establecer aproximadamente la socavación transversal con la fórmula de STRAUB (H2), solamente si el suelo es arenoso y la distribución del material es homogénea, considerando el subindice 2 para la sección reducida y el subindice 1 para la sección inalterada aguas arriba.
1
942,0
2
12 H
B
BH
SOCAVACION LOCAL AL PIE DE PILAS
DE PUENTES (método Maza y Sánchez)
Normas Interinas de Diseño de Carreteras y Puentes, CORPECUADOR
SOCAVACION DE ESPIGONES
SOCAVACION DE ESPIGONES
SOCAVACION LOCAL FRENTE A
ESTRIBOS Y ESPIGONES DE PUENTES
Se recomienda el método de Artamanov
(8)
donde:
P = Factor que depende del ángulo de
esviajamiento.
Pq = Factor que depende de la relación Q1/ Q.
Q1 = Caudal teórico que pasaría por el área ocupada por el estribo.
Q = Caudal total que escurre por el río.
Pk = Factor que considera el talud de los lados del
estribo o esplgón.
0*** HPPPS kqT
TAREAS
Calcular y graficar el perfil de
socavación del río en donde se
implantará el puente en estudio
(trabajo grupal)
Revisar la SECCION 3: CARGAS Y
FACTORES DE CARGA, de las
Especificaciones AASHTO para el
diseño de puentes por el método
LRFD.
TEMA PROXIMA CLASE
Cargas que
intervienen en el
diseño de un
puente.