La socavación de puentes es la eliminación de sedimentos como arena y grava alrededor de los estribos o pilares del puente . La socavación hidrodinámica , causada por el agua que fluye rápidamente, puede crear agujeros de socavación , comprometiendo la integridad de una estructura. [1]
En los Estados Unidos , la socavación de puentes es una de las tres causas principales de fallas de puentes (las otras son colisiones y sobrecargas). Se ha estimado que el 60% de todas las fallas de puentes se deben a socavación y otras causas relacionadas con la hidráulica. [2] Es la causa más común de fallas en puentes de carreteras en los EE. UU., [3] donde 46 de 86 fallas importantes de puentes se debieron a socavación cerca de los muelles entre 1961 y 1976. [4]
El agua normalmente fluye más rápido alrededor de pilares y estribos, lo que los hace susceptibles a la socavación local. En las aberturas de los puentes, la socavación por contracción puede ocurrir cuando el agua se acelera a medida que fluye a través de una abertura que es más estrecha que el canal aguas arriba del puente. La socavación por degradación ocurre tanto aguas arriba como aguas abajo de un puente en grandes áreas. Durante largos períodos de tiempo, esto puede provocar el descenso del lecho del arroyo . [2]
La inestabilidad del canal de los arroyos, que resulta en la erosión del río y en cambios en los ángulos de ataque, puede contribuir a la socavación de los puentes. Los escombros también pueden tener un impacto sustancial en la socavación de puentes de varias maneras. Una acumulación de material puede reducir el tamaño del canal debajo de un puente causando socavación por contracción en el canal. Una acumulación de residuos en el pilar puede aumentar el área de obstrucción y aumentar la socavación local . Los escombros pueden desviar el flujo de agua, cambiando el ángulo de ataque y aumentando la socavación local. Los escombros también podrían desplazar todo el canal alrededor del puente, provocando un aumento del flujo de agua y socavación en otro lugar. [3]
Los problemas de socavación de puentes que se encuentran con más frecuencia generalmente involucran material aluvial suelto que puede erosionarse fácilmente. No se debe suponer que la socavación total en suelos cohesivos o cementados no será tan grande como en suelos no cohesivos; la diarrea simplemente tarda más en desarrollarse.
Muchas de las ecuaciones de socavación se derivaron de estudios de laboratorio, cuyo rango de aplicabilidad es difícil de determinar. La mayoría de los estudios se centraron en pilas y formaciones de pilotes , aunque la mayoría de los problemas de socavación de puentes están relacionados con la configuración más compleja del estribo del puente. Algunos estudios se verificaron utilizando datos de campo limitados, aunque esto también es difícil de escalar con precisión para fines de modelado físico. Durante las mediciones de campo de la socavación posterior, un agujero de erosión que se había desarrollado en la etapa ascendente de una inundación, o en el pico, puede rellenarse nuevamente en la etapa descendente. Por esta razón, la profundidad máxima de socavación no puede modelarse simplemente a partir del evento.
La socavación también puede causar problemas con el análisis hidráulico de un puente. La socavación puede profundizar considerablemente el canal a través de un puente y reducir efectivamente o incluso eliminar el remanso . Sin embargo, no se debe confiar en esta reducción del remanso debido a la naturaleza impredecible de los procesos involucrados.
Al considerar la socavación, es normal distinguir entre sedimentos (aluviales) no cohesivos o no cohesivos y material cohesivo. Los primeros suelen ser los de mayor interés para los estudios de laboratorio. Los materiales cohesivos requieren técnicas especiales y están poco investigados.
La primera cuestión importante al considerar la socavación es la distinción entre socavación en aguas claras y socavación en lecho vivo . La cuestión crítica es si el esfuerzo cortante medio del lecho del flujo aguas arriba del puente es menor o mayor que el valor umbral necesario para mover el material del lecho.
Si el esfuerzo cortante aguas arriba es menor que el valor umbral, el material del lecho aguas arriba del puente está en reposo. Esto se conoce como condición de agua clara porque el flujo de aproximación es claro y no contiene sedimentos. Por lo tanto, cualquier material del lecho que se retire de un pozo de socavación local no es reemplazado por sedimentos transportados por el flujo de aproximación. La máxima profundidad de socavación local se logra cuando el tamaño del pozo de socavación da como resultado una reducción local del esfuerzo cortante al valor crítico, de modo que el flujo ya no puede eliminar el material del lecho del área socavada.
La socavación del lecho vivo ocurre cuando el esfuerzo cortante aguas arriba es mayor que el valor umbral y el material del lecho aguas arriba del cruce se está moviendo. Esto significa que el flujo de aproximación transporta continuamente sedimentos hacia un pozo de socavación local. Por sí solo, un lecho vivo en un canal uniforme no causará un agujero de socavación; para que esto se cree se necesita algún aumento adicional en el esfuerzo cortante, como el causado por una contracción (natural o artificial, como un puente) o una Obstrucción local (por ejemplo, el pilar de un puente). La profundidad de socavación de equilibrio se logra cuando el material se transporta hacia el interior del pozo de socavación a la misma velocidad con la que se transporta hacia afuera.
Normalmente, la socavación máxima de equilibrio en aguas claras es aproximadamente un 10% mayor que la socavación de equilibrio en lecho vivo. Las condiciones que favorecen la socavación en aguas claras incluyen que el material del lecho sea demasiado grueso para ser transportado, la presencia de canales reforzados con vegetación o artificiales donde las velocidades sólo son lo suficientemente altas debido a la socavación local, o pendientes del lecho plano durante flujos bajos.
Es posible que se produzca socavación tanto en aguas claras como en lechos vivos. Durante una inundación, la tensión de corte del lecho puede cambiar a medida que cambian los flujos de inundación. Es posible tener condiciones de agua clara al comienzo de una inundación, pasando a un lecho vivo antes de volver a condiciones de agua clara. Tenga en cuenta que la profundidad máxima de socavación puede ocurrir bajo condiciones iniciales de agua clara, no necesariamente cuando los niveles de inundación alcanzan su punto máximo y la socavación del lecho vivo está en marcha. De manera similar, se pueden experimentar velocidades relativamente altas cuando el flujo está contenido simplemente dentro de los bancos, en lugar de extenderse sobre las llanuras aluviales en el pico de descarga.
La urbanización tiene el efecto de aumentar la magnitud de las inundaciones y hacer que los hidrogramas alcancen su punto máximo antes, lo que resulta en mayores velocidades de las corrientes y degradación. Las mejoras en los canales o la extracción de grava (por encima o por debajo del sitio en cuestión) pueden alterar los niveles del agua, las velocidades del flujo, las pendientes del lecho y las características del transporte de sedimentos y, en consecuencia, afectar la socavación. Por ejemplo, si un canal aluvial se endereza, ensancha o altera de cualquier otra manera que resulte en una condición de flujo-energía aumentada, el canal tenderá a volver a un estado de energía más bajo degradándose aguas arriba, ensanchándose y agravándose aguas abajo.
La importancia de la socavación por degradación para el diseño de puentes es que el ingeniero tiene que decidir si es probable que la elevación del canal existente sea constante durante la vida útil del puente o si cambiará. Si es probable que se produzca un cambio, se debe tener en cuenta al diseñar la vía fluvial y los cimientos.
La estabilidad lateral del canal de un río también puede afectar las profundidades de socavación, porque el movimiento del canal puede resultar en que el puente esté incorrectamente posicionado o alineado con respecto al flujo de aproximación. Este problema puede ser significativo bajo cualquier circunstancia, pero es potencialmente muy grave en regiones áridas o semiáridas y con corrientes efímeras (intermitentes). Las tasas de migración lateral son en gran medida impredecibles. A veces, un canal que ha permanecido estable durante muchos años puede comenzar repentinamente a moverse, pero las influencias significativas son las inundaciones, el material de los bancos, la vegetación de los bancos y las llanuras aluviales, y el uso de la tierra.
La socavación en los sitios de puentes generalmente se clasifica como socavación por contracción (o constricción) y socavación local. La socavación por contracción se produce en toda una sección transversal como resultado del aumento de las velocidades y las tensiones de corte del lecho que surgen del estrechamiento del canal por una construcción como un puente. En general, cuanto menor sea la relación de apertura, mayor será la velocidad del canal y mayor será el potencial de socavación. Si el flujo se contrae en una amplia llanura aluvial, pueden ocurrir considerables socavaciones y fallas en los bancos. Las constricciones relativamente severas pueden requerir un mantenimiento regular durante décadas para combatir la erosión. Es evidente que una forma de reducir la socavación por contracción es ensanchar la abertura.
La socavación local surge del aumento de velocidades y los vórtices asociados a medida que el agua se acelera alrededor de las esquinas de estribos, muelles y diques de derivación. El patrón de flujo alrededor de un muelle cilíndrico. El flujo que se acerca desacelera a medida que se acerca al cilindro y se detiene en el centro del muelle. La presión de estancamiento resultante es mayor cerca de la superficie del agua, donde la velocidad de aproximación es mayor, y menor más abajo. El gradiente de presión descendente en la cara del muelle dirige el flujo hacia abajo. La socavación local del muelle comienza cuando la velocidad del flujo descendente cerca del punto de estancamiento es lo suficientemente fuerte como para superar la resistencia al movimiento de las partículas del lecho.
Durante una inundación, aunque es posible que los cimientos de un puente no sufran daños, el relleno detrás de los estribos puede erosionarse. Este tipo de daño ocurre típicamente con puentes de un solo tramo con estribos de pared verticales.
El proceso de examen normalmente lo llevan a cabo hidrólogos y técnicos hidrológicos e implica una revisión de la información histórica de ingeniería sobre el puente, seguida de una inspección visual. Se registra información sobre el tipo de roca o sedimento transportado por el río y el ángulo en el que el río fluye hacia y desde el puente. El área debajo del puente también se inspecciona en busca de agujeros y otras evidencias de socavación.
El examen del puente comienza con la investigación de la oficina. Se debe anotar la historia del puente y cualquier problema previo relacionado con la socavación. Una vez que un puente es reconocido como un posible puente de socavación, se procederá a una evaluación adicional que incluye revisión de campo, análisis de vulnerabilidad a la socavación y priorización. Los puentes también serán clasificados en diferentes categorías y priorizados por riesgo de socavación. Una vez que se evalúa que un puente es crítico para la socavación, el propietario del puente debe preparar un plan de acción para mitigar las deficiencias conocidas y potenciales. El plan puede incluir la instalación de contramedidas, monitoreo, inspecciones después de inundaciones y procedimientos para cerrar puentes si es necesario.
Alternativamente, también se están implementando tecnologías de detección para evaluar la socavación. El nivel de detección de socavación se puede clasificar en tres niveles: inspección general de puentes, recopilación de datos limitados y recopilación de datos detallados. [5] Hay tres tipos diferentes de sistemas de seguimiento de la socavación: fijos, portátiles y de posicionamiento geofísico. Cada sistema puede ayudar a detectar daños por socavación en un esfuerzo por evitar fallas en los puentes, aumentando así la seguridad pública.
El Manual Circular de Ingeniería Hidráulica No. 23 (HEC-23) contiene pautas generales de diseño como contramedidas de socavación que son aplicables a pilares y estribos. La numeración en la siguiente tabla indica la sección de la guía de diseño HEC-23: [6]
Los vertederos en curva, los espolones y los bancos guía pueden ayudar a alinear el flujo aguas arriba, mientras que los escolleras , los gaviones , los bloques de hormigón articulados y los colchones rellenos de lechada pueden estabilizar mecánicamente los taludes del muelle y los estribos. [6] El riprap sigue siendo la contramedida más común utilizada para prevenir la socavación en los estribos de los puentes. Una serie de adiciones físicas a los estribos de los puentes pueden ayudar a prevenir la socavación, como la instalación de gaviones y colocación de piedras aguas arriba de los cimientos. La adición de tablestacas o bloques de hormigón prefabricados entrelazados también puede ofrecer protección. Estas contramedidas no cambian el flujo de socavación y son temporales ya que se sabe que los componentes se mueven o son arrastrados por una inundación. [7] La Administración Federal de Carreteras (FHWA) recomienda criterios de diseño en HEC-18 y 23, como evitar patrones de flujo desfavorables, racionalizar los estribos y diseñar cimientos de muelles resistentes a la socavación sin depender del uso de escollera u otras contramedidas.
Los canales de forma trapezoidal a través de un puente pueden disminuir significativamente la profundidad de la socavación local en comparación con los estribos de paredes verticales, ya que proporcionan una transición más suave a través de la abertura de un puente. Esto elimina las curvas abruptas que provocan zonas turbulentas. Los diques , púas, espigones y veletas son estructuras de formación de ríos que cambian la hidráulica de la corriente para mitigar la erosión o los depósitos indeseables. Por lo general, se utilizan en canales de arroyos inestables para ayudar a redirigir el flujo del arroyo a ubicaciones más deseables a través del puente. La inserción de pilotes o zapatas más profundas también se utiliza para ayudar a fortalecer los puentes.
El Manual Circular de Ingeniería Hidráulica No. 18 (HEC-18) fue publicado por la FHWA e incluye varias técnicas para estimar la profundidad de la socavación. Las ecuaciones empíricas de socavación para socavación de lecho vivo, socavación de aguas claras y socavación local en muelles y estribos se muestran en la sección del Capítulo 5 – Socavación general. La profundidad total de la socavación se determina sumando tres componentes de socavación que incluyen la agradación y degradación a largo plazo del lecho del río, la socavación general en el puente y la socavación local en los muelles o estribos. [8] Sin embargo, la investigación ha demostrado que las ecuaciones estándar en HEC-18 predicen en exceso la profundidad de socavación para una serie de condiciones hidráulicas y geológicas. La mayoría de las relaciones HEC-18 se basan en estudios de canales de laboratorio realizados con sedimentos del tamaño de arena aumentados con factores de seguridad que no son fácilmente reconocibles o ajustables. [9] La arena y la grava fina son los materiales del lecho que se erosionan más fácilmente, pero los arroyos frecuentemente contienen materiales mucho más resistentes a la socavación, como labranza compacta, arcilla dura y esquisto . Las consecuencias del uso de métodos de diseño basados en un solo tipo de suelo son especialmente significativas para muchas provincias fisiográficas importantes con condiciones geológicas y materiales de cimentación claramente diferentes. Esto puede llevar a valores de diseño demasiado conservadores para la socavación en condiciones hidrológicas no críticas o de bajo riesgo. Por lo tanto, se continúan mejorando las ecuaciones en un esfuerzo por minimizar la subestimación y sobreestimación de la socavación.
