La ingeniería geotécnica offshore es un subcampo de la ingeniería geotécnica . Se ocupa del diseño de cimientos, la construcción, el mantenimiento y el desmantelamiento de estructuras artificiales en el mar . [1] Las plataformas petrolíferas , las islas artificiales y los oleoductos submarinos son ejemplos de tales estructuras. El lecho marino debe poder soportar el peso de estas estructuras y las cargas aplicadas. También se deben tener en cuenta los georiesgos . La necesidad de desarrollos offshore se debe a un agotamiento gradual de las reservas de hidrocarburos en tierra o cerca de las costas, a medida que se desarrollan nuevos campos a mayores distancias de la costa y en aguas más profundas, [2] con una adaptación correspondiente de las investigaciones del sitio offshore. [3] Hoy en día, hay más de 7.000 plataformas offshore que operan a una profundidad de agua de hasta 2000 m y más. [2] Un desarrollo de campo típico se extiende por decenas de kilómetros cuadrados y puede comprender varias estructuras fijas, líneas de flujo en el campo con una tubería de exportación ya sea a la costa o conectada a una línea troncal regional. [4]
Un entorno marino tiene varias implicaciones para la ingeniería geotécnica, entre ellas las siguientes: [1] [4]
Las estructuras marinas están expuestas a diversas cargas ambientales: viento , olas , corrientes y, en océanos fríos, hielo marino e icebergs . [6] [7] Las cargas ambientales actúan principalmente en dirección horizontal, pero también tienen un componente vertical. Algunas de estas cargas se transmiten a la cimentación (el lecho marino). Los regímenes de viento, olas y corrientes se pueden estimar a partir de datos meteorológicos y oceanográficos, que se denominan colectivamente datos metoceánicos . También pueden producirse cargas inducidas por terremotos , que proceden en la dirección opuesta: de la cimentación a la estructura. Dependiendo de la ubicación, otros peligros geológicos también pueden ser un problema. Todos estos fenómenos pueden afectar a la integridad o la capacidad de servicio de la estructura y su cimentación durante su vida útil operativa, por lo que deben tenerse en cuenta en el diseño offshore.
A continuación se presentan algunas de las características que caracterizan el suelo en un entorno marino: [8]
Las fuerzas de las olas inducen el movimiento de las estructuras flotantes en los seis grados de libertad; son un criterio de diseño importante para las estructuras marinas. [9] [nota 1] Cuando el movimiento orbital de una ola alcanza el lecho marino, induce el transporte de sedimentos. Esto solo ocurre hasta una profundidad de agua de unos 200 metros (660 pies), que es el límite comúnmente adoptado entre aguas poco profundas y aguas profundas . La razón es que el movimiento orbital solo se extiende hasta una profundidad de agua que es la mitad de la longitud de onda, y la longitud de onda máxima posible generalmente se considera 400 metros (1300 pies). [7] En aguas poco profundas, las olas pueden generar una acumulación de presión de poro en el suelo, lo que puede provocar un deslizamiento del flujo, y el impacto repetido en una plataforma puede causar licuefacción y pérdida de soporte. [7]
Las corrientes son una fuente de carga horizontal para las estructuras marinas. Debido al efecto Bernoulli , también pueden ejercer fuerzas ascendentes o descendentes sobre las superficies estructurales y pueden inducir la vibración de cables y tuberías. [7] Las corrientes son responsables de los remolinos alrededor de una estructura, que causan socavación y erosión del suelo. [7] Existen varios tipos de corrientes: circulación oceánica , geostrófica , mareas , impulsadas por el viento y corrientes de densidad . [7]
Los geopeligros están asociados con la actividad geológica, las características geotécnicas y las condiciones ambientales. Los geopeligros superficiales son aquellos que ocurren a menos de 400 metros (1.300 pies) por debajo del fondo marino. [10] La información sobre los riesgos potenciales asociados con estos fenómenos se adquiere a través de estudios de la geomorfología, el entorno geológico y el marco tectónico en el área de interés, así como con estudios geofísicos y geotécnicos del fondo marino. [5] Los ejemplos de amenazas potenciales incluyen tsunamis , deslizamientos de tierra , fallas activas , diapiros de lodo y la naturaleza de las capas del suelo (presencia de karst , hidratos de gas , carbonatos). [10] [11] [12] En regiones frías, las características de excavación de hielo son una amenaza para las instalaciones submarinas, como las tuberías. [13] [14] [5] Los riesgos asociados con un tipo particular de geopeligro son una función de qué tan expuesta está la estructura al evento, qué tan grave es este evento y con qué frecuencia ocurre (para eventos episódicos). Toda amenaza debe ser monitoreada y mitigada o eliminada. [15] [16]
Las investigaciones de sitios offshore no son diferentes a las que se realizan en tierra (ver Investigación geotécnica ). Pueden dividirse en tres fases: [17]
En esta fase, que puede durar varios meses (dependiendo del tamaño del proyecto), se recopila información de diversas fuentes, incluidos informes, literatura científica (artículos de revistas, actas de conferencias) y bases de datos, con el fin de evaluar los riesgos, evaluar las opciones de diseño y planificar las fases posteriores. Batimetría , geología regional, posibles peligros geológicos, obstáculos del fondo marino y datos meteorológicos y oceánicos [17] [18] son algunos de los datos que se buscan durante esta fase.
Los estudios geofísicos se pueden utilizar para diversos fines. Uno de ellos es estudiar la batimetría en el lugar de interés y producir una imagen del fondo marino (irregularidades, objetos en el fondo marino, variabilidad lateral, surcos de hielo , ...). Los estudios de refracción sísmica se pueden realizar para obtener información sobre la estratigrafía del fondo marino poco profundo ; también se pueden utilizar para localizar material como arena, depósitos de arena y grava para su uso en la construcción de islas artificiales . [19] Los estudios geofísicos se llevan a cabo desde un buque de investigación equipado con dispositivos de sonar y equipos relacionados, como ecosondas de haz único y multihaz , sonares de barrido lateral , 'towfish' y vehículos operados a distancia (ROV) . [20] [21] Para la estratigrafía del subsuelo, las herramientas utilizadas incluyen boomers, sparkers, pingers y chirp. [22] Normalmente, se requieren estudios geofísicos antes de realizar los estudios geotécnicos; en proyectos más grandes, estas fases pueden estar entrelazadas. [22]
Los estudios geotécnicos implican una combinación de muestreo, perforación, pruebas in situ, así como pruebas de suelo de laboratorio que se llevan a cabo en alta mar y, con muestras, en tierra. Sirven para fundamentar los resultados de las investigaciones geofísicas; también proporcionan un relato detallado de la estratigrafía del lecho marino y las propiedades de ingeniería del suelo. [23] Dependiendo de la profundidad del agua y las condiciones meteorológicas y oceánicas, los estudios geotécnicos pueden realizarse desde un buque de perforación geotécnico dedicado , un semisumergible , una plataforma autoelevable , un gran aerodeslizador u otros medios. [24] Se realizan en una serie de ubicaciones específicas, mientras que el buque mantiene una posición constante. Para ese propósito se utilizan el posicionamiento dinámico y el amarre con sistemas de anclaje de cuatro puntos.
Los estudios geotécnicos de penetración superficial pueden incluir el muestreo de suelo de la superficie del lecho marino o pruebas mecánicas in situ. Se utilizan para generar información sobre las propiedades físicas y mecánicas del lecho marino. [25] Se extienden hasta los primeros metros por debajo de la línea de lodo. Los estudios realizados a estas profundidades, que pueden realizarse al mismo tiempo que el estudio geofísico superficial, pueden ser suficientes si la estructura que se instalará en ese lugar es relativamente liviana. Estos estudios también son útiles para planificar rutas de tuberías submarinas.
El objetivo de los estudios geotécnicos de penetración profunda es recopilar información sobre la estratigrafía del lecho marino hasta profundidades que se extienden hasta unos pocos cientos de metros por debajo de la línea de lodo. [10] [26] Estos estudios se realizan cuando se planean estructuras más grandes en estas ubicaciones. Los pozos de perforación profundos requieren unos pocos días durante los cuales la unidad de perforación debe permanecer exactamente en la misma posición (ver posicionamiento dinámico ).
El muestreo de la superficie del fondo marino se puede realizar con un muestreador de pinza y con un sacatestigos de caja . [27] Este último proporciona muestras inalteradas, en las que se pueden realizar pruebas, por ejemplo, para determinar la densidad relativa del suelo , el contenido de agua y las propiedades mecánicas . El muestreo también se puede lograr con un sacatestigos de tubo, ya sea impulsado por gravedad, o que se puede empujar hacia el fondo marino mediante un pistón o por medio de un sistema de vibración (un dispositivo llamado sacatestigos de caja). [28]
La perforación es otro medio de muestreo del lecho marino. Se utiliza para obtener un registro de la estratigrafía del lecho marino o de las formaciones rocosas debajo de él. La configuración utilizada para muestrear los cimientos de una estructura marina es similar a la utilizada por la industria petrolera para alcanzar y delinear los depósitos de hidrocarburos, con algunas diferencias en los tipos de prueba. [29] La sarta de perforación consta de una serie de segmentos de tubería de 5 pulgadas (13 cm) de diámetro atornillados de extremo a extremo, con un conjunto de broca en la parte inferior. [28] A medida que la broca de arrastre (dientes que se extienden hacia abajo desde la broca) corta el suelo, se producen recortes de suelo. El lodo de perforación viscoso que fluye por la tubería de perforación recoge estos recortes y los lleva hacia afuera de la tubería de perforación. Como es el caso de los estudios geotécnicos en tierra , se pueden utilizar diferentes herramientas para muestrear el suelo de un pozo de perforación, en particular "tubos Shelby", "muestreadores de pistón" y "muestreadores de cuchara partida".
La información sobre la resistencia mecánica del suelo se puede obtener in situ (del propio lecho marino en lugar de en un laboratorio a partir de una muestra de suelo). La ventaja de este enfoque es que los datos se obtienen de un suelo que no ha sufrido ninguna alteración como resultado de su reubicación. Dos de los instrumentos más utilizados para ese propósito son el penetrómetro de cono (CPT) y el medidor de veleta de cizallamiento . [30] [31]
El CPT es una herramienta en forma de varilla cuyo extremo tiene la forma de un cono con un ángulo de vértice conocido ( por ejemplo, 60 grados). [32] A medida que se empuja dentro del suelo, se mide la resistencia a la penetración, lo que proporciona una indicación de la resistencia del suelo. [33] Un manguito detrás del cono permite la determinación independiente de la resistencia a la fricción. Algunos conos también pueden medir la presión del agua de los poros . La prueba de paletas de corte se utiliza para determinar la resistencia al corte no drenado de suelos blandos a medianamente cohesivos . [34] [35] Este instrumento generalmente consta de cuatro placas soldadas a 90 grados entre sí en el extremo de una varilla. Luego, la varilla se inserta en el suelo y se le aplica un torque para lograr una velocidad de rotación constante. Se mide la resistencia al torque y luego se utiliza una ecuación para determinar la resistencia al corte no drenado (y la resistencia residual), que tiene en cuenta el tamaño y la geometría de la paleta. [35]
Las estructuras marinas están representadas principalmente por plataformas , en particular plataformas autoelevables , estructuras con cubierta de acero y estructuras basadas en la gravedad . [36] La naturaleza del lecho marino debe tenerse en cuenta al planificar estos desarrollos. Por ejemplo, una estructura basada en la gravedad normalmente tiene una huella muy grande y es relativamente flotante (porque encierra un gran volumen abierto). [37] En estas circunstancias, la carga vertical de la base puede no ser tan significativa como las cargas horizontales ejercidas por las acciones de las olas y transferidas al lecho marino. En ese escenario, el deslizamiento podría ser el modo dominante de falla. Un ejemplo más específico es el de la estructura con cubierta de acero "North Rankin A" de Woodside en alta mar en Australia. [38] La capacidad del eje para los pilotes que componen cada una de las patas de la estructura se estimó sobre la base de métodos de diseño convencionales, en particular cuando se hincan en arenas silíceas. Pero el suelo en ese sitio era una arena calcárea de menor capacidad. Se requirieron costosas medidas de remediación para corregir este descuido.
También es necesaria una caracterización adecuada del fondo marino para los sistemas de amarre . Por ejemplo, el diseño y la instalación de pilotes de succión deben tener en cuenta las propiedades del suelo, en particular su resistencia al corte sin drenaje. [39] Lo mismo se aplica a la instalación y evaluación de la capacidad de los anclajes de placa . [40]
Las tuberías submarinas son otro tipo común de estructura artificial en el entorno marino. [41] Estas estructuras descansan sobre el lecho marino o se colocan dentro de una zanja para protegerlas de los barcos pesqueros , el arrastre de anclas o la fatiga debido a las oscilaciones inducidas por la corriente. [42] La excavación de zanjas también se utiliza para proteger las tuberías de las perforaciones causadas por las quillas de hielo . [13] [14] En ambos casos, la planificación de la tubería implica consideraciones geotécnicas. Las tuberías que descansan sobre el lecho marino requieren datos geotécnicos a lo largo de la ruta propuesta de la tubería para evaluar posibles problemas de estabilidad, como la falla pasiva del suelo debajo de ella (la tubería cae) debido a una capacidad de carga insuficiente , o la falla por deslizamiento (la tubería se desplaza lateralmente), debido a una baja resistencia al deslizamiento. [43] [44] El proceso de excavación de zanjas, cuando sea necesario, debe tener en cuenta las propiedades del suelo y cómo afectarían la duración del arado. [45] El potencial de pandeo inducido por la respuesta axial y transversal de la tubería enterrada durante su vida útil operativa debe evaluarse en la fase de planificación, y esto dependerá de la resistencia del suelo circundante. [44]
Los anclajes empotrados en alta mar son anclajes que derivan su capacidad de la resistencia de fricción y/o de apoyo del suelo que los rodea. Esto es lo contrario de los anclajes de gravedad que derivan su capacidad de su peso. A medida que los desarrollos en alta mar se trasladan a aguas más profundas, las estructuras basadas en la gravedad se vuelven menos económicas debido al gran tamaño requerido y al costo de transporte. Esto resulta oportuno para el empleo de anclajes empotrados.