4% 0.070 Este documento presenta los resultados de pruebas de laboratorio realizadas para determinar la socavación de pilas sometidas a diferentes condiciones de flujo y pendiente del lecho. Se probaron tres tipos de pilas (circular, rectangular y aerodinámica) en un canal de transporte de sedimentos, variando la pendiente del lecho de 0% a 4% y observando cómo afecta la geometría de la pila y las condiciones del flujo a la profundidad de socavación. Los resultados mostraron que a mayor pend

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ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN DE PILAS EN LABORATORIO
Espinosa Espinosa María Carmen1, Sánchez Quispe Sonia Tatiana2 Domínguez Sánchez
Constantino3
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; Santiago Tapia 403, Morelia, Michoacán
E-mail: 1espinosaemc@gmail.com, 2soniatsq@hotmail.com, 3constantinods@hotmail.com
Introducción
Las estadísticas demuestran que la principal causa de falla de
puentes radica en la socavación, y esto puede ocurrir cuando
se producen fuertes lluvias en donde crece el cauce de los ríos
y la velocidad de la corriente, en estas condiciones parte del
suelo que forma el lecho se mueve originando la socavación.
De ahí la importancia de entender y visualizar los mecanismos
que dan origen al fenómeno.
El presente artículo muestra los resultados de las pruebas de
laboratorio realizadas con tres tipos distintos de sección
transversal la pila y material del lecho constituido de arena
con tamaño de partícula de 0.075 mm a 2 mm. Esto, con el
propósito de visualizar los mecanismos de interacción entre el
flujo del agua, la geometría de la pila y el material que forma
el lecho y que dan origen a la socavación. Estas pruebas
fueron realizadas en un equipo denominado canal de
transporte de sedimentos.
Los resultados obtenidos muestran que la geometría de la pila
es importante en la magnitud de la profundidad de socavación
así como la pendiente longitudinal del fondo. Esto debido a
que mientras mayor sea la interferencia que se presente frente
al flujo de agua mayor será la profundidad de la socavación
esperada. Por otra parte la visualización del fenómeno permite
a los estudiantes de la carrera de ingeniería Civil conocer las
medidas que habría que implementar para evitar
la
socavación y con ello disminuir la probabilidad de colapso de
los puentes.
Antecedentes
Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que
puede llegar este efecto erosivo
es de fundamental
importancia en el diseño de cimentaciones poco profundas por
ejemplo en puentes, pues una falla seria de juicio en esta
cuestión conlleva la posible pérdida de vidas humanas, la
destrucción total de la estructura o la adopción de
profundidades antieconómicas y excesivas, que complican
seriamente los procedimientos de construcción. Juárez.
(2007).
La socavación es el resultado de la acción erosiva del flujo de
agua que arranca y acarrea material de lecho de un cauce, y
que se ve aumentado con la incorporación de estructuras
dentro del cauce, convirtiéndose en una de las causas más
comunes de falla en puentes.
La socavación local en pilas se presenta al pie de las
estructuras interpuesta a las corrientes, sumergidas o que
emergen de la superficie del agua, como resultado de la
deflexión de las líneas de flujo, la turbulencia y la vorticidad
provocada por la presencia del obstáculo.
Cuando se coloca una pila de puente en la corriente de un río
se produce un cambio en las condiciones hidráulicas de ésta,
y, por lo tanto, en su capacidad para producir arrastre sólido.
Si la capacidad de arrastre supera localmente el aporte del
gasto sólido del río, ocurrirá en la pila una socavación local.
Albarran Aguilar, Enrique. (2007).
El cálculo de la profundidad de socavación en un puente ha
inquietado a los ingenieros. El enfoque dado al cálculo de las
máximas profundidades de socavación en la actualidad, parte
de suponer que ésta depende de variables que caracterizan al
flujo, al material del lecho en el cauce, la geometría de la pila
y del ángulo de incidencia del flujo con respecto al eje de la
pila.
Para el calculo de la profundidad máxima de socavación en
pilas existen muchos metodos, todos con resultados distintos,
entre ellos se pueden citar, el método de Richardson, el
Método de Maza Alvarez y Sánchez Bribiesca, entre otros. A
continuación se indica una de ellas
(1)
Donde ys es la profundidad de socavación (m), y1 es la
profundidad del flujo frente a la pila (m), B es el ancho de la
pila (m), Fr1 es el número de froude y K1, K2 son los
parámetros de forma de la pila y de incidencia del flujo.
La discrepancia de resultados entre una y otra está asociadad a
la discusión existente todavía entre los factores que influyen
en la erosión. Tampoco se ha dado respuesta a la influencia de
números de Froude altos (pendiente alta).
En los ensayes que se presentan en este artículo se prueban
pendientes longitudinales del lecho que van desde lecho
horizontal hasta pendiente de 4%.
Equipos y materiales
El equipo denominado canal de transporte de sedimentos se
encuentra en el laboratorio de modelos hidráulicos de la
facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Michoacana de
San Nicolás de Hidalgo. Dicho canal es rectangular con
paredes transparentes que permite la visualización del flujo a
través de él, tiene un ancho de 7.8 cm un tirante máximo de
11cm, longitud de 155 cm. En el fondo del canal se le puede
colocar una capa de 5 cm de material granular, el gasto se
proporciona mediante una bomba de 50 kW, y la medición se
realiza a través del vertedor rectangular.

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En cuanto a las pilas, se cuenta con tres especímenes: de
sección
circular, rectangular con nariz redondeada y
aerodinámica. Cada una de ellas será probada para distintos
gastos y pendiente longitudinal de lecho del río.
Figura 1. Canal de transporte de sedimentos.
El material que forma el lecho el río consiste de una muestra
de arena de mar cuya distribución de frecuencias y curva
granulométrica se indica a continuación.
Tabla 1. Tabla de distribución de frecuencia
Malla
Diámetro
de la
malla
[mm]
Peso
[gr]
Peso
retenido
[gr]
Peso
que
pasa
[gr]
Porcentaje
que pasa
No. 10
2.000
445
2
2998
99.93
No. 16
1.180
465
22
2976
99.20
No. 20
0.850
481
38
2938
97.93
No. 30
0.600
1349
906
2032
67.73
No. 40
0.425
491
48
1984
66.13
No. 50
0.300
1547
1104
880
29.33
Se coloca la arena en al canal para formar el lecho con un
espesor de 5 cm.
No. 60
0.250
737
294
586
19.53
Escenario de prueba 1.
No. 100
0.150
799
356
230
7.67
No. 200
0.075
625
182
48
1.60
Consiste de hacer pruebas con la pila circular, iniciando con
lecho horizontal hasta alcanzar la pendiente de 4%, con gasto
equivalente al nivel 2 del equipo.
Figura 3. Pilas analizadas.
Pruebas realizadas y resultados
PORCENTAJE QUE PASA
Curva Granulométrica
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
1.000
0.100
0.010
DÍAMETRO DE LAS PARTÍCULAS (mm)
Figura 2. Curva Granulométrica.
De acuerdo a la clasificación American GeophysicalUnion
para materiales sedimentarios se trata de una arena de
granulometría extendida. El componente principal es sílice
que se encuentra en forma de cuarzo.
Figura 4. Pila circular. Con pendiente horizontal del canal.

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Tabla 2. Características del escenario 1
Pendiente
Gasto
[m3/s]
Diámetro del
pozo
[m]
Profundidad
[m]
Horizontal
4.00E-04
0.055
0.003
2%
4.00E-04
0.06
0.01
4%
4.00E-04
0.05
0.013
Tabla 3. Resultados del escenario 1
S
0%
0.033
2%
0.050
4%
Figura 5. Pila circular. Con pendiente de 2% del canal.
Y1[m]
0.070
Área
[m2]
2.57E03
3.90E03
5.46E03
V
[m2/s]
Fr1
0.155 0.273
0.103 0.146
0.073 0.088
Gasto
[m3/s]
4.00E04
4.00E04
4.00E04
Ys[m]
K1
K2
0.066
1
1
0.058
1
1
0.053
1
1
En las figuras 12 a15 se observa la presencia de socavación
alrededor de la pila, se observa que es más drástico a medida
que la pendiente va aumentando. Se destaca una magnitud
mayor frente a la pila. Esto, debido a los vórtices que ahí se
generan, se observa también un depósito de material detrás de
la pila.
Escenario de prueba 2.
Consiste de hacer pruebas con la pila rectangular y nariz
redondeada, iniciando con lecho horizontal y se va
aumentando la pendiente hasta el 4%, con gasto equivalente al
nivel 2 del equipo.
Figura 6. Pila circular. Con pendiente de 2% del canal y vista de
perfil.
Figura 7. Pila circular. Con pendiente de 4% del canal.
Figura 8. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 1% del
canal.

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Figura 9. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 1% del
canal.
Figura 10. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 2% del
canal.
Figura 12. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 4% del
canal.
Figura 13. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 4% del
canal.
Tabla 4. Características del escenario 2
Pendiente
Gasto
[m3/s]
Diámetro del
pozo
[m]
Profundidad
[m]
Horizontal
4.00E-04
0.055
0.003
2%
4.00E-04
0.06
0.01
4%
4.00E-04
0.05
0.013
Tabla 5. Resultados del escenario 2
S
Figura 11. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 2% del
canal.
Y1[m]
0%
0.030
2%
0.011
4%
0.070
Área
[m2]
2.34E03
8.58E04
5.46E03
V
[m2/s]
Fr1
0.171 0.315
0.466 1.419
0.073 0.088
Gasto
[m3/s]
4.00E04
4.00E04
4.00E04
Ys[m]
K1
K2
0.156
1
2.3
0.210
1
2.3
0.122
1
2.3

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En las imágenes anteriores se observa que conforme aumenta
la pendiente es más drástica la socavación. Pero también se
percibe que el ancho del pozo de socavación es menor en
comparación al que se produjo con la pila circular.
Escenario de prueba 3.
Consiste de hacer pruebas con la pila aerodinámica, iniciando
con lecho horizontal, aumentando la pendiente hasta el 4%,
con gasto equivalente al nivel 2 del equipo.
.
Figura 16. Pila aerodinámica. Con pendiente de 1% del canal.
Figura 14. Pila aerodinámica, con lecho horizontal del canal.
Figura 17. Pila aerodinámica. Con pendiente de 2% del canal.
Figura 15. Pila aerodinámica. Con pendiente de 1% del canal.
Figura 18. Pila aerodinámica. Con pendiente de 4% del canal.

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mayor movimiento de las partículas al ser removidas con
mucha facilidad.
La reproducción del fenómeno en el laboratorio de modelos
hidráulicos, es una buena opción de apoyo a la docencia ya
que permite a los alumnos de la carrera de Ingeniería Civil
visualizar los mecanismos de interacción entre el flujo del
agua, la geometría de la pila y el material del lecho. Así como
definir alternativas de protección contra la socavación.
Está claro que para lograr diseños de puentes con menor
probabilidad de fallo frente a los eventos extremos de
avenidas no solo es necesaria la intervención de especialistas
en estructuras o mecánica de suelos sino también se requiere
la intervención del ingeniero hidráulico.
Figura 19. Pila aerodinámica. Con pendiente de 4% del canal.
Agradecimientos
Tabla 6. Características del escenario 3
Pendiente
Gasto
[m3/s]
Diámetro del
pozo
[m]
Profundidad
[m]
Horizontal
4.00E-04
0.055
0.003
2%
4.00E-04
0.06
0.01
4%
4.00E-04
0.05
0.013
Al laboratorio de modelos hidráulicos del Departamento de
Hidráulica de la Facultad de Ingeniería Civil, Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
Al cuerpo académico de Gestión Integral del Agua del
departamento de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería Civil
de la Universidad Michoacán de San Nicolás de Hidalgo.
Referencias
Tabla 7. Resultados del escenario 3
S
Y1[m]
0%
0.024
2%
0.006
4%
0.008
Juárez Badillo Eulalio, Rico Rodríguez Alfonso. (2008).
“Mecánica de suelos III”. Limusa: México D.F.
Área
[m2]
Martínez López Griselda. (2007). “Socavación en obras
civiles y su problemática”. Tesis del Instituto Politécnico
Nacional: México, D.F.
1.87E03
4.68E04
6.24E04
V
[m2/s]
Fr1
Gasto
[m3/s]
4.00E04
4.00E0.855 3.523
04
4.00E0.641 2.288
04
0.214 0.440
Ys[m]
K1
K2
0.054
1
0.75
0.082
1
0.75
Martínez Marín Eduardo. (2001). “Hidráulica Fluvial,
Principios y Práctica”. Bellisco, Ediciones Técnicas y
Científicas.
0.075
1
0.75
Martín Vide Juan Pedro. (2003). “Ingeniería de Ríos”,
Alfaomega Grupo Editor.
Santiago Casanova María Elena. (2007). “Hidráulica de
ríos socavación en ríos puentes y carreteras”. Tesis del
Instituto Politécnico Nacional: México, D.F.
Por último los resultados obtenidos con la pila de perfil
aerodinámico se observa que la pendiente sigue siendo un
factor importante ya que a mayor pendiente en el cauce es más
drástico el fenómeno de socavación.
Conclusiones
Los factores importantes a tener en cuenta en el proceso de
socavación son la geometría de la pila y la pendiente
longitudinal del lecho. Al incrementarse la pendiente aumenta
la velocidad y por ende la capacidad de arrastrar partículas del
fondo provocando que se rompa la condición crítica de las
partículas. En tanto que el obstáculo que presenta la geometría
de la pila y su localización frente a la dirección del flujo
provocan un aumento en la vorticidad que se aprecia con un