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.