Ingeniería geotécnica en alta mar - Enciclopedia

La ingeniería geotécnica offshore es un subcampo de la ingeniería geotécnica. Se ocupa del diseño, construcción, mantenimiento y desmantelamiento de estructuras humanas en el mar. Las plataformas petroleras, las islas artificiales y los tubos submarinos son ejemplos de tales estructuras. El fondo del mar debe ser capaz de soportar el peso de estas estructuras y las cargas aplicadas. También deben considerarse los peligros geológicos. La necesidad de desarrollo offshore surge de una disminución gradual de las reservas de hidrocarburos en tierra o cerca de las costas, ya que se están desarrollando nuevos campos a mayor distancia offshore y en aguas más profundas, con una adaptación correspondiente de las investigaciones de sitio offshore. Hoy en día, hay más de 7.000 plataformas offshore operando en profundidades de agua de hasta y superiores a 2000 m. Un desarrollo de campo típico se extiende a decenas de kilómetros cuadrados y puede comprender varias estructuras fijas, líneas de flujo internas con un tubo de exportación hacia la costa o conectado a una tubería principal regional.


Diferencias entre ingeniería geotécnica offshore y terrestre
Un entorno offshore tiene varias implicaciones para la ingeniería geotécnica. Estas incluyen lo siguiente:

La mejora del suelo (en el fondo del mar) y la investigación de sitio son costosas.
Las condiciones del suelo son inusuales (por ejemplo, presencia de carbonatos, gas superficial).
Las estructuras offshore son altas, a menudo extendiéndose más de 100 metros (330 pies) sobre su cimiento.
Las estructuras offshore suelen tener que lidiar con cargas laterales significativas (es decir, grandes cargas momentáneas en relación con el peso de la estructura).
La carga cíclica puede ser un problema de diseño importante.
Las estructuras offshore están expuestas a una gama más amplia de peligros geológicos.
Los códigos y estándares técnicos son diferentes de los utilizados para el desarrollo terrestre.
El diseño se centra en el estado límite final en lugar de la deformación.
Las modificaciones de diseño durante la construcción son inviables o muy costosas.
La vida útil de diseño de estas estructuras suele oscilar entre 25-50 años.
Las costos ambientales y financieros en caso de fallo pueden ser más altos.


El entorno offshore
Las estructuras offshore están expuestas a diversas cargas ambientales: viento, olas, corrientes y, en océanos fríos, hielo marino y icebergs. Las cargas ambientales actúan principalmente en la dirección horizontal, pero también tienen una componente vertical. Algunas de estas cargas se transmiten al cimiento (el fondo del mar). Los regimes de viento, olas y corrientes pueden estimarse a partir de datos meteorológicos y oceanográficos, que se denominan conjuntamente datos metoceanográficos. También puede ocurrir una carga inducida por terremotos – proceden en la dirección opuesta: desde el cimiento hacia la estructura. Dependiendo de la ubicación, otros peligros geológicos también pueden ser un problema. Todos estos fenómenos pueden afectar la integridad o la factibilidad de la estructura y su cimiento durante su vida operativa – deben considerarse en el diseño offshore.


= La naturaleza del suelo =
A continuación, se presentan algunas características que caracterizan al suelo en un entorno offshore:

El suelo está compuesto por sedimentos, que generalmente se asume que están en estado saturado – el agua de mar llena los espacios porosos.
Los sedimentos marinos están compuestos de material residual y restos de organismos marinos, los últimos formando suelos carbonatados.
El espesor total del sedimento varía a escala regional – generalmente es mayor cerca de la costa que en las áreas alejadas de ella, donde también es más fino.
En algunos lugares, el fondo del mar puede estar desprovisto de sedimentos, debido a fuertes corrientes de fondo.
El estado de consolidación del suelo es o bien consolidado normalmente (debido a la deposición lenta de sedimentos), superconsolidado (en algunas áreas, un relicto de la glaciación) o subconsolidado (debido a una alta entrada de sedimentos).


= Aspectos metoceanográficos =

Las fuerzas de onda inducen el movimiento de las estructuras flotantes en todas las seis grados de libertad – son un criterio de diseño importante para las estructuras offshore. Cuando el movimiento orbital de una onda alcanza el fondo del mar, 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 profundas. La razón es que el movimiento orbital solo se extiende hasta una profundidad que es la mitad de la longitud de onda, y se considera generalmente que la longitud de onda máxima posible es de 400 metros (1,300 pies). En aguas poco profundas, las olas pueden generar acumulación de presión de poro en el suelo, lo que puede llevar a deslizamientos de flujo y, con el impacto repetido en una plataforma, puede causar licuefacción y pérdida de soporte.
Las corrientes son una fuente de carga horizontal para las estructuras offshore. Debido al efecto Bernoulli, también pueden ejercer fuerzas ascendentes o descendentes en las superficies estructurales y pueden inducir la vibración de las líneas de cable y los tubos. Las corrientes son responsables de los remolinos alrededor de una estructura, lo que provoca erosión y desgaste del suelo. Hay varios tipos de corrientes: circulación oceánica, geostática, mareal, impulsada por el viento y corrientes de densidad.


= Peligros geológicos =

Los peligros geológicos están asociados con la actividad geológica, las características geotécnicas y las condiciones ambientales. Los peligros geológicos superficiales son aquellos que ocurren a menos de 400 metros (1,300 pies) bajo la superficie del mar. La información sobre los riesgos potenciales asociados con estos fenómenos se obtiene mediante estudios de la morfología geomorfológica, el entorno geológico y el marco tectónico en la zona de interés, así como con las investigaciones geofísicas y geotécnicas del fondo del mar. Algunos ejemplos de amenazas potenciales incluyen maremotos, deslizamientos de tierra, fallas activas, diapíres de barro y la naturaleza de la estratificación del suelo (presencia de karst, hidratos de gas, carbonatos). En regiones frías, las características de erosión del hielo representan una amenaza para las instalaciones subacuáticas, como los tubos. Los riesgos asociados con un tipo particular de peligro geológico dependen de cuán expuesta está la estructura al evento, cuán severo es este evento y con qué frecuencia ocurre (para eventos episódicos). Cualquier amenaza debe ser monitoreada y mitigada o eliminada.


Investigación de sitio
Las investigaciones de sitio offshore no son muy diferentes de las realizadas en tierra (ver Investigación geotécnica). Pueden dividirse en tres fases:

Un estudio de gabinete, que incluye la recopilación de datos.
Investigaciones geofísicas, ya sea de penetración superficial y profunda del fondo del mar.
Investigaciones geotécnicas, que incluyen muestreo/ perforación y pruebas in situ.


= Estudio de gabinete =
En esta fase, que puede durar varios meses (dependiendo del tamaño del proyecto), se recopilan información de diversas fuentes, incluyendo informes, literatura científica (artículos de revistas, actas de conferencias) y bases de datos, con el propósito de evaluar riesgos, analizar opciones de diseño y planificar las fases posteriores. La batimetría, la geología regional, los peligros geológicos potenciales, los obstáculos del fondo del mar y los datos metoceanográficos son algunas de la información que se busca durante esa fase.


= Investigaciones geofísicas =

Las investigaciones geofísicas pueden utilizarse para varios propósitos. Uno es estudiar la batimetría en la ubicación de interés y producir una imagen del fondo del mar (irregularidades, objetos en el fondo del mar, variabilidad lateral, erosión por hielo, ...). Las investigaciones de refracción sísmica pueden realizarse para obtener información sobre la estratigrafía del fondo del mar superficial – también se puede utilizar para localizar materiales como arena, depósitos de arena y grava para su uso en la construcción de islas artificiales. Las investigaciones geofísicas se realizan desde un barco de investigación equipado con dispositivos de sonar y otros equipos, como sonares de un solo haz y de haz múltiple, sonares de escaneo lateral, ‘towfish’ y vehículos operados a distancia (ROVs). Para la estratigrafía subbajo del mar, las herramientas utilizadas incluyen boomers, sparkers, pingers y chirp. Las investigaciones geofísicas suelen ser necesarias antes de realizar las investigaciones geotécnicas; en proyectos más grandes, estas fases pueden entrelazarse.


= Investigaciones geotécnicas =

Las investigaciones geotécnicas involucran una combinación de muestreo, perforación, pruebas in situ y pruebas de laboratorio del suelo que se realizan offshore y, con las muestras, en tierra. Sirven para verificar los resultados de las investigaciones geofísicas; también proporcionan una descripción detallada de la estratigrafía del fondo del mar y las propiedades de ingeniería del suelo. Dependiendo de la profundidad del agua y las condiciones metoceanográficas, las investigaciones geotécnicas pueden realizarse desde un barco de perforación geotécnica dedicado, una plataforma semi-sumergible, una plataforma elevadora, un hovercraft grande u otros medios. Se realizan en una serie de ubicaciones específicas, mientras que el barco mantiene una posición constante. Se utiliza el posicionamiento dinámico y el anclaje con sistemas de anclaje de cuatro puntos para ese propósito.
Las investigaciones geotécnicas de penetración superficial pueden incluir muestreo del suelo en la superficie del fondo del mar o pruebas in situ mecánicas. Se utilizan para generar información sobre las propiedades físicas y mecánicas del fondo del mar. Se extienden hasta los primeros pocos metros bajo la línea de sedimentos. Las investigaciones realizadas a estas profundidades, que pueden realizarse al mismo tiempo que la investigación geofísica superficial, pueden ser suficientes si la estructura que se despliega en esa ubicación es relativamente ligera. Estas investigaciones también son útiles para planificar las rutas de tuberías submarinas.
El propósito de las investigaciones geotécnicas de penetración profunda es recopilar información sobre la estratigrafía del fondo del mar a profundidades que alcanzan hasta unos pocos cientos de metros bajo la línea de sedimentos. Estas investigaciones se realizan cuando se planean estructuras más grandes en estas ubicaciones. Los pozos de perforación profundos requieren varios días durante los cuales la unidad de perforación debe permanecer exactamente en la misma posición (ver posicionamiento dinámico).


Muestreo y perforación

El muestreo de la superficie del fondo del mar se puede realizar con un muestreador de grapa y con un corer de caja. El último proporciona especímenes no disturbados, en los 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 corer de tubo, ya sea impulsado por gravedad o que se puede empujar en el fondo del mar por un pistón o mediante un sistema de vibración (un dispositivo llamado corer vibratorio).
La perforación es otro medio de muestrear el fondo del mar. Se utiliza para obtener un registro de la estratigrafía del fondo del mar o de las formaciones rocosas debajo de él. El equipo utilizado para muestrear el cimiento de una estructura offshore es similar al utilizado por la industria petrolera para alcanzar y delinear reservorios de hidrocarburos, con algunas diferencias en los tipos de pruebas. La columna de perforación consta de una serie de segmentos de tubería de 5 pulgadas (13 cm) de diámetro roscados uno al otro, con un ensamble de broca en la parte inferior. A medida que el diente de arrastre (dientes que se extienden hacia abajo desde la broca) corta en el suelo, se producen cortes de suelo. La barro de perforación viscoso que fluye por la tubería de perforación recoge estos cortes y los transporta hacia afuera de la tubería. Al igual que en las investigaciones geotécnicas terrestres, se pueden utilizar diferentes herramientas para muestrear el suelo de un pozo de perforación, notably "Shelby tubes", "piston samplers" y "split spoon samplers".


Pruebas in situ del suelo

Se puede obtener información sobre la resistencia mecánica del suelo in situ (desde el fondo del mar en lugar de en un laboratorio desde una muestra de suelo). La ventaja de este enfoque es que los datos se obtienen del suelo que no ha sufrido ninguna perturbación como resultado de su reubicación. Dos de los instrumentos más comúnmente utilizados para ese propósito son el penetrometro de cono (CPT) y la vane de corte.

El CPT es una herramienta en forma de varilla whose extremo tiene la forma de un cono con un ángulo de punta conocido (por ejemplo, 60 grados). A medida que se empuja en el suelo, se mide la resistencia a la penetración, lo que proporciona una indicación de la resistencia del suelo. Una manguera detrás del cono permite la determinación independiente de la resistencia friccional. Algunos conos también pueden medir la presión de agua de poro. La prueba de la vane de corte se utiliza para determinar la resistencia a la corte sin desagüe de suelos cohesivos blandos a medianamente cohesivos. Este instrumento generalmente consta de cuatro placas soldadas a 90 grados entre sí en el extremo de una varilla. La varilla se inserta en el suelo y se aplica un par para lograr una velocidad de rotación constante. Se mide la resistencia al par y se utiliza una ecuación para determinar la resistencia a la corte sin desagüe (y la resistencia residual), que tiene en cuenta el tamaño y la geometría de la vane.


Estructuras offshore y consideraciones geotécnicas
Las estructuras offshore están representadas principalmente por plataformas, especialmente plataformas elevadoras, estructuras de armazón de acero y estructuras basadas en la gravedad. La naturaleza del fondo del mar debe considerarse al planificar estos desarrollos. Por ejemplo, una estructura basada en la gravedad típicamente tiene una gran huella y es relativamente flotante (debido a que encierra un gran volumen abierto). Bajo estas circunstancias, la carga vertical del cimiento puede no ser tan significativa como las cargas horizontales ejercidas por las acciones de las olas y transmitidas al fondo del mar. En ese escenario, el deslizamiento podría ser el modo de falla dominante. Un ejemplo más específico es el de la estructura de armazón de acero "North Rankin A" de Woodside offshore Australia. La capacidad de carga de los pilotes que componen cada una de las piernas de la estructura se estimó en función de métodos de diseño convencionales, especialmente cuando se perforan en arenas silíceas. Pero el suelo en ese sitio era una arena carbonatada de menor capacidad. Se requirieron medidas de remediación costosas para corregir este descuido.
También se requiere una caracterización adecuada del fondo del mar para los sistemas de anclaje. Por ejemplo, el diseño e instalación de pilotes de succión deben tener en cuenta las propiedades del suelo, especialmente su resistencia a la corte sin desagüe. Lo mismo es cierto para la instalación y evaluación de capacidad de anclajes de placa.


= Tubos submarinos =

Los tubos submarinos son otro tipo común de estructura artificial en el entorno offshore. Estas estructuras o descansan en el fondo del mar o se colocan dentro de una zanja para protegerlas de arrastreros de pesca, arrastrando anclas o fatiga debido a oscilaciones inducidas por corrientes. La zanjación también se utiliza para proteger los tubos de la erosión por el hielo de las cuñas. En ambos casos, la planificación de los tubos implica consideraciones geotécnicas. Los tubos que descansan en el fondo del mar requieren datos geotécnicos a lo largo de la ruta propuesta del tubo para evaluar problemas potenciales de estabilidad, como la falla pasiva del suelo debajo de él (el tubo cae) debido a una capacidad de soporte insuficiente, o la falla de deslizamiento (el tubo se desplaza lateralmente), debido a una baja resistencia al deslizamiento. El proceso de zanjación, cuando es necesario, debe tener en cuenta las propiedades del suelo y cómo afectarán la duración del arado. La capacidad de colapso inducida por la respuesta axial y transversal del tubo enterrado durante su vida operativa debe evaluarse en la fase de planificación y dependerá de la resistencia del suelo circundante.


= Anclajes sumergidos offshore =

Los anclajes sumergidos offshore son anclajes que obtienen su capacidad de la resistencia de fricción y / o de soporte del suelo que los rodea. Esto es opuesto a los anclajes de gravedad que obtienen su capacidad de su peso. A medida que los desarrollos offshore se desplazan a aguas más profundas, las estructuras basadas en la gravedad se vuelven menos económicas debido al gran tamaño y costo de transporte requeridos. Esto resulta oportuno para el empleo de anclajes sumergidos.


Ver también


Notas


Referencias


Bibliografía