La ingeniería geotécnica costa afuera es un subcampo de la ingeniería geotécnica . Se ocupa del diseño, construcción, mantenimiento y desmantelamiento de cimientos de estructuras artificiales en el mar . [1] Las plataformas petrolíferas , las islas artificiales y los oleoductos submarinos son ejemplos de este tipo de estructuras. El fondo marino tiene que ser capaz de soportar el peso de estas estructuras y las cargas aplicadas. También se deben tener en cuenta los riesgos geográficos . La necesidad de desarrollos offshore surge del 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 la correspondiente adaptación de las investigaciones del sitio offshore. [3] Hoy en día, hay más de 7.000 plataformas marinas que operan a una profundidad de agua de hasta 2.000 m y más. [2] Un desarrollo de campo típico se extiende sobre decenas de kilómetros cuadrados y puede comprender varias estructuras fijas, líneas de flujo dentro del campo con una tubería de exportación a la costa o conectada a una línea troncal regional. [4]
Un entorno marino tiene varias implicaciones para la ingeniería geotécnica. Estos incluyen lo siguiente: [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 la dirección horizontal, pero también tienen un componente vertical. Algunas de estas cargas se transmiten a los cimientos (el fondo 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 avanzan en la dirección opuesta: desde los cimientos hasta la estructura. Dependiendo de la ubicación, otros peligros geográficos también pueden ser un problema. Todos estos fenómenos pueden afectar la integridad o la capacidad de servicio de la estructura y sus cimientos durante su vida operativa; deben tenerse en cuenta en el diseño marino.
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 onda llega al fondo marino, induce el transporte de sedimentos. Esto sólo ocurre en 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 sólo se extiende hasta una profundidad del agua que es la mitad de la longitud de onda, y generalmente se considera que la longitud de onda máxima posible es de 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 estructuras marinas. Debido al efecto Bernoulli , también pueden ejercer fuerzas hacia arriba o hacia abajo 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 provocan socavación y erosión del suelo. [7] Existen varios tipos de corrientes: de circulación oceánica , geostróficas , de marea , impulsadas por el viento y de densidad . [7]
Los geopeligros están asociados con la actividad geológica, las características geotécnicas y las condiciones ambientales. Los riesgos geológicos poco profundos son aquellos que ocurren a menos de 400 metros (1300 pies) por debajo del fondo marino. [10] La información sobre los riesgos potenciales asociados a estos fenómenos se adquiere a través de estudios de geomorfología, entorno geológico y marco tectónico en el área de interés, así como con estudios geofísicos y geotécnicos del fondo marino. [5] 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 las regiones frías, las grietas del hielo son una amenaza para las instalaciones submarinas, como las tuberías. [13] [14] [5] Los riesgos asociados con un tipo particular de peligro geológico es 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). Cualquier amenaza debe ser monitoreada, mitigada o eliminada. [15] [16]
Las investigaciones de sitios costa afuera no son diferentes de las realizadas en tierra (ver Investigación geotécnica ). Se pueden dividir 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 congresos) y bases de datos, con el fin de evaluar riesgos. evaluar las opciones de diseño y planificar las fases posteriores. Batimetría , geología regional, posibles riesgos geológicos, obstáculos del fondo marino y datos metoceánicos [17] [18] son algunas de las informaciones que se buscan durante esa fase.
Los estudios geofísicos se pueden utilizar para diversos fines. Una es estudiar la batimetría en el lugar de interés y producir una imagen del fondo marino (irregularidades, objetos en el fondo, variabilidad lateral, hendiduras en el hielo ,...). Se pueden realizar estudios de refracción sísmica para obtener información sobre la estratigrafía de los fondos marinos poco profundos ; también se pueden utilizar para localizar materiales 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 , "remolcadores" y vehículos operados a distancia (ROV) . [20] [21] Para la estratigrafía del subsuelo, las herramientas utilizadas incluyen boomers, sparkers, pingers y chirridos. [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 y pruebas de suelo en laboratorio que se llevan a cabo en alta mar y, con muestras, en tierra. Sirven para fundamentar en la verdad los resultados de las investigaciones geofísicas; También proporcionan una descripción detallada de la estratigrafía del fondo marino y las propiedades de ingeniería del suelo. [23] Dependiendo de la profundidad del agua y las condiciones del océano, los estudios geotécnicos pueden realizarse desde un barco de perforación geotécnico dedicado , un semisumergible , una plataforma autoelevable , un aerodeslizador grande u otros medios. [24] Se realizan en una serie de ubicaciones específicas, mientras la embarcación mantiene una posición constante. Para ello se utiliza el posicionamiento dinámico y el amarre con sistemas de anclaje de cuatro puntos.
Los estudios geotécnicos de penetración poco profunda pueden incluir muestreos de suelo de la superficie del fondo marino o pruebas mecánicas in situ. Se utilizan para generar información sobre las propiedades físicas y mecánicas del fondo marino. [25] Se extienden hasta los primeros metros por debajo de la línea de barro. Los estudios realizados a estas profundidades, que pueden realizarse al mismo tiempo que el estudio geofísico poco profundo, pueden ser suficientes si la estructura que se desplegará 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 fondo marino hasta profundidades que se extienden hasta unos 100 metros por debajo de la línea de lodo. [10] [26] Estos estudios se realizan cuando se planifican estructuras más grandes en estos lugares. Las perforaciones profundas requieren algunos 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 al azar y con un sacatestigos de caja . [27] Este último proporciona muestras intactas, 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 tubo de extracción de núcleos, ya sea impulsado por gravedad, o que puede ser empujado hacia el fondo marino mediante un pistón o mediante un sistema de vibración (un dispositivo llamado vibrocorer). [28]
La perforación es otro medio de tomar muestras del fondo marino. Se utiliza para obtener un registro de la estratigrafía del fondo marino o de las formaciones rocosas que se encuentran debajo de él. La configuración utilizada para tomar muestras de los cimientos de una estructura marina es similar a la utilizada por la industria petrolera para alcanzar y delinear yacimientos de hidrocarburos, con algunas diferencias en los tipos de pruebas. [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 (dientes que se extienden hacia abajo desde la broca) corta el suelo, se producen cortes de suelo. El lodo de perforación viscoso que fluye por la tubería de perforación recoge estos recortes y los transporta fuera de la tubería de perforación. Como es el caso de los estudios geotécnicos terrestres , se pueden utilizar diferentes herramientas para tomar muestras del suelo de un pozo de perforación, en particular "tubos Shelby", "muestreadores de pistón" y "muestreadores de cuchara dividida".
La información sobre la resistencia mecánica del suelo se puede obtener in situ (desde el propio fondo marino, a diferencia de en un laboratorio a partir de una muestra de suelo). La ventaja de este enfoque es que los datos se obtienen de suelos que no han sufrido ninguna perturbación como consecuencia de su reubicación. Dos de los instrumentos más utilizados para ese fin son el penetrómetro de cono (CPT) y la paleta de corte . [30] [31]
El CPT es una herramienta en forma de varilla cuyo extremo tiene forma de cono con un ángulo de vértice conocido ( por ejemplo, 60 grados). [32] A medida que se introduce en el 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 intersticial . La prueba de veleta de corte se utiliza para determinar la resistencia al corte no drenado de suelos de cohesión blanda a media . [34] [35] Este instrumento generalmente consta de cuatro placas soldadas a 90 grados entre sí en el extremo de una varilla. Luego se inserta la varilla 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 usa 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 camisa de acero y estructuras basadas en la gravedad . [36] La naturaleza del fondo marino debe tenerse en cuenta a la hora de planificar estos desarrollos. Por ejemplo, una estructura basada en la gravedad suele tener 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 la acción de las olas y transferidas al fondo marino. En ese escenario, el deslizamiento podría ser el modo dominante de fracaso. Un ejemplo más específico es el de la estructura de camisa de acero Woodside "North Rankin A" en alta mar en Australia. [38] La capacidad de los pilotes que componen cada una de las patas de la estructura se estimó basándose en métodos de diseño convencionales, en particular cuando se hincan en arenas silíceas. Pero el suelo de aquel lugar era de arena calcárea de menor capacidad. Se requirieron costosas medidas correctivas para corregir este descuido.
También se requiere 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 no drenado. [39] Lo mismo se aplica a la instalación y evaluación de la capacidad de los anclajes de placa . [40]
Los oleoductos submarinos son otro tipo común de estructura artificial en el entorno marino. [41] Estas estructuras descansan en el fondo marino o se colocan dentro de una zanja para protegerlas de los arrastreros de pesca , el arrastre de anclas o la fatiga debido a las oscilaciones inducidas por las corrientes. [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 del gasoducto implica consideraciones geotécnicas. Las tuberías que descansan sobre el lecho marino requieren datos geotécnicos a lo largo de la ruta propuesta para evaluar posibles problemas de estabilidad, como falla pasiva del suelo debajo de ella (la tubería cae) debido a una capacidad de carga insuficiente , o falla por deslizamiento (la tubería se desplaza hacia los lados), debido a 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]
Las anclas integradas en alta mar son anclas que derivan su capacidad de la resistencia a la fricción y/o al soporte del suelo que las rodea. Esto es lo contrario de los anclajes de gravedad que derivan su capacidad de su peso. A medida que los desarrollos marinos 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.