SOLUCIONES PARA PREVENIR LA LICUACIÓN DE SUELOS EN ESTRUCTURAS OFFSHORE

El método de densificar suelos granulares mediante métodos vibratorios profundos para hacer frente a los efectos de la licuación durante eventos sísmicos fue desarrollado en Alemania por Johann Keller hace más de ochenta años. La idea fundamental es conseguir un estado más denso en suelos granulares inicialmente sueltos mediante vibración predominantemente horizontal. La densificación del suelo mejora la respuesta mecánica del suelo para permitir la adopción de cargas de diseño impuestas más altas en asentamientos menores y aumenta la resistencia sísmica (Slocombe, et al., 2000).

Hoy en día se han logrado profundidades de tratamiento mayores a 55 m mediante vibrométodos; sin embargo, en suelos granulares, su eficacia se limita a contenidos finos de hasta aproximadamente el 15% de limos o el 2-3% de arcillas. En proyectos marinos, la vibrocompactación se puede realizar desde barcazas o plataformas sobre el agua, en cuyo caso los vibradores generalmente se conectan en tándem para aumentar su eficiencia (Figura 1).

La técnica básica de vibrocompactación utiliza chorros de agua para ayudar a la penetración del vibrador a la profundidad requerida. El equipo consta de un vibrador de profundidad, tubos seguidores suspendidos de un brazo de grúa, un grupo de energía eléctrica o hidráulica y un suministro de agua de 12.000 a 20.000 l/s. En suelos saturados, la densificación se logra aumentando la presión del agua de los poros, junto con la expansión de la cavidad y la acción vibratoria. El proceso de vibrocompactación tiene cinco pasos principales (Keller, 2010; Bell 2004), ilustrados esquemáticamente en la Figura 2.

1. Penetración: a presión de agua, el vibrador oscilante penetra hasta la profundidad de diseño. Se eleva y baja según sea necesario para agitar el suelo granular, eliminar los finos y formar un espacio alrededor del vibrador. A máxima profundidad, el flujo de agua se reduce o se detiene.

2. Compactación: la compactación se realiza por pasos desde la profundidad máxima de penetración hacia arriba. Abarca un cuerpo de suelo cilíndrico de hasta 5 m de diámetro. Durante la fase de compactación se reduce el caudal de agua y la presión. Se introduce relleno y mediante repenetración a poca profundidad y acción vibratoria lateral, se densifica el relleno y el suelo circundante. Esto se repite hasta llegar a la superficie. El efecto de densificación se reduce con la distancia radial desde el centro de compactación. Es necesario repetir las compactaciones sobre una rejilla triangular o cuadrada sobre el área de tratamiento, con espaciamientos que oscilan entre 1,5 y 4,0 metros.

3. Relleno: se forma un cráter alrededor del vibrador, que luego se rellena con arena, importada o extraída del suelo existente. Para ello se requiere un volumen de hasta el 15 % del volumen del suelo tratado. El relleno de grava aumenta el nivel de densificación conseguido, mejora el radio de mejora realzada y proporciona una considerable capacidad de drenaje; Por lo tanto, el coste del relleno de grava puede justificarse en el caso de cargas de cimentación muy pesadas o cuando es muy probable que se produzca el fenómeno de licuación.

4. Acabado: Una vez finalizado el ciclo de compactación, se vuelve a nivelar la superficie y, si es necesario, se compacta con un rodillo vibratorio.

5. Verificación: Una vez finalizado, se debe verificar que las características del suelo se lograron mediante pruebas in situ: prueba de penetración estándar, prueba de penetración de cono eléctrico y/o pruebas de carga.

El método de pilotes de compactación de arena (SCP) se desarrolló originalmente en Japón y se aplicó inicialmente para mejorar suelos blandos mediante la instalación de pilotes de arena bien compactados. Además, el método SCP se ha aplicado eficazmente en depósitos de arena suelta susceptibles a la licuación desde la década de 1970. El principio de esta técnica es la densificación de los suelos mediante la instalación de pilotes de arena compactada.

El método SCP es eficaz para tres tipos principales de suelo: suelos arenosos, suelos arcillosos y depósitos de arcilla blanda. Los tres son depósitos de suelo que normalmente se forman en sitios marinos. En suelos arenosos, el método SCP se aplica como medida contra la licuación para aumentar la capacidad portante del suelo, disminuir los asentamientos y aumentar la resistencia horizontal. La Figura 3 ilustra el procedimiento general para instalar pilotes de compactación de arena, que se puede describir de la siguiente manera (Okamura et al. 2006; Harada y Ohbayashi, 2017; Wang et al., 2018).

1. Posicionamiento: La barcaza Compactadora de Arena se posiciona por sí sola mediante GPS.

2. Ajuste: el tubo de revestimiento se coloca en el lugar predeterminado.

3. Penetración de una tubería de revestimiento: accionando un gato hidráulico o un martillo vibratorio, penetre en el suelo la tubería de revestimiento, que normalmente tiene un diámetro de 0,4 m.

4. Alimentación de arena a través de una tolva: Una vez que el tubo de revestimiento ha alcanzado la profundidad requerida, se introduce arena en el revestimiento a través de la tolva superior.

5. Extracción de la tubería de revestimiento: Al extraer la tubería de revestimiento, la arena de la tubería se expulsa a través del vacío mediante aire comprimido. Mediante este proceso, la pila de arena aumenta su diámetro hasta aproximadamente 0,7 metros.

6. Re-hincado del tubo de revestimiento: el revestimiento se vuelve a impulsar mientras se compacta la pila de arena, lo que produce su agrandamiento.

7. Finalización: cada montón de arena compactada se forma hasta llegar a la superficie del suelo repitiendo el procedimiento anterior..

Se han instalado columnas de grava en el puerto y en obras marinas para mejorar los suelos sueltos o blandos, especialmente en regiones consideradas propensas a los terremotos. Los efectos de las columnas de grava para la mitigación de la licuación incluyen (Adalier y Elgamal, 2004; Al-Homoud y Degen, 2006; Huang et al., 2016): i) aumento de la densidad del suelo licuable circundante, ii) columnas de grava funcionar como un drenaje vertical, disipando el exceso de presión del agua de los poros a lo largo de la columna de grava, iii) introduciendo elementos rígidos (columnas de grava) que potencialmente pueden soportar niveles de tensión más altos causando una reducción de los niveles de tensión en el suelo circundante, iv) proporcionando una restricción de deformación efecto yv) redistribuir el esfuerzo cortante preexistente o inducido por el terremoto (el esfuerzo cortante cíclico es parcialmente cortado por columnas de grava con mayor rigidez).

Las columnas de grava están compuestas de grava o grava triturada; su diseño está asociado principalmente con la determinación del espaciamiento adecuado para un diámetro elegido. El diámetro de la columna de grava depende principalmente de la técnica de instalación. Se aplican tres técnicas de instalación principales para trabajos costa afuera: i) el método de manta de alimentación superior húmeda, ii) el método de alimentación inferior de un solo lote y iii) el método de bomba de grava marina de doble bloqueo.

El Método húmedo Top Feed Blanket consiste en intentar alimentar con la vibrosonda una manta de grava que se coloca sobre el fondo marino dentro del depósito de arena; aplicando las mismas técnicas de movimiento hacia arriba y hacia abajo de la vibrosonda (Figura 4 a).

El método de alimentación inferior de un solo lote es una técnica de construcción de columnas de grava con alimentación de fondo húmedo en la que se conecta un tubo tremie especial a la vibrosonda, con una tolva grande en su extremo. La tolva está equipada con una compuerta operada hidráulicamente que controla la descarga de las gravas al tubo de alimentación (Figura 4b).

El método de bomba de grava marina de doble bloqueo se puede aplicar en proyectos marinos. Puede alcanzar una profundidad de agua de más de 200 metros y una longitud media de columna de 16 m. En este método, la columna de grava se instala mediante descarga de grava continuamente presurizada, evitando el riesgo de intrusión de arcilla en la tubería de grava y proporcionando una tasa de descarga muy alta (Figura 5)..

El jet grouting se desarrolló en el Reino Unido durante la década de 1950, con aplicaciones en la industria petrolera, y su objetivo principal es aumentar la resistencia y rigidez del depósito de suelo mediante la inyección de materiales cementosos a alta presión en el depósito de arena. La inyección de dichos materiales compacta los granos del suelo y llena la proporción de huecos entre los granos.

Esta técnica se puede aplicar a suelos arcillosos y arenosos; por lo tanto, puede usarse para diferentes propósitos, por ejemplo: rellenar anomalías kársticas, proporcionar un tratamiento profundo de capas blandas y abordar el fenómeno de licuación en suelos arenosos minimizando la degradación de la rigidez del suelo y aumentando la resistencia al corte. En suelos arenosos se pueden instalar columnas de jet grout con diámetros que van desde 0,4 hasta 2,4 m, dependiendo del sistema de fluido utilizado. En un sistema de un solo fluido, el único fluido inyectado es la lechada; en un sistema de doble fluido se inyecta tanto lechada como aire comprimido; y, en un sistema de triple fluido, se inyecta lechada, aire y agua. En suelos arenosos sueltos, solo y se pueden aplicar sistemas de doble fluido. El sistema triple se puede utilizar en la mayoría de tipos de suelos. La secuencia general del método de inyección de lechada se ilustra en la Figura 7 y se puede resumir de la siguiente manera (Nikbakhtan y Osanlao, 2009; Njock et al., 2018; Varaksin y Hamidi, 2018):

1. Perforación: Se crea un pozo con un diámetro de 100 a 150 mm perforando hasta alcanzar la profundidad deseada.

2. Jet grouted y formación de columnas: la lechada de cemento se inyecta mediante una boquilla a muy alta presión y se mezcla con el suelo adyacente al pozo.

3. Terminación y superposición: en suelos licuables, las columnas de jet grout frecuentemente se superponen para aumentar su rendimiento.