Análisis de cimentaciones en terrenos difíciles evaporíticos
Resumen
En este artículo se describen los distintos cálculos realizados para analizar la validez de las cimentaciones de los distintos elementos estructurales que formarán parte de una nueva refinería de petróleo en Kuwait. La cimentación de estos elementos fue originalmente diseñada mediante cimentaciones superficiales tras la realización de un tratamiento de mejora del terreno, consistente en la colocación de un relleno hidráulico y la posterior compactación/sustitución dinámica que mejorara los depósitos costeros blandos existentes en la zona (Sabkha). Los trabajos reflejados a continuación abarcan desde el estudio de la idoneidad de estas mejoras del terreno en toda la extensión de la parcela de 1 km² hasta el análisis del comportamiento de éste bajo las cargas. Se incorpora además a este estudio la interpretación y calibración de los modelos a pruebas de carga de escala real para las cimentaciones superficiales (Zone Load Tests). Además de esto se han estudiado diversas recomendaciones de soluciones que permitan asegurar que se cumplen las estrictas limitaciones por asientos de este tipo de estructuras, tales como un tratamiento extra del terreno mediante la estabilización profunda con columnas de mezcla de suelo-cemento (DSM) o la modificación de la tipología de cimentación con el consiguiente estudio del comportamiento de las estructuras.
1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
La Compañía Nacional de Petróleo de Kuwait (KNPC), filial de la Corporación de Petróleo de Kuwait (KPC), ha encargado la construcción de la refinería de petróleo Al-Zour que será la refinería más grande de Oriente Medio.
El sitio propuesto para la nueva refinería está ubicado cerca de Al-Zour, un área en Kuwait ubicada en la parte sur del país cerca de Al Wafrah, a unos 100 km de la ciudad de Kuwait (Figura nº 1).
Figura 1. Localización de la refinería (fuente: Google Maps).
KNPC ha encargado a un consorcio de empresas, la ingeniería, adquisición y construcción de una parte del complejo integrado de la nueva planta de procesos de Al-Zour, que se sitúa en una parcela de 1km 2 (Figura nº 2).
Figura 2. Planta general de la refinería – estado actual (fuente: Google Maps).
La presencia de suelos blandos a poca profundidad, un nivel freático elevado, y el hecho de situarse en una zona de riesgo de inundación por subida del nivel del mar, hace que las condiciones de suelo sean consideradas inadecuadas como plataforma para la construcción de las distintas cimentaciones de la refinería.
Por ello, se realiza una elevación del terreno existente, mediante la colocación de un relleno hidráulico. Posteriormente, se realiza una mejora del terreno mediante una compactación/sustitución dinámica, columnas de arena, y un tratamiento convencional de compactación superficial.
Se realizaron varias campañas geotécnicas antes y después de la preparación de la zona, formadas fundamentalmente por ensayos de penetración estática (CPT), sondeos, ensayos de carga a gran escala con placa grande (ZLT), y ensayos de laboratorio (Figura nº 3).
Figura 3. Fotografías de alguna de las campañas geotécnicas realizadas [a) – d) fuente: Fluor] y ensayos de carga a gran escala con placa grande (ZLT) [e) f ) fuente: geo-environmental engineering and material testing center].
El propósito de los trabajos de Arup es analizar las condiciones de suelo existentes para las cimentaciones del Proyecto, evaluando todos los estudios previos existentes en el área, los ensayos in-situ, revisar la mejora del suelo realizada, etc. para determinar si las prestaciones de las cimentaciones eran adecuadas para las distintas estructuras de la refinería. Y en aquellas zonas donde no fueran aceptables, realizar un pre-diseño de alternativas para la mejora del terreno.
2. MODELO DEL TERRENO
2.1. Estratigrafía
Kuwait es en general una llanura desértica plana o suavemente ondulada que se inclina hacia el este. Su superficie está cubierta por sedimentos cuaternarios que incluyen grava y arena del Pleistoceno y sedimentos del Holoceno, que incluyen principalmente depósitos costeros, depósitos de sabkha, aluviones y arenas eólicas.
En las costas de la parte norte y del sur, el terreno superficial está formado principalmente por depósitos evaporíticos lacustres denominados localmente sabkha (Figura nº 4 1 ).
Figura 4. Situación de los depósitos evaporíticos tipo sabkha en Kuwait (fuente: Fahad A. Al-Otaibi).
La palabra árabe sabkha es aplicada para describir planicies desérticas, tanto costeras marinas como de tierra adentro, asociadas a lagos (Shearman 2 y Kendall 3 ). Se trata de depósitos evaporíticos depositados durante una regresión marina. Están formados por depósitos de anhidrita formados por encima de las llanuras de marea.
El sabkha costero se forma en tres etapas: (i) el agua de mar cubre una zona del continente durante la inundación de la subida del nivel del mar y forma lagunas en la tierra; (ii) después, una vez se produce la retirada del agua de mar, se depositan sedimentos marinos, que se mezclan con sedimentos costeros, (iii) en la etapa final, las temperaturas altas y el viento hacen que el agua en el área se evapore y se forme el suelo sabkha costero (Figura nº 5 4 ).
Figura 5. Formación del sabkha costero (fuente: Alnuaim and El Naggar).
Las investigaciones geotécnicas llevadas a cabo antes de la elevación del terreno y posterior mejora del terreno, confirmó la presencia de suelos blandos a poca profundidad, incluida los depósitos de sabkha, y un nivel freático poco profundo. Una vez realizada la elevación del terreno y la subsecuente mejora del terreno, se realizaron campañas adicionales formadas principalmente por ensayos de penetración estática (CPT) y sondeos (Figura nº 6).
Figura 6. Ubicación de los CPT realizados en 2009, 2013 y 2016 (antes y después de la elevación del terreno y la posterior mejora).
De los resultados de las pruebas geotécnicas y ensayos de laboratorio realizados sobre las muestras extraídas, las cotas y espesores de los materiales atravesados se resumen en la siguiente tabla (Tabla nº 1).
Tabla 1. Estratigrafía encontrada en la zona de estudio
2.2. Parámetros Geotécnicos
El sabkha son sedimentos costeros recientes con un alto contenido de sal y se caracteriza por capacidades de carga muy bajas y una superficie de costra que es relativamente dura cuando se seca pero que es muy blanda cuando se humedece, como es en este caso al tener un elevado nivel freático.
Estos suelos son heterogéneos y complejos con unas propiedades mecánicas pobres. Este tipo de suelos son problemáticos puesto que están asociados a problemas de deformaciones (asientos) y fallos frente a rotura o hundimiento.
Como se muestra en la tabla anterior (Tabla nº 1), se han identificado cuatro familias de suelos diferentes: relleno, sabkha (areno-arcilloso), sabkha (arcillo-limoso) y arena arcillo-limosa, las cuales se describen brevemente a continuación.
Relleno
Esta unidad está constituida por materiales de aportación artificial, fundamentalmente como consecuencia de la elevación del terreno existente. Se trata de un relleno hidráulico procedente de un dragado.
Según la clasificación unificada se trata fundamentalmente de arena con limo (SP-SM), arena limosa (SM) y arena mal graduada (SP), con contenido en finos entre 10-30% y con valores de límite líquido entre el 20-72% y con un índice de plasticidad entre 5-15%.
En términos de parámetros de resistencia, los valores de SPT N varían de 10 a 50. Para poder compararlos con los numerosos CPT realizados, los valores de SPT N se han transformado en datos de CPT equivalentes usando la correlación propuesta por Robertson et al. (1983) 5 . La resistencia de la punta del cono (qc) varía entre 10 y 25 MPa.
Sabkha (areno-arcilloso) de Compacidad Floja – No Plásticos
Según la clasificación unificada se trata fundamentalmente de arena arcillosa (SC), con contenido en finos entre 12-50% y con valores de límite líquido entre el 20-40% y con un índice de plasticidad entre 5-12%.
En términos de parámetros de resistencia, los valores de SPT N son inferiores a 10 en todos los casos. La resistencia de la punta del cono (qc) varía entre 1-5MPa. En los ensayos triaxiales se obtiene una resistencia de corte sin drenaje de aproximadamente 85 kPa.
Sabkha (arcillo-limoso) de Consistencia Blanda – Baja plasticidad
Según la clasificación unificada se trata fundamentalmente de arcilla limosa (CL-ML), con contenido en finos entre 45- 80% y con valores de límite líquido entre el 20-45% y con un índice de plasticidad entre 5-25%.
En términos de parámetros de resistencia, los valores de SPT N son inferiores a 10 en todos los casos. La resistencia de la punta del cono (qc) es inferior a 1MPa. Los resultados de los ensayos triaxiales indican una resistencia al corte entre 30-35 kPa.
Arena arcillo-limosa de Compacidad Densa
Según la clasificación unificada se trata fundamentalmente de arena con limo (SP-SM), arena limosa (SM), arena limo-arcillosa (SC-SM), con contenido en finos entre 5-30% y con valores de límite líquido entre el 20-60% y con un índice de plasticidad entre 5-35%.
En términos de parámetros de resistencia, los valores de SPT N varían de 10 a 50. La resistencia de la punta del cono (qc) varía de 10-40MPa. La compacidad de este estrato pasa de densa a muy densa en profundidad, alcanzando valores de rechazo de SPT y valores de punta en CPT de hasta 50 MPa.
El ángulo de fricción se ha estimado a partir de los resultados de los ensayos de corte directo, en los que se obtienen valores de ángulo de fricción entre 28-33º a una profundidad de 5m. La Figura nº 7 muestra dos perfiles de terreno estimados de acuerdo al análisis de las pruebas realizadas.
Figura 7. Perfiles del terreno estimados.
2.3. Zonificación/Interpretación
En base a los registros de los ensayos CPT realizados, se realiza la zonificación e interpretación geológica del área objeto de estudio. En este sentido, resulta de gran utilidad el desarrollo de una serie de herramientas de programación y gestión de bases de datos, que posibiliten un flujo de trabajo totalmente automatizado, capaz de calcular los diferentes parámetros geotécnicos de interés para el proyecto en base a registros normalizados (ficheros GEF), consolidar el trabajo de asignación de las diferentes formaciones en profundidad, procesar estadísticamente los resultados y exportar todo ello a un modelo SIG global, que aglutina toda la información geotécnica del proyecto.
Arup no dispone de información detallada sobre el tratamiento del suelo realizado que permita realizar una evaluación directa sobre su idoneidad, pero sí puede realizar una evaluación indirecta. analizar si la rigidez del relleno fue inusualmente alta en las áreas donde se realizaron los ensayos de carga con placa grande (ZLT), se evalúan los registros de CPT tomados en las esquinas de los ZLT, superponiéndolo a los registros de CPT de la investigación geotécnica llevada a cabo una vez realizada la elevación del terreno existente (Figura nº 8).
Figura 8. Ejemplo de registros de CPT tomados en las esquinas de los ZLT, superponiéndolo a todos los registros de CPT.
Se observa que los valores de qc de estos CPT se encuentran dentro del rango de los valores de qc observados en el área de estudio. Por tanto, el relleno localizado en las ubicaciones de los ZLT parece estar dentro del rango representativo de qc obtenidos para este estrato en todo el sitio. De ello se deduce que los ZLT se consideran apropiados para la calibración de esta capa de relleno (la cual se muestra en la sección 3.2).
La mejora realizada del suelo mediante columnas de arena se analiza de forma aislada, comparando aquellos ensayos de penetración estática que se encuentran a 1m de la cuadrícula teórica de cada localización de cada columna. Estas pruebas no muestran una diferencia significativa con otras pruebas cercanas realizadas en otras ubicaciones. También se comparan CPTs de ubicaciones cercanas antes y después de la mejora del terreno (Figura nº 9).
Figura 9. Ejemplo de superposición de 2 CPTs cercanos realizados antes (azul) y después (roja) de la mejora realizada.
Además, los ZLT tampoco muestran ninguna diferencia significativa entre aquellos realizados en zona tratada con columnas de arena, respecto de los realizados fuera de la zona mejorada. Por lo tanto, de acuerdo a los ensayos realizados, no se identifica ninguna diferencia notable entre las zonas del relleno con columnas de arena y las zonas fuera de las mismas.
Además, también se deduce que la mejora del terreno realizada mediante una compactación dinámica se ha demostrado ineficaz para mejorar estos suelos blandos arcillo-limosos a corto plazo en la zona de estudio.
En términos de deformabilidad y capacidad portante, los ensayos muestran que el sabkha (arcillo-limoso) de consistencia blanda y baja plasticidad es el estrato más crítico. En el análisis de la capacidad portante de las cimentaciones se observa que el espesor de esta capa y su posición en profundidad es un factor crítico en el cálculo de asientos totales (sección 3).
El espesor y la extensión de este material en el área de estudio se evalúa en cada ubicación de CPT y se incluye en un plano para evaluar las zonas críticas (Figura nº 10). Esta figura muestra que la zona más crítica cubre un área de aproximadamente 150m de norte a sur y 180m de este a oeste con un espesor máximo de sabkha de 2 m. La profundidad de esta capa es entre 5m y 7mBGL 6 .
Figura 10. Zonas y espesores de sabkha (arcillo-limoso) de consistencia blanda y baja plasticidad.
3. ANÁLISIS DE CIMENTACIONES
Para el análisis de cimentaciones se realizan distintos cálculos, tanto mediante el programa de elementos finitos Plaxis3D como con métodos analíticos, con el fin de analizar la capacidad de carga y estimar los asientos que puedan producirse en las futuras cimentaciones.
Las distintas fases en las que se divide este proceso de análisis de cimentaciones son:
- El modelo de endurecimiento no lineal para bajas deformaciones del terreno (HS-SS) se usa para describir el comportamiento del sabkha arcillo-limoso de compacidad blanda. Los parámetros para el modelo se definen a partir de los ensayos de consolidación realizados en el laboratorio, comparando estos con los de los triaxiales no drenados, las curvas tensión-deformación y la resistencia al corte no drenado.
- Las propiedades para el relleno estructural se determinan a partir de los análisis de los ensayos de carga con placa grande (‘Zone Load Test’ – ZLT).
- A partir de la calibración de los parámetros de ambos terrenos (relleno y sabkha arcilloso), se estiman los asientos de las cimentaciones superficiales propuestas. Con la idea de cubrir todas las posibilidades de modelos del terreno se calcularon los asientos con el pésimo perfil posible, el óptimo y un modelo que permitiese obtener los asientos diferenciales.
- De forma paralela, se calculan los asientos mediante métodos analíticos clásicos.
- En esta última fase se realiza una serie de análisis de sensibilidad de los distintos parámetros del terreno para el estudio de posibles variaciones.
A continuación, se desarrollan brevemente de forma más ampliada cada una de estas fases.
3.1. Calibración de los Parámetros del Suelo
Se considera que el modelo de endurecimiento no lineal para bajas deformaciones del terreno (HS-SS) es el que mejor representa el comportamiento tenso-deformacional del sabkha arcillo-limoso de compacidad blanda.
El desarrollo de las pequeñas deformaciones del modelo de endurecimiento del terreno se determina a partir de los parámetros G0ref y γ0.7.
Normalmente, el módulo de corte de referencia G0ref se obtiene a partir de la velocidad de onda de corte, aunque no se ensayó directamente con geofísica, se estimó 100m/s a partir de las resistencias de cono que son menores de 1MPa.
La deformación de corte γ0.7, donde el módulo de corte se reduce hasta el 70% de su valor inicial es aproximadamente un 0.02%.
En base a los supuestos anteriores, y mediante la opción ‘SoilTest’ de Plaxis, se simula el único ensayo edométrico realizado sobre una muestra de suelo sabkha arcillo-limoso, para comparar y optimizar los parámetros del modelo de suelo con los resultados de los datos de pruebas de laboratorio obtenidos. Como se puede ver a continuación, ambas curvas presentan una alta concordancia, tanto en la rama de carga como en la de descarga (Figura nº 11).
Figura 11. Calibración de los parámetros del modelo HSS con el ensayo edométrico.
El mismo conjunto de parámetros se usan para llevar a cabo un análisis numérico del ensayo triaxial no drenado. En este caso se observa una buena coincidencia del comportamiento tenso-deformacional entre la curva obtenida mediante el ensayo de laboratorio y la obtenida a partir del modelo de elementos finitos, como se observa en la Figura nº 12 y Figura nº 13.
Figura 12. Comportamiento tenso-deformacional predicho por el modelo numérico en un ensayo triaxial no drenado.
Figura 13. Resistencia al corte no drenado predicha para el modelo numérico comparado con los resultados del ensayo de laboratorio no drenado.
Estas comprobaciones indicaron claramente la capacidad del modelo HSS para describir el comportamiento del sabkha arcillo-limoso.
3.2. Back-Análisis de los ZLT
Se realizaron en la parcela distintos ensayos de carga con placa grande (‘Zone Load Test’ – ZLT). El máximo asiento registrado fue de 18mm y el mínimo fue de 10mm. Estos representan los extremos de todos los asientos medidos y fueron realizados en un perfil que principalmente consistía en un relleno estructural, un estrato de sabkha y arena medianamente densa.
Se replicaron dichos ensayos mediante los modelos de elementos finitos, considerando las condiciones más blandas y rígidas del terreno. Para definir los tres tipos de materiales se ha utilizado el modelo lineal elástico de Mohr-Coulomb.
Estos ZLTs son placas de 3mx3m por lo que solo movilizan tensiones significativas en el terreno en los primeros aproximadamente 4-5mBGL, por lo que los bulbos de tensiones no habrían alcanzado a los estratos de sabkha. Sin embargo, muchas cimentaciones propuestas están proyectadas para apoyar en un nivel más profundo (1-2mBGL) y tienen mayores dimensiones que la placa del ensayo, por lo que movilizan un bulbo más profundo, que sí alcanzaría los estratos de sabkha y se verían afectadas por el comportamiento geotécnico del mismo. Se ha modelizado este ensayo de carga numérico asumiendo un espesor de sabkha arcillo-limoso de 2m–5m bajo el nivel existente del terreno. Esta unidad se ha considerado mediante el modelo HSS antes mencionado.
Tal y como se puede observar a continuación (Figura nº 14), existe una buena concordancia durante las fases de carga, aunque se producen ciertas discrepancias durante las fases de descarga.
Figura 14. Comparación de los resultados del modelo numérico y el ZLT. 2m. Sabkha arcilloso-limoso de consistencia blanda.
La siguiente gráfica (Figura nº 15) muestra los resultados del ensayo donde se observó el asiento menor comparados con la prueba de carga numérica.
Figura 15. Comparación de los resultados del modelo numérico y el ZLT. Sin Sabkha arcilloso-limoso.
Utilizando los mismos parámetros para el relleno y la arena medio densa, se observa que se obtienen asientos mayores en el modelo en el que se considera el estrato de sabkha blando. Esto claramente muestra el efecto de la existencia de esta capa en los asientos, aunque como se ha señalado anteriormente, el impacto no se considera significativo cuando se tiene en cuenta un área cargada de 3x3m a nivel del suelo.
Hay que destacar que en esta fase no se incluyó la rigidez de la cimentación; aunque este efecto, sí forma parte de los estudios de sensibilidad que se muestran en la sección 3.5.
3.3. Análisis Numérico de Asientos
En esta fase se realizan los distintos modelos numéricos, cuya finalidad es la predicción del valor de los máximos asientos para cada una de las estructuras. Las diferentes soluciones de cimentación estudiadas comprenden zapatas cuadradas de diferentes anchos llegando hasta los 6m de lado, y las losas de cimentación de los reactores.
Para el análisis de las zapatas (Figura nº 16), se considera la situación pésima de la existencia de un estrato de 2m de espesor de sabkha de consistencia blanda.
Figura 16. Asientos estimados para una zapata cuadrada de 6m de lado bajo una carga de 200kPa.
En el caso específico de la cimentación de los reactores, el tamaño en planta de la losa propuesta es de 25m x 15m. La Figura nº 17 muestra el modelo de Plaxis3D para el análisis de la cimentación propuesta. Se desarrollan dos casos de análisis: i) uno con 2m de sabkha arcilloso blando bajo la cimentación y ii) otro caso en el que éste solo se encuentra bajo la mitad de la misma, para valorar los máximos asientos diferenciales que pudiesen producirse (Figura nº 18). La carga transmitida ha sido aplicada directamente en el terreno, por lo que se asume una cimentación puramente flexible.
Figura 17. Vista de los dos modelos realizados para el análisis de la losa de los reactores.
Figura 18. Asientos estimados en ambos modelos.
A partir de estos cálculos, se estima un asiento diferencial significativo para el caso en el que el terreno de sabkha arcilloso blando ocupa la mitad de la cimentación. Se estima un asiento aproximado de 130mm en el lado con la presencia de sabkha, y un valor de 30mm en el otro lado sin la presencia del mismo. El asiento diferencial máximo es de 100 mm, que implica una distorsión para los modelos estructurales.
3.4. Análisis Analítico de Asientos
Las distintas cimentaciones propuestas se evalúan para que tengan una seguridad razonable respecto a la rotura del terreno y unos asientos admisibles con la presión de trabajo adoptada. Se evalúa que las deformaciones no sean excesivas para la estructura y que estén dentro de límites tolerables.
De los numerosos métodos de cálculo se ha usado aquel que asimila el terreno a un medio elástico, eventualmente no lineal o anisótropo, utilizando las numerosas soluciones ya existentes. La formulación de Boussinesq permite el cálculo estimado del asiento de una cimentación superficial por medio de una formulación cerrada.
Este cálculo ha sido automatizado, en base a la información disponible en la base de datos SIG del proyecto, que integra los parámetros geotécnicos calculados para cada uno de los registros de los CPTs. El análisis se realiza para diferentes hipótesis de diseño: geometría de las cimentaciones, posición del nivel freático, cota de apoyo de la cimentación, etc. Los resultados obtenidos se añaden a la base de datos SIG del proyecto, para su posterior visualización geoespacial.
Este proceso facilita enormemente la identificación en planta de las zonas críticas para cada tipo de la cimentación, en términos de asiento, y pone de manifiesto la necesidad de realizar mejoras del terreno en aquellas zonas donde los asientos obtenidos superan las limitaciones de asientos planteadas para las diferentes hipótesis de diseño. El análisis se realiza basándose en los datos de los CPT existentes y para las distintas combinaciones propuestas de dimensiones de cimentación, cargas de trabajo y profundidades de empotramiento.
Los resultados de estos análisis se muestran en SIG, mostrando los valores de contorno de los asientos estimados, obtenidos a través de la interpolación lineal de los resultados del asiento teniendo en cuenta todos los CPT disponibles). Se incluyen también las curvas de nivel de valores límite.
Como ejemplo, la Figura nº 19 muestra las áreas que superarían los asientos admisibles para las losas de cimentación de los reactores, de 25m x 15m a una presión neta de 170 kPa (a 2mBGL).
Figura 19. Delimitación de áreas que superarían los asientos admisibles (Caso: Losas reactores 25x15m @170kPa, 2mBGL).
En general y como se esperaba, las cimentaciones de dimensiones más pequeñas son menos sensibles a los estratos de sabkha más profundos, que sin embargo son críticos para las cimentaciones más grandes. De nuestro análisis de cimentaciones (sección 3), se obtiene que, para la mayor parte de la zona estudiada, las cimentaciones poco profundas, trabajando a una presión de 170 a 200kPa y con un empotramiento de 2m de profundidad, los asientos son iguales o menores de los admisibles.
La principal incertidumbre para las cimentaciones se encuentra en la presencia de sabkha arcillo-limoso en parte de la zona de estudio, tal y como ya se mostró en la Figura nº 10.
Para evitar los problemas de excesivas deformaciones en las áreas delimitadas, se propone evaluar una serie de recomendaciones, que van desde la utilización de ciertos sistemas de mejora del suelo, para mejorar las condiciones geotécnicas, hasta el cambio de tipología de cimentación original (Sección 4).
3.5. Análisis de Sensibilidad
Los análisis comentados anteriormente, representan los peores escenarios para el desarrollo de asientos que se podrían encontrar, en los cuales no se ha considerado la rigidez de la losa y se ha tenido en cuenta un espesor máximo de 2m de sabkha arcillo-limoso bajo la cimentación. Para contrastar estos análisis, se realizan una serie de cálculos de sensibilidad en donde se incluye la rigidez de la losa de cimentación, y se evalúa el efecto de la presencia o no de sabkha y el efecto de una menor resistencia en los parámetros estimados para este terreno.
A partir de estos cálculos se observa lo siguiente:
- El efecto de incluir la rigidez de la cimentación, que apoya sobre un terreno de sabkha, supone una reducción de los asientos totales, tanto para las cimentaciones más pequeñas como para las losas. Dicha reducción es más notable para las cimentaciones pequeñas, pero en ambos casos, no son suficientes como para cumplir con las limitaciones de asiento establecidas.
- Con respecto a la reducción (33%) de los parámetros de resistencia manteniendo los de deformabilidad del sabkha arcillo-limoso, se observan efectos aproximadamente despreciables tanto para las cimentaciones pequeñas como para las losas de los reactores. Los asientos máximos obtenidos en ambas cimentaciones son aproximadamente iguales. La resistencia frente al hundimiento se verifica de manera indirecta en estos cálculos.
Por lo tanto, tal y como se ha observado en el análisis numérico, los asientos estimados para las cimentaciones propuestas exceden las limitaciones establecidas y no son aceptables para las zonas en las que aparece el sabkha arcillo-limoso.
4. RECOMENDACIONES
A continuación, se describen de forma resumida dos alternativas viables que se han desarrollado, para reducir la deformabilidad del terreno realizando una mejora del mismo, o bien, para transferir las cargas a un terreno de mayor capacidad portante y dentro de unos asientos admisibles, usando cimentación profunda.
4.1. Mejora del Terreno: Estabilización Profunda con Columnas de Mezcla de Suelo-Cemento (DSM)
DSM 7 Como la causa principal de los asientos es la capa de sabkha arcillo-limosa, que parece no haber sido mejorada por las columnas de arena, ni por la compactación dinámica o sobrecarga (relleno hidráulico), se deduce que es probable que un método de tratamiento del suelo dirigido a la mejora de esa capa sea la opción más eficaz.
La utilización de columnas de módulo controlado o la estabilización profunda con columnas de mezcla de suelo-cemento, se consideran métodos de mejora aplicables para este caso. Como resultado de la evaluación de dichos métodos, la estabilización profunda con columnas de mezcla de suelo-cemento, utilizando el método húmedo (de acuerdo con la norma EN 14679: 2005 8 ), mediante el cual una lechada de cemento se mezcla con el suelo existente para producir columnas, se cree la mejor opción en este caso para mejorar la capacidad portante de las futuras cimentaciones (Figura nº 20). Se realiza una estimación preliminar que también requerirá de validación y optimización mediante los correspondientes ensayos de prueba en la zona de proyecto.
Figura 20. Ejemplo de columnas de DSM (fuente: Keller Cimentaciones S.L.U).
El diseño preliminar se hace en base a la norma EN 14679: 2005, junto con las recomendaciones de Filz et al 9 . Como el contenido de agua del sabkha arcillo-limoso a tratar no suele ser superior al 40%, se espera que el método húmedo sea apropiado en este caso. Sin embargo, será necesario un programa de ensayos de laboratorio y pruebas de campo para optimizar esta solución de mejora.
La Figura nº 21 muestra algunos diseños posibles en planta para las columnas de DSM. En general, los diseños de cuadrícula (opción 2) son una solución económica para las losas de cimentación similares a las propuestas para los reactores. Otras configuraciones pueden ser rentables para las cimentaciones de las zapatas más pequeñas.
Figura 21. Posibles ‘layouts’ en planta para las columnas de DSM (fuente: EN 14679:2005).
Usando las recomendaciones de diseño propuesto en Filz et al, que llevaron a cabo estudios exhaustivos del rendimiento en campo y laboratorio de columnas de DSM en una amplia gama de tipos de suelos, se requiere una relación total agua/cemento en peso de aproximadamente 4.5 para lograr una compresión simple de laboratorio de 0.7 MPa. La rigidez del suelo mixto es proporcional a la resistencia y una relación de rigidez a la resistencia de compresión simple de 300 se considera razonable y se ha utilizado en el análisis.
En el análisis se adopta finalmente una cuadrícula de 4m x 3.75m y un ancho efectivo de 1m (Figura nº 22). Esto representa un área de cobertura del tratamiento del 50%, y se estimó que el asiento máximo previsto para la losa del reactor sería de aproximadamente 18mm. Este tratamiento es de aplicación en las huellas de las losas de cimentación de los reactores situadas en áreas de sabkha arcillo-limoso.
Figura 22. Modelo Plaxis 3D. a) Modelo simétrico; b) Distribución vertical de tensiones; c) Distribución esfuerzos cortantes; d) Resistencia al corte movilizada.
El análisis de las columnas de DSM muestra que los asientos totales y diferenciales pueden ser reducidos a valores aceptables en aquellas zonas donde está presente el sabkha arcillo-limoso.
El análisis también sugiere que no se necesita una plataforma de transferencia de carga para obtener una distribución de tensión razonable debajo de la base. Sin embargo, las buenas prácticas sugieren colocar una cama de material compactado que cubra toda la extensión de la huella de la cimentación.
4.2. Cimentación por Pilotes
A partir de los modelos de terreno creados y los resultados de asientos obtenidos en la primera fase del proyecto, se decidió estudiar la posibilidad de cimentar todas las estructuras mediante pilotes.
Basado en el Eurocódigo 7 10 , se calcula la capacidad portante última mediante dos métodos: i) el denominado procedimiento alternativo (‘Alternative Procedure’), determinado directamente a partir de los valores de los parámetros del suelo (Mohr-Coulomb), y ii) el denominado ‘Model Pile Procedure’, a partir de los ensayos de campo (resultados de los CPTs y de los SPTs).
Además de las distintas curvas obtenidas por estos métodos, se realizó un modelo de elementos finitos con la finalidad, primero de calibrar las unidades más profundas a partir de unos ensayos de prueba de carga, y después de servir de referencia para las distintas metodologías.
Este modelo numérico se ha basado en los mismos parámetros del suelo y el mismo perfil que el asumido en el modelo de elementos finitos.
Tras la comparación con estos resultados, se observó que la mayor concordancia del análisis numérico ocurría con la obtenida a partir de los ensayos SPT, por lo que fue este método el seleccionado para la predicción de la capacidad de carga de los pilotes.
Se observa con estos resultados que la capa de sabkha arcillo-limoso tiene un efecto significativo en la capacidad de los pilotes. Se espera que este estrato experimente un asiento importante cuando el nivel freático descienda de nuevo a niveles históricos. Esto causaría el desarrollo de rozamiento negativo a lo largo del pilote sobre la capa de sabkha, eliminando la contribución de estas capas a la capacidad del pilote.
El procedimiento para la obtención de la capacidad portante del terreno seleccionado permite estimar el comportamiento de los pilotes a tracción. De igual modo, se evalúa el comportamiento frente a cargas laterales de los pilotes a partir de los procedimientos propuestos en API 11 y el programa ALP de Oasys.
Una vez analizadas las distintas capacidades de carga de los pilotes, así como las respuestas frente a distintas solicitaciones, se procede a estudiar los asientos que se esperarán en los pilotes aislados, así como los debidos a las distintas interacciones entre estructuras y tipologías de cimentaciones. Para este fin, se utiliza el modelo de elementos finitos realizado con Plaxis 3D. Las siguientes figuras muestran ejemplos del cálculo de asientos para algunas de las unidades estructurales analizadas. La Figura nº 23 muestra una de dichas estructuras simuladas en Plaxis 3D.
Figura 23. Modelo en Plaxis 3D para una de las unidades estructurales.
En estos cálculos también se consideran los rozamientos negativos debido al descenso del nivel freático. En las siguientes imágenes (Figuras nº 24 a 27) se puede observar el asiento del terreno bajo esta estructura, así como los axiles desarrollados en cada uno de los pilotes.
Figura 24. Asientos generados en el terreno.
Figura 25. Axiles desarrollados en los pilotes.
Figura 26. Máximos asientos para la etapa de rebajamiento del nivel freático.
Figura 27. Distribución de axiles para un pilote seleccionado.
5. CONCLUSIONES
La colocación de un relleno hidráulico para elevar el nivel del suelo en la zona, y el tratamiento de mejora del terreno posterior, realizados con el fin de crear una plataforma para el desarrollo de la planta de proceso, ha dado lugar a una situación en la que los asientos totales de las cimentaciones podían superar los límites por la presencia localizada de Sabkha. Parece que en este estrato no se habría mejorado sustancialmente su resistencia ni rigidez.
Se ha podido derivar parámetros de diseño para este estrato sobre la base de pruebas de laboratorio. Usando los parámetros derivados, se calculan los asientos totales y diferenciales, destacando las siguientes conclusiones:
- Fuera de la zona donde es probable encontrar sabkha arcillo-limoso, los asientos totales estimados son iguales o menores de los límites admisibles para las distintas geometrías y profundidades de empotramiento propuestas.
- Dentro de la zona donde es probable que se encuentre sabkha arcillo-limoso, los asientos estimados son superiores a los admisibles, por lo que se han recomendado y desarrollado dos posibles soluciones:
- Una mejora del terreno. Se ha desarrollado una solución que mejora la resistencia y rigidez de la capa de sabkha. Esto comprende una cuadrícula de 4m x 3,75m de estabilización profunda con columnas de mezcla de suelo, de 8m de profundidad y 1m de ancho nominal, instaladas debajo de las cimentaciones. Esta solución permitiría asientos dentro de los admisibles para las distintas geometrías y profundidades de empotramiento propuestas. Esta solución podría ser optimizada, sujeta a pruebas adicionales de campo y laboratorio.
- Cimentación por pilotes. En caso necesario, se ha desarrollado la opción de cimentaciones profundas, para un tipo de pilote y diámetros determinado, estimando la resistencia a compresión, tensión y cargas laterales, así como análisis de asientos e interacción con otras estructuras mediante el uso de Plaxis 3D.
Debido a que las distorsiones angulares pueden condicionar los diseños, estas soluciones de mejora deben analizar las zonas de transición entre suelo tratado y no tratado para asegurar que estas distorsiones son aceptables para las estructuras que sustentan.
6. AGRADECIMIENTOS
Nuestro agradecimiento al equipo de dirección y oficina técnica del cliente. A Nick O’Riordan (Arup Fellow) y su equipo, por su apoyo y supervisión; y especialmente al resto del equipo de Infraestructuras de Arup Madrid.
7. BIBLIOGRAFÍA
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