info:eu-repo/semantics/bachelorthesis Capriolo Malásquez, Luca Giovanni; Pacheco Roca, José Luis Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC)

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Propuesta de un Documento Técnico con los Criterios Generales para el Uso de Caissons en Puentes

mediante un Análisis de los Estudios Básicos y Juicio de Expertos en la Zona Norte del Perú

Item Type info:eu-repo/semantics/bachelorThesis

Authors Capriolo Malásquez, Luca Giovanni; Pacheco Roca, José Luis Publisher Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC)

Rights info:eu-repo/semantics/openAccess; Attribution- NonCommercial-ShareAlike 4.0 International Download date 23/04/2022 02:28:43

Item License http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Link to Item http://hdl.handle.net/10757/653965

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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL

Propuesta de un Documento Técnico con los Criterios Generales para el Uso de Caissons en Puentes mediante un Análisis de los Estudios Básicos y Juicio

de Expertos en la Zona Norte del Perú

TESIS

Para optar el título profesional de Ingeniero Civil

AUTOR(ES)

Capriolo Malásquez, Luca Giovanni 0000-0001-8586-7428 Pacheco Roca, José Luis 0000-0002-9076-6135

ASESOR

Carrera Cabrera, Elsa 0000-0001-9546-9060 Lima, 09 de diciembre de 2020

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I DEDICATORIA

A Dios, por la paciencia impartida, por habernos dado salud y actitud para culminar, de manera satisfactoria, el desarrollo de nuestra tesis.

A nuestros padres, hermanos y seres queridos, por ser nuestro pilar y fortaleza, no sólo en nuestra carrera universitaria sino también en nuestro desarrollo personal, por su apoyo incondicional y participación indirecta en el desarrollo de nuestra investigación.

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II AGRADECIMIENTOS

Queremos dar un especial agradecimiento a nuestra asesora, Elsa Carrera, por sus conocimientos impartidos, su dedicación, su paciencia, su apoyo incondicional y su guía a lo largo del desarrollo de nuestra tesis y por contribuir en nuestra formación profesional y personal.

Asimismo, agradecemos a los ingenieros Edgardo Arellano, Gary Durán, Carlos Pérez y Nicolás Villaseca por sus contribuciones y conocimientos compartidos, ya que sin sus aportes no hubiera sido posible la culminación y validación de la tesis.

Finalmente, estamos profundamente agradecidos con los diferentes profesores que cultivaron conocimientos, experiencias y enseñanzas a lo largo de nuestra carrera universitaria.

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III RESUMEN

La presente investigación busca proponer un documento técnico que contemple los criterios necesarios a tomar en cuenta en el pre-diseño y construcción de caissons en puentes. La realización de un análisis de estudios básicos de diferentes proyectos de puentes con cimentación con caissons y una validación de la investigación bajo la metodología de juicio de expertos permitieron plantear diferentes criterios y recomendaciones que permitan decidir las características de los caissons a implementar y que a su vez procuren disminuir los riesgos en el proceso constructivo de caissons abiertos y neumáticos.

Dicho documento técnico nace de la necesidad de complementar y ordenar la información existente en manuales y normas nacionales para definir el uso de caissons. En el año 2017, muchos puentes colapsaron debido a los fuertes niveles de socavación producidos por las grandes avenidas provocadas por el Fenómeno del Niño. Estos puentes fallaron porque no contaban con la cimentación adecuada para soportar las circunstancias ya descritas y por eso, es que es importante la correcta definición de la cimentación a utilizar.

En cuanto al contenido del documento técnico, se pueden observar criterios de definición según el nivel de socavación y según el tipo de suelo. Por ejemplo, si nuestro proyecto se ve afectado por una socavación total de más de dos metros, se recomienda utilizar caissons, de lo contrario, bastaría una cimentación superficial. Por otro lado, también se plantean medidas para mejorar o solucionar problemas durante la construcción como el control de la nivelación en el hundimiento mediante equipos apropiados para evitar desplomes y acciones que nos permitan recuperar la verticalidad de la estructura.

Finalmente, se concluyó que los estudios básicos son imprescindibles como punto de partida para evaluar los criterios de pre-diseño y definir el tipo de caisson a utilizar según el tipo de suelo, sus características y las de la superestructura a recibir. Además, se tiene que considerar que este tipo de infraestructura requiere mano de obra calificada.

Palabras clave: Caisson; Documento Técnico; Estudios Básicos; Pre-Diseño;

Construcción.

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IV Proposal of a Technical Document with the General Approaches for the Use of Caissons in

Bridges through an Analysis of the Basic Studies and Judgment of Experts in the Northern Zone of Peru

ABSTRACT

The present investigation seeks to propose a technical document that contemplates the necessary criteria to be taken into account in the pre-design and construction of caissons in bridges. The realization of an analysis of basic studies of different bridge projects with foundations with caissons and a validation of the research under the expert judgment methodology allowed to propose different criteria and recommendations that allow to decide the characteristics of the caissons to be implemented and that try to reduce the risks in the construction process of open and pneumatic caissons.

This technical document arises from the need for scarcity of information in manuals and national standards to define the use of caissons. In the year 2017, many bridges collapsed due to the strong levels of scour caused by the great floods caused by the El Niño Phenomenon. These bridges failed because they did not have the adequate foundation to withstand the circumstances already described and that is why the correct definition of the foundation to be used is important.

Regarding the content of the technical document, you can observe definition criteria according to the level of scour and according to the type of soil. For example, if our project is affected by a total scour of more than two meters, it is recommended to use caissons, otherwise a surface foundation would suffice. On the other hand, measures are also proposed to improve or solve problems during construction such as the control of leveling in the subsidence by means of appropriate equipment to avoid crashes and actions that allow us to recover the verticality of the structure.

Finally, it was concluded that the basic studies are essential as a starting point to evaluate the pre-design criteria and define the type of caisson to be used according to the type of soil, its characteristics and those of the superstructure to be received. In addition, it must be considered that this type of infrastructure requires skilled labor.

Keywords: Caisson; Technical Document; Basic Studies; Pre-Design; Building.

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V TABLA DE CONTENIDOS

CAPÍTULO 1: GENERALIDADES ... 1

1.1 ANTECEDENTES ... 1

1.2 REALIDAD PROBLEMÁTICA... 2

1.3 FORMULACIÓN E HIPÓTESIS... 4

1.3.1 Formulación del Problema... 4

1.3.2 Hipótesis ... 4

1.4 OBJETIVOS ... 4

1.4.1 Objetivo General... 4

1.4.2 Objetivos Específicos ... 4

CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO ... 5

2.1 DEFINICIÓN ... 5

2.2 TIPOS DE CAISSONS ... 6

2.2.1 Abiertos ... 6

2.2.2 Cerrados ... 6

2.2.3 Neumáticos ... 7

2.3 FUNCIONAMIENTO ... 8

2.4 FUNDAMENTACIÓN ... 9

2.4.1 Capacidad de Carga en la Base... 9

a) Para Suelos Cohesivos ... 10

b) Para Suelos Granulares ... 10

2.4.2 Capacidad de Carga por Fricción en las Paredes ... 11

a) Para Suelos Cohesivos ... 11

b) Para Suelos Granulares ... 12

2.4.3 Cálculo de Capacidad Admisible ... 12

2.4.4 Asentamientos ... 12

a) Asentamiento por Deformación Axial ... 13

b) Asentamiento por Carga de Trabajo en la Base ... 13

c) Asentamiento por Carga de Fricción ... 14

2.4.5 Cálculo de Espesor del Tapón de Concreto ... 15

CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE PROYECTOS ... 16

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VI

3.1 DESCRIPCIÓN Y UBICACIÓN ... 16

3.1.1 Puente Bolognesi ... 16

3.1.1.1 Ubicación ... 16

3.1.1.2 Características ... 16

3.1.2 Puente Franco y Accesos ... 17

3.1.2.1 Ubicación ... 17

3.1.3 Puente Tocache ... 19

3.1.3.1 Ubicación ... 19

3.2 ANTECEDENTES E IMPORTANCIA ... 20

3.3 DESCRIPCIÓN DE SUELOS ... 21

3.4 HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA ... 26

3.5 DESCRIPCIÓN TÉCNICA ... 36

3.6 ANÁLISIS DE COSTOS ... 45

3.6.3 Puente Tocache ... 45

CAPÍTULO 4: PROCESOS CONSTRUCTIVOS DE LOS CAISSONS ... 47

4.1 CONSTRUCCIÓN DE CAISSON MEDIANTE HINCADO CON CUCHILLA ... 48

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VII

CAPÍTULO 5: DETERMINACIÓN DE LOS CRITERIOS GENERALES ... 53

5.1 SOCAVACIÓN E HIDROLOGÍA ... 53

5.1.1 Socavación General ... 54

5.1.2 Socavación en Estrechamientos ... 55

5.1.3 Socavación Local en Estribos y Pilas ... 55

5.1.4 Cálculo de Socavación... 56

a) Método de Straub para Socavación General... 56

b) Método de Artamonov para Socavación Local en Estribos ... 56

c) Método de Larras para Socavación Local en Pilas ... 58

5.2 RELACIÓN ENTRE EL TIPO DE CAISSON Y LAS CARACTERÍSTICAS DEL SUELO ... 61

5.3 CRITERIOS Y CARACTERÍSTICAS PARA EL PROCESO CONSTRUCTIVO SEGÚN EL TIPO DE CAISSON. ... 66

5.3.1 Para Caisson Abierto ... 67

5.3.2 Para Caisson Neumático ... 68

5.4 COSTO ACTUAL DE CAISSON ... 70

CAPÍTULO 6: VALIDACIÓN... 71

6.1 METODOLOGÍA DE VALIDACIÓN ... 71

6.2 RESULTADOS DE ENCUESTAS ... 72

CAPÍTULO 7: RESULTADOS DE INVESTIGACIÓN ... 75

7.1 PROPUESTA DE DOCUMENTO TÉCNICO PARA EL USO DE CAISSONS ... 75

CAPÍTULO 8: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 80

REFERENCIAS ... 82

ANEXOS ... 84

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VIII ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Esquema simplificado de la estratigrafía del terreno ... 23

Tabla 2 Descripción de suelos en pilares ... 24

Tabla 3 Parámetros de los estratos del suelo ... 26

Tabla 4 Variación de precipitación en el río Piura durante el año 2001 ... 28

Tabla 5 Caudales máximos diarios por año del río Piura ... 29

Tabla 6 Precipitaciones máximas según el tiempo de retorno en años... 33

Tabla 7 Caudales y nivel de agua según tiempo de retorno en años ... 33

Tabla 8 Estudios de socavación general, local y total en pilares y estribos ... 34

Tabla 9 Metrado de armadura de caisson del estribo izquierdo del puente Franco ... 39

Tabla 10 Metrado de armadura de caisson del estribo derecho del puente Franco ... 40

Tabla 11 Metrado de armadura de caisson del estribo izquierdo del puente Tocache... 42

Tabla 12 Metrado de armadura de caisson del estribo derecho del puente Tocache ... 44

Tabla 13 Resumen de costo de caisson por m3 de concreto de cada puente por estribo.... 46

Tabla 14 Proceso e ilustración del proceso constructivo de un caisson abierto ... 48

Tabla 15 Velocidad de arrastre según el tipo de suelo ... 54

Tabla 16 Característica de material según tipo de suelo ... 55

Tabla 17 Coeficiente del ángulo de corriente ... 57

Tabla 18 Coeficiente de gasto ... 58

Tabla 19 Coeficiente de talud ... 58

Tabla 20 Factor de forma ... 59

Tabla 21 Factor de ángulo de ataque de la corriente ... 60

Tabla 22 Criterio para el uso de caisson según el nivel de socavación ... 61

Tabla 23 Relación de proyecto con profundidad de hincado de caisson ... 63

Tabla 24 Relación de proyecto con perfil de suelo y consideración ... 64

Tabla 25 Criterio para el uso de caisson según el tipo de suelo ... 66

Tabla 26 Costos unitarios en valor presente al 2019 para caisson en condiciones secas y húmedas ... 70

(11)

IX ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Tipos de Cimentaciones ... 5

Figura 2. Caisson Abierto ... 7

Figura 3. Caisson Cerrado ... 8

Figura 4. Caisson Neumático ... 8

Figura 5. Ubicación del Proyecto “Puente Bolognesi”... 17

Figura 6. Puente Bolognesi Actual ... 17

Figura 7. Ubicación del Proyecto “Puente Franco y Accesos” ... 18

Figura 8. Puente Franco Actual ... 19

Figura 9. Ubicación del Proyecto “Puente Tocache” ... 20

Figura 10. Puente Tocache Actual ... 20

Figura 11. Perfil del Suelo Puente Bolognesi ... 24

Figura 12. Perfil del Suelo Puente Franco y Accesos... 25

Figura 13. Perfil del Suelo Puente Tocache ... 26

Figura 14. Histograma de Precipitaciones del Río Piura ... 28

Figura 15. Nivel de Erosión Máxima ... 30

Figura 16. Nivel Freático Normal... 31

Figura 17. Nivel Freático Máximo ... 32

Figura 18. Vista General de la Excavación del Caisson del Estribo Derecho ... 37

Figura 19. Detalle de la Excavación del Caisson del Estribo Derecho ... 38

Figura 20. Vista en Planta del Caisson del Estribo Izquierdo ... 42

Figura 21. Vista en Elevación del Caisson del Estribo Izquierdo ... 42

Figura 22. Vista en Corte del Caisson del Estribo Izquierdo ... 43

Figura 23. Vista en Planta del Caisson del Estribo Derecho ... 44

Figura 24. Vista en Corte del Caisson del Estribo Derecho ... 44

Figura 25. Caisson Abierto ... 47

Figura 26. Detalle del Ángulo que se forma entre la corriente y el eje del puente ... 57

Figura 27. Formas de Pilas ... 60

Figura 28. Esquema de Caisson Neumático ... 63

Figura 29. Cuadros Estadísticos sobre Caissons ... 67

Figura 30. Caisson Neumático con Sub-bóvedas ... 69

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X ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Cálculo de Capacidad en la Base para Suelos Cohesivos ... 10

Ecuación 2. Cálculo de Capacidad en la Base para Suelos Granulares 1ra Met. ... 10

Ecuación 3. Cálculo de Capacidad en la Base para Suelos Granulares 2da Met. ... 10

Ecuación 4. Índice de Rigidez Reducido para el Suelo ... 11

Ecuación 5. Capacidad de Carga en las Paredes para Suelos Cohesivos ... 11

Ecuación 6. Capacidad de Carga en las Paredes para Suelos Cohesivos ... 12

Ecuación 7. Capacidad Admisible de Caisson ... 12

Ecuación 8. Asentamiento Total ... 12

Ecuación 9. Asentamiento S1 por Deformación Axial ... 13

Ecuación 10. Asentamiento S2 por Carga en la Base ... 13

Ecuación 11. Asentamiento S3 por Carga de Fricción ... 14

Ecuación 12. Factor de Influencia ... 14

Ecuación 13. Espesor del Tapón de Concreto para Caisson ... 15

Ecuación 14. Tiempo de Retorno en Años ... 35

Ecuación 15. Cálculo de Socavación General ... 56

Ecuación 16. Cálculo de Socavación Local en Estribos ... 57

Ecuación 17. Cálculo de Socavación Local en Pilas ... 58

(13)

XI ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo 1 Análisis de Precios Unitarios de Partidas para la Construcción de Caissons ... 84

Anexo 2 Costo de Caisson por m3 de Concreto del Puente Bolognesi ... 87

Anexo 3 Costo de Caisson por m3 de Concreto del Franco y Accesos... 88

Anexo 4 Costo de Caisson por m3 de Concreto del Puente Tocache... 89

Anexo 5 Cuadro Resumen de Objetivos, Indicadores de Logro y Resultados. ... 90

Anexo 6 Encuesta de Validación ... 91

Anexo 7 Documento Técnico para el Uso de Caissons ... 92

Anexo 8 Flujograma para la Definición del Tipo de Cimentación ... 96

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1 CAPÍTULO 1: GENERALIDADES

El capítulo a continuación, servirá para poner en contexto la problemática que se quiere abordar. Es importante conocer cuál es la situación actual del país para poder ahondar en las causas y plantear una solución. Por eso, se describirán los antecedentes y sucesos que llevaron a motivar la realización de esta investigación, y se explicará el problema y sus causas. Además, con lo anteriormente investigado, se planteará un problema y su posible solución, es decir, la hipótesis; para luego, definir el objetivo general y por consecuencia, sus objetivos específicos. Todo esto, con la finalidad de dar forma al trabajo de investigación que se realizó y dar una secuencia lógica y relacionada entre problema- solución-objetivos.

1.1 Antecedentes

“Durante el fenómeno del Niño Costero, que afectó principalmente a las zonas del norte del país, 242 puentes (vehiculares y peatonales) se desplomaron en todo el país y sólo en Lambayeque fueron 52. Por otro lado, 397 puentes tanto vehiculares como peatonales fueron severamente dañados a lo largo de todo el Perú, siendo 33 puentes de la región de Piura” (Cámara de Comercio de Lima, 2017). Es por eso que es importante reconstruir y reparar estos puentes de la mejor manera para que resistan los próximos desastres naturales que se avecinen.

Para asegurar las condiciones de durabilidad y resistencia de los puentes se debe garantizar que los cimientos sean los adecuados para cada proyecto en términos técnicos-económicos.

Por ejemplo, en el puente Yuracyacu (San Martín), que consta de 150 metros de longitud y cuenta con dos pilares apoyados en los márgenes del río Mayo, se encontró suelo orgánico y se debió cimentar unos 26 metros hasta llegar a un suelo limo arenoso que presente cierta resistencia a la fricción. Es por eso que se optó por utilizar caissons en estribos y pilares para evitar grandes excavaciones. (Alva, 2001).

Los caissons, dependiendo de sus características y profundidad de cimentación, pueden prevenir y proteger a la estructura frente las acciones de diferentes desastres naturales (Gazetas, Zarzouras, Drosos, & Anastasopoulos, 2015).

La técnica de hundimiento de pozos de cimentación neumáticos se usa en suelos débiles, arenas, gravas, arcillas muy plásticas y presencia de nivel freático elevado. Una de las ventajas de esta técnica es que el hundimiento de un caisson neumático se realiza de una

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2 manera controlada ante la presencia de un nivel freático y esto ayuda a tener un mejor control (Allenby & Kilburn, 2012).

De toda la información recolectada, se puede concluir que existen diferentes tipos de caissons, que se pueden utilizar en diferentes contextos y tipos de suelo, y que aseguran y aportan más beneficios en el tema estructural y de seguridad que una cimentación convencional.

1.2 Realidad Problemática

El norte del país es una zona sísmica y muy vulnerable a las acciones del fenómeno del niño, donde últimamente, se han tenido muchos daños ocasionados por el niño costero. Por ejemplo, las ciudades de Piura, Tumbes y Chiclayo se encuentran en esta zona de alto riesgo sísmico (Comisión Multisectorial de Reducción de Riesgos en el Desarrollo, 2003).

Por otro lado, los suelos en el norte del Perú son mayormente arenosos con presencia de limos o arcillas. Además, hay zonas con suelos arcillosos y alcalinos, especialmente en las zonas alejadas de la costa de Piura y en Tumbes (Ministerio de Agricultura y Riego, 1997).

Es por eso, que a la hora de proyectar no se puede optar por cimentaciones superficiales debido a la pobreza de los suelos. Entonces, lo que se recomienda es una cimentación profunda a través de pilotes o caissons. Estos últimos, han sido utilizados en diferentes proyectos de puentes a lo largo de la zona norte del país como lo son los puentes Bolognesi (Piura), Tocache (San Martín), Franco (Tumbes), etc.

Sin embargo, muchas cimentaciones de puentes han fallado, teniéndose que reparar y construir nuevamente una serie de puentes a lo largo de los años debido a los fenómenos del Niño ocurridos en los años 1992, 1998 y al fenómeno del niño costero del 2017. Esto puede ser debido a que la cimentación utilizada no era la correcta debido a que no se contaba con la información necesaria para la elección de una correcta cimentación según las circunstancias de cada proyecto de puentes.

Normalmente, la información general y memorias descriptivas de cada proyecto existen, y se documentan, pero en el caso de los caissons, las entidades responsables no realizan una buena gestión de estos conocimientos y no se tiene una recopilación y análisis de la información de los estudios que permita conocer los requerimientos para una cimentación adecuada.

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3 Por un lado, no hay una recopilación de estudios de suelos que permita identificar y analizar de manera más sencilla los diferentes estratos del terreno. Además, no hay una data clara que permita relacionar las características del suelo, el tipo de caisson y su diseño y existe una deficiencia de información acerca de los costos que pueden incurrir en la construcción de caissons.

En cuanto a las normas nacionales, la Norma Técnica E.050 de Suelos y Cimentaciones sí habla sobre caissons pero de manera muy general, dando una definición y explicando que la metodología de diseño es parecida a la de un pilote, mas no habla sobre el proceso constructivo o sus consideraciones. Asimismo, el Manual de Puentes del MTC no habla de caissons al momento de tocar el tema de cimentaciones para puentes, haciéndose referencia solo al uso de cimentaciones superficiales y pilotes.

Por otro lado, en el ámbito internacional, la AASHTO llama a los caissons como “Drilled Shafts”, pero al igual que la norma E.050, solo se habla de la metodología para el diseño de este tipo de cimentaciones.

Por lo tanto, debido a la gran demanda de construcción de puentes en el norte del país, al uso de cimentaciones profundas para garantizar una buena estabilidad ante la presencia de suelos pobres y a la falta de información en las normas nacionales e internacionales más recurrentes como es la americana, es necesario contar con algún documento o manual que permita reconocer los requerimientos, características y procesos constructivos de los caissons.

Desde hace muchos años, muchas y diferentes tecnologías de cimentación han ido ingresando al Perú, pero lamentablemente las autoridades correspondientes no están elaborando las normativas respectivas para el uso de estas nuevas opciones y muchas de ellas son desconocidas o poco difundidas. Es por eso que es importante elaborar un documento que contenga los alcances técnicos para el pre-diseño y construcción de caissons, y así contar con una solución adicional al momento de cimentar puentes, teniendo en cuenta que las características del proyecto lo demanden.

Todo esto nos llevaría a plantear el siguiente problema: no se tiene un documento técnico que cuente con los criterios generales para la fase de pre-diseño y construcción de caissons.

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4 1.3 Formulación e Hipótesis

1.3.1 Formulación del Problema

 ¿De qué manera podemos desarrollar una propuesta de un documento técnico con criterios generales para la fase de pre-diseño y construcción de caissons en puentes en el norte de Perú?

1.3.2 Hipótesis

 Mediante un análisis de estudios básicos de puentes y un juicio de expertos se podrá proponer un documento técnico con criterios generales para el uso de caissons.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo General

 Proponer un documento técnico con criterios generales para el uso de caissons mediante un análisis de estudios básicos y juicio de expertos para puentes en la zona norte del país.

1.4.2 Objetivos Específicos

 Analizar los estudios básicos (topografía, geología, suelos y geotecnia, hidrología e hidráulica) de una muestra de tres proyectos.

 Describir los tipos y diseños de los caissons utilizados en la muestra analizada.

 Describir el proceso constructivo de caissons en los proyectos.

 Desarrollar los criterios generales para el pre-diseño y construcción de caissons según los análisis realizados.

 Realizar una encuesta a diferentes especialistas en construcción de caissons.

 Proponer un documento técnico con los criterios generales de pre-diseño y construcción en el uso de caissons en puentes.

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5 CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO

El siguiente capítulo, explicará todo lo relacionado a qué es una cimentación profunda, y de manera más específica, qué es un caisson o pozo de cimentación. Además, se mostrarán los diferentes tipos de caisson, sus características y para qué se utilizan. Por otro lado, es importante reconocer cómo funciona este tipo de cimentación y cuáles son las fórmulas que intervienen para su diseño.

2.1 Definición

Para poder diferenciar una cimentación superficial de una cimentación profunda se debe tener en cuenta la siguiente relación:

Superficiales: Nivel de cimentación < 4 veces la dimensión menor de la estructura.

Profundas: Nivel de cimentación > 10 veces la dimensión menor.

Existen diferentes tipos de cimentaciones superficiales y profundas como se observa en la figura 1. Dentro de cimentaciones profundas las subestructuras de mayor uso y conocimiento son los pilotes. Sin embargo, también se encuentran los pozos de cimentación o cajones de cimentación “caissons”.

Figura 1. Tipos de Cimentaciones

Adaptado de “Diseño Integral de Puentes”, por Jorge Alva, 2013

Según la Norma E.050 de Suelos y Cimentaciones (2018), los caissons o “cajones de cimentación son elementos estructurales de concreto armado que se construyen sobre el

Cimentaciones profundas Cimentaciones superficales

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6 terreno y se introducen en el terreno por su propio peso al ser excavado el suelo ubicado en su interior.

Los caissons se caracterizan por ser construidos bajo el nivel del suelo o del agua, luego ser hundidos hasta la profundidad requerida, tienen un borde cortante en la parte inferior que facilita el hincado y luego se vacía con concreto. Asimismo, este tipo de cimentaciones son costosas por lo que su ejecución se da en proyectos de suma importancia que así lo requieran. Los caissons, son cimentaciones no competitivas excepto cuando el estrato del suelo firme se encuentre a más de 12 metros bajo la superficie del agua. (Alva, 2001). Los caissons se pueden dividir en estructurales y de aproximación. Los primeros son aquellos que forman parte de la cimentación de una estructura, transmitiendo las cargas a un estrato resistente. Los segundos son aquellas para llegar a la zona de trabajo requerido.

Características:

- Es construido in situ.

- Soportan cargas horizontales e inclinadas adicionales a las cargas verticales.

- Pueden llegar a profundidades hasta de 25 m.

- Son elementos estructurales de cimentación.

- Se utilizan en edificios, estribos de puentes, cimentado o recibiendo grandes pilastras.

2.2 Tipos de Caissons 2.2.1 Abiertos

Pueden ser de variadas formas: circulares, rectangulares, cuadradas u ovalados. Se caracterizan por ser pozos abiertos en la parte superior e inferior durante la construcción como se aprecia en la figura 2. Son muy apropiados para cimentaciones en ríos donde el suelo predominante consiste de arcillas blandas, limos, arena o gravas, ya que son materiales que pueden ser excavados mediante pozos abiertos sin ofrecer mayores resistencias a la fricción al hundirlos. (Alva, 2001).

2.2.2 Cerrados

Son elementos estructurales que tiene el fondo cerrado, son fabricados en un lugar central y luego son remolcados. Para un mejor hundimiento y mantenimiento se construyen sub- celdas para reducir los esfuerzos de carga y presión del agua (ver figura 3).

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7 2.2.3 Neumáticos

Los caissons neumáticos proporcionan un recinto herméticamente cerrado y dependen de la presión de aire para mantener una cavidad en el área de excavación (ver figura 4). Se utilizan en lugares donde es imposible mantener una excavación por causa del rápido aflojamiento del suelo dentro de la excavación o cuando es necesario mantener el suelo adyacente (Alva, 2001).

Los costos unitarios del material excavado son elevados y son el último recurso de solución, puesto que provoca enfermedades en la piel por la descompresión muy rápida dentro de la cámara de trabajo, pudiendo llegar a producir la muerte de trabajadores por asfixia durante la construcción.

Figura 2. Caisson Abierto

Adaptado de “Diseño de Cimentación por Caissons para el Puente Yuracyacu”, por Jorge Alva, 2000

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8

Figura 3. Caisson Cerrado

Figura 4. Caisson Neumático

2.3 Funcionamiento

Los “caissons”, también conocidos como cajones de cimentación, son estructuras huecas de concreto armado que van apoyadas en el terreno y se introducen mediante su gran peso al momento de excavar el suelo en su interior. En el Perú, para analizar la capacidad de carga de un cajón de cimentación se deberán seguir los mismos métodos estáticos utilizados tanto como para zapatas o como pilotes. Esto dependerá de la relación entre la

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9 profundidad de cimentación y el ancho del cajón. Si la relación (Df/B) es menor a 5, se diseñará como si fuera una cimentación superficial, de lo contrario se considerará como una profunda (INACAL, 2012).

En el caso de cajones abiertos, no existe una tapa ni inferior ni superior. El caisson cuenta con bordes cortantes para facilitar su hundimiento y al momento de llegar al estrato de apoyo se vierte una capa de concreto al fondo que sirve como sello. Es importante que este sello sea lo suficientemente grueso como para soportar una fuerza hidrostática hacia arriba.

Por otro lado, los cajones cerrados se construyen aparte y luego se llevan a obra. Se les dice cerrados porque su fondo ya cuenta con sello previamente construido. A diferencia del abierto, el caisson cerrado se va llenando de agua, arena o concreto y este va cayendo con su propio peso sin necesidad de excavar ya que se utiliza en suelos más blandos.

Finalmente, los cajones neumáticos se utilizan en profundidades entre 15 y 40 m cuando la excavación no logra mantenerse abierta debido a la pobreza de los suelos. En el fondo del cajón, existe una zona que se denomina “Cámara de trabajo” que es donde los obreros excavan desde ahí para que el caisson se vaya hundiendo de manera progresiva. Este tipo de pozo de cimentación cuenta con la peculiaridad de tener una presión de aire superior a la atmosférica que permite que el suelo y el agua no entren en la zona de trabajo (MDAS, 2001). Cabe mencionar que los cajones, al igual que los pilotes, también funcionan mediante fricción lateral y flotación (base).

2.4 Fundamentación

Como se mencionó, los caissons tienen los mismos principios que los pilotes, es decir, trabajan tanto por capacidad en la base como también por capacidad lateral o de fricción en las paredes. Estos dos factores determinarán, finalmente, la capacidad portante del cajón de cimentación. Cabe mencionar que a pesar de que las metodologías de cálculo de los pilotes y caissons son parecidas, lo que varía son los parámetros utilizados. A continuación, se explicará el procedimiento de cómo se obtiene el diseño de un caisson a partir de una carga admisible (Alva, 2001).

2.4.1 Capacidad de Carga en la Base

La capacidad de carga en la base es la carga que produce el hundimiento permanente de la fundación en el terreno mediante su plano inferior. La fórmula para obtener este dato dependerá del tipo de suelo donde se cimentará.

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10 a) Para Suelos Cohesivos

𝑄_𝐵 = 𝐴_𝐵∗ 𝐶_𝑢∗ 𝑁_𝑐^∗

Ecuación 1. Cálculo de Capacidad en la Base para Suelos Cohesivos

Donde:

QB: capacidad de carga última del caisson en la base.

AB: área de la base.

Cu: resistencia cortante no drenada.

N*c: generalmente igual a 9.

b) Para Suelos Granulares

En el caso de suelos granulares existen dos metodologías para el cálculo de la capacidad portante en la base. De estas dos metodologías se escogerá el menor valor.

Primera Metodología

𝑄_𝐵 = 𝐴_𝐵∗ 𝜎′_𝑣∗ 𝑁_𝑞^∗

Ecuación 2. Cálculo de Capacidad en la Base para Suelos Granulares 1ra Met.

Donde:

σ'v: esfuerzo efectivo vertical en la base.

N*q: factor que depende del ángulo de fricción.

Segunda Metodología

𝑄_𝐵= 𝐴_𝐵∗ [(1 + 2𝐾₀

3 ) ∗ 𝑁_𝜎^∗] ∗ 𝜎′_𝑣

Ecuación 3. Cálculo de Capacidad en la Base para Suelos Granulares 2da Met.

Donde:

(24)

11 K0: coeficiente lateral de tierra: 1-sen (Ø).

Ø: ángulo de fricción interna.

Para N*σ: se calcula mediante la siguiente fórmula en base al ángulo de fricción del terreno y el valor de Irr que es el índice de rigidez reducido para el suelo:

𝐼_𝑟𝑟 = 𝐼_𝑟 = 𝐸𝑠

2 ∗ (1 + 𝑢) ∗ σ_𝑣^′ ∗ 𝑡𝑔∅

Ecuación 4. Índice de Rigidez Reducido para el Suelo

Donde:

Es: módulo de elasticidad.

u: coeficiente de poisson.

Ø: ángulo de fricción interna.

2.4.2 Capacidad de Carga por Fricción en las Paredes a) Para Suelos Cohesivos

𝑄_𝑆 = 𝜔 ∗ 𝐶_𝑢∗ 𝑃 ∗ 𝐿

Ecuación 5. Capacidad de Carga en las Paredes para Suelos Cohesivos

Donde:

QS: capacidad de carga última por fricción.

ω: coeficiente que varía entre 0.35 y 0.60.

Cu: resistencia cortante no drenada.

P: perímetro del caisson.

L: longitud del caisson.

(25)

12 b) Para Suelos Granulares

𝑄_𝑆 = 𝑃 ∗ 𝐾₀∗ σ_𝑣^′ ∗ 𝑡𝑔(𝛿) ∗ 𝐿

Ecuación 6. Capacidad de Carga en las Paredes para Suelos Cohesivos

Donde:

K0: coeficiente lateral de reposo: 1-sen (Ø).

σ'v: esfuerzo efectivo vertical a la profundidad Z.

δ: 2/3 Ø.

2.4.3 Cálculo de Capacidad Admisible

𝑄_𝑎𝑑 =𝑄_𝐵+ 𝑄_𝑆 𝐹𝑆

Ecuación 7. Capacidad Admisible de Caisson

Donde:

Qad: capacidad admisible.

FS: factor de seguridad.

2.4.4 Asentamientos

Según Jorge Alva (2000) “el cálculo de asentamientos del caisson en condiciones de fuerza axial se debe a la suma de tres factores: asentamiento por deformación axial, asentamiento por carga de trabajo en la base y asentamiento por carga de fricción".

𝑆_𝑡 = 𝑆₁+ 𝑆₂+ 𝑆₃

Ecuación 8. Asentamiento Total

Donde:

St: asentamiento total del caisson.

(26)

13 S1: asentamiento por deformación axial.

S2: asentamiento por carga de trabajo en la base.

S3: asentamiento por carga de fricción.

a) Asentamiento por Deformación Axial

𝑆₁ = (𝑄_𝐵𝑎𝑑+ 𝛼 ∗ 𝑄_𝑆𝑎𝑑) 𝐴_𝐵∗ 𝐸_𝐶 ∗ 𝐿

Ecuación 9. Asentamiento S1 por Deformación Axial

Donde:

QBad: capacidad admisible en la base.

QSad: capacidad admisible por fricción.

AB: área de la base del caisson.

α: coeficiente de distribución de presión lateral.

EC: módulo de Young del concreto.

b) Asentamiento por Carga de Trabajo en la Base 𝑆₂ = 𝑞_𝐵∗ 𝐵

𝐸𝑠 ∗ (1 − 𝑢²) ∗ 𝐼_𝑤 ∗ 𝐼_𝑝

Ecuación 10. Asentamiento S2 por Carga en la Base

Donde:

qB: carga unitaria admisible en la base.

B: lado o diámetro del caisson.

ES: módulo de Young del suelo.

u: relación de Poisson del suelo.

Iw: factor de influencia de capa rígida.

Ip: factor de influencia de profundidad de cimentación.

(27)

14 c) Asentamiento por Carga de Fricción

𝑆₃ = 𝑄_𝑆𝑎𝑑 𝑃 ∗ 𝐿∗ 𝐵

𝐸_𝑆+ (1 − 𝑢²) ∗ 𝐼_𝑓

Ecuación 11. Asentamiento S3 por Carga de Fricción

Donde:

QSad: capacidad admisible por fricción.

B: lado o diámetro del caisson.

u: relación de poisson del suelo.

ES: módulo de Young del suelo.

If: factor de influencia.

𝐼_𝑓= 2 + 0.35 ∗ √𝐿 𝐵

Ecuación 12. Factor de Influencia

Donde:

t: espesor de la capa de concreto.

q: presión unitaria en la base.

fc: resistencia del concreto a la flexión.

Bi: ancho del caisson.

Li: longitud del caisson.

Finalmente, se presenta el cálculo del grosor de la capa de concreto que sirve como sello en el fondo de los caissons.

(28)

15 2.4.5 Cálculo de Espesor del Tapón de Concreto

𝑡 = 0.866 ∗ 𝐵_𝑖 ∗

√

𝑞

𝑓_𝑐 ∗ (1 + 1.61) ∗ (𝐿_𝑖 𝐵_𝑖)

Ecuación 13. Espesor del Tapón de Concreto para Caisson

Donde:

t: espesor del tapón de concreto.

q: presión unitaria en la base.

f’c: resistencia del concreto a la flexión.

Bi: ancho del caisson.

Li: longitud del caisson.

(29)

16 CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE PROYECTOS

El siguiente capítulo trata sobre la descripción general (ubicación y características) de los proyectos de puentes cimentados con caissons como lo son el puente Bolognesi, el puente Tocache y el puente Franco. Por otro lado, se realizará un análisis de los diferentes estudios básicos como suelos, geotecnia, hidrología, hidráulica, etc. Finalmente, se describirán las características técnicas y estructurales de los caissons utilizados en cada proyecto, así como sus costos. Esta parte tiene la finalidad de encontrar una relación entre los estudios básicos y las características de los caissons empleados.

3.1 Descripción y Ubicación 3.1.1 Puente Bolognesi 3.1.1.1 Ubicación

“El puente Bolognesi se encuentra ubicado en la ciudad de Piura, en el norte del País.

Tiene las siguientes coordenadas: 5°12'02.7"S 80°37'31.9"W (Ver figura 5). La ciudad de Piura se encuentra en el valle del río Piura (río por donde cruza el puente), al norte del desierto de Sechura y a 981 km al norte de Lima” (MTC, Expediente técnico del Puente Bolognesi, 2000, pág. 33). El puente se encuentra muy cerca al Aeropuerto Internacional Capitán FAP Guillermo Concha Ibérico.

3.1.1.2 Características

Según el expediente técnico del Puente Bolognesi, las características del puente son las siguientes:

 Tiene una longitud de 150 m, una luz de 130 m y cuenta 4 carriles y dos 2 veredas

 Tipo arco atirantado, sin apoyos al interior del río (ver figura 6).

 Se apoya en 4 Caissons de más de 20 metros de profundidad que se apoyan en la formación Zapayal

 La arquitectura fue diseñada por C. Lotti & Associati

 La ingeniería fue de Alfredo Bianco Geymet

 Los cálculos fueron realizados por Hariton Dumitrescu

 La supervisión de Consorcio Sondotécnica – Serconsult.

 La construcción del puente por SIMA Perú y las péndolas por SAMAYCA INGENIEROS SAC.

(30)

17

Figura 5. Ubicación del Proyecto “Puente Bolognesi”

Adaptado de “Google Maps”, 2019

Figura 6. Puente Bolognesi Actual Adaptado de “Esculturas y Monumentos”, 2019

3.1.2 Puente Franco y Accesos 3.1.2.1 Ubicación

“El puente Franco se encuentra ubicado en el departamento de Tumbes, Provincia de Tumbes, en el distrito de Pampas de Hospital. Cruza el río Tumbes (ver figura 7), a la altura del km 15+200 de la carretera Tumbes-Pampas de Hospital” (MTC, 1998, pág. 2)

(31)

18 3.1.2.2 Características

Según el expediente técnico del puente Franco y Accesos, las características son las siguientes:

 Tiene una longitud total de 130.60 m.

 Dos tramos de 40m. y un tercer tramo adicional de 50 m.

 Los dos tramos de 40 m. tienen una sección compuesta de vigas metálicas de alma llena y losas de concreto armado.

 El tramo adicional de 50 m. se trata de una estructura metálica modular del tipo de Waagner Biro.

 El puente tiene una capacidad de carga de 36 toneladas.

 El puente cuenta con dos estribos y dos pilares intermedios. (ver figura 8)

Figura 7. Ubicación del Proyecto “Puente Franco y Accesos”

(32)

19

Figura 8. Puente Franco Actual

Adaptado de “Diario Correo”, por Vianca Zeña, 2015

3.1.3 Puente Tocache 3.1.3.1 Ubicación

Este puente está ubicado en la región San Martín en la provincia de Tocache y el distrito de Tocache sobre el río Huallaga, por la carretera Marginal de la selva, que une las ciudades de Tarapoto, Juanjui, Tocache, Aucayacu y Tingo María con Lima (ver figura 9). Dichas ciudades, de abundante producción agrícola, requieren este puente para comercializar sus productos. (Nacional, 1997, pág. 4)

3.1.3.2 Características

Según el expediente técnico del puente Tocache, las características son las siguientes:

 Longitud 303 m.

 Luz del puente 220 m.

 Tipo: Colgante Waagner Biro.

 Ancho de calzada: 7.20 m.

 Sub-estructura: Concreto Armado (ver figura 10).

 Carga máxima: 32 ton.

 Número de carriles: 2.

 Cimentación profunda con Caissons.

(33)

20

Figura 9. Ubicación del Proyecto “Puente Tocache”

Figura 10. Puente Tocache Actual Adaptado de “Andina”, 2014

3.2 Antecedentes e Importancia 3.2.1 Puente Bolognesi

El puente Bolognesi, es uno de los puentes que une las ciudades de Piura y Castilla.

Durante el fenómeno del niño de los años 1997-1998 fue destruido causando varias víctimas. El puente fue reconstruido en los años 2000-2001. “El puente fue cimentado a

(34)

21 través de 4 cajones de cimentación de concreto armado que constan de 6 m. de diámetro, un espesor de 0.35 m. y 15 m. de profundidad. Actualmente, en la margen derecha del río se ha colocado un monumento recordatorio de las victimas fallecidas con el desmoronamiento” (Comunicaciones M. d., 2000). Para la exploración de suelos, se realizaron sondajes antes de la construcción y ensayos triaxiales UU al nivel de la cimentación. Se encontró a 15 m. de profundidad la formación Zapallal con N mayor a 30 golpes/pie.

3.2.2 Puente Franco y Accesos

El expediente técnico del puente Franco fue aprobado en el año 1995, con un presupuesto de S/ 3 699 897.17. Esta versión antigua del puente Franco, estaba constituida por dos tramos de 40 m. El primer tramo de 40 es provisional, de una sola vía y se trata de una estructura metálica modular tipo Bailey con rodadura de madera (ubicado en el acceso del margen izquierdo). Por otro lado, el otro tramo de 40 m. es de sección compuesta constituida por vigas metálicas de alma llena y losa de concreto armado.

El MTC, a través de sus organismos de Dirección de Puentes, recomienda tomar previsiones del caso ante el anuncio de la fuerte venida del Fenómeno del niño.

3.2.3 Puente Tocache

Según el expediente técnico, el puente Tocache fue construido sobre el río Huallaga en el periodo 1983-1984, ubicado en el km 700 + 750 de carretera marginal de la selva.

Conformado por una infraestructura de concreto armado que comprende 2 estribos. La superestructura con una luz de 220 m corresponde a un puente colgante Warner Biro.

En el mes de mayo de 1994, se realizó un estudio evaluativo del puente, dónde se determinó que los estribos presentaban deterioro por la fuerte vegetación, no comprometiendo su estabilidad. Por otro lado, algunas partes de la superestructura como las cámaras de anclaje y las torres de apoyo necesitaban mantenimiento respecto a la corrosión y a la limpieza.

3.3 Descripción de Suelos 3.3.1 Puente Bolognesi

Según el análisis de suelos de otros proyectos, como el puente Cáceres, Sánchez Cerro, San Miguel, Integración e Independencia, el tipo de suelo en la zona es el mismo, conocido por sondajes realizados para esos proyectos. El estudio da a conocer el perfil estratigráfico

(35)

22 (ver figura 11), donde presenta primordialmente formaciones de suelos correspondientes a la era Cuaternaria y al Terciario superior y está constituido por dos depósitos de suelos:

Tipo de suelo de 0.00 a 3.15m:

En esta parte se puede observar una típica sedimentación fluviátil y parte de sedimentación eólica, cuyas características son:

 Depósitos de suelos arenosos

 Estado suelto de grano fino a medio contenido variable de limo

 Receloso ante la licuefacción

 Clasificación SUCS: SP – SM (Arena pobremente graduada con limo y grava”

Tipo de suelo de 3.15 a 10 m:

En esta parte se observa un cambio en la sedimentación de la cuenca. Se encuentra una estratificación con presencia de arcillas limosas y limolitas gris verdosas y algunas otras propiedades que lo caracterizan a las formaciones geológicas como la formación Zapallal.

Subdivisión de estratos:

 3.15 a 7.00 m:

o Presencia de arcillas, limos y limolitas de carácter calcáreo

 7.00 a 10.00 m

o Presencia de un cuerpo de limolitas gris claro no calcáreas

Para que el suelo se considere como formación Zapallal, el número de golpes del ensayo SPT son superiores a 60 golpes.

(36)

23 Tabla 1

Esquema simplificado de la estratigrafía del terreno Prof.

(m)

N (SPT)

qu ( kg) Clasificación

Laboratorio 1.00

2.00 3.00

12 14 20

Suelos Arenosos

3.50 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

31 40 36 40 40 60 72

2.27 - - 0.63 - 0.42 0.42 1.57

Arcillas limosas y limolitas

Nota: Se ha realizado el perfil estratigráfico según los datos del expediente del Puente Bolognesi

Tipo de suelo de 10.00m – 17.00m Tipo de arena densa.

Tipo de suelo 17.00 m – 25.00m

En esta parte se puede encontrar presencia de arcilla.

(37)

24

Figura 11. Perfil del Suelo Puente Bolognesi

Según la información recopilada por la Universidad de Piura, el año 1995 realizaron ensayos SPT, uno cerca al pilar 1 de 19 m de profundidad (Arena Limosa) y el otro, cerca del estribo derecho de 8m de profundidad (Arena limosa y grava arenosa) (ver figura 12).

En ambos casos los valores de penetración estándar reportan suelos de mediana a alta compacidad.

Tabla 2

Descripción de suelos en pilares

Descripción Pilares Existentes P1 y P2

Pilares Nuevos P3, P4 y P5

Estribo derecho

Tipo de suelo Arena limosa medianamente compacta, gravas

con presencia de bolonería

Arena limosa con presencia de gravas

Capacidad de carga en servicio (t)

180.00 200.00 200

Nota: Estudios para la reconstrucción del puente según el Expediente Técnico de Franco y Accesos

(38)

25

Figura 12. Perfil del Suelo Puente Franco y Accesos

3.3.3 Puente Tocache

Según el estudio geotécnico de la zona, los suelos evaluados presentan un riesgo de licuación hasta los 10 metros de profundidad debido a la presencia de arenas y de un posible nivel freático. Para llegar a un suelo donde cimentar, se debe excavar a través de estratos orgánicos para poder llegar a un suelo arenoso que presente mayor resistencia a la fricción de capacidad de 2.5 kg/cm2 aproximadamente.

Según el perfil estratigráfico (ver figura 13), se concluye que, en el área del proyecto, hay presencia de suelo orgánico hasta una profundidad de 6m. Luego de este estrato, se encuentra un suelo arenoso, ideal para cimentar a través de cimentaciones profundas.

En cuanto a la profundidad de cimentación, se tiene que en promedio la profundidad donde se cimentará es de 6 m para un caisson y 8 m para el otro. A continuación, se presentará un cuadro que detallará las cotas de cimentación.

Adicionalmente, los estudios de suelos concluyeron los siguientes parámetros definiendo 3 estratos principales:

(39)

26 Tabla 3

Parámetros de los estratos del suelo

Nota: Datos obtenidos del Expediente Técnico del Puente Tocache

Figura 13. Perfil del Suelo Puente Tocache

3.4 Hidrología e Hidráulica 3.4.1 Puente Bolognesi Hidrología

El río Piura se muestra con un caudal abundante sólo mientras duran las lluvias en la zona alta, es decir entre los meses de enero-abril. En años con bajas precipitaciones o de sequía, el río luce seco o con presencia de pequeños riachuelos. En las alturas, donde los índices de precipitación son mayores y el lecho de roca es poco profundo, el río es perenne (ver figura 14). En su sección media, el río alimenta un extenso sistema de canales y recarga el acuífero subyacente. Consecuentemente, en la estación del puente Ñácara en Chulucanas,

(40)

27 29 el río no es permanente y puede estar seco entre los meses de agosto y diciembre, sin embargo, en las estaciones de Tambo grande y los Ejidos de la cuenca del Bajo Piura. El río se vuelve nuevamente perenne debido a afluencias de los canales del proyecto de irrigación San Lorenzo y del proyecto Chira-Piura. Aguas abajo de la ciudad de Piura, el río se vuelve nuevamente efímero a medida que atraviesa la árida planicie costera. Como consecuencia del fenómeno del río de 1997-1998, las lagunas de Paita, Ramón y Salinas se juntaron formando un gigantesco lago que luego se secó. La pendiente promedio del río Piura de sus afluentes a partir de la cota 300 m.s.n.m., es10%, llegando en las partes altas hasta 15%, el curso del río Piura desde su naciente hasta su desembocadura, es bastante sinuoso (Palacios-Santa Cruz, 2010).

Precipitaciones

Los siguientes datos de caudales fueron suministrados por las lecturas realizadas por la estación Miraflores en la cuenca del río Piura. El caudal esta dado en m3/s.

En la siguiente tabla se puede observar que, en el mes de marzo a abril del año 2001, año en el cual se construyó el puente Bolognesi, la temperatura máxima se mantiene en un aproximado de 31C°, mientras que la mínima se mantiene a una temperatura aproximada de 21C°.

(41)

28 Tabla 4

Variación de precipitación en el río Piura durante el año 2001

AÑO MES DÍA PRECIPITACIÓN T° MÁX T°MIN

2001 3 29 0.5 33 22

2001 3 30 1.9 32.6 21.8

2001 3 31 1.1 34 23.2

2001 4 1 12.6 32.6 23.2

2001 4 2 0.7 32.6 22.6

2001 4 3 0 29.4 22.2

2001 4 4 0 32 21.6

2001 4 5 0 32.2 22.4

2001 4 6 0 32.8 22.6

2001 4 7 5.3 32.2 22.4

2001 4 8 0 30.6 21.6

2001 4 9 0 33.2 22.6

2001 4 10 0 33.4 22.8

2001 4 11 0 33.2 23.2

2001 4 12 0 34.2 23.8

2001 4 13 0 32.4 22.8

2001 4 14 0 33 21.2

2001 4 15 0 33.2 22

Nota: Datos obtenidos de la página web del Senamhi

Figura 14. Histograma de Precipitaciones del Río Piura Adaptado de “Senamhi”, 2017

Según el histograma, las temperaturas mínimas y máximas se mantienen en una frecuencia constante a lo largo de los años. Por otro lado, las precipitaciones si tienen picos que

(42)

29 sobresaltan a la media. Por ejemplo, en el año 1991la precipitación llega hasta los 100 mm aproximadamente cuando normalmente es de 10 mm aproximadamente para los otros años.

Caudales

A continuación, se mostrará una tabla donde figuran los caudales máximos diarios por año en m3/s del río Piura.

Tabla 5

Caudales máximos diarios por año del río Piura

Año Q máx (m3/s)

1997 3107.00

1998 5289.06

1999 3714.54

2000 2608.74

2001 4440.88

2002 3118.85

2003 2190.39

Nota: Datos obtenidos de la página web del Senamhi

El caudal máximo para el año 2001 fue de 4440.88 m3/s, este registra como el segundo caudal más alto de los años mostrados y fue importante tomarlo en cuenta para la construcción del puente Bolognesi.

Hidráulica

Variación del nivel freático

Cuando se desarrolló la exploración del nivel freático, se hicieron trabajos entre las cotas 22.67 msnm y 23.55 msnm. Sin embargo, por lo ocurrido en el evento del fenómeno del niño de 1997-98, el máximo nivel freático corresponderá a la cota 30 msnm, puesto que es necesario estimar sus variaciones durante la vida útil del proyecto. Estos estudios están aprobados por el área de Hidrología del instituto de Hidráulica de la Universidad de Piura (MTC, Expediente técnico del Puente Bolognesi, 2000).

Erosión Máxima

Según los estudios realizados por el Instituto de Hidráulica de la Universidad de Piura, durante la vida útil de la estructura, el Fenómeno del Niño más crítico producirá un caudal máximo aproximado de Q=5500 m3/s y una erosión aproximada hasta la cota 13 (ver

(43)

30 figura 15), es decir que la profundidad de la erosión máxima probable es de 17 m, y dejaría sin efecto la fuerza de fricción en los estratos de suelo comprometido.

En la siguiente imagen se muestra el esquema simplificado para el diseño.

Figura 15. Nivel de Erosión Máxima

Adaptado de “Expediente Técnico del Puente Bolognesi”, 2000

Se observa en la imagen que el NIVEL DE EROSIÓN MÁXIMA se da en la cota 13.

Condiciones normales

Durante la vida útil de la estructura, el puente estará sometido principalmente a condiciones normales de carga hidráulica, es decir se considerará un caudal de Q=5m3/s, este es el caudal biológico regulado por la presa los Ejidos. Estos caudales se incrementarán a valores altísimos en periodos de avenidas, como el fenómeno del niño dónde el caudal llegaría a Q=5500 m3/s.

Bajo estas condiciones, el nivel freático (ver figura 16) estará más abajo y las fricciones que ofrecerá el suelo serán mucho mayor que aquellas correspondientes a las condiciones críticas del suelo.

En la siguiente imagen se muestra el esquema simplificado para el diseño.

(44)

31

Figura 16. Nivel Freático Normal

En la imagen se puede observar el nivel freático normal se encuentra a 7 m del suelo.

Nivel freático máximo y licuación de arenas

Este análisis contempla suponer un nivel freático máximo y la posibilidad de un sismo que produzca licuación. Según el instituto de Hidráulica de la Universidad de Piura, la máxima erosión será de 17m (cota 13) (ver figura 17). Esto podría ser controlado si se cuenta con un enrocado de protección que evitará que ocurra erosión. Sin embargo, aun cuando dicha estructura de protección estuviera cumpliendo su función, ella no evitará la licuación del estrato.

(45)

32

Figura 17. Nivel Freático Máximo

En la imagen se puede observar el nivel freático máximo se encuentra en la cota 30 (0.00m) y el estrato licuable que no acepta la fricción (8m).

3.4.2 Puente Franco y Accesos Hidrología

Debido a la naturaleza del estudio, los análisis hidrológicos se orientarán al cálculo de máximas descargas en el puente Franco, considerada como la sección de interés. En los casos donde se cuenten con datos de caudales máximos, se obtendrán las estadísticas de manera directa, de no ser así será necesario calcular los caudales máximos a partir de los datos de precipitaciones máximas en 24 horas.

El uso de metodologías para el cálculo de máximas en zonas de influencia del Fenómeno El Niño, aun no es estándar en el Perú. Así, el estudio hidrológico, se realizó con los métodos tradicionales que son conservadores, analiza resultados de estudios anteriores específicos para la zona y toma consideración de las estadísticas directas de los datos

(46)

33 históricos. Por otro lado, se ha investigado alguna metodología de análisis de extremos tipo Niño para comprobar los datos de las conclusiones para el diseño.

Tabla 6

Precipitaciones máximas según el tiempo de retorno en años Tr (años) Precipitación

máxima -24 horas (mm)

200 293

100 235

50 184

20 128

10 92

5 62

2 29

Nota: Datos obtenidos del expediente técnico del puente Franco y Accesos

Caudales

El caudal máximo instantáneo registrado por la estación tigre, corresponde al mes de febrero del año 1983 y su valor fue de fue 3712.5 m3/s, el mínimo valor registrado para la misma serie corresponde al mes de noviembre del año 1996 y su valor fue de 10 m3/s; el valor medio es 386.2 m3/s (MTC, Expediente técnico del Puente Franco y Accesos, 1998).

Con los estudios de Hidrología e Hidráulica fluvial realizados, se ha determinado los siguientes caudales de diseño y niveles de agua:

Tabla 7

Caudales y nivel de agua según tiempo de retorno en años

Tr Caudal Q m3/s Nivel de agua

100 4,393 m3/s 26.60 msnm

200 4,890 m3/s

500 5,546 m3/s

(47)

34 Los niveles de agua estimados para la avenida de diseño no tocarán la parte inferior del tablero del puente (26.6 msnm) motivo por el cual no será necesario analizar el escenario estructural con fuerza de arrastre en el tablero. Se aprecia que aguas arriba del puente, el nivel de agua se sobre eleva. Los cálculos muestran que de ocurrir esta eventualidad el agua sobrepasará el terraplén derecho que tiene una cota mínima de (25.6 m) y eventualmente creará una brecha en el mismo.

Socavación Tabla 8

Estudios de socavación general, local y total en pilares y estribos

Elemento Socavación

general

Socavación Local Socavación total

Pilares 1 y 2 4.1 m 4.0 m 8.1 m

Pilares 3,4 y 5 3.7 m 4.6 m 8.3 m

Estribo derecho 4.1 m 5.0 m 9.1 m

“Dado que las socavaciones totales en la zona del estribo derecho y los pilares 1 y 2 superan la profundidad de las cimentaciones actuales, se recomienda que los pilares 3, 4 y 5 deberán ser proyectados a profundidades mayores de 8.3 m” (MTC, Expediente técnico del Puente Franco y Accesos, 1998). Actualmente existe una tendencia del cauce principal de aguas arriba a desplazarse hacia la margen derecha, eventualmente esto podría ocasionar el ataque del estribo derecho y del terraplén ubicado en la planicie derecha del río. Asimismo, de acuerdo a los cálculos realizados en las secciones anteriores se aprecia que las socavaciones totales que ocurrirían para la avenida de diseño podrían poner en peligro el estribo y los pilares existentes.

Por lo expuesto anteriormente se plantea un esquema de protección que considere:

 Protecciones de enrocados a los pilares existentes a fin de eliminar la socavación local que se produciría durante las máximas crecidas.

 Un dique guía que permita orientar el flujo hacia la abertura principal y que permita defender el terraplén de acceso de eventuales desplazamientos laterales del cauce principal.

(48)

35 3.4.3 Puente Tocache

Hidrología

Según el expediente técnico, el régimen hidrológico de la zona de estudio corresponde a un clima templado y templado-cálido, con temperaturas promedio de 23°C, con intensas lluvias en otoño e invierno, con humedad relativa calificada como húmeda.

Caudales de diseño considerados

El caudal de diseño ha sido determinado en función del tipo de obra, de su vida útil, y del riesgo de falla considerada, mediante la siguiente fórmula:

𝑇 = 1

1 − (1 − 𝑅)^1/𝑛

Ecuación 14. Tiempo de Retorno en Años

Donde:

T: Periodo de retorno

R: Riesgo de falla de la obra n: vida útil de la obra

Para el puente se consideró una vida útil de 50 años y un riesgo de falla de 20%, a lo que le corresponde un periodo de retorno (T) igual a 224 años.

También se ha considerado el caudal de formación con un periodo de retorno de 2 años para determinar la socavación general en la fórmula de Neill y el caudal para un periodo de retorno de 500 años.

Q2años = 351.52 m3/s

Q224años = 1565.73 m3/s (caudal con un periodo de retorno de 224 años) Q500años = 1828.20 m3/s

Socavación

Mediante el uso de fórmulas, se obtuvieron valores de la socavación general de 2.15m, 4.01m y 9.29m. La profundidad calculada con la fórmula de Lebediev es muy grande; por

(49)

36 lo que tomaron como valor medio la calculada por fórmulas de Blench y de Lacey: de 3.08 m (MTC, Expediente técnico del Puente Franco y Accesos, 1998).

3.5 Descripción Técnica 3.5.1 Puente Bolognesi

Listado de partidas involucradas en la construcción del caisson:

 Excavación en caisson.

 Encofrado en seco

 Encofrado bajo agua.

 Concreto ciclópeo f’c= 140 kg/cm2.

 Concreto armado f’c= 210 kg/cm2.

 Armadura.

 Borde Cortante en caisson.

Descripción de caissons

04 Caisson de sección circular de diámetro de 6 m abierto. (Ver figura 18) Estribo Izquierdo:

 Tipo de suelo: Arena densa

 Sección: 6 m de diámetro

 Altura: 15 m.

 Espesor de Tapón: 1 m.

 Espesor de paredes: 0.35 m.

 Espesor de uña o borde cortante: 0.10 m.

Metrado por 01 caisson:

 Concreto ciclópeo en tapón: 28.27 m3 - 140 kg/cm2 con 30% de piedra grande.

 Concreto armado en resto de estructura: 33.46 m3 – 210 kg/cm2.

 Encofrado de caisson: 80.65 m2.

 Armadura Grado 60 – 4200 kg/cm2: 1283.79 kg Estribo Derecho:

 Tipo de suelo: Arena densa

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37

 Sección: 6 m de diámetro

 Altura: 15 m.

 Espesor de Tapón: 1 m.

 Espesor de paredes: 0.35 m.

 Espesor de uña o borde cortante: 0.10 m.

Metrado por 01 caisson:

 Concreto ciclópeo en tapón: 28.27 m3 - 140 kg/cm2 con 30% de piedra grande.

 Concreto armado en resto de estructura: 33.46 m3 – 210 kg/cm2.

 Encofrado de caisson: 80.65 m2.

 Armadura Grado 60 – 4200 kg/cm2: 1283.79 kg

Figura 18. Vista General de la Excavación del Caisson del Estribo Derecho Adaptado de “Diseño de Cimentaciones Profundas para Puentes”, por Jorge Alva, 2017

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Figura 19. Detalle de la Excavación del Caisson del Estribo Derecho

Adaptado de “Diseño de Cimentaciones Profundas para Puentes”, por Jorge Alva, 2017

Listado de partidas involucradas en la construcción del caisson:

 Movimiento de tierras

o Excavación bajo Agua o Excavación en seco o Relleno en Excavaciones

 Obra falsa

o Encofrado bajo agua o Encofrado en seco

 Concreto

o f’c=140 kg/cm2 + 30% P.G Bajo Agua o f’c =210 kg/cm2 Bajo Agua

 Armadura o Armadura o Borde cortante

Especificaciones técnicas Generales El puente se ha diseñado de acuerdo a:

 Sobrecarga de Diseño HL 93