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PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.80

3. CLCULO DE LA SOCAVACINUNIVERSIDAD DEL CAUCAPARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES

3.i

CAPITULO 3

CLCULO DE LA SOCAVACIN EN PUENTES

3 CLCULO DE LA SOCAVACIN EN PUENTES .................................................................... 3.13.1 Clculo de la forma de socavacin......................................................................................... 3.53.2 Clculo de la socavacin general por contraccin ............................................................... 3.73.2.1 Mtodo de Lischtvan-Levediev ............................................................................................ 3.73.2.2 Mtodo de Straub ............................................................................................................... 3.123.2.3 Mtodo de Laursen ............................................................................................................. 3.123.3 Clculo de la socavacin local en pilas ................................................................................ 3.163.3.1 Mtodo de Laursen y Toch (1953, 1956) ........................................................................... 3.173.3.2 Mtodo de Larras (1963) .................................................................................................... 3.213.3.3 Mtodo de Arunachalam (1965, 1967) ............................................................................... 3.243.3.4 Mtodo de Carsten (1966) .................................................................................................. 3.243.3.5 Mtodo de Maza-Snchez (1968) ....................................................................................... 3.243.3.6 Breusers, Nicollet y Shen (1977)........................................................................................ 3.293.3.7 Mtodo de Melville y Sutherland ....................................................................................... 3.303.3.8 Mtodo de Froehlich (1991) ............................................................................................... 3.353.3.9 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU)....................................................... 3.363.4 Socavacin cuando el puente est actuando bajo presin ................................................. 3.393.5 Factor de correccin para la socavacin en pilas de gran ancho...................................... 3.393.6 Efecto del tipo y localizacin de la cimentacin sobre la socavacin local en pilas......... 3.403.6.1 Uso del componente que domina en el conjunto pila/cimentacin..................................... 3.423.6.2 Socavacin para fundaciones complejas de pilas ............................................................... 3.433.6.2.1 Introduccin ............................................................................................................... 3.433.6.2.2 Mtodo de anlisis basado en la superposicin de los componentes de socavacin ... 3.453.6.2.3 Determinacin del componente de socavacin debido a la pila ................................ 3.463.6.2.4 Determinacin del componente de socavacin debido a la placa de cimentacin (losade fundacin)................................................................................................................................. 3.473.6.3 Determinacin del componente de socavacin debido al grupo de pilotes......................... 3.523.6.4 Determinacin de la socavacin total para una pila compleja ............................................ 3.573.7 Efecto sobre la socavacin de grupos de pilotes expuestos................................................ 3.573.8 Efecto de la acumulacin de basura en las pilas ................................................................ 3.593.9 Efecto del tiempo de duracin de la creciente .................................................................... 3.603.10 Efecto del espaciamiento entre las pilas .............................................................................. 3.603.11 Tamao del hueco de socavacin local en las pilas ............................................................ 3.603.12 Clculo de la socavacin local en estribos........................................................................... 3.613.12.1 Mtodo de Liu, Chang y Skinner........................................................................................ 3.643.12.2 Mtodo de Artamonov ........................................................................................................ 3.653.12.3 Mtodo de Laursen ............................................................................................................. 3.663.12.4 Mtodo de Froehlich........................................................................................................... 3.683.12.5 Mtodo de Melville ............................................................................................................ 3.703.12.6 Mtodo HIRE ..................................................................................................................... 3.743.13 Efecto del flujo en las sobrebancas sobre la socavacin en estribos que se proyectan hasta el cauce principal ................................................................................................................................ 3.743.14 Efecto de estribos alejados del cauce principal y de puentes de alivio ............................. 3.753.15 Efecto de estribos que llegan al borde del cauce principal ................................................ 3.763.16 Comentarios sobre los mtodos de clculo de la profundidad de socavacin local......... 3.77

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES

3.ii

INDICE DE FIGURAS

Figura 3.1 Nomenclatura tpica para el clculo de la socavacin. ............................................................. 3.4

Figura 3.1 d Seccin transversal del cauce................................................................................................. 3.5

Figura 3.2 Zonas de la seccin transversal del cauce. ................................................................................ 3.6

Figura 3.2.a. Velocidad de cada (w) para partculas de arena. HEC-18. 1993. ....................................... 3.15

Figura 3.3 Comparacin de ecuaciones para el clculo de socavacin local con socavaciones medidas enel campo segn Jones. HEC-18. 1993. ..................................................................................................... 3.17

Figura 3.4 Coeficiente Kf. Mtodo de Laursen y Toch. Adaptada de Jurez Badillo E. y Rico RodrguezA. (1992). ........................................................................................................................................ 3.19

Figura 3.5 Coeficiente Kg. Mtodo de Laursen y Toch. Adaptada de Jurez Badillo E. y Rico RodrguezA. (1992). ........................................................................................................................................ 3.19

Figura 3.6 Coeficientes K . Mtodos de Laursen y Toch, Breusers, Nicollet y Shen y Melville ySutherland. Adaptada de Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. (1992)................................................. 3.20

Figura 3.7 Formas usuales de pilas. Mtodo de Larras. Higuera C. y Prez G., 1989. .......................... 3.23

Figura 3.8 Clculo de la socavacin local para una pila rectangular. Adaptada de Maza Alvarez, J. A. (1987). ........................................................................................................................................ 3.26

Figura 3.9 Clculo de la socavacin local para una pila circular. Adaptada de Maza Alvarez, J. A. (1987).3.27

Figura 3.10 Clculo de la socavacin local para una pila elongada. Adaptada de Maza Alvarez, J. A. (1987). ........................................................................................................................................ 3.28

Figura 3.11.a Diagrama de flujo para determinar la profundidad de socavacin local. Melville, B. W.,1988. ................................................................................................................................... 3.32

Figura 3.11.b. Diagrama de flujo para determinar la velocidad lmite de acorazamiento Va. Melville, B.W., 1988. ................................................................................................................................... 3.33

Figura 3.11.c. Curva de Shields para movimiento incipiente de sedimentos. ......................................... 3.34

Figura 3.12 Formas tpicas de pilas. HEC-18. 1993................................................................................. 3.37

Figura 3.12.a Tope de la cimentacin est por encima del lecho del ro.................................................. 3.41

Figura 3.12.b Tope de la cimentacin se encuentra por debajo del lecho del ro y dentro del hueco de socavacin. ................................................................................................................................... 3.41

Figura 3.12.c. Tope de la cimentacin est por debajo del hueco de socavacin. ................................... 3.42

Figura 3.13 Efecto de la cimentacin expuesta al flujo. HEC-18. 1995. ................................................. 3.43

Figura 3.14 Definicin de los componentes de socavacin para pilas complejas. HEC-18. (2001). ....... 3.45

Figura 3.15 Razn de socavacin de la pila suspendida. HEC-18. (2001)............................................... 3.47

Figura 3.16 Ancho equivalente de la placa de cimentacin. HEC-18. (2001). ........................................ 3.48

Figura 3.17 Esquema de la velocidad y profundidad del flujo frente a la placa de cimentacin expuesta. HEC-18. (2001). ....................................................................................................................................... 3.51

Figura 3.18 Ancho proyectado de las pilas, para el caso especial cuando los pilotes se encuentranalineados con el flujo. HEC-18. (2001).................................................................................................... 3.53

Figura 3.19 Ancho proyectado de las pilas para el caso general de las pilas sesgadas con respecto a la direccin del flujo. HEC-18. (2001)......................................................................................................... 3.54

Figura 3.20 Factor de espaciamiento de pila. HEC-18. (2001). ............................................................... 3.55

Figura 3.21 Factor de ajuste por el nmero de filas de pilotes alineadas. HEC-18. (2001). .................... 3.55

Figura 3.22 Factor de ajuste por la altura del grupo de pilotes. HEC-18. (2001). ................................... 3.56

Figura 3.23 Grupo de pilotes. HEC-18. 1995........................................................................................... 3.58

Figura 3.24 Cabezal en contacto con el lecho, en el flujo y en la superficie del agua. ............................ 3.58

Figura 3.25 Mltiples columnas sesgadas al flujo. HEC-18. 1995. ......................................................... 3.59

Figura 3.26 Ancho superior del hueco de socavacin. ............................................................................. 3.61

Figura 3.27 Algunos casos de obstruccin de estribos............................................................................. 3.63

Figura 3.28 Estribos que se prolongan hasta el cauce principal y no existe flujo en la zona de inundacin. HEC-18, 1993. ........................................................................................................................................ 3.64

Figura 3.29 Interseccin del flujo por los estribos. Mtodo de Artamonov. Jurez Badillo, E. y RicoRodrguez, A. (1992)................................................................................................................................ 3.65

Figura 3.30 Formas comunes de estribos. Mtodo de Froehlich. HEC-18, 1993. ................................... 3.69Figura 3.31 Factor de correccin K. Mtodo de Froehlich. HEC-18. 1993. .......................................... 3.69Figura 3.32 Factor de correccin por ngulo de ataque del flujo K. Melville, W. B., 1992. ................. 3.72

Figura 3.33 Estribo localizado en el cauce principal con influencia de flujo en las sobrebancas. HEC-18.1993. ........................................................................................................................................ 3.74

Figura 3.34 Estribos alejados del cauce principal y con puentes de alivio. HEC-18, 1993. .................... 3.75

Figura 3.35 Estribos situados al borde del cauce principal. HEC-18, 1993. ............................................ 3.77

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.iii

INDICE DE TABLASTabla 3.1 Factor de correccin por contraccin del cauce .(Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A.,1992). ............................................................................................................................................ 3.10

Tabla 3.2 Valores del coeficiente k1. HEC-18. 1993................................................................................ 3.14

Tabla 3.3 Factor de correccin Kf por forma de la pila. .......................................................................... 3.22Tabla 3.4 Factor de correccin K por ngulo de ataque del flujo. Mtodo de Larras. .......................... 3.23

Tabla 3.5 Factor de correccin fc Mtodo de Maza-Snchez. .................................................................. 3.25

Tabla 3.6 Valor de Dmximo. Melville, B. W., 1988. .................................................................................. 3.35

Tabla 3.7 Factor de correccin Kf ............................................................................................................ 3.36

Tabla 3.8 Factor de correccin por la forma de la pila Kf Mtodo CSU. HEC-18. 1993. ........................ 3.37

Tabla 3.9 Factor de correccin por el ngulo de ataque del flujo K. Mtodo CSU. HEC-18. 1993. ...... 3.37

Tabla 3.10 Factor de correccin por la forma del lecho Kc. Mtodo CSU. HEC-18. 1993...................... 3.38

Tabla 3.11 Criterios para adoptar Ka (HEC-18, 2001).............................................................................. 3.38

Tabla 3.12 Coeficiente de correccin K. Jurez B., E. y Rico R., A. (1992). ......................................... 3.66

Tabla 3.13 Coeficiente de correccin KQ. Jurez B., E. y Rico R., A. (1992). ........................................ 3.66

Tabla 3.14 Coeficiente de correccin Km. Jurez B., E. y Rico R., A. (1992). ........................................ 3.66

Tabla 3.15 Coeficiente por la forma del estribo Kf. Mtodo de Froehlich. HEC-18. 1993. ..................... 3.68

Tabla 3.16 Valores del factor de correccin Kf . Melville, W. B., 1992. ................................................. 3.72

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.iv

3 CLCULO DE LA SOCAVACIN EN PUENTES

El clculo de la profundidad de socavacin en un puente ha inquietado a los diseadores por mucho tiempo y ha atrado considerable inters por la investigacin en este campo. El enfoque dado al clculo de las mximas profundidades de socavacin en la actualidad, parte de suponer que sta depende de variables que caracterizan al flujo, al material del lecho en el cauce y a la geometra del puente, para terminar con una ecuacin emprica de tipo determinstico.

La determinacin de la socavacin a largo plazo y por migracin lateral de la corriente se basa mas en anlisis cualitativo y en la aplicacin de conceptos de mecnica de ros que en el uso de frmulas empricas. Por otro lado, existen muchas ecuaciones para calcular la profundidad de socavacin en pilas, pero, solo hay algunas aplicables para el caso de estribos y la socavacin general por contraccin u otras causas. Sin embargo, no existe una obvia similitud entre las ecuaciones, ni en su apariencia ni en sus resultados, y adems, se tiene poca verificacin de su aplicabilidad con informacin de campo.

Hay mucha incertidumbre sobre el uso de las ecuaciones y sobre cul representa mejor las condiciones reales del ro y del puente. Esto hace difcil establecer una sola ecuacin que sea lo suficientemente precisa y segura para estimar las profundidades de socavacin debido al alto grado de incertidumbre existente y a las muchas variables involucradas en el problema como son: flujo no permanente, caudal de diseo, geometra de las estructuras, turbulencia, tamao y distribucin del sedimento, caractersticas hidrulicas durante crecientes, ngulo de ataque del flujo, presencia de basuras y tiempo de duracin de la creciente.

Poca informacin existe sobre modelos tericos para estimar la socavacin. Algunos ejemplos de estos intentos son: a) Los investigadores D. Subhasish, K. B. Sujit y L. N. S. Ghandikota (1995) han tratado de desarrollar un modelo en tres dimensiones para el flujo alrededor de pilas circulares en un hueco socavado casi en equilibrio bajo condiciones de agua clara. Para ello, han estudiado experimentalmente la socavacin local en pilas y adems han expresado en forma terica los componentes de velocidad para diferentes partes del flujo alrededor de la pila. Las ecuaciones por ellos deducidas satisfacen la ecuacin de continuidad y se ajustan bastante bien a las mediciones experimentales con que las verificaron por lo que sus autores piensan que se podra usar para simular el flujo en prototipo. b) A. Ferdous y R. Nallamuthu, (1997), han realizado quiz el primer intento de aplicar modernas teoras de capa lmite en flujo turbulento en tres dimensiones analizando los casos de pilas circulares sobre lecho liso, lecho fijo rugoso y lecho mvil rugoso permitiendo el desarrollo del hueco de socavacin. Los modelos usados se comportaron mejor en las secciones alejadas de la pila pero no representan muy bien la realidad en su proximidad.

Es evidente que el flujo alrededor de una pila es muy complejo para ser analizado tericamente y es muy variado para sacar conclusiones de unas pocas investigaciones experimentales, por lo que se requiere de ms investigacin en el futuro para aclarar el comportamiento del flujo en tres dimensiones alrededor de una pila bajo diferentes condiciones de frontera.

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.1

existe todava una solucin terica vlida, por lo que toca recurrir a los resultados de investigaciones experimentales de laboratorio basadas en anlisis dimensional, que como se ha anotado, arrojan resultados muy dispares y en algunos casos contradictorios. Las ecuaciones disponibles hasta la fecha son envolventes a resultados obtenidos de modelos fsicos de laboratorio y muchas veces las profundidades de socavacin son exageradas especialmente para el caso de estribos.

El problema de determinar la socavacin local en una pila est ms o menos resuelto, pero, todava no existe una solucin confiable y concisa para el caso de los estribos. Los mtodos para evaluarla, superponen los efectos de la socavacin por contraccin y la socavacin local lo cual es otro factor que lleva a sobre-estimar las profundidades de socavacin puesto que en la realidad, son acciones simultneas. Las ecuaciones disponibles hasta la fecha para calcular socavaciones en las diferentes estructuras de un puente, tanto construido como por construir, dan solo un orden de magnitud para saber alrededor de qu valor va a estar la profundidad mxima de socavacin real.

El programa de computador HEC-RAS Versin 3.1.1 (2003) permite realizar la hidrulica en la zona del puente y hacer clculos de profundidades de socavacin local en pilas y en estribos usando las ecuaciones recomendadas en HEC-18, 2001, (Ver Captulo 2). Por otra parte, el programa HEC-6 Versin 4.1, es un modelo numrico en una dimensin de canales en lecho mvil y sirve para simular y predecir cambios en el perfil del lecho resultantes de procesos de sedimentacin y/o degradacin a lo largo de perodos moderados de tiempo, tpicamente aos, aunque tambin son posibles simulaciones para crecientes independientes. Algunas caractersticas del HEC-6 incluyen: anlisis de sistemas de corrientes, dragado de cauces, correcciones con diques y uso de varios mtodos para calcular tasas de transporte de sedimentos. Este programa HEC-6 podra usarse complementariamente para evaluar cambios a largo plazo en ros en asocio con el programa HEC-RAS para los clculos de socavacin en el puente propiamente dichos.

La socavacin es en resumen, la combinacin de varios factores, unos a largo plazo y otros transitorios durante crecientes. Aunque la mayora de los fallos de puentes ocurren durante las crecientes no se pueden desestimar los otros, pero en esta seccin se dar nfasis al clculo de la socavacin general por contraccin y a la local en pilas y en estribos. Mtodos para evaluar la socavacin general sin la influencia de la contraccin del puente, la socavacin a largo plazo y por migracin lateral de la corriente se incluyen en la Parte 3. Debe aclararse que la mxima profundidad de socavacin total est limitada por la presencia de un medio rocoso u otro material resistente que impedir que progrese indefinidamente y no se llegue a los valores estimados.

La decisin final sobre la cimentacin de la estructura de un puente y/o sus medidas de proteccin, debe basarse no solo en los resultados que las ecuaciones arrojen, sino tambin, en el buen criterio, experiencia y conocimiento de las variables involucradas en el problema por parte del ingeniero evaluador. Las ecuaciones para calcular las profundidades de socavacin que se vern en las secciones siguientes estn escritas en su gran mayora en sistema mtrico de unidades (SI o ST), salvo aclaracin en caso contrario.

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.2Es as como debido a la complejidad de todas las variables involucradas en la socavacin no

Las Figura 3.1a, 3.1b, 3.1c y 3.1d ilustran la nomenclatura a usarse para los diferentes parmetros que influyen en la socavacin y su significado es el siguiente:

DT = profundidad de socavacin totalDs = profundidad de socavacin general por contraccin u otras causasds = profundidad de socavacin local en pilas o en estribosHs = profundidad del agua despus de ocurrida la socavacin por contraccin medida desde el NAME hasta el fondo del cauce socavadoh = profundidad del agua antes de la socavacin medida en una lnea vertical desde elNAME hasta el fondo del cauce originalHT = profundidad del agua despus de ocurrida la socavacin por contraccin y la socavacin local medida desde el NAME hasta el fondo del cauce socavadoNAME = nivel de aguas mximas extraordinariasa = ancho de la pilaa = ancho proyectado de la pilal = longitud de la pila= ngulo de ataque del flujo sobre la pilaac = ancho de la cimentacinlc = longitud de la cimentacinL = longitud del estribo o de los terraplenes de aproximacin al puente que se opone al paso del agua.= ngulo de ataque del flujo sobre el estriboV = velocidad del flujo

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.3

a' = lsen + a cos

.............................................................................................................. 3.1

Laprofundidad del lecho socavado es:

DT= Ds + ds ...................................................................................................................3.2

Ds= Hs - h .....................................................................................................................3.3

ds= HT - Hs ..................................................................................................................3.4

Be= B - na....................................................................................................................3.5

Be = ancho efectivo del cauce descontando el ancho de las pilas si el ngulo de ataque del flujo al puente es nulo, o el ancho proyectado de las pilas en sentido normal a la corriente si el puente est sesgado

B = ancho total del cauce

n = nmero de pilas

Figura 3.1 Nomenclatura tpica para el clculo de la socavacin. a) Vista en planta. b) Vista longitudinal. c) Vista de frente.

Figura 3.1 d Seccin transversal del cauce. Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. (1992).

3.1 Clculo de la forma de socavacin

Algunos de los mtodos para calcular profundidades locales de socavacin requieren que se determine previamente la forma de socavacin: en lecho mvil (vivo) o en agua clara. Para esto es necesario que se determine si el flujo en el cauce principal o en las laderas aguas arriba del puente est transportando o no materiales para luego escoger la ecuacin que resulte apropiada.

Las profundidades de socavacin en lecho mvil pueden estar limitadas si existe una apreciable cantidad de partculas grandes en el fondo del cauce, caso en el cual es aconsejable usar tambin ecuaciones de socavacin en agua clara y escoger la profundidad que resulte menor de las dos o la que a criterio resulte mas representativa. As mismo, ecuaciones de socavacin en agua clara deben usarse si es poca la cantidad de material que es transportado desde aguas arriba a la contraccin o si el material es muy fino como para ser retenido en el hueco de socavacin.

Para determinar si el flujo aguas arriba est transportando materiales de lecho, se debe calcular la velocidad crtica para inicio de transporte de sedimentos Vc de la partcula D50 y compararla con la velocidad media de la corriente en el cauce principal o en las laderas o sobrebancas aguas arriba de la abertura del puente.

Agua clara V < Vc .................................................................................................. 3.6

Lecho mvil V > Vc ........................................................................................................ 3.7

La velocidad media se determina segn la ecuacin de Manning y para calcular la velocidad crtica se usa cualquiera de las ecuaciones vistas en la Parte II, aunque es muy usual aplicar la siguiente ecuacin recomendada en HEC-18.

V = 1 R 2 / 3 I 1 / 2 ........................................................................................................................3.8n

D11

50Vc = 6.19h 6 3

...................................................................................................................3.9

Vc = velocidad crtica por encima de la cual el material de lecho con tamao D50 o mspequeo es transportado[m/s]

h= profundidad del flujo[m]

D50= dimetro de la partcula de lecho enuna mezcla cuyo 50% es menor[m]

La ecuacin 3.9 es una simplificacin de la siguiente ecuacin de tipo ms general,

cV = K s

1/ 2

(G 1)1/ 2

sn

D1/ 2

h1/ 6

..................................................................................................3.10

Ks = parmetro de Shields = 0.039Gs = gravedad especfica del material del lecho = 2.65n = coeficiente de rugosidad de Manning = 0.041 D1/6

Es importante determinar mediante observacin directa en el campo los lmites del cauce principal, lo que en la prctica no siempre resulta fcil de hacer, sobre todo si el cauce no est muy bien definido. Algunos criterios generales son: definir el cauce que siempre transporta agua con un perodo de retorno frecuente (ejemplo, Tr = 2 aos), observar cambios bruscos de pendiente en la seccin transversal del cauce, observar cambios en los materiales del cauce pues muy posiblemente el cauce principal est compuesto de partculas diferentes a las laderas o sobrebancas.

NAME

Lecho del cauce

Ladera izquierda Cauce principal Ladera derecha

Figura 3.2 Zonas de la seccin transversal del cauce.

3.2 Clculo de la socavacin general por contraccin

La causa mas comn de socavacin general es la contraccin del flujo producida por la reduccin de la seccin del cauce por la construccin de terraplenes de acceso al puente y en menor grado por las pilas que bloquean parte de la seccin recta.

3.2.1 Mtodo de Lischtvan-Levediev

Este es un mtodo que permite el clculo de la socavacin general del cauce durante crecientes independientemente de que exista o no un puente. Si el mtodo se aplica para la zona de un puente, quiere decir que se est considerando tambin el efecto de la contraccin, y por lo tanto, ste no debe adicionarse.

El mtodo propuesto por Lischtvan-Levediev es el ms usado en Colombia para el clculo de la socavacin general incluyendo el efecto de la contraccin de un puente. Se fundamenta en el equilibrio que debe existir entre la velocidad media real de la corriente (Vr) y la velocidad media erosiva (Ve). La velocidad erosiva no es la que da inicio al movimiento de las partculas en suelos sueltos, sino la velocidad mnima que mantiene un movimiento generalizado del material del fondo. Si el suelo es cohesivo, es la velocidad que es capaz de levantar y poner el sedimento en suspensin. La velocidad erosiva es funcin de las caractersticas del sedimento de fondo y de la profundidad del agua. La velocidad real est dada principalmente en funcin de las caractersticas del ro: pendiente, rugosidad y tirante o profundidad del agua.

El mtodo se basa en suponer que el caudal unitario correspondiente a cada franja elemental en que se divide el cauce natural (Figura 3.1d) permanece constante durante el proceso erosivo y puede aplicarse, con los debidos ajustes, para casos de cauces definidos o no, materiales de fondo cohesivos o friccionantes y para condiciones de distribucin de los materiales del fondo del cauce homognea o heterognea.

Proceso de clculo

Velocidad media real

Qd =

A R 23 Sn

12 ............................................................................................................... 3.11

dQ = caudal de diseo [m3/s]A = rea hidrulica [m2]R = radio hidrulico [m]S = pendiente hidrulica, o, pendiente media del ro asumiendo flujo uniformen = coeficiente de rugosidad de Manning

2 = Qd

1

S2=................................................................................................................ 3.12

AR 3 n= coeficiente de seccin dependiente de las caractersticas hidrulicas

R = A P

............................................................................................................................. 3.13

A = Beh............................................................................................................................ 3.14

P = Be + 2h..................................................................................................................... 3.15

R = h, asumiendo que el permetro mojado es igual al ancho libre de la superficie del agua, lo cual es vlido para cauces muy anchos.

1S 2 Q Q

5 = d d

................................................................................................... 3.16

n Be h 3

5Be hm3

h = hm= A/Be................................................................................................................... 3.17

5Qd = Be hm3

................................................................................................................... 3.18

Considerando que el caudal permanece constante antes y despus de ocurrida la socavacin, se tiene:

Qd = h

53 Be = Vr H s Be

................................................................................................... 3.19

Vr =

h 5 3H s

....................................................................................................................... 3.20

Vr = velocidad real del flujo

La condicin de equilibrio se logra cuando la velocidad real y la velocidad erosiva son iguales.

Velocidad erosiva

a) Para suelos granulares

La velocidad erosiva es la que levanta y mantiene el material en movimiento.

e mHsV = 0.68D 0.28 z

.......................................................................................................... 3.21

Ve = velocidad erosiva= coeficiente de frecuenciaDm = dimetro medio de las partculas del material granular [mm]z = exponente variable en funcin del dimetro medio de la partcula

= 0.7929 + 0.0973LogTr

............................................................................................. 3.22

Coeficiente de correlacin o de ajuste = 0.9910, (Higuera C. y Prez G., 1989).

Tr = tiempo de retorno

Dm = Di Pi

.............................................................................................................. 3.23

2z = 0.394557 0.04136LogDm 0.00891Log

Dm ........................................................ 3.24

Coeficiente de correlacin o de ajuste = 0.9983, (Higuera C. y Prez G., 1989).

b) Para suelos cohesivos

La velocidad erosiva es la que es capaz de poner las partculas en suspensin.

e mHsV = 0.60 1.18 x

............................................................................................................ 3.25

m = peso especfico de la muestra agua sedimento [t/m3]x = exponente variable que depende del peso volumtrico del material cohesivo seco

x = 0.892619 0.58073 + 0.136275 2

........................................................................... 3.26

m mCoeficiente de correlacin o de ajuste = 0.9985 (Higuera C. y Prez G., 1989).

Determinacin de la profundidad de socavacin en suelos homogneos

La profundidad de socavacin en cualquier punto de la seccin transversal se obtiene cuando la velocidad media del cauce iguala a la velocidad erosiva (Vr = Ve). Conocido el perfil transversal de la seccin bajo el puente antes del paso de la avenida, se escogen algunos puntos en cuyas verticales se desea conocer la profundidad de socavacin. Uniendo estos puntos se obtiene el perfil de socavacin. Considerando que la hiptesis del mtodo es que el gasto en cada franja del cauce permanece constante durante el proceso erosivo, la profundidad de socavacin ser igual a0 en las orillas, por lo que no se permite estimar ninguna erosin lateral de las mrgenes.

Las siguientes expresiones asumen que los suelos son homogneos y que la rugosidad del cauce es constante.

a) Para suelos granulares

Igualando las ecuaciones 3.20 y 3.21 se tiene:

h 53

1 1+ z

................................................................................................... 3.27

H s = 0.68D 0.28 m

La anterior expresin no considera el efecto de la contraccin del flujo debida a estribos y pilas, ni el peso especfico del agua durante la creciente, por lo que debe corregirse mediante unos factores de ajuste cuando se trata de evaluar un puente.

El factor de correccin por contraccin es menor que 1 y contribuye al aumento de la profundidad de socavacin.

Tabla 3.1 Factor de correccin por contraccin del cauce .(Jurez Badillo E. y Rico RodrguezA., 1992).

V(m/s)Luz libre (m)

10131618212530425263106124200

< 1.01.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.00

1.00.960.970.980.980.990.990.991.001.001.001.001.001.00

1.50.940.960.970.970.970.980.990.990.990.991.001.001.00

2.00.930.940.950.960.970.970.980.980.990.990.990.991.00

2.50.900.930.940.950.960.960.970.980.980.990.990.991.00

3.00.890.910.930.940.950.960.960.970.980.980.990.990.99

3.50.870.900.920.930.940.950.960.970.980.980.990.990.99

>4.00.850.890.910.920.930.940.950.960.970.980.990.990.99

V = velocidad media en la seccin transversal

= 1.0 si no hay obstculos

Para puentes de una sola luz, la luz libre es la distancia entre estribos. Para puentes de varias luces, la luz libre es la mnima distancia entre dos pilas consecutivas, o entre pila y estribo mas prximos.

Adicionalmente, el efecto del peso especfico del agua durante la creciente se considera en otro factor de correccin que es mayor o igual que la unidad y su efecto es reducir la profundidad desocavacin. = 1.0, si m = 1.0 t/m3 (agua clara)m = peso especfico de la muestra agua sedimento = -0.54 + 1.5143m, si m > 1.0 t/m3 (lecho mvil) ......................................................... 3.28

Coeficiente de correlacin o de ajuste = 0.9983 (Higuera C. y Prez G., 1989).

La ecuacin final para el clculo de la socavacin considerando los coeficientes de correccin por contraccin y peso especfico del agua, es la siguiente:

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.10

h 53

1 1+ z

H = s 0.68D 0.28

............................................................................................... 3.29

m

Hs y h [m]Dm [mm]= coeficiente de frecuencia, (Ecuacin 3.22)= factor de correccin por contraccin del cauce, (Tabla 3.1).= factor de correccin por forma de transporte de sedimentos, (Ecuacin 3.28).

b) Suelos cohesivos

Igualando las ecuaciones 3.20 y 3.25 y considerando los coeficientes de correccin por contraccin y peso especfico del agua durante crecientes, se tiene:1

h 5 3

1+ x

H s = 0.60 1.18

.................................................................................................. 3.30

s Hs y h [m]s = peso especfico del sedimento del lecho [t/m3] = coeficiente de frecuencia, (Ecuacin 3.22) = factor de correccin por contraccin del cauce, (Tabla 3.1). = factor de correccin por forma de transporte de sedimentos, (Ecuacin 3.28).

Determinacin de la profundidad de socavacin en suelos no homogneos

En el caso de suelos estratificados, la profundidad de equilibrio arriba de la cual los sedimentos son arrastrados fsicamente por el agua, se puede obtener analticamente por tanteos. Escogido un punto Pi (Figura 3.1d), para el cual se desea calcular la posible socavacin y conocida la estratigrafa bajo la seccin, se procede por estratos a aplicar las ecuaciones 3.29 o 3.30 segn sea el material de que estn formados. El clculo se inicia para el estrato superior y se contina hacia las capas ms profundas. Se suspenden los tanteos cuando se llega a un estrato en donde se cumpla que la profundidad Hs calculada cae dentro de l. Esto mismo debe repetirse para varios puntos de la seccin que al unirlos darn el perfil terico del fondo socavado.

Comentarios al mtodo

La hiptesis de partida del mtodo de Lischtvan-Levediev relacionada con la conservacin del gasto durante el proceso erosivo, presenta el inconveniente de las diferencias en este proceso cuando en el fondo del cauce existe una zona con un material ms resistente que en el resto de la seccin. Esto hace que haya mayor concentracin del flujo en las zonas del cauce que se van erodando y que sea menor en las zonas resistentes.

El mtodo no tiene en cuenta el tiempo necesario para que cada material se erosione.

Las erosiones tericas calculadas se presentan en un tiempo corto en materiales sueltos pero se requiere cierto tiempo para que el material cohesivo se socave, tiempo que puede ser mayor que el tiempo de duracin de la avenida.

El mtodo considera el efecto de la curvatura ya que permite el clculo de la socavacin en cada vertical de la seccin transversal. El tirante de agua correspondiente a la parte externa de la curva es mayor y por tanto la socavacin tambin lo es.

3.2.2 Mtodo de Straub

La siguiente expresin se usa para tener un estimativo del posible descenso que sufrir el fondo del cauce debido a una reduccin en su seccin transversal.

0.642

H = B1

h ........................................................................................................ 3.31

s 1 B2

Ds = Hs - hl .............................................................................................................. 3.32

B1= ancho de la superficie libre del cauce aguas arriba de la contraccin[m]

B2h1= ancho de la superficie libre del cauce en la contraccin= tirante de agua hacia aguas arriba de la contraccin[m][m]

3.2.3 Mtodo de Laursen

Considera los casos de socavacin en lecho mvil o en agua clara. Es el mtodo mas usado en losEstados Unidos de Amrica, (HEC-18, 1993, 1995).

En el Captulo 1 se presentaron varios casos de contraccin en puentes que son comnmente encontrados en la prctica y que pueden implicar diferentes formas de socavacin en algunos de los sectores de la seccin transversal.

Los casos de contraccin 1), 2) y 4) pueden ser de socavacin en lecho mvil o en agua clara dependiendo de si hay o no transporte de sedimentos desde aguas arriba, por lo que hay que comparar la velocidad media del flujo con la velocidad crtica para transporte de sedimentos. Si es lecho mvil, debe saberse si el material es lavado a travs de la abertura del puente, para lo cual se calcula la relacin entre la velocidad cortante y la velocidad de cada de la partcula con tamao D50 (V*/w). Si sta relacin es mayor que 3, quiere decir que el material transportado desde aguas arriba es principalmente carga de lecho en suspencin y se va a lavar en la contraccin por lo que no hay reposicin de sedimentos en la zona del puente (socavacin en agua clara).

El caso 1c) es muy complejo y la profundidad de socavacin por contraccin depende de factores como: qu tan lejos queda el estribo de los lmites del cauce principal, condicin de erosin natural de los materiales de la ladera, laderas muy altas, presencia de vegetacin y rboles en las laderas, corriente naturalmente mas angosta o mas amplia en la zona del puente, magnitud del

flujo sobre las laderas que retorna al cauce principal, distribucin del flujo en la seccin del puente.

El cauce principal puede tener condiciones de socavacin en lecho mvil en tanto que las laderas o sobrebancas pueden estar en condiciones de agua clara.

Si el estribo est alejado una pequea distancia del borde del cauce principal, por ejemplo menos de entre 3 y 5 veces la profundidad del flujo en el puente, existe la posibilidad de que la ladera sea destruida por efectos combinados de la socavacin por contraccin y local en el estribo, o a causa del mtodo constructivo. De ser as, debe evaluarse la posibilidad de disear medidas de proteccin, como diques encauzadores y/o proteccin de laderas y lecho con enrocados.

El caso 3) implica un puente de alivio en la ladera y eventualmente estas zonas del cauce tienen agua clara an si estn compuestas por materiales muy finos, debido a que puede crecer vegetacin durante gran parte del ao y a que el material fino, si es removido de aguas arriba, puede pasar de largo en el puente sin llegar a afectar la profundidad de socavacin por contraccin.

El caso 4) es similar al caso 3) pero hay transporte de sedimentos a travs de la abertura del puente de alivio (socavacin en lecho mvil). Este caso ocurre cuando hay un puente de alivio construido en un cauce secundario en la ladera de inundacin. Hidrulicamente no hay diferencia con el caso 1) pero se requiere de anlisis para determinar la distribucin de caudales en las aberturas.

Clculo de la socavacin por contraccin en lecho mvil

Se usa una versin modificada de la ecuacin de Laursen de 1960 (HEC 18, 1993, 1995 y Laursen E. M., 1960). La ecuacin asume que el material del lecho es transportado en la seccin aguas arriba del puente.

H Q

6

k 7 B 1

s = 2

1

...................................................................................................... 3.33

QBh 1 1 2

Ds = Hs - h2

Ds = profundidad media de socavacin por contraccin [m]Hs = profundidad media del flujo en el cauce en la seccin contrada del puente despus delasocavacin [m]h1 = profundidad media del flujo (profundidad hidrulica) en el cauce principal y laderas que transportan sedimentos aguas arriba del puente [m]

h2 = profundidad media del flujo (profundidad hidrulica) en la seccin contrada del puente antes de la socavacin. Puede usarse h1 en cauces arenosos con lecho mvil, caso en el que el hueco de socavacin es rellenado por sedimentos [m]

Q1 = caudal en la seccin aguas arriba del cauce principal y laderas que transportan sedimentos. No incluye flujo sobre las laderas del ro con agua clara [m3/s]Q2 = caudal en la seccin contrada del puente y laderas que transportan sedimentos. No incluye flujo sobre las laderas del ro con agua clara [m 3/s]B1 = ancho del cauce principal y laderas en la seccin aguas arriba que transportan sedimentos [m]B2 = ancho neto del cauce principal y laderas que transportan sedimentos en la seccin contrada sustrayendo el ancho de las pilas [m]k1 = exponente funcin del modo de transporte del sedimento, de la velocidad cortante aguas arriba del puente y de la velocidad de cada del material del lecho.

Tabla 3.2 Valores del coeficiente k1. HEC-18. 1993.

V*/wk1Modo de transporte del sedimento de lecho

< 0.500.59Mucho del material en contacto con el lecho

0.50 a 2.00.64Algo de material de lecho suspendido

> 2.00.69Mucho material del lecho suspendido

V* =

gh1 I1

...................................................................................................................... 3.34

V* = velocidad cortante en el cauce principal o ladera en la seccin aguas arriba [m/s] w = velocidad de cada para D50 con la Figura 3.2a [m/s] g = aceleracin de la gravedad = 9.8 m/s2I1 = gradiente hidrulico en la seccin de aguas arriba del puente [m/m]D50 = dimetro de la partcula de lecho en una mezcla cuyo 50% es menor [m]

Figura 3.2.a. Velocidad de cada (w) para partculas de arena. HEC-18. 1993.

Notas:Los anchos B1 y B2 no son siempre fciles de definir. En algunos casos se acepta tomar elancho de la superficie libre del agua o el ancho del fondo descontando el ancho de las pilas.Debe guardarse siempre consistencia cualquiera que sea el ancho que se use.

La seccin de aproximacin o de aguas arriba se debe localizar en un punto antes del puente en que el flujo empieza a contraerse.

La socavacin por contraccin puede calcularse independientemente para el cauce principal y las laderas izquierda o derecha.

Las profundidades de socavacin en lecho mvil disminuyen si el lecho tiene materiales gruesos que causen acorazamiento del cauce. Si existe esta posibilidad, es conveniente que se calcule la profundidad de socavacin usando la ecuacin correspondiente a agua clara en adicin a la de lecho mvil y se escoja la menor profundidad calculada.

Clculo de la socavacin por contraccin en agua clara

Se usa la siguiente ecuacin dada por Laursen.32 7

H = =0.025Q2

........................................................................................................ 3.35

Bs 2 2 Dm3 2

La ecuacin 3.35 es una simplificacin de la siguiente ecuacin tambin sugerida porLaursen:

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.16

n2Q 2

3 / 7

H s = K (G

1)D W 2

.............................................................................................. 3.36

s s m

Ks = parmetro de Shields = 0.039Gs = gravedad especfica del material del lecho = 2.65

1/6

n = coeficiente de rugosidad de Manning = 0.041 Dm

Ds = Hs - h2

Ds = profundidad media de socavacin por contraccin [m]Hs = profundidad media del flujo en el cauce en la seccin contrada del puente despus de lasocavacin [m] h2= profundidad existente en la seccin contrada del puente antes de la socavacin [m] Q2 = caudal a travs del puente o en las laderas sin transporte de sedimentos [m3/s]Dm = dimetro medio efectivo del material mas pequeo del lecho en el cauce o en la zona de inundacin que no es transportado por el flujo.Si no se tienen datos precisos, Dm = 1.25 D50 [m]B2 = ancho efectivo del cauce en el puente descontando el ancho de las pilas [m]

Notas: Para cauces con lecho estratificado, la socavacin se puede determinar usando las ecuaciones3.33 o 3.35 sucesivamente para cada capa usando el Dm correspondiente.

La socavacin por contraccin puede resultar muy grande en algunos casos (Ds > 1.5 m), por lo que las velocidades en la zona del puente se reducen como consecuencia del aumento de la seccin hidrulica. Para tener en cuenta este efecto, se sugiere realizar de nuevo la modelacin hidrulica del puente usando el perfil del lecho socavado por contraccin. Con este nuevo perfil, se recalcula la socavacin por contraccin que debe resultar menor y seprocede despus a calcular la socavacin local, (HEC 18, 1993).

La profundidad de socavacin por contraccin puede obtenerse con parmetros medios para toda la seccin transversal, o puede obtenerse por tubos de corriente aprovechando la informacin hidrulica de programas como el HEC-RAS y usando las mismas ecuaciones vistas.

3.3 Clculo de la socavacin local en pilas

Muchos mtodos existen para el clculo de la socavacin local alrededor de pilas pero a la fecha no existe ninguna solucin rigurosa ni exacta. La mayora de las ecuaciones son aplicables para cauces aluviales y no consideran la posibilidad de que materiales ms gruesos presentes en el lecho acoracen el hueco de socavacin, lo que limitara su profundidad. En 1965, Breusers

propuso que la profundidad de socavacin era de 1.4 veces el ancho de la pila. Mas recientemente, otros investigadores como B. W. Melville, Sutherland y Chang, han reportado que la socavacin local mxima es de alrededor 2.4 veces el ancho de la pila para el caso de pilas circulares. En los estudios hechos, el nmero de Froude fue menor que 1.0. Otras formas de pilas diferentes a la circular pueden disminuir este valor o la presencia de desechos puede incrementarlo. El valor de la relacin profundidad de socavacin al ancho de la pila (ds/a) puede llegar a 3.0 para nmeros de Froude altos. En conclusin, se sugiere preliminarmente para pilas con punta circular alineadas con el flujo que la constante sea tomada igual a 2.4 para nmeros de Froude menores que 0.8 y a 3.0 para nmeros de Froude mayores que 3.0.

Dentro de los muchos mtodos que existen para calcular socavacin local en pilas se han seleccionado algunos, solamente con el nimo de ilustrar la gran variedad existente y cules son los parmetros involucrados: Laursen y Toch (1953, 1956); adaptacin de Neill (1964) al mtodo de Laursen y Toch; Larras (1963); Neill (1964); Arunachalam (1965, 1967); Carsten (1966); Maza Snchez (1968); Breusers, Nicollet y Shen (1977); Universidad Estatal de Colorado (CSU); y Melville y Sutherland (1988), Froehlich (1991). Entre otros mtodos de clculo reportados en la bibliografa especializada estn: Shen, Jain y Fischer, Inglis-Poona, Chitale y Yaroslavtziev. Para mas detalles, consultar: Breusers, H. N. C., Nicollet, G. y Shen, H. W. 1977; Higuera, C. H. y Prez G. (1989); M. E. Guevara, A., 1998.

Figura 3.3 Comparacin de ecuaciones para el clculo de socavacin local con socavaciones medidas en el campo segn Jones. HEC-18. 1993.

Cabe anotar que el mtodo desarrollado por la Universidad Estatal de Colorado (CSU) da valores intermedios con relacin a otras ecuaciones, tal como se ilustra en la Figura 3.3 que presenta resultados obtenidos aplicando diferentes frmulas y algunos obtenidos de mediciones de campo, (HEC 18, 1993).

3.3.1 Mtodo de Laursen y Toch (1953, 1956)

Este mtodo fue desarrollado en el Instituto de Investigacin Hidrulica de Iowa y fue confirmado con algunas mediciones en el ro Skunk realizadas por P. G. Hubbard, del mismo

laboratorio, en la dcada de los cincuenta. Se desarroll bajo condiciones de transporte continuo de sedimentos, (Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A., 1992). El mtodo es aplicable para suelos arenosos, no est claro si se puede aplicar para gravas, pero definitivamente no es vlido para el caso de boleos.

Laursen y Toch realizaron sus investigaciones observando la mxima socavacin que se puede presentar para un tirante dado de la corriente. Ellos observaron que la mxima profundidad de socavacin era independiente de la velocidad del flujo pues la socavacin no progresaba al mantener fijo el tirante y aumentar considerablemente la velocidad de la corriente. Este argumento resulta al suponer que un cambio en la velocidad del flujo y en el tamao de los sedimentos produce un cambio proporcional en el cortante lmite, y en la capacidad de transporte de sedimentos desde el hueco y hasta el hueco de socavacin, considerando constantes la profundidad del flujo y la profundidad de socavacin. Su mayor inters era la socavacin mxima y no dan ningn criterio para el caso de que no exista arrastre en el fondo.

Los resultados fueron presentados en forma grfica y se resumen en las ecuaciones siguientes.

Caso del flujo de agua paralelo al eje mayor de la pila

ds = KfKga .................................................................................................................... 3.37

ds= profundidad de socavacin local medida a partir del fondo del cauce[m]

KfKgHs= coeficiente que depende de la forma de la nariz de la pila (Figura 3.4).= coeficiente que depende de la relacin Hs/a (Figura 3.5).= profundidad de agua que queda despus de la socavacin por contraccin

[m]

a= ancho de la pila[m]

FORMA DE LA NARIZCOEFICIENTE KfDE SCHNEIBLE

RECTANGULARl / a = 41.00

SEMICIRCULAR0.90

P = 2r 1 rELIPTICAP = 3 Pr 10.81

0.75

P = 2r 1 rLENTICULAR PP = 3r 10.81

0.69

FORMA DE LA NARIZ

SEGN TISON

lBISELADAl / a = 4 a

PERFIL lHIDRODINAMICO al / a = 4

0.78

0.75

Figura 3.4 Coeficiente Kf. Mtodo de Laursen y Toch. Adaptada de Jurez Badillo E. y RicoRodrguez A. (1992).

Figura 3.5 Coeficiente Kg. Mtodo de Laursen y Toch. Adaptada de Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. (1992).

Caso de flujo de agua con un ngulo de ataque al eje de la mayor dimensin de la pila

ds = KgKa .................................................................................................................... 3.38

K = coeficiente que depende del ngulo de ataque del flujo y de la geometra de la pila(Figura 3.6).

En este caso, la profundidad de socavacin no depende de la forma de la pila.

R. Ettema (1990) plantea que las curvas de la Figura 3.6 sugeridas por Laursen y Toch en 1956 presentan una inconsistencia asociada con los ngulos de ataque de 0 y 90, puesto queconsidera que el efecto del coeficiente K debe ser el mismo si se toma un ngulo de ataque de90 y el ancho de la pila, o si se considera un ngulo de 0 y el largo de la pila. Lo nico claro esque las investigaciones fueron hechas tomando en cuenta el ancho de la pila y as debe usarse elgrfico. Tambin, critica el hecho de que los coeficientes de correccin por forma de la pila y por ngulo de ataque se usen en forma combinada cuando fueron resultado de experiencias independientes.

Figura 3.6 Coeficientes K . Mtodos de Laursen y Toch, Breusers, Nicollet y Shen y Melville ySutherland. Adaptada de Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. (1992).

Adaptacin de Neill (1964)

La ecuacin resultante del ajuste de datos experimentales obtenidos por Laursen y Toch para socavacin en pilas circulares y rectangulares fue expresada por Neill en la siguiente forma, (Breusers, H. N. C., Nicollet, G. y Shen, H. W. 1977):

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.20

sd = 1.5a0.7 h 0.3 ...............................................................................................................3.39

ds= profundidad de socavacin medida desde el nivel del lecho[m]

ah= ancho proyectado de la pila= profundidad del flujo aguas arriba de la pila[m][m]

Se considera que esta ecuacin da la mxima profundidad de socavacin que se espera para cualquier velocidad. Para pilas de nariz redondeada el coeficiente puede ser 1.2 en vez de 1.5 enla Ecuacin N 3.39.

3.3.2 Mtodo de Larras (1963)

Larras propone una ecuacin terico-prctica deducida de medidas de socavacin tomadas en varios puentes franceses despus de haberse producido la creciente. Larras se concentr en la mxima profundidad de socavacin para condiciones prximas a velocidad crtica del movimiento de sedimentos.

sd = 1.05Ka 0.75 ................................................................................................................ 3.40

a = ancho de la pila [m]

K = Kf K ........................................................................................................................ 3.41

d s = 1.05K f K a

0.75

......................................................................................................... 3.42

Kf = factor de correccin por la forma de la pila Tabla 3.3.K= factor de correccin por el ngulo de ataque de la corriente Tabla 3.4.

En forma aproximada K = 1.0 para pilas cilndricas y K = 1.4 para pilas rectangulares.

La siguiente es la forma adimensional de la Ecuacin N 3.40.

d s 1.05K a ........................................................................................................ 3.43

= 0.25

h1 a

h1

Tabla 3.3 Factor de correccin Kf por forma de la pila.Mtodos de Larras y Melville y Sutherland.Adaptada de Higuera C. y Prez G., 1989 y Melville B. W., 1988.

en plantaLargo/anchode la pilaKf

ChatouIowaTisonEscandeVenkatadri

Circular1.01.001.001.001.00

Lenticular2.03.04.07.0

0.730.970.76

0.670.41

Perfil hidrodinmico o Joukowski4.04.14.50.860.76

0.76

Elptica2.03.00.910.83

Ojival4.00.920.86

Circular doble4.00.95

Oblonga1.01.52.03.04.0

1.031.001.001.001.00

1.00

Rectangular chaflanada4.01.01

Rectangular0.254.04.55.39.31.301.40

1.401.40

1.25

Nariz triangular a600.75

Nariz triangular a901.25

Nariz parablica0.56

Tabla 3.4 Factor de correccin K por ngulo de ataque del flujo. Mtodo de Larras.

Forma de la pila en plantaLargo/ancho de la pilaK

01015203045

1.01.001.001.001.001.001.00

Lenticular2.03.04.00.910.760.760.981.021.121.241.13

1.50

2.02

Perfil hidrodinmico4.04.50.861.091.401.361.97

Elptica2.03.00.910.830.981.061.241.13

Ojival4.00.921.181.51

Oblonga2.03.04.04.51.001.001.001.021.131.151.241.17

1.521.60

Rectangular2.04.04.0(x)4.56.08.010.01.111.111.11

1.111.111.111.381.721.99

2.202.232.481.562.172.942.092.693.033.431.652.433.28

3.053.644.16

Figura 3.7 Formas usuales de pilas. Mtodo de Larras. Higuera C. y Prez G., 1989.

3.3.3 Mtodo de Arunachalam (1965, 1967)

Arunachalam realiz una modificacin de la ecuacin de Englis-Poona (1948) y propuso la siguiente expresin, (Breusers, H. N. C., Nicollet, G. y Shen, H. W. 1977):

1 / 6 1.334q 2 / 3

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.24

sd = 1.334q 2 / 3 1.95

1 ............................................................................. 3.44

a

ds= profundidad de socavacin[m]

q a= caudal unitario aguas arriba del puente= ancho de la pila[m3/s-m] [m]

3.3.4 Mtodo de Carsten (1966)

Carsten encontr la siguiente expresin para condiciones de socavacin en lecho mvil, (Shen H. W., Schneider V. R., 1969):

N sd s = 0.546a

1.25

5 / 6

................................................................................................. 3.45

N s =

N s 5.02

V ..................................................................................................................... 3.46

gD

= s ww

= s w w

................................................................................................... 3.47

Ns = nmero del sedimento = densidad relativa cuyo valor comn para cuarzos es de 1.65.D = tamao del sedimento

La ecuacin se puede usar en cualquier sistema de unidades compatibles y es de las pocas que involucra el efecto del tamao del sedimento.

3.3.5 Mtodo de Maza-Snchez (1968)

Es un mtodo aplicable para lechos cubiertos por arena y grava. El mtodo se basa en el uso de curvas elaboradas a partir de resultados experimentales de laboratorio en investigaciones realizadas en la Divisin de Investigacin de la Facultad de Ingeniera de la UNAM en Mxico. Las curvas se derivaron con materiales de dimetro entre 0.17 mm y 0.56 mm. La socavacin obtenida a partir de estas curvas para partculas con dimetro medio de 1.3 mm da mayor que la obtenida experimentalmente.

Parmetros que intervienen en el mtodo son: profundidad del flujo, ancho de la pila, nmerode Froude y el ngulo de ataque del flujo sobre la estructura. El dimetro de las partculas no se tiene en cuenta. Los siguientes son los pasos para la aplicacin del mtodo:

a) Clculo del cuadrado del nmero de Froude de la corriente, Fr2V 2

F2 =

sr gH

....................................................................................................................... 3.48

Hs = profundidad del agua hacia aguas arriba de la pila antes de la socavacin localV = velocidad media de la corriente frente a la pila.h 5 3

Vr =H s

....................................................................................................................... 3.49

b) Evaluacin del factor de correccin fc que considera el ngulo de ataque de la corriente

Tabla 3.5 Factor de correccin fc Mtodo de Maza-Snchez.

0153045

fc1.01.251.401.45

= ngulo de ataque del flujo

Si la pila est sesgada con respecto al flujo y Fr2 < 0.06, se trabaja con fc =1.0.Si la pila est sesgada con respecto al flujo y Fr2 0.06, se trabaja con la siguiente expresin:

F2r = f c

V 2

gH s

...................................................................................................................... 3.50

c) Clculo de la relacin Hs/a

a = ancho proyectado de la pila sobre un plano normal a la direccin de la corriente

d) Seleccin de la curva a usar dependiendo de la forma de la pila, (Figura 3.8, Figura 3.9, Figura 3.10).

e) Clculo de la profundidad de socavacin

sV 2

Con el nmero de Froude corregido

f c gH

se entra en las abscisas de la respectiva grfica

hasta interpolar la curva de Hs/a y se lee en las ordenadas el valor de HT/a del cual se despeja el valor de ds.

ds = HT - Hs .................................................................................................................. 3.4HT = profundidad de socavacin medida desde la superficie del flujods = profundidad de socavacin medida desde el lecho del cauce

Figura 3.8 Clculo de la socavacin local para una pila rectangular.Adaptada de Maza Alvarez, J. A. (1987).

Figura 3.9 Clculo de la socavacin local para una pila circular.Adaptada de Maza Alvarez, J. A. (1987).

Figura 3.10 Clculo de la socavacin local para una pila elongada.Adaptada de Maza Alvarez, J. A. (1987).

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.28

3.3.6 Breusers, Nicollet y Shen (1977)

a) H. N. C. Breusers, en 1965, propone una sencilla ecuacin basada en estudios con varillas de sondeo en corrientes, en la que la profundidad de socavacin depende nicamente del ancho de la pila.

d s = 1.4a ......................................................................................................................... 3.51

ds= profundidad mxima de socavacin medida desde el nivel medio del lecho[m]

a= dimetro de la pila circular[m]

En forma adimensional,

d s = 1.4 a h h

....................................................................................................................... 3.52

b) El mtodo de Breusers, Nicollet y Shen fue desarrollado en la dcada de los setenta, (Breusers, H. N. C., 1984).

V

h

l

d s = af1 V

f 2 f 3 ( forma ) f 4 a a

.............................................................................. 3.53

c

ds = profundidad de socavacin por debajo del lecho originala = ancho de la pilaV = velocidad media del flujoVc = velocidad crtica para inicio del movimiento de partculas de fondoh = profundidad del agua= ngulo de ataquel = longitud de la pilaf1, f2, f3 y f4 = funciones de

f VV = 01 c

para

V 0.5 .................................................................... 3.54

Vc

f V

= 2V

0.5

para

0.5 V

1.0 ...................................................... 3.55

V1 c

Vc Vc

f VV = 1.01 c

para

V 1.0 ............................................................... 3.56

Vc

VLa condicin ms comn es que Vc

1.0 por lo que

= 1.0 ........................... 3.57

f VV1 c

2f (h

)= 2.0 tanh(h

)...................................................................................................... 3.58a

aPara valores altos de h/a, f2 tiende a 2.0.

f3(forma) = 1.00 para pilas circulares o con punta circular= 0.75 para pilas de forma hidrodinmica= 1.30 para pilas rectangulares

f l 4 se encuentra en la Figura 3.6.a

3.3.7 Mtodo de Melville y Sutherland

El mtodo fue desarrollado en la Universidad de Auckland (Nueva Zelandia) y est basado en curvas envolventes a datos experimentales obtenidos en su mayora de ensayos de laboratorio. Segn R. Ettema (1990), el mtodo propuesto por B. W. Melville para estimar profundidades de socavacin de equilibrio en pilas es mejor que otros mtodos recomendados en algunas guas para diseo de los Estados Unidos de Amrica, ya que ilustra sobre la sensibilidad de la socavacin ante parmetros como caudal, sedimentos del lecho y condiciones de la pila.

Sin embargo, R. Ettema, tambin argumenta que por tratar de considerar los efectos ms significativos sin un reconocimiento adecuado de las incertidumbres sobre las condiciones bajo las cuales la socavacin se presenta, el mtodo puede llegar a ser en algunos casos muy preciso e insuficientemente conservador. Estima tambin, que el mtodo adolece de problemas relacionados con el uso conjunto de los factores de correccin por ngulo de ataque y por la forma de la pila y por la manera como se considera el efecto de la velocidad del flujo y del tamao de los sedimentos. R. Ettema se inclina por usar la expresin simplificada ds = 2.4a.

La estimacin de la profundidad de socavacin segn el mtodo propuesto por B. W. Melville (1988), est basada en la mxima que es posible obtener en una pila cilndrica, la cual es 2.4a. De acuerdo con el mtodo, esta profundidad mxima se reduce afectndola por ciertos factores que consideran condiciones de agua clara, posibilidad de acorazamiento, profundidades pequeas del agua, tamao del sedimento, forma y alineamiento de la pila.

d s = aK i K h K D K K f K ...................................................................................................... 3.59

ds = profundidad de socavacin locala = ancho de la pilaKi = factor de correccin por intensidad del flujo Kh= factor de correccin por profundidad del flujo KD= factor de correccin por tamao del sedimentoK= factor de correccin por gradacin del sedimentoKf = factor de correccin por la forma de la pilaK= factor de correccin por ngulo de ataque del flujo

KD = 1.0 si a/D50 > 25....................................................................... 3.60

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.33

a

K D = 0.57 log 2.24 D

si a/D50 < 25 ......................................................................

3.61

50

Kh = 1.0 si h/a > 2.6 ........................................................................ 3.62

h 0.255Kh = 0.78 a

si h/a < 2.6 ........................................................................ 3.63

K = Kf = 1.0 para pilas cilndricas

K = 1.0, segn recomendacin del autor del mtodo hasta que no se tengan mejores investigaciones.

El mtodo se presenta en la Figura 3.11a y requiere de los siguientes parmetros:

V = velocidad del flujoh = profundidad del flujog= desviacin estndar de los sedimentos (Ecuacin 3.65)D = dimetro de la partcula de sedimentoVc = velocidad crticaVa = velocidad de acorazamiento

DatosFlujo: h, V Sedimentos: D50, Dmximo g Geometra de la pila: a, forma,

Determine Vc, Va, D50a, usando lasFiguras N 3.11b y 3.11c

Calcule

V (Va Vc )Vc

V (V

V )

a c > 1No Vc SiAgua clara Lecho mvil

V (V

V )

K = 2.4

K = 2.4a c ii Vc

g Vc hay posibilidad de queel lecho se acorace

Figura 3.11.b. Diagrama de flujo para determinar la velocidad lmite de acorazamiento Va.Melville, B. W., 1988.

h

Vc = 5.75V*c log 5.53D

. 3.63a

50

V* =

gRI

. 3.63b

Figura 3.11.c. Curva de Shields para movimiento incipiente de sedimentos.s = 2,650 Kg/m3, w = 1,000 Kg/m3, = 10-6 m2/s y T = 20. Breusers, H. N. C., 1984.

D50 = dimetro 50 del material del lecho.D50a = dimetro 50 del lecho acorazadoDmximo = tamao mximo representativo del sedimento

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.34

D = Dmmaximo g 50

............................................................................................................. 3.64

g =

D84D50

........................................................................................................................ 3.65

m = exponente que es funcin del Dmximo escogido de la Tabla 3.6.

Tabla 3.6 Valor de Dmximo. Melville, B. W., 1988.

Valor de Dmximo asumidom

D901.28

D951.65

D982.06

D992.34

V*c = velocidad cortante crtica correspondiente a D50V*ca = velocidad cortante crtica de acorazamiento correspondiente a D50aVc = velocidad crtica correspondiente a V*cVca = velocidad crtica de acorazamiento correspondiente a V*caVa = velocidad crtica de acorazamiento

La Va calculada siguiendo el procedimiento ilustrado en la Figura 3.11b debe ser mayor que Vc para que haya la posibilidad de acorazamiento. En caso de que Va < Vc, la solucin simple est en asumir que Va = Vc y que el material del lecho se comporta como si fuera uniforme y que por lo tanto no se acoraza.

3.3.8 Mtodo de Froehlich (1991)

Una ecuacin desarrollada por el Dr. David Froehlich es usada por el programa HEC-RAS (1998)como una alternativa a la ecuacin de la Universidad Estatal de Colorado que se presenta en elNumeral 3.3.9.

0.62d s = 0.32K f (a)

h0.47

0.22

Fr

0.09

D50

+ a 3.66

dsKf= profundidad de socavacin local= factor de correccin por la forma de la pila. Tabla 3.7[m]

a= ancho proyectado de la pila con relacin al ngulo de ataque del flujo[m]

a= ancho de la pila, adicionado como un factor de seguridad[m]

h= profundidad del flujo directamente aguas arriba de la pila[m]

FrD50= nmero de Froude en la seccin directamente aguas arriba de la pila= dimetro de la partcula de lecho en una mezcla cuyo 50% es menor[m]

Para pilas con punta circular alineadas con el flujo se tiene:

ds 2.4a para Fr 0.8ds 3.0a para Fr > 0.8

Si la profundidad de socavacin se analiza para un caso particular, Froehlich sugiere que no se adicione el factor de seguridad a al final de la ecuacin. El programa HEC-RAS (1998) siempre adiciona este factor de correccin.

Tabla 3.7 Factor de correccin Kf

Forma de la pilaKf

Punta cuadradaPila con punta circularPila con punta aguda o triangular1.31.00.7

3.3.9 Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU)

Existe una ecuacin desarrollada por la Universidad Estatal de Colorado (CSU) para el clculo de la socavacin local en pilas tanto en agua clara como en lecho mvil. Esta ecuacin fue desarrollada con base en anlisis dimensional de los parmetros que afectan la socavacin y anlisis de datos de laboratorio. Es el mtodo ms usado en los Estados Unidos de Amrica (HEC-18, 1993, 1995) y es una de las dos que usa el programa HEC-RAS (1998).

ds = 2.0K

aK K K

0.65

F 0.43 ................................................................................. 3.67

a

h f

c h r

Para pilas con punta circular alineadas con el flujo se tiene, al igual que en el mtodo deFroehlich:

ds 2.4a para Fr 0.8ds 3.0a para Fr > 0.8

ds = profundidad de socavacin local [m] h = profundidad del flujo directamente aguas arriba de la pila [m] Kf = K1 = factor de correccin que tiene en cuenta la forma de la pila (Tabla 3.8)K = K2 = factor de correccin que tiene en cuenta el ngulo de ataque del flujo(Tabla 3.9 o ecuacin 3.69)Kc = K3 = factor de correccin por la forma del lecho (Tabla 3.10) Usualmente igual a 1.1Ka = K4 = factor de correccin por acorazamiento del sedimento del lecho (Ecuacin 3.70 y Tabla 3.11). Este factor fue introducido en la versin corregida de HEC-18 (1993) publicada en 1995.a = ancho de la pila [m] l = longitud de la pila [m] Fr = nmero de Froude en la seccin directamente aguas arriba de la pila

Fr =

V ...................................................................................................................... 3.68gh

V = velocidad media del flujo directamente aguas arriba de la pila [m/s]

Figura 3.12 Formas tpicas de pilas. HEC-18. 1993.

Tabla 3.8 Factor de correccin por la forma de la pila Kf Mtodo CSU. HEC-18. 1993.

Forma de la pilaKf

Nariz cuadrada1.1

Nariz redonda1.0

Cilndrica1.0

Punta aguda0.9

Grupo de cilindros1.0

El factor de correccin Kf se determina usando la anterior tabla cuando el ngulo de ataque es menor que 5. En otro caso, K domina para ngulos mayores por lo que Kf debe ser tomado igualque 1.0. Kf debe usarse solamente cuando las condiciones del flujo influyen sobre toda la longitud de la pila pues el factor de correccin podra ser menor en otros casos.

Tabla 3.9 Factor de correccin por el ngulo de ataque del flujo K. Mtodo CSU. HEC-18. 1993.

ngulo de ataquel/a = 4l/a = 8l/a = 12

01.01.001.0

151.52.002.5

302.02.753.5

452.33.304.3

902.53.905.0

Si l/a es mayor que 12, se usan los valores correspondientes a l/a = 12 como mximos.0.65

K = cos +

l sen

a

................................................................................................. 3.69

Tabla 3.10 Factor de correccin por la forma del lecho Kc. Mtodo CSU. HEC-18. 1993.

Condicin del lechoAltura de la duna H [pies]Kc

Socavacin en agua clara N/A 1.1Lecho plano y antidunas N/A 1.1Dunas pequeas 2 < H < 10 1.1Dunas mediana 10 < H < 30 1.1 a 1.2Dunas grandes H > 30 1.3

Se recomienda usar un valor de Kc de 1.1 considerando que el lecho tiende a ser plano durante crecientes.

El factor de correccin Ka disminuye la profundidad de socavacin por acorazamiento del hueco de socavacin para materiales del lecho con D50 mayor o igual que 2 mm o D95 mayor o igual que20 mm (D50 0.002 m o D95 0.02 m).

Tabla 3.11 Criterios para adoptar Ka (HEC-18, 2001).

D50 < 2 mm o D95 < 20 mmKa = 1.0

D50 2 mm y D95 20 mmK = 0.4(V )0.15a R

K a = 0.4(VR

)0.15 ........................................................................................................... 3.70

V1VR = V

Vi cD50V

> 0

......................................................................................... 3.71

cD50

icD 95

Dx

0.053

VicDx = 0.645 a

VcDx .......................................................................................... 3.72

VR = relacin de velocidadV1 = velocidad de aproximacin justo aguas arriba de la pila [m/s]VicDx = velocidad de aproximacin requerida para iniciar socavacin en la pila para el tamaoDx de las partculas de sedimento [m/s]VicD95 = velocidad de aproximacin requerida para iniciar socavacin en la pila para el tamaoD95 del material de lecho [m/s]VicD50 = velocidad de aproximacin requerida para iniciar socavacin en la pila para el tamaoD50 del material de lecho [m/s]VcDx = velocidad crtica para iniciar movimiento de partculas de tamao Dx del material delecho [m/s]VcD50 = velocidad crtica para iniciar movimiento de partculas de tamao D50 del material de lecho [m/s]a = ancho de la pila [m]

VcDx

1 1

D= 6.19h 6 x 33.73

.....................................................................................................

Dx = tamao de la partcula para la que el x por ciento del material del lecho es mas fino[m]h = profundidad del agua aguas arriba de la pila sin incluir socavacin local [m]El valor mnimo de Ka es 0.4. Nota:Para el caso de cimentacin expuesta al flujo despus de la cimentacin, HEC-18 (1993)recomienda que se siga el procedimiento explicado en el Numeral 3.4.1.

3.4 Socavacin cuando el puente est actuando bajo presin

El flujo a presin en un puente puede compararse con el flujo a travs de un orificio o con el flujo bajo una compuerta. Ocurre cuando el nivel del agua hacia aguas arriba del puente iguala o supera la elevacin mnima de la losa de la superestructura del puente. A profundidades mayores del flujo, el puente puede quedar completamente sumergido de forma que el flujo resultante es una compleja combinacin de flujo a travs del puente (orificio o compuerta) y flujo sobre el puente (vertedero), (Ver Captulo 2 de la Parte IV sobre Estudios Bsicos). Flujo sobre vertedero tambin puede presentarse en los terraplenes de acceso al puente. Este flujo de agua vertiendo sobre los accesos representa un alivio al caudal que debe pasar a travs del puente.

Flujo a presin bajo el puente ocasiona profundidades de socavacin local mayores que para flujo libre considerando iguales velocidades y profundidades de aproximacin. El incremento en profundidad de socavacin se debe a que el flujo es dirigido hacia el lecho por la superestructura debido a la contraccin y al aumento de la intensidad del vrtice de herradura. Sin embargo, puede suceder que cuando el puente llega a quedar sumergido, la velocidad media a travs de l se reduce por el efecto de remanso y por la disminucin de caudal que representa el agua descargada por estructuras de alivio. La peor situacin se presenta cuando todo el agua debe pasar a travs del puente y no existe la posibilidad de alivio sobre el puente o los accesos y no hay efecto de remanso aguas abajo.

Cuando se presenta flujo a presin, la profundidad de socavacin se incrementa. HEC-18 (1993) sugiere que se usen factores de multiplicacin que fluctan entre 1.0 para nmeros de Froude menores que 0.1 y 1.6 para nmeros de Froude de 0.6. Criterio de ingeniero debe ser usado para determinar el correcto factor multiplicador de la profundidad de socavacin. Si el puente puede ser sobrepasado, la profundidad del agua a ser usada en el clculo de la socavacin y para calcular el nmero de Froude es la altura hasta el tope de la losa del puente o hasta el tope de la defensa.

3.5 Factor de correccin para la socavacin en pilas de gran ancho

Estudios de laboratorio y datos de campo para pilas de gran ancho, en flujos de poca profundidad, han indicado que las ecuaciones existentes para el clculo de la socavacin local

en pilas, sobrestima las profundidades. Johnson y Torrico sugieren las siguientes ecuaciones para el factor de correccin Kw, utilizado para corregir los resultados de la Ecuacin 3.67, anteriormente vista, para la condicin de pilas de gran ancho y flujos poco profundos.

PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES3.40

ds = 2.0K

aK K K

0.65

F 0.43 ............................................................................ 3.67

a

h f

c h r

El factor de correccin debe ser usado cuando la razn del flujo h y el ancho de la pila a es menor de 0.8 (h/a < 0.8); la razn de ancho de la pila a al dimetro medio del material del lecho D50 sea mayor que 50 (a/D50 > 50) y el nmero de Froude del flujo sea subcrtico.0.38 h

FK w = 2.58

0.65r

para V / Vc

< 1 ...................................................................... 3.74

a

h

0.13

K w = 1.00

0.25

Fr

para V / Vc

1...................................................................... 3.75

a

Kw = factor de correccin para la ecuacin 3.67 para pilas de gran ancho y flujos poco profundos.a= ancho de la pila[m]

h= profundidad del flujo[m]

Fr= nmero de Froude en la seccin directamenteaguas arriba de la pila

El juicio del ingeniero debe aplicarse al utilizar el factor Kw debido a que ha sido desarrollado con un nmero limitado de datos en pruebas de laboratorio. Dicho juicio debe tomar en cuenta el volumen del trnsito, la importancia de la va, el costo de una posible falla (potencial de prdidas humanas y dinero) y el cambio en el costo que produce la utilizacin del factor Kw.

3.6 Efecto del tipo y localizacin de la cimentacin sobre la socavacin local en pilas

La mayora de las investigaciones realizadas hasta la fecha se han hecho para pilas que tienen seccin transversal uniforme a lo largo de su altura por lo que las ecuaciones de diseo existentes se basan en un ancho nico. Ejemplos de pilas no uniformes comprenden pilas sobre zapatas, pilas sobre pilotes y pilas sobre cajones.

Debido a la forma y tamao no uniformes de la pila, se hace difcil escoger las dimensiones representativas para tener en cuenta al calcular las profundidades de socavacin. La dimensin representativa puede ser el ancho de la pila, el ancho de la cimentacin o un ancho ponderado. Sin embargo, existen algunas investigaciones que tratan de dar claridad sobre el efecto del tamao y la profundidad del hueco de socavacin cuando la pila es de forma y tamao no uniforme, o cuando la cimentacin queda expuesta al flujo, lo cual es un caso muy comn en la realidad, (Ver HEC-18, (1993, 1995); Sterling Jones, J., Kilgore, R. T. y Mistichelli, M. P., (1992); Parola, A. C., Mahavadi, S. K., Brown, B. M. y Khoury, A. E. (1996); y Melville, B. W. y Raudkivi, A. J., 1996)). En general, tres casos de localizacin de la cimentacin se pueden considerar:

a) El tope de la cimentacin est por encima del lecho del ro.La profundidad de socavacin a esperarse flucta entre un mnimo cuando la cimentacin est a ras del lecho (z = 0), hasta un mximo cuando el ancho de la cimentacin tiene efecto sobre toda la profundidad del agua (-z = h), donde -z es la altura de la cimentacin sobre el lecho del cauce.

Figura 3.12.a Tope de la cimentacin est por encima del lecho del ro.

b) El tope de la cimentacin se encuentra por debajo del lecho del ro y dentro del hueco de socavacin (0 < z < ds).Las profundidades de socavacin esperadas resultan menores ya que la influencia de lacimentacin puede llegar a absorber los vrtices de herradura asociados con la socavacin. Esta disminucin de la socavacin es ms notoria cuando la cimentacin se encuentra justo por debajo del lecho del ro. La reduccin de socavacin para el caso de la pila ligeramente enterrada y la pila con cimentacin situada a ras del lecho del ro es tan brusca que resulta poco seguro tenerla en cuenta. Considerando este factor y que la reduccin en la socavacin es muy difcil de estimar, para efectos prcticos, se sugiere calcular la socavacin considerando nicamente el efecto del ancho de la pila sin tener en cuenta el efecto de la cimentacin.

Figura 3.12.b Tope de la cimentacin se encuentra por debajo del lecho del ro y dentro del hueco de socavacin.

c) El tope de la cimentacin est por debajo del hueco de socavacin (z > ds)En este caso, la forma y las dimensiones de la cimentacin no influyen para nada en lasocavacin. Los mtodos vistos para calcular la socavacin considerando nicamente el efecto de la pila deben ser usados.

Figura 3.12.c. Tope de la cimentacin est por debajo del hueco de socavacin.

J. Sterling Jones, R. T. Kilgore y M. P. Mistichelli (1992), han evaluado tres tcnicas para caracterizar las dimensiones efectivas del conjunto pila y cimentacin cuando ambas estn expuestas al flujo:

a) Uso del ancho de la cimentacin como dimensin caracterstica cuando la altura de la cimentacin ocupa ms del 10% de la profundidad del agua.

b) Uso de un ancho ponderado determinado con base en el promedio del ancho de la pila y del ancho de la cimentacin con relacin a la profundidad del flujo que los afecta. Una alternativa a esta tcnica es el uso de una altura equivalente para el conjunto pila cimentacin, segn la cual el rea de la pila se convierte en una altura adicional de cimentacin.

c) Uso del componente que domina en el conjunto pila/cimentacin tal como se trata a continuacin.

3.6.1 Uso del componente que domina en el conjunto pila/cimentacin

Este enfoque es el recomendado en HEC-18, (1995), para casos en que el cabezal o la zapata de la pila estn expuesto al flujo debido a socavacin ya sea a largo plazo, por migracin lateral de la corriente o por contraccin. HEC-18 (2001) contiene actualizaciones que se pueden consultar en el Numeral 3.6.2.

En este caso, el clculo de la socavacin considerando el ancho de la zapata expuesto al flujo en vez del ancho de la pila resulta muy conservador. Por tal razn, se recomienda que el ancho de la pila (a) se considere en el clculo de la socavacin si el tope de la zapata est al nivel del lecho o por debajo despus de considerarse la socavacin a largo plazo, por migracin lateral de la corriente y por contraccin. Si la zapata se extiende por encima del lecho, se sugiere realizar un segundo clculo de socavacin usando la Ecuacin 3.67 vista anteriormente pero con las siguientes modificaciones: tomar el ancho de la zapata (ac) como valor de a; la profundidad (z) en vez de h; y la velocidad media del flujo en la zona de obstruccin (Vz) calculada con la ecuacin3.76 en vez de V. Debe escogerse como profundidad de socavacin el mayor valor resultante.

zln10.93

+ 1

V z = K s

............................................................................................. 3.76

V hln10.93K s

+ 1

Vzz= velocidad en la zona debajo del tope de la zapata= distancia desde el lecho hasta el tope de la zapata[m/s] [m]

Ks= rugosidad del sedimento del lecho.Se toma usualmente el D84 del material del lecho[m]

h= profundidad del flujo aguas arriba de la pila[m]

Figura 3.13 Efecto de la cimentacin expuesta al flujo. HEC-18. 1995.

3.6.2 Socavacin para fundaciones complejas de pilas

3.6.2.1 Introduccin

Tal como lo indicaron Salim y Jones, la mayor cantidad de investigaciones han sido enfocadas al estudio de pilas slidas, con muy poca atencin a la determinacin de las profundidades de socavacin en: (1) grupos de pilas, (2) grupos de pilas con placas de apoyo, o (3) sistemas de grupos de pilotes, placas de amarre y apoyo, y pilas slidas expuestas al flujo. (HEC-18, 2001).

Los tres tipos de fundacin pueden seleccionarse por condiciones impuestas por diseo o por socavacin (erosin a largo plazo, contraccin general, socavacin local y migracin lateral del cauce). En el caso general, el flujo puede s