FALLA POR SOCAVACIÓN EN CIMENTACIONES DE PUENTES:MECANISMO, ESTIMACIÓN, MONITOREO Y PREVENCIÓN

La gran mayoría de fallas en puentes en México se deben al efecto de la socavación (CENAPRED). De los 15 principales corredores carreteros del país, seis corren a lo largo de las costas del golfo de México y del océano Pacífico en zonas de influencia de tormentas tropicales y lluvias extremas. En los seis corredores mencionados se localizan una gran cantidad de puentes, muchos de ellos sobre ríos, la falla de estos puentes tiene un alto costo directo e indirecto para la sociedad.

Aunado a esto, El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), una entidad científica internacional creada en 1988 por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), ha comprobado que la intensidad de los episodios de precipitación debido al cambio climático, en particular la proporción de la precipitación total que cae durante los episodios intensos, ha aumentado y es muy probable que siga aumentando en el futuro (Figura 1). la mayor intensidad y frecuencia de las precipitaciones puede incrementar la probabilidad de socavación en cimentaciones de pilas y estribos en puentes debido al aumento del caudal de avenida.

La socavación es un fenómeno natural causado por la acción erosiva del flujo de agua sobre lechos erosionables. Se presenta en tres formas principales, a saber, socavación general, socavación por contracción y socavación local. La socavación general ocurre independientemente de la existencia del puente y puede ocurrir como socavación a largo o corto plazo. Implica la remoción de sedimentos del lecho y los bancos a lo largo de todo o la mayor parte del ancho de un canal. En contraste con la socavación general, la socavación por contracción y la socavación local son directamente atribuibles a la existencia del puente.

La socavación por contracción ocurre cuando el área de flujo de una corriente se reduce por una contracción natural o un puente que restringe el flujo. En el cruce de un puente, muchos factores pueden contribuir a la aparición de la socavación por contracción. Estos factores pueden incluir: el canal principal se contrae naturalmente a medida que se acerca a la apertura del puente; los terraplenes de la carretera en el acceso al puente hacen que todo o una parte del flujo del desborde sea forzado hacia el canal principal; los estribos del puente se proyectan hacia el canal principal; los pilares del puente están bloqueando una parte significativa del área de flujo; y una caída en el agua de descarga aguas abajo que provoca un aumento de las velocidades dentro del puente.

La socavación local generalmente ocurre en un pilar, estribo, dispositivo de control de erosión u otros obstáculos que obstruyen el flujo. Las obstrucciones provocan la aceleración del flujo y crean vórtices que eliminan los sedimentos circundantes, como se muestra brevemente en la Figura 2. Generalmente, las profundidades de la socavación local son mucho mayores que las de la socavación general, a menudo por un factor de diez (Melville y Coleman 2000; Liang et al., 2000). otros 2009). La socavación conducirá a la pérdida del soporte lateral de los cimientos del puente hasta la profundidad de la socavación. Si la socavación es muy local alrededor del pilote, la resistencia lateral a mayores profundidades no se verá afectada. La socavación general reducirá las tensiones efectivas y, por lo tanto, también la resistencia lateral del suelo a mayores profundidades (Diamantidis y Arnesen 1986).

La socavación de un puente es un proceso complejo sobre la remoción de suelo alrededor de los cimientos del pilar del puente, que incluye la interacción del flujo, los sedimentos y la estructura. Durante las últimas décadas se han llevado a cabo experimentos de laboratorio, especialmente pruebas de canales, para explorar el mecanismo del proceso de socavación a nivel macroscópico. Con los esfuerzos realizados por generaciones de investigadores, la relación entre la socavación de puentes y estos factores se ha revelado de manera integral y se logran muchos logros académicos cada año. Estas prácticas se pueden dividir generalmente en tres categorías: aspectos hidráulicos, geotécnicos y estructurales.

Los efectos del flujo se pueden dividir en tres aspectos: (1) vórtice de herradura causado por la aceleración del flujo alrededor de donde la punta del pilar avienta los sedimentos alrededor de los pilares; (2) el flujo descendente, que se precipita hacia el lecho del río, trae agua a alta velocidad que alcanza la velocidad de movilización incipiente de los sedimentos; y (3) vórtice de estela generado en el área aguas abajo que erosiona el suelo detrás de las estructuras. Los investigadores han intentado igualar las condiciones de socavación en el laboratorio y en el campo para poder obtener resultados más fiables.

En realidad, las corrientes y las olas son dos tipos diferentes de flujo que inducen el proceso de socavación de formas diferentes. Estos experimentos siempre se llevan a cabo mediante una prueba de canal, como se muestra en la Figura 3 La socavación de puente en corrientes constantes es un modelo básico de laboratorio para observar el proceso de socavación y llegar a una ecuación para calcular la profundidad máxima de socavación. Para determinar y verificar los efectos de los factores contribuyentes, generalmente se usan pilotes individuales en forma simple.

Varios investigadores han llevado a cabo experimentos de laboratorio para explorar la relación entre los factores influyentes y la profundidad de socavación y construir modelos de predicción (Chiew 1984; Melville y Sutherland 1988; Breusers y Raudkivi 1991; Sheppard et al. 1995; Dey et al. 1995; Melville y Coleman 2000). Descubrieron que la profundidad de socavación local normalizada ds/D en sedimentos arenosos con diámetro uniforme en pilas circulares en flujo constante está estrechamente relacionada con la intensidad del flujo, V/Vc, la profundidad normalizada del agua, y0/D y el diámetro de la pila dividido por la mediana del sedimento. tamaño de grano D/D50.

Shepard et al. (2004) extendieron los datos de socavación de sedimentos inducidos por la estructura local a los rangos más bajos de los valores prototipo de D/D50 usando un método experimental. Después de la exploración preliminar, los experimentos se utilizan como un método importante para revisar y complementar las ecuaciones existentes, especialmente para el diseño de grupos de pilotes (Salim y Jones 1996; Sumer et al. 2005; Ataie-Ashtiani y Beheshti 2006; Amini et al. 2011). Además, también se proporcionaron algunas sugerencias para guiar la prueba del canal en la elección del material y la estimación del tiempo. Según Raudkivi y Ettema (1983) y Melville y Chiew (1999), la profundidad de socavación local está influenciada por el tamaño del sedimento cuando D/D50 < 50 y el tiempo de equilibrio pueden calcularse aproximadamente antes de la socavación.

Las olas son bastante diferentes de las corrientes. No solo porque los parámetros como la altura de las olas, H, el período de las olas, T, la longitud de las olas, L, son diferentes de las corrientes de agua, sino también el proceso dinámico y el movimiento circulatorio inducido por las partículas de agua. Los investigadores trataron de medir la socavación inducida por las olas en la etapa inicial de la investigación sobre la socavación (Das 1970). Sin embargo, debido a la escasez de datos disponibles, el mecanismo de socavación adicional no se investigó de manera sistemática.

Para obtener más datos experimentales, Sumer et al. (1992a) y Sumer y Fredsøe (1998) llevaron a cabo ensayos de canales en pilotes verticales y grupos de pilotes en condiciones de oleaje. Además, se demuestra que el número de Keulegan Carpenter (KC) es el principal parámetro que rige el proceso de socavación en un lecho vivo. Los efectos de escala como el efecto del parámetro de Shields, el efecto del número de Reynolds, el efecto de la rugosidad del pilote y la influencia de la presencia de ondulaciones a pequeña escala en la prueba del canal han sido discutidos por Sumer et al. (1993).

Se han llevado a cabo experimentos en condiciones más complicadas. Myrhaug y Rue (2005) presentaron un enfoque tentativo para derivar el método de predicción de socavación alrededor de pilotes en ondas aleatorias, que se desarrolló aún más en ondas aleatorias no lineales de cresta larga y cresta corta (Myrhaug y Ong 2013). Sumer y Fredsøe (2001) y Whitehouse (2004) ampliaron el conocimiento de la socavación inducida por las olas a grandes estructuras.

En la práctica, las estructuras construidas en estuarios o áreas costeras están expuestas a ambientes marinos severos combinados, por ejemplo, olas, mareas, corrientes de ríos, corrientes oceánicas, flujos oscilatorios y marejadas inducidas por otros peligros naturales. Eadie y Herbich (1986), Kawata y Ysuchiya (1988), Whitehouse (2004), Olabarrieta et al. (2010), Zanke et al. (2011) y Qi y Gao (2014). Petersen et al. Estudiaron la escala de tiempo de la socavación alrededor de un pilote en combinación de olas y corriente. (2012). Al mismo tiempo, los investigadores presentaron estudios sobre la socavación en condiciones de marea (Lu et al. 2006).

Como área de investigación interdisciplinaria, la socavación es un fenómeno causado por factores hidráulicos, que tiene consecuencias geotécnicas y afecta seriamente la estabilidad de la estructura. Similares a los observados en la mecánica del suelo, los comportamientos de la arena gruesa y la arena fina son bastante diferentes durante el proceso de socavación.

Para comprender el mecanismo de socavación local alrededor de los pilares del puente desde el nivel geotécnico, se debe prestar más atención a algunos aspectos importantes, es decir, (1) cuándo se iniciará la erosión de partículas; (2) donde es el destino de las partículas que están en el transporte; y (3) cómo interactúan las partículas entre sí. Estas características varían con los tipos de suelo (es decir, el tamaño de las partículas, la adhesión) y la estructura de los sedimentos (es decir, la composición del suelo, el grado de saturación).

En las últimas décadas se ha acumulado una cantidad sustancial de conocimientos sobre la socavación alrededor de pilotes incrustados en suelos arenosos (Imberger et al. 1982; Melville 1984; Melville y Sutherland 1988; Landers y Mueller 1996). Los suelos sin cohesión se erosionan partícula por partícula, y la socavación local ocurre rápidamente, de modo que se puede alcanzar la máxima profundidad de socavación en unas pocas horas o unos pocos días durante un solo evento de inundación. En el caso de suelos cohesivos, la erosión puede ocurrir tanto por partículas como por bloque de partículas. Las diferencias se muestran en la Figura 4.

Los suelos de grano fino están influenciados por las fuerzas electromagnéticas y electrostáticas entre partículas, de modo que las partículas se combinan estrechamente. Estas razones dan como resultado un tiempo de socavación de equilibrio más prolongado para la arcilla en comparación con la arena; en otras palabras, la tasa de socavación del suelo cohesivo es lenta y puede alcanzar su máxima profundidad de socavación muchos años después de la construcción del puente. Además, la estructura de los suelos hace que la arcilla sea más complicada en el proceso de socavación. Los investigadores han llevado a cabo pruebas de canales sobre socavación alrededor de obstrucciones incrustadas en suelos cohesivos para explorar el mecanismo (Babu et al. 2003; Najafzadeh y Barani 2014) y proponer ecuaciones de predicción confiables (Briaud et al. 1999, 2001; Dolinar 2010).

Según Briaud et al. (NCHRP 2004), la erosionabilidad de los suelos cohesivos está influenciada por muchos factores, como el índice de plasticidad, la relación de vacíos, la temperatura, el oleaje, mientras que muchos otros factores aún están bajo investigación. Para determinar cuándo se iniciarán las partículas, se proponen dos parámetros muy importantes, a saber, el esfuerzo cortante crítico, sc, y la velocidad crítica, Vc. Cuando la velocidad del agua es menor que la velocidad crítica, la erosión no ocurre. Esto se aclarará más en la siguiente sección.

Es ampliamente aceptado que la socavación se puede dividir en dos tipos, a saber, socavación de agua clara y socavación de lecho vivo, de acuerdo con la condición del transporte de sedimentos en el flujo de aproximación. En realidad, el movimiento de los sedimentos barridos se puede describir de dos maneras diferentes: transportado e impulsado por el flujo. En el caso de las partículas transportadas (incluidos los sedimentos transportados río arriba en condiciones de socavación de lecho vivo), la mayoría de ellas van río abajo y se depositan gradualmente cuando la velocidad del flujo no es lo suficientemente grande como para transportarlas. El cambio del nivel del lecho en el límite aguas arriba del pilote proporciona suficiente espacio para que el vórtice local y el flujo impulsen los materiales del lecho alrededor del límite aguas abajo, por lo que la elevación del lecho en la parte posterior de los obstáculos aumenta.

Para aquellas cimentaciones de pilotes de puentes fundadas sobre roca, la socavación ocurre cuando la capacidad erosiva del flujo excede la resistencia a la socavación de los materiales rocosos. La socavación de rocas también es una preocupación en represas, aliviaderos, piscinas de inmersión y otras estructuras construidas bajo condiciones fluviales y marinas (Garcia 2008). Las investigaciones en esta área se centran principalmente en dos aspectos: el mecanismo de falla y la predicción de socavación. A diferencia de la arena y la arcilla, la roca se puede socavar por medio de cuatro tipos: eliminación de bloques, fractura frágil, falla subcrítica y abrasión (Bollaert 2004; Bollaert y Schleiss 2005; Annandale 2006). Se utilizaron dos conceptos típicos de predicción de socavación, a saber, el método del índice de erosionabilidad (EIM; Annandale 1995, 2000, 2006) y el modelo de socavación integral (CSM; Bollaert 2004; Bollaert y Schleiss 2005) para estimar y cotejar los resultados e identificar fallas. modelos en la práctica.

Sin embargo, los materiales del lecho en la práctica no están compuestos simplemente de arena o arcilla. Las observaciones de campo muestran que la arena o el limo muy finos pueden estar presentes en el fondo del océano en varias densidades relativas. Los datos estadísticos en China muestran que los materiales del lecho en el estuario del río Yangtze están compuestos de suelo cohesivo y arena con partículas de gran tamaño, y los del delta del río Amarillo están compuestos principalmente de limo y arcilla.

En realidad, muchos agujeros de socavación observados muestran la complicada distribución del suelo. Por ejemplo, el puente del río Yangtze de Shanghái, que se encuentra sobre el río Yangtze en el este de China, fue testigo de la erosión alrededor de sus pilares a través de una capa de limo arenoso, una capa de arcilla sucia y una capa de limo blando, respectivamente. Para investigar la socavación local con más veracidad en el aspecto geotécnico, los investigadores intentaron hacer que la condición del sedimento fuera similar a la del campo. Sumeria et al. (2007) realizaron experimentos para un pilote circular en limo denso, limo de densidad media y arena bajo condiciones de oleaje. Debnath y Chaudhuri (2010a, b) analizaron el efecto de la proporción de suelo cohesivo cuando se mezcla con suelo no cohesivo a través de un método experimental. Liang et al. (2015b) llevaron a cabo ensayos de canales sobre socavación alrededor de grupos de pilotes incrustados en capas de suelo combinadas.

La investigación en esta área se centra principalmente en los efectos causados por el agujero de socavación existente y los efectos de las características de los cimientos (es decir, la forma y el patrón espacial) en el proceso de socavación. Los análisis de la estructura de flujo relacionada con la socavación son el último paso, pero no el menos importante, durante todo el proceso de socavación. La influencia se puede dividir en dos partes, es decir, la cimentación y la superestructura.

En la etapa inicial de la investigación sobre el mecanismo de socavación local, se prestó atención principalmente al caso más básico, a saber, un solo pilote incrustado en arena bajo una corriente constante. Con la mejora en la teoría y la tecnología en el diseño y construcción de puentes, los cimientos complejos y los puentes marítimos resaltan el problema causado por la socavación local. Como tema en desarrollo, la socavación de puentes se enfrenta a muchos desafíos nuevos y ha ganado muchas observaciones nuevas, como se muestra en la Figura 5.

Las cimentaciones de puentes de uso común cambian de pilas a grupos de pilas, luego a cajones e incluso a grupos más complejos, mientras que el tramo de puente de metros a kilómetros. Los resultados y las ecuaciones derivadas de los primeros tipos de cimientos no pueden cumplir con los requisitos de los nuevos. La socavación alrededor de pilares sólidos típicos se ha investigado ampliamente tanto para corrientes constantes como para olas (Raudkivi y Ettema 1983; Melville y Sutherland 1988; Sumer et al. 1992b; Whitehouse 1998; Melville y Coleman 2000; Richardson y Davis 2001; Sumer et al. 2007).

El conocimiento de la socavación en grupos de pilotes está desarrollado, pero aún es limitado (Salim y Jones 1996; Sumer et al. 2005; Myrhaug y Rue 2005; Ataie-Ashtiani y Beheshti 2006; Amini et al. 2011; Liang et al. 2015a, 2017). La diferencia entre la erosión del suelo que rodea un solo pilote y los grupos de pilotes se debe a sus interacciones mutuas, que también es la razón clave del complicado proceso de socavación alrededor de los grupos de pilotes. El flujo entrante llega a las pilas frontales, que se reduce y se redirige. Como resultado, la profundidad máxima de socavación alrededor de los pilotes traseros es menor que alrededor de los pilotes delanteros. Esto se llama efecto de protección. Debido a la contracción del perfil del canal cuando el agua fluye a través del espacio entre pilas, la velocidad del flujo se acelerará, lo que conduce a una mayor profundidad de socavación que alrededor de una sola pila. Esto se llama efecto de chorro. El proceso de cimentación con muchos pilotes se compone de un efecto de protección y chorro interactuado y combinado, por lo que el mecanismo de socavación y flujo local alrededor de los grupos de pilotes es bastante complejo. También se han llevado a cabo socavaciones alrededor de cajones y cimientos complejos (Coleman 2005; Zhao et al. 2012). Los métodos de diseño existentes se basan principalmente en datos experimentales adquiridos de estructuras con diámetro pequeño, mientras que los datos experimentales y de campo alrededor de grandes cimientos son limitados.

Además del mecanismo de socavación alrededor de los cimientos, el comportamiento de los pilotes socavados también debe investigarse exhaustivamente. Como muchas otras estructuras marinas soportadas por pilotes, los pilares de los puentes estarán sujetos a cargas horizontales durante su vida útil. Estos pilotes están sujetos a carga lateral debido al viento, las olas y las corrientes. Los agujeros de socavación de diferentes formas, profundidades y tamaños tienen varios efectos sobre el comportamiento de los pilotes, incluida su resistencia a las cargas laterales (Lin et al. 2010, 2016; Shwiyhat y Xiao 2010), mientras que se han desarrollado muchos métodos numéricos para el análisis de sistema de pilotes de suelo cargado lateralmente (Desai 1974; Poulos y Davis 1980; Reese 1986). También se han realizado estudios sobre el comportamiento de pilotes socavados (Daniels et al. 2007; Chen et al. 2007; Ye et al. 2007; Lin et al. 2014a, b; Li et al. 2013; Qi et al. 2016a, b). Mientras tanto, Liang et al. (2015c) presentó un modelo analítico para investigar el efecto de socavación extrema en el pandeo de pilotes de puentes en arcilla blanda considerando el historial de esfuerzos de los suelos restantes.

Estos resultados conectan el proceso geotécnico con los componentes estructurales que afectan el fenómeno de socavación y resaltan la importancia de la investigación de socavación en estructuras marinas incrustadas en varios materiales de lecho. Sin embargo, la mayoría de estos estudios se basaron en modelos sin corrientes ni olas, que no se asemejaban a las condiciones de campo.

Los aspectos de ingeniería de la investigación de socavación tienen como objetivo mitigar la pérdida de fallas de puentes causadas por la socavación local. Se han propuesto varios métodos. Estos esfuerzos se pueden dividir en tres categorías: (a) En la etapa de diseño, las predicciones y las pruebas de laboratorio se utilizan ampliamente para estimar la profundidad máxima de socavación; (b) en la etapa de construcción, se proponen contramedidas para mitigar la socavación local; y (c) en la etapa de servicio, se instalan instrumentos de monitoreo de socavación en las estructuras para brindar vigilancia de seguridad.

Los modelos confiables para simular el proceso de socavación y las ecuaciones precisas para predecir la profundidad máxima de socavación son importantes para el diseño y la construcción de puentes. Durante los últimos años, los investigadores establecieron muchas ecuaciones utilizando datos de laboratorio y de campo. La mayoría de ellos concuerda bien con la base de datos utilizada para derivar estas ecuaciones. Sin embargo, no funcionan tan bien como se esperaba. Las principales razones incluyen: (a) Los efectos de escala no se pueden evitar en las pruebas de canal; (b) los materiales del lecho y las condiciones de flujo están excesivamente simplificados; (c) los datos existentes no pueden cubrir las diversas condiciones en la práctica; y (d) incluso los datos de campo no se miden con precisión debido al complicado entorno fluvial o submarino y las limitaciones tecnológicas.

La subestimación de la profundidad de socavación generará un peligro potencial para la seguridad, mientras que la sobreestimación puede conducir a un costo de construcción excesivo. Se han desarrollado modelos empíricos para la socavación local tanto en el caso de un solo pilote como en el caso de grupos de pilotes (Laursen y Toch 1956; Jain y Fischer 1979; Melville y Sutherland 1988; Mohamed et al. 2005; Ataie-Ashtiani y Beheshti 2006; Amini et al. 2011; Kumar y Sreeja 2012). Las relaciones entre la profundidad máxima de socavación y los parámetros, a saber, los parámetros hidráulicos de flujo, las características geométricas de las estructuras y los parámetros geotécnicos del lecho del río, se han resuelto, respectivamente.

Para probar la precisión de las ecuaciones de socavación de puentes desarrolladas, muchos investigadores han llevado a cabo estudios comparativos (Lu et al. 2008; Gaudio et al. 2010; Park et al. 2017; Sheppard et al. 2014; Qi et al. 2016a, b). Estos estudios comparativos pueden proporcionar conclusiones diferentes entre sí, pero generalmente se cree que la mayoría de las ecuaciones existentes son conservadoras. Las ecuaciones que demostraron ser más precisas se usaron como métodos de diseño en la práctica y fueron mejoradas por organizaciones hidráulicas en muchos países (Richardson y Davis 2001; Melville y Coleman 2000; el Ministerio de Comunicaciones de la República Popular China 2002).

Con el desarrollo de algoritmos computacionales, recientemente se han propuesto muchos modelos basados en datos y métodos computacionales, como redes neuronales (Lee et al. 2007; Kaya 2010), programación de expresión génica (Khan et al. 2012) y regresión de vectores de soporte. (Goel y Pal 2009; Pal et al. 2011). Sin embargo, tanto los modelos empíricos como los basados en datos no revelan el mecanismo subyacente. Las conexiones entre las causas (mecanismo de socavación) y los resultados (agujero de socavación) se establecen principalmente por el fenómeno físico y el método matemático.

El método de observación de socavación (OMS) se desarrolló para vincular la observación de campo con la predicción de condiciones futuras (Briaud et al. 2009; Govindasamy et al. 2012). Se aplicó a dos puentes de Texas (Govindasamy y Briaud 2014). Este método no requiere pruebas in situ y de laboratorio. En cambio, se incluyó información sobre el historial de inundaciones y la profundidad de la socavación, junto con la futura inundación. Es económico en comparación con otros métodos actuales de evaluación de la socavación de puentes. Sin embargo, los gráficos utilizados en este método se desarrollaron para un rango específico de parámetros relacionados con la socavación, como la profundidad del agua, la relación de contracción y el diámetro del pilar.

Además, la socavación en condiciones de lecho vivo ocasionó el relleno del agujero de socavación, lo que puede conducir a una subestimación de la futura profundidad de socavación. El concepto de diseño de factor de carga y resistencia (LRFD) se introdujo en el diseño de socavación de puentes. En ingeniería de puentes, se instó a LRFD a garantizar un nivel de seguridad uniforme para todos los componentes de los puentes (AASHTO 1994). Se han realizado esfuerzos para promover el concepto de LRFD en la socavación de puentes (Brandimarte et al. 2006; Briaud et al. 2007). Se puede suponer que el proceso de socavación es el transporte de arena dividida en capas verticalmente. Si una capa específica será erosionada se decide por:

Donde Qni significa la carga nominal, que incluye dos aspectos: corriente y ola; Rni significa la resistencia nominal, que incluye tres aspectos: suelo, obstrucciones y contramedidas; γi es el factor de carga; φi es el factor de resistencia. La carga nominal causada por el flujo disminuye verticalmente, mientras que la resistencia aumenta. Esto significa que hay un equilibrio entre ellos en la profundidad de socavación de equilibrio. Para lograr este objetivo, se debe realizar más investigación para encontrar los factores adecuados para la carga y la resistencia.

El monitoreo de la socavación durante el servicio de un puente es la única forma de observar la profundidad de la socavación y recopilar los datos de campo. También es un método viable, efectivo y económico para prevenir fallas en los puentes. Tradicionalmente, la inspección visual por buzos era la única forma de medir la profundidad de socavación con instrumentos básicos. Sin embargo, hay tres deserciones importantes asociadas con este método: (a) La inspección no puede llevarse a cabo durante las inundaciones; (b) es posible que la profundidad máxima de socavación no se registre con precisión porque los agujeros de socavación tienden a llenarse con sedimentos después de la inundación; y (c) los datos son discretos y la tendencia de la socavación no puede derivarse hasta la profundidad de socavación de equilibrio. Se han propuesto alternativas más efectivas durante los últimos años para monitorear mejor la socavación, y estos esfuerzos se pueden clasificar en tres categorías, a saber, monitoreo de referencia, monitoreo de interfaces suelo-agua y monitoreo de estructuras, de acuerdo con los diferentes objetos en medición. Las ventajas y desventajas se organizan en la Tabla 1.

La socavación se define como la erosión del sedimento del lecho fluvial alrededor de la obstrucción en un campo de flujo. La profundidad de socavación es el cambio en la elevación alrededor de la obstrucción, mientras que el agujero de socavación se forma cuando los materiales del lecho se lavan durante el proceso de socavación. La forma directa de monitorear la profundidad de socavación es medir directamente el cambio en el sedimento. Sin embargo, las partículas son difíciles de detectar y monitorear, especialmente bajo el agua.

Por lo tanto, los objetivos (targets) de referencia están enterrados alrededor del lecho del río, que rastrea la profundidad máxima de socavación y luego se detecta en función de varios principios. Un sistema de collar deslizante magnético (MSC) incluye un collar deslizante y una tubería de acero inoxidable que se sujeta al muelle y se conduce al lecho del río (Yankielun y Zabilansky, 1999). Como se muestra en la Figura 6, el collarín se desliza hacia abajo cuando se produce el agujero de socavación, y la ubicación del collarín se puede rastrear utilizando el campo magnético creado por los imanes adheridos al collarín. Por lo tanto, la profundidad actual del lecho del río se puede leer desde un cable, que puede proporcionar la información de la socavación actual mediante un sensor magnético. Aunque el dispositivo se puede usar durante una inundación, no se puede usar para monitorear el proceso de socavación de manera continua, especialmente en condiciones de lecho vivo. El collar quedará enterrado por el sedimento rellenado y deberá restablecerse, lo que lleva mucho tiempo.

Además, se necesitan varios dispositivos para capturar la máxima profundidad de socavación, lo que no es económico. Con una idea similar, los investigadores han propuesto y desarrollado la tecnología de "rocas inteligentes" (Chen et al. 2015). Los dispositivos flotantes también se utilizan como referencias con un transmisor de radio enterrado en el lecho del río a una profundidad predeterminada. Cuando la profundidad de socavación alcance la profundidad del dispositivo, el dispositivo flotará hacia la superficie de la corriente. Es fácil de operar, pero el dispositivo proporciona resultados demasiado limitados y debe diseñarse con precisión antes de usarlo.

Las "rocas inteligentes" son rocas naturales o piedras artificiales de concreto incrustadas con sensores que pueden enviar datos como la profundidad, la ubicación y el movimiento de las rocas. Es más inteligente y automatizado que MSC porque muchas rocas inteligentes se pueden distribuir simultáneamente en las cercanías de los muelles. El área de monitoreo también aumenta en comparación con MSC, y los datos alrededor del puente se pueden recopilar al mismo tiempo. Esta nueva técnica es una tecnología rentable y fácil de instalar y operar, pero todavía tiene limitaciones cuando se usa para monitorear el proceso de deposición o relleno del lecho del río.

La profundidad de socavación en un lugar particular se puede detectar al monitorear la interfaz entre el agua y el sedimento. El método típico para detectar la diferencia entre dos fases es el sistema de instrumentación de sonar, que consta de dos sensores, a saber, el transmisor y el receptor (Figura 7). Un pulso sónico enviado desde el transmisor se reflejará y será capturado por el receptor. El tiempo que tarda la señal en propagarse desde el emisor al receptor junto con la velocidad de propagación en el agua se puede utilizar para calcular la distancia desde el emisor hasta el lecho del río (De Falco y Mele 2002). El cambio en la distancia se puede informar para mostrar el proceso de socavación y el relleno de sedimentos. Sin embargo, la precisión y el uso dependen seriamente de la distancia y la instalación. Además, el sonar es fácil de destruir y sus resultados necesitan una mayor interpretación, lo que cuesta tiempo y trabajo. Se documentan más detalles sobre las limitaciones en el monitoreo del proceso de socavación en Briaud et al. (2011).

Un sensor piezoeléctrico llamado rejilla de Bragg de fibra (FBG), que puede exponerse al agua, está sujeto a fuerzas hidrodinámicas del flujo entrante y se deforma debido al momento de flexión. Estos sensores se sujetan a las varillas incrustadas en el lecho del río, y la profundidad de socavación se puede derivar de los datos, a partir de los cuales se puede adquirir la elevación. Existen dos tipos típicos de sensores de fibra óptica para monitorear la socavación local (Lin et al. 2005; Sohn et al. 2004).

La reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), generalmente utilizada como medida de las características del suelo (Yu et al. 2014), también se basa en el concepto de detección de las interfaces suelo-agua por las diferentes velocidades de propagación en diferentes fases. La factibilidad de usar la sonda TDR para medir la socavación en el laboratorio y en el campo ha sido llevada a cabo por investigadores (Yu y Zabilansky 2006). Sin embargo, estos métodos tienen sus ventajas y limitaciones en varios aspectos: (a) Cuando se usan en el campo, la sonda debe instalarse en el lecho del río bajo el agua; (b) la región de monitoreo para cada sensor es limitada; y (c) se necesita capacitación especializada para el análisis de datos, y la interpretación también es un desafío para los usuarios sin experiencia.

El uso de contramedidas para proteger los pilotes contra la socavación es un tema importante para la seguridad de los puentes. Con base en la característica del proceso de socavación, se han propuesto muchas contramedidas. Estos métodos se pueden dividir en dos categorías, es decir, (a) contramedidas pasivas y (b) contramedidas activas. El equilibrio de la socavación del puente se puede describir como el equilibrio entre la carga de socavación nominal y la resistencia a la socavación nominal. Las contramedidas pasivas contra la socavación permiten la reducción de la socavación al proporcionar una barrera física, como escollera, gaviones, bloques, que pueden mejorar drásticamente la resistencia nominal de los materiales del lecho. Por otro lado, las contramedidas de socavación activa están diseñadas para disminuir la fuerza del flujo descendente y el vórtice de herradura para reducir la carga nominal del campo de flujo local. Las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de contramedidas se resumen en la Tabla 2.

El principio básico de los métodos pasivos es agregar una capa de barrera en la superficie de los materiales del lecho para mejorar su resistencia al esfuerzo cortante hidráulico y, por lo tanto, mejorar la resistencia efectiva a la socavación (Figura 8). La escollera, que generalmente se coloca en la superficie del lecho del canal, se usa ampliamente en la práctica debido a su conveniencia y bajo costo. Los investigadores han estudiado la eficiencia, la estabilidad y la falla (Chiew 1995; Lagasse et al. 2007).

Chiew (1995) llevó a cabo un estudio posterior de las causas de la falla de la escollera en condiciones de agua clara y propuso tres modos típicos, a saber, la falla por corte de la escollera, la falla por aventado y la falla de borde. Para evitar estos fallos se han realizado dos tipos de trabajos. Se ha estudiado el tamaño de la piedra junto con el nivel, la cobertura, el espesor y la clasificación de la capa de enrocamiento para determinar las instrucciones en los arreglos de enrocamiento (Melville y Coleman 2000; Lim y Chiew 2001; Lauchlan y Melville 2001), mientras que muchos tipos de Se han llevado a cabo mejoras o alternativas de escollera, como escollera parcialmente lechada (Lagasse 1999), unidades de armadura de concreto (Lagasse et al. 2001), gaviones (Parker et al. 1998).

Sin embargo, el uso de escollera solo proporciona una mejora limitada de la resistencia nominal. Cuando se acerca la inundación, las piedras pueden ser inestables para resistir las altas velocidades de la corriente que se aproxima y las fuerzas de flotación y pueden erosionarse o sumergirse. El uso de escollera también podría influir en el sistema ecológico local.

Las contramedidas de socavación activa están diseñadas para disminuir la fuerza del flujo entrante y desviar su dirección para que la carga nominal caiga. La socavación local es causada principalmente por tres factores: flujo descendente alrededor del límite de corriente arriba, vórtice de herradura en la interfaz entre el flujo y los sedimentos y flujo de estela alrededor del límite de corriente descendente. La mayoría de las contramedidas activas intentaron hacer una contribución a estas partes. Algunos tipos representativos de contramedidas activas se describen en el siguiente contexto (Figura 9).

El uso de pilotes de sacrificio. Los pilotes de sacrificio son pilotes que no soportan carga colocados aguas arriba de los cimientos del puente para protegerlos de la socavación local. La energía del flujo que viene con alta velocidad será disipada y desviada por estas pilas. Se han llevado a cabo estudios de laboratorio y pruebas de campo para investigar la efectividad de la pila de sacrificio y los factores que afectan su desempeño (Chang y Karim 1972; Melville y Hadfield 1999; Haque et al. 2007; Tafarojnoruz et al. 2012). Es económico para un uso prolongado y no requiere cambios en el diseño del pilar del puente. Sin embargo, se necesitan más experimentos y datos de campo para determinar la disposición espacial y el parámetro geométrico de estos pilotes que logran la máxima protección contra la socavación.

El uso del collarín de flujo. El collarín se usa para controlar la socavación alrededor de los pilares principalmente al desviar el flujo descendente. Actúa como un obstáculo con el que se puede reducir la fuerza del flujo descendente y el vórtice de herradura. Los investigadores han investigado el efecto de los collares para mitigar la socavación local (Chiew 1992; Zarrati et al. 2004). Se ha demostrado que el tamaño y la elevación del collar son los factores más importantes que influyen en la eficiencia. El collar está diseñado como una contramedida permanente en comparación con la escollera, que debe rellenarse especialmente después de una inundación grave. Sin embargo, no es fácil diseñar y moldear el collarín en el campo, y la elevación del collarín cambia cuando varía el lecho del río.

Ranura en la pila. Una ranura en la pila permite que pase parte del flujo entrante, de modo que se genere menos flujo descendente y vórtice. Los efectos de la altura, el ancho y la posición de la ranura en la profundidad de socavación alrededor de un pilote circular bajo corrientes y olas se han estudiado en investigaciones anteriores (Kumar et al. 1999). Sin embargo, la ranura cambiará el diseño de los pilotes, como la disposición de las barras de refuerzo. Además, cuando cambia el lecho del río, la dirección del flujo entrante puede cambiar y la efectividad de la ranura para reducir la profundidad de la socavación se verá comprometida drásticamente.