Socavación General y Erosión Local alrededor de Pilares y Estribos

SOCAVACION NORMAL O GENERAL Y EROSION LOCAL ALREDEDOR DE

PILARES Y ESTRIBOS

Manuel García Naranjo B.

SOCAVACION NORMAL O GENERAL

Se entiende por socavación normal el descenso delfondo de un río que se produce al presentarse unacreciente. Se origina por el aumento de la capacidadde arrastre material sólido que en ese momentoadquiere la corriente, en virtud de la mayor velocidadde flujo.

SOCAVACION EN ESTRECHAMIENTOS

Se entiende por socavación en estrechamientos aquellaque se produce por el aumento en la capacidad dearrastre de sólidos que adquiere una corriente cuandosu velocidad aumenta por efecto de una reducciónhidráulica en su cauce. Este efecto es particularmenteimportante en puentes.

SOCAVACION EN CURVAS

Se entiende por socavación en curvas aquella que seproduce por el aumento de la velocidad de los fileteslíquidos que se desplazan hacia la parte externa de unacurva. Como consecuencia de la mayor capacidad dearrastre de sólidos hacia la parte externa que internade una curva, la profundidad de erosión es mayor en laparte del cauce exterior a la curva que en la interior.

EROSION EN MARGENES

Es la erosión que las aguas de una corriente producenen los materiales térreos deleznables o solubles queformen sus orillas. El efecto es especialmente severoen crecientes, por el aumento del poder erosivo de lacorriente a causa de su mayor velocidad.

EROSION ALREDEDOR DE PILARES

Se refiere a la socavación local que se produce en lavecindad de pilares de puentes cuando los cambios enlas condiciones hidráulicas de la corriente motivadospor la presencia del pilar dan lugar a que la capacidadde arrastre supere localmente al aporte de caudalsólido.

EROSION ALREDEDOR DE PILARESLos parámetros que influyen en la socavación local alrededor depilares de puentes son los siguientes:Parámetros hidráulicos:• Velocidad media de la corriente• Tirante de agua frente al pilar• Distribución de velocidades de la corriente• Dirección de la corriente respecto al eje del pilarParámetros del fondo:• Diámetro de las partículas• Distribución granulométrica del material del fondo• Forma de las partículas sólidas• Grado de cohesión o cementación• Peso específico sumergido del material sólido• Estratificación del subsuelo

EROSION ALREDEDOR DE PILARESParámetros geométricos del pilar:

• Ancho del pilar

• Relación largo – ancho

• Perfil de la sección horizontal del pilar (sección en planta)

Parámetros de ubicación del puente:

• Contracción en la sección

• Forma del río en planta

• Obras de control de la descarga que se haya construido aguasarriba o aguas abajo.

CÁLCULOS DE SOCAVACIÓN GENERAL EN SUELOS NO COHESIVOS

Los cálculos de socavación general se pueden efectuarconsiderando el procedimiento planteado por Lischtvan-Lebediev, el cual se encuentra descrito de manera detallada en elTomo III del libro de Mecánica de Suelos de Juárez Badillo y RicoRodríguez, Noriega Limusa Editores, 1994, páginas 366-378.En el análisis de la socavación general mediante este método sehace uso de las siguientes variables definidas:


Qd: caudal máximo de avenidas correspondiente a un periodode retorno seleccionado.Be: ancho superficial del río o curso natural en la sección enestudio. Al ancho total debe descontarse el ancho efectivo de lospilares.Hm: tirante medio de la sección, el cual se obtiene dividiendo elárea hidráulica entre el ancho efectivo, Be.: coeficiente de contracción, que toma en cuenta el efecto de lapresencia de pilares y estribos, cuando hay un puente localizadoen el tramo en análisis. Si se considera que el efecto decontracción es despreciable o no hay obstáculos en el cauce, elcoeficiente que se adopta es = 1. Los valores de a adoptar seindican en la tabla siguiente:


: coeficiente dado por la siguiente ecuación:

e

3/5

m BH

Qd

donde todos los términos tiene el significado ya señalado.


Ho: profundidad máxima de la sección antes de la erosión., beta: el coeficiente se obtiene de la tabla A-3.2 de lareferencia antes señalada. es función de la probabilidad anual(en %) de que se presente el gasto o caudal de diseño.


dm: diámetro medio (en mm) de los granos del fondo.x: exponente variable que depende del diámetro del material yque se encuentra en la tabla A-3.3 de la referencia anteriormenteseñalada.


Hs: profundidad socavadaSegún el planteamiento de Lischtvan-Lebediev, la erosión sedetendrá cuando a una profundidad alcanzada, el valor Vr de lavelocidad de la corriente capaz de producir arrastre llega a serigual al valor Ve correspondiente a la velocidad que se necesitapara que el fondo se degrade (erosione).Las expresiones de Ve y Vr son las siguientes:

x

s

28.0

me Hd68.0v s

3/5

o

rH

Hv

La profundidad de socavación se deduce aplicando la condiciónde equilibrio, esto es: vr = ve ó

x

sm

s

o HdH

H 28.03/5

68.0


De la expresión anterior se despeja Hs y con ello se deduce laprofundidad de socavación:

Prof. de socav. = Hs – HoLa imagen adjunta muestra el proceso de cálculo seguidohaciendo uso de una hoja excel.

CÁLCULOS DE EROSION ALREDEDOR DE PILARES

METODO DE LAURSEN Y TOCHDe acuerdo con este método, cuando la mayordimensión transversal del pilar está alineado con elflujo, la socavación puede calcularse con la expresión:

So = K1 K2 bdonde:So – profundidad de socavación, medida desde el fondoK1 – coeficiente que depende de la relación tirante deagua entre ancho del pilar (H/b) (ver gráfico)K2 – coeficiente que depende de la forma del extremodel pilar que da frente a la corriente incidenteb – ancho del pilar


Cuando la corriente incide oblicuamente y forma un ángulo conel eje del pilar, la socavación puede determinarse con la expresión:

So = K1 K3 bdonde K3 depende del ángulo y de la relación longitud del pilar(a) entre ancho del pilar (b) (ver gráfico)


Coeficiente K2

CÁLCULOS DE EROSION ALREDEDOR DE PILARESTabla de Valores de Kf

Tabla de Valores de K


En este método se establece como límites:ds ≤ 2.4a para Fr ≤ 0.8ds ≤ 3.0a para Fr > 0.8

SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS

Es análoga a la erosión local en pilares. Se la distingue por algunas diferencias en los métodos teóricos y experimentales de evaluación

CÁLCULOS DE SOCAVACION AL PIE DE ESTRIBOS

METODO DE LIU, CHANG Y SKINNEREste método se basa en las siguientes hipótesis:• La socavación se produce en un lecho móvil• Los estribos se proyectan dentro del cauce principal, tal como

lo muestra la figura• No existe flujo sobre las bancas del cauce de inundación• El largo del estribo (ver figura) es menor que 25 veces la

profundidad media del agua (L/h < 25)• El flujo es subcrítico• El Lecho del cauce es arenoso• Las ecuaciones deben ser ajustadas por un factor de corrección

Kθ para considerar el efecto del ángulo de incidencia del flujo.


METODO DE LAURSENEste método se basa en las siguientes hipótesis:• Los estribos se proyectan dentro del cauce principal y tienen pared

vertical• No existe flujo sobre las bancas del cauce de inundación.• El largo del estribo es menor que 25 veces la profundidad media del

agua (L/h < 25)• Las ecuaciones dan profundidades de socavación máximas e incluyen

el efecto de la socavación por contracción, por lo que no se requiereincluir el efecto de la contracción del cauce para obtener lasocavación total

• Se recomienda considerar un valor máximos de ds/h igual a 4.0.• Las ecuaciones dadas por Laursen deben resolverse por tanteos.• Las ecuaciones deben ser ajustadas por un factor de corrección Kθ

para considerar el efecto del ángulo de incidencia del flujo.


donde:h - profundidad media del flujo aguas arriba en el cauce principalL - longitud del estribo y accesos al puente que se opone al pasodel aguaLa ecuación se aplica a estribos con pared vertical. La profundidad de socavación resultante deben afectarse por un factor de corrección Kf para tener en cuenta el efecto de otras formas:Kf = 0.9 para estribos con aleros inclinados a 45°Kf = 0.8 para estribos con pared inclinada hacia el cauce


METODO DE FROELICHds - profundidad de socavación, en mhe - profundidad media del flujo (profundidad hidráulica) en lazona de inundación obstruida por el estribo aguas arriba delpuente, en mKf - coeficiente que depende de la forma del estribo

Socavación General y Erosión Local alrededor de Pilares y Estribos

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