Sobre la respuesta dinámica del terreno bajo la acción del oleaje en cajones fondeados en suelos arcillosos

Abstract

RESUMEN El diseño de la cimentación de estructuras marinas presenta una serie de dificultades debido a la complejidad de las solicitaciones ejercidas sobre la estructura, derivadas de la acción dinámica del oleaje y transmitidas al lecho marino a través de una compleja interacción cimentación-estructura, así como al comportamiento no lineal del suelo en el que existe acoplamiento del agua intersticial con el esqueleto sólido. Estas dificultades hacen de la dinámica asociada a un lecho marino subyacente y en las inmediaciones de un dique vertical un problema formidable. Parece que dicha dinámica no puede ser reproducible a través de un único modelo sino que se necesita el acoplamiento de una serie de modelos capaces de representar adecuadamente cada uno de los aspectos relevantes involucrados, haciéndose imprescindible el empleo de técnicas numéricas. Una de las conclusiones principales a las que llegó el trabajo desarrollado en el Instituto Noruego de Geotecnia (de Groot et al., 1996), perteneciente a las investigaciones del grupo europeo multidisciplinar MASTII, estableció la interacción entre los distintos fenómenos involucrados en la respuesta de un dique vertical de cajones ante la acción del oleaje, a saber, generación instantánea de presión de poros, la acumulación residual de la presión de poros y la dinámica asociada al movimiento oscilatorio del cajón, como uno de los aspectos que no habían sido abordados hasta la fecha. Más aún, el informe final del MASTIII, publicado en 2001, seguía haciendo referencia a la necesidad de profundizar en el entendimiento de la interacción oleaje-estructura-cimentación, prestando especial atención a los estados de fallo inducidos por la inestabilidad de la cimentación. El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral ha sido desarrollar un modelo teórico-numérico que permita analizar el comportamiento dinámico de la cimentación de un dique ante la acción cíclica del oleaje, en cajones fondeados en terrenos arcillosos, prestando especial atención a la generación y evolución de la presión intersticial con la consiguiente degradación del terreno. Atendiendo a este objetivo, en la presente Tesis Doctoral se ha desarrollado un modelo teórico que permite analizar el comportamiento dinámico de la cimentación de un dique ante la acción cíclica del oleaje en cajones fondeados en terrenos arcillosos, prestando especial atención a la generación y evolución de la presión intersticial con la consiguiente degradación del terreno. El modelo incluye: i) la formulación Generalizada de Biot u ??pw de (Zienkiewicz y Shiomi 1984) para representar la interacción esqueleto del suelo-fluido intersticial, ii) un modelo constitutivo propuesto en la presente Tesis Doctoral enmarcado en la Teoría Generalizada de la Plasticidad (Pastor et al. 1990) para describir el comportamiento de suelos arcillosos saturados bajo carga cíclica y dinámica, iii) un modelo de contacto entre el cajón y la banqueta de apoyo basado en la compatibilidad geométrica de ambos cuerpos para poder reproducir los complejos estados tensodeformacionales asociados a interacción cajón-banqueta de apoyo. Se muestra en la Figura 0. 1, de forma esquemática, las partes de las que se compone el modelo propuesto en la presente Tesis Doctoral para abordar la compleja interacción terreno-agua-estructura involucrada en un dique vertical de cajones instalado sobre un lecho marino arcilloso y sometido a la acción del oleaje. En dicha figura, se presenta con tonos oscuros las aportaciones novedosas, relacionadas con el modelo teórico, propuestas en esta Tesis Doctoral. Una vez planteadas las ecuaciones de gobierno, incorporando los distintos acoplamientos así como las condiciones de contorno, se resolvieron numéricamente a través del método de los elementos finitos. Tras la discretización espacial de las ecuaciones de gobierno del comportamiento del lecho marino, la banqueta de apoyo y el cajón, el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden obtenido fue complementado con los términos derivados del tratamiento numérico del contacto entre la banqueta de apoyo y el cajón así como con los asociados a los bordes de radiación. Una vez se obtuvo el sistema final de ecuaciones diferenciales ordinarias no lineal de gobierno del problema dinámico global se desarrolló el proceso de integración temporal. Debido a que el fenómeno de interacción lecho marino-banqueta de apoyo-cajón-oleaje no queda circunscrito a una disciplina concreta de la ingeniería, sino que involucra varias de ellas, y teniendo en cuenta las limitaciones de los códigos comerciales para tratar fenómenos de estas características, se optó por desarrollar plenamente la resolución numérica de las ecuaciones de gobierno planteadas, realizando un programa en el lenguaje M del entorno Matlab, llamado ADÍNDICA, cuyas siglas significan Análisis Dinámico de Diques de Cajones. Este programa puede ser empleado en el diseño de la cimentación de estructuras marinas de gravedad, permitiendo el análisis de los aspectos fundamentales involucrados en el comportamiento geomecánico asociado a la cimentación de este tipo de estructuras, a saber, i) la compleja interacción cajón-banqueta de apoyo, derivada de las acciones dinámicas y cíclicas del oleaje, esencial para poder estimar las tensiones transmitidas al lecho marino, ii) el acoplamiento del agua intersticial del suelo de la cimentación con el esqueleto sólido, esencial para valorar la influencia de la variación de la presión de poros influida por la compresión elástica del fluido intersticial, así como por la compresión y dilatación elástica del esqueleto del suelo en combinación con un drenaje limitado y iii) el posible cambio gradual de resistencia y rigidez del terreno debido a la acción de cargas repetitivas y/o la consolidación, imprescindible para evaluar la degradación del lecho marino y su comportamiento a largo plazo. A continuación, en la Figura 0. 2 se presenta el diagrama de flujo esquemático del programa ADÍNDICA desarrollado en el entorno Matlab. En dicha figura, se presenta con tonos oscuros las aportaciones novedosas, relacionadas con la resolución numérica del modelo teórico, propuestas en esta Tesis Doctoral.