Socavación alrededor de pilares de puentes en lechos granulares no cohesivos

Abstract

Durante las últimas cuatro décadas, se han realizado numerosos estudios y desarrollado ecuaciones para pronosticar la socavación en pilares de puentes, la mayoría de estas ecuaciones se desarrollaron usando datos del laboratorio y a veces se comprobaron usando datos de campo obtenidos con limitaciones. Hasta la fecha los datos de campo utilizados para comprobar las ecuaciones son limitados y hay considerable incertidumbre en el uso de estas ecuaciones para pronosticar la profundidad de socavación en el campo. Para varias de las ecuaciones, las condiciones bajo las cuales se realizaron los experimentos de laboratorio no han sido divulgadas, además, los rangos para los que son válidos los parámetros que intervienen en las ecuaciones también son generalmente desconocidos, y, aún cuando el rango de datos usados en el estudio de laboratorio se conozca, es incierto que estos rangos usados en modelos pequeños correspondan con las condiciones del prototipo, pero, son de gran utilidad para darnos idea del comportamiento de este fenómeno. El propósito de la presente investigación experimental es observar el comportamiento y la influencia de los parámetros adimensionales que intervienen en fórmulas planteadas para el cálculo de la socavación en pilares de puentes, la cual se esperan sea de utilidad para el Ingeniero. Se estudian, la influencia de la profundidad del flujo que está definida por el parámetro, la influencia de la Velocidad del Flujo considerando los parámetros ó “Número de Reynolds del Pilar (Rep)”, y el “Número de Froude del Pilar (Fp)”, también se considera la influencia de la relación entre los esfuerzos de corte hidráulico y la de corte crítico para la iniciación del movimiento de los sedimentos, y se examina la influencia de la relación entre el tirante del flujo y el tamaño del sedimento. No se consideró una escala de tiempo definida. Se realizaron ciento veintidós ensayos con tres tipos de secciones de pilares de puentes y sedimentos de dos distribuciones granulométricas con d50 = 0,25 mm y d50 = 1,8 mm, para viscosidades cinemáticas que varían entre 0.78 * 106 m2/s hasta 1.12 * 106 m2/s, El rango de los tirantes ensayados está comprendido entre 1.89 cm. a 7.38 cm. de profundidad media, el Número de Froude de los ensayos estuvo comprendido entre un mínimo de 0.27 a un máximo de 1.89 con pendientes del canal entre 0.19 % a 3.76 %. Los experimentos se realizaron en las instalaciones del Laboratorio Nacional de Hidráulica de la Universidad Nacional de Ingeniería en Lima, continuando la línea de investigación de erosión en cauces con lechos de composición no cohesiva y cohesiva. Se propone una ecuación desarrollada en este estudio experimental, cuyo rango de aplicación se expone. Adicionalmente se usaron datos de campo del USGS de los Estados Unidos, para verificar la ecuación propuesta en este trabajo obteniéndose buenos resultados. Finalmente se recomienda realizar experimentos adicionales y colectar datos de campo.

Over the past three decades, there have been numerous studies and developed equations for predicting bridge pier scour. Most of these equations were developed using laboratory data and are sometimes found using field data were obtained with limitations. To date the field data used to test the equations are limited and there is considerable uncertainty in using these equations to predict the scour depth in the field. For several of the equations, the conditions under which laboratory experiments conducted were not disclosed. In addition, ranges that are valid for the parameters involved in the equations are also generally unknown, and even when the range of data used in the laboratory study is known, it is doubtful that these ranges used in smaller models correspond to the conditions of the prototype, but are useful to give us an idea of the behavior of this phenomenon. The purpose of this experimental research is to observe the behavior and influence of the dimensionless parameters involved in formulae proposed for calculating the bridge piers scour, which are expected to be useful for the engineer. We study the influence of the depth of flow which is defined by the parameter, the influence of the flow velocity considering the parameters or “Pier Reynolds Number (Rep)“, and “Pier Froude number (Fp)“, also considers the influence of the relationship between hydraulic shear stress and critical shear stress for initiation of sediment movement , and examines the influence of the relationship between flow depth and sediment size . It was not considered a defined time scale. One hundred and twenty two tests were conducted with three different sections of bridge piers and sediments of two grain size distributions with d50 = 0.25 mm and d50 = 1.8 mm for kinematic viscosities ranging from 0.78 * 106 m2/s to 1.12 * 106 m2/s. The range of the average flow depths are between 1.89 cm to 7.38 cm, the Froude Number of the tests was between a low of 0.27 to a maximum of 1.89 with channel slopes between 0.19 % to 3.76 %. The experiments were conducted on the experimental facilities of the Hydraulic National Laboratory of the Engineering National University in Lima, continuing the research of erosion in channels with beds of non-cohesive and cohesive composition. An equation developed on this experimental study was proposed. Its range of application has been clearly stated. In addition, USGS field data was used to test the equation proposed in this study. Results obtained were adequate. Additional tests and field data collection are recommended.