Ingeniería geotécnica marina

A continuación se presentan algunas de las características que caracterizan el suelo en un entorno marino: ^{[ 8 ]}

• El suelo está compuesto de sedimentos , que generalmente se consideran en estado saturado ; el agua salina llena el espacio poroso.
• Los sedimentos marinos están compuestos de material detrítico, así como de restos de organismos marinos, estos últimos constituyendo los suelos calcáreos.
• El espesor total de los sedimentos varía a escala regional: normalmente es mayor cerca de la costa que lejos de ella, donde además es de grano más fino.
• En algunos lugares, el lecho marino puede estar desprovisto de sedimentos debido a las fuertes corrientes de fondo.
• El estado de consolidación del suelo puede ser normalmente consolidado (debido a la lenta deposición de sedimentos), sobreconsolidado (en algunos lugares, un vestigio de la glaciación) o subconsolidado (debido a una alta entrada de sedimentos).

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 de 400 metros (1300 pies) . ^{[ 7 ]} En aguas poco profundas, las olas pueden generar una acumulación de presión de poros en el suelo, lo que puede provocar deslizamientos de 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 e inducir la vibración de cables y tuberías. ^{[ 7 ]} Las corrientes son responsables de los remolinos alrededor de una estructura, que causan erosión y socavación del suelo. ^{[ 7 ]} Existen varios tipos de corrientes: circulación oceánica , geostrófica , mareal , impulsada por el viento y corrientes de densidad . ^{[ 7 ]}

Dos tipos de perfiles sísmicos (arriba: chirp; abajo: cañón de agua) de una falla en el lecho marino del Golfo de México.

La distribución mundial de hidratos de gas representa otro peligro potencial para los proyectos de desarrollo en alta mar.

Un ejemplo de sonar de barrido lateral, un dispositivo utilizado para explorar el lecho marino.

Imagen tridimensional del sistema del Cañón de Monterey, un ejemplo de lo que se puede obtener con ecosondas multihaz.

Los georiesgos están asociados con la actividad geológica, las características geotécnicas y las condiciones ambientales. Los georiesgos superficiales son aquellos que ocurren a menos de 400 metros (1300 pies) por debajo del lecho marino. ^{[ 10 ]} La información sobre los riesgos potenciales asociados con estos fenómenos se obtiene 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 lecho marino. ^{[ 5 ]} Ejemplos de amenazas potenciales incluyen tsunamis , deslizamientos de tierra , fallas activas , diapiros de lodo y la naturaleza de la estratificación del suelo (presencia de karst , hidratos de gas , carbonatos). ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} En regiones frías, las características de hielo erosionantes son una amenaza para las instalaciones submarinas, como los oleoductos. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 5 ]} Los riesgos asociados a un tipo particular de peligro geológico dependen de la exposición de la estructura al evento, de su gravedad y de la frecuencia con la que ocurre (en el caso de eventos episódicos). Toda amenaza debe ser monitoreada, mitigada o eliminada. ^{[ 15 ] [ 16 ]} 

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, analizar opciones de diseño y planificar las fases posteriores. La batimetría , la geología regional, los posibles riesgos geológicos, los obstáculos del lecho marino y los datos meteoceánicos ^{[ 17 ] [ 18 ]} son ​​algunos de los datos que se buscan durante esta fase.

Los estudios geofísicos pueden utilizarse para diversos fines. Uno de ellos es estudiar la batimetría en la zona de interés y generar una imagen del fondo marino (irregularidades, objetos en el lecho marino, variabilidad lateral, surcos de hielo , etc.). Los estudios de refracción sísmica pueden realizarse para obtener información sobre la estratigrafía del fondo marino poco profundo ; también pueden utilizarse 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 , 'towfish' y vehículos operados remotamente (ROV) . ^{[ 20 ] [ 21 ]} Para la estratigrafía del subsuelo, las herramientas utilizadas incluyen boomers, sparkers, pingers y chirp. ^{[ 22 ]} Los estudios geofísicos suelen ser necesarios antes de realizar los estudios geotécnicos; en proyectos de mayor envergadura, estas fases pueden estar interrelacionadas. ^{[ 22 ]}

Los estudios geotécnicos implican una combinación de muestreo, perforación, ensayos in situ y ensayos de suelo en laboratorio que se realizan en alta mar y, con muestras, en tierra. Sirven para verificar los resultados de las investigaciones geofísicas; también proporcionan una descripción detallada de la estratigrafía del lecho marino y las propiedades de ingeniería del suelo. ^{[ 23 ]} Dependiendo de la profundidad del agua y las condiciones meteoceánicas, los estudios geotécnicos pueden realizarse desde un buque de perforación geotécnica dedicado , un semisumergible , una plataforma autoelevable , un aerodeslizador grande u otros medios. ^{[ 24 ]} Se realizan en una serie de ubicaciones específicas, mientras que la embarcación mantiene una posición constante. Para ello se utilizan sistemas de posicionamiento dinámico y amarre con anclaje de cuatro puntos.

Los estudios geotécnicos de penetración superficial pueden incluir el muestreo del suelo de la superficie del lecho marino o ensayos mecánicos 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 llevarse a cabo simultáneamente con el estudio geofísico superficial, pueden ser suficientes si la estructura que se va a instalar en ese lugar es relativamente ligera. Estos estudios también son útiles para planificar las rutas de los oleoductos submarinos.

El propósito de los estudios geotécnicos de penetración profunda es recopilar información sobre la estratigrafía del lecho marino a profundidades que se extienden hasta varios cientos de metros por debajo del lodo. ^{[ 10 ] [ 26 ]} Estos estudios se realizan cuando se planifican estructuras de mayor tamaño 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 (véase posicionamiento dinámico ).

Muestreo y perforación

Un muestreador de suelo accionado por gravedad, utilizado para extraer núcleos del lecho marino.

Un muestreador de suelo accionado por gravedad, utilizado para extraer núcleos del lecho marino.

El muestreo de la superficie del lecho marino se puede realizar con una draga y con un muestreador de caja . ^{[ 27 ]} Este último proporciona muestras inalteradas, sobre las cuales 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 realizar con un muestreador de tubo, ya sea accionado por gravedad o que se puede empujar hacia el lecho marino mediante un pistón o mediante un sistema de vibración (un dispositivo llamado vibrocorer). ^{[ 28 ]}

La perforación es otro método para muestrear el lecho marino. Se utiliza para obtener un registro de la estratigrafía del lecho marino o de las formaciones rocosas que se encuentran debajo. El montaje utilizado para muestrear la base de una estructura marina es similar al que utiliza la industria petrolera para alcanzar y delimitar 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 extremo con 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 detritos de suelo. El lodo de perforación viscoso que fluye por la tubería de perforación recoge estos detritos y los transporta fuera de la tubería. Al igual que en los estudios geotécnicos terrestres , se pueden utilizar diferentes herramientas para muestrear el suelo de un pozo de perforación, en particular los "tubos Shelby", los "muestreadores de pistón" y los "muestreadores de cuchara partida". 

Ensayos de suelo in situ

Diagrama que muestra el principio de funcionamiento de un penetrómetro de cono para obtener el perfil de resistencia del suelo.

Diagrama que muestra el principio de funcionamiento de una veleta de corte para medir la resistencia máxima y la resistencia residual del suelo.

La información sobre la resistencia mecánica del suelo se puede obtener in situ (del propio lecho marino, a diferencia de hacerlo en un laboratorio a partir de una muestra de suelo). La ventaja de este método 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 este fin son el penetrómetro de cono (CPT) y la veleta 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 ]} Al introducirlo 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 . El ensayo de veleta de corte se utiliza para determinar la resistencia al corte no drenada de suelos cohesivos blandos a medios . ^{[ 34 ] [ 35 ]} 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 le aplica un par de torsión para lograr una velocidad de rotación constante. Se mide la resistencia al par de torsión y luego se utiliza una ecuación para determinar la resistencia al corte no drenada (y la resistencia residual), que tiene en cuenta el tamaño y la geometría de la veleta. ^{[ 35 ]}

Los oleoductos submarinos 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 arrastreros de pesca , el arrastre de anclas o la fatiga debida a las oscilaciones inducidas por la corriente. ^{[ 42 ]} La excavación de zanjas también se utiliza para proteger los oleoductos de la erosión causada por las quillas de hielo . ^{[ 13 ] [ 14 ]} En ambos casos, la planificación del oleoducto implica consideraciones geotécnicas. Los oleoductos que descansan sobre el lecho marino requieren datos geotécnicos a lo largo de la ruta propuesta para evaluar posibles problemas de estabilidad, como la falla pasiva del suelo subyacente (el oleoducto se hunde) debido a una capacidad portante insuficiente , o la falla por deslizamiento (el oleoducto 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 ]}

Las anclas empotradas en alta mar son anclas que obtienen su capacidad de la fricción y/o la resistencia al apoyo del suelo circundante. Esto es contrario a las anclas de gravedad, que obtienen su capacidad de su propio peso. A medida que los proyectos en alta mar se adentran en aguas más profundas, las estructuras de gravedad resultan menos económicas debido a su gran tamaño y al coste de transporte. Esto hace que el uso de anclas empotradas sea una oportunidad propicia.