Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales

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(1)UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y MORFOLOGÍA DEL TERRENO. SOBRE LA RESPUESTA ESTÁTICA DE SUELOS FINOS BLANDOS BAJO DIQUES VERTICALES. TESIS DOCTORAL. MANUELA CARREIRO POUSADA Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. MADRID, 2007.

(2) UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA Y MORFOLOGÍA DEL TERRENO. SOBRE LA RESPUESTA ESTÁTICA DE SUELOS FINOS BLANDOS BAJO DIQUES VERTICALES. TESIS DOCTORAL. MANUELA CARREIRO POUSADA Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. DIRECTORES DE TESIS: D. CARLOS OTEO MAZO Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. D. PABLO DE LA FUENTE MARTÍN Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. MADRID, 2007.

(3) TESIS DOCTORAL. SOBRE LA RESPUESTA ESTÁTICA DE SUELOS FINOS BLANDOS BAJO DIQUES VERTICALES. Por: Manuela Carreiro Pousada Ingeniero de Caminos Canales y Puertos. Directores de Tesis Dr. Ing. Carlos Oteo Mazo Dr. Ing. Pablo de la Fuente Martín. TRIBUNAL CALIFICADOR. Presidente Dr. D. Vocales:. Dr. D. Dr. D. Dr. D.. Secretario: Dr. D.. Acuerda otorgarle la calificación de. Madrid,. de. de 2007.

(4) Dedicado a mis padres Erundino y Judith, y a Luis. "Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber" ALBERT EINSTEIN. “Después de escalar una montaña muy alta, descubrimos que hay muchas otras por escalar” NELSON MANDELA.

(5) Tesis Doctoral. AGRADECIMIENTOS En primero lugar, agradezco a mis Directores de Tesis D. Carlos Oteo y D. Pablo de la Fuente. A ellos quiero expresar mi profunda gratitud por la dedicación que me dispensaran al transmitirme muchos de sus conocimientos y experiencia que fue fundamental para mi crecimiento científico. Al Profesor D. Carlos Oteo mi reconocimiento también por su permanente apoyo y estimulo, además de sus importantes consejos y sugerencias, que han sido de gran valía para la realización y conclusión de esta investigación. Al Profesor D. Pablo de la Fuente agradezco también su indispensable asesoramiento en cada paso de mi aprendizaje de las herramientas de elementos finitos.. A la empresa Dragados por la financiación económica de este trabajo dentro del proyecto de investigación “Respuesta dinámica del terreno bajo acciones del oleaje en cajones fondeados sobre suelos blandos” y, especialmente, a D. José Polimón, D. Germán Burbano y D. Pedro Sola por su importante apoyo.. A las Fundaciones Agustín de Betancourt y Entrecanales por proporcionarme financiación durante el desarrollo de la tesis.. También quiero expresar mi agradecimiento a D. Marcelo Burgos Teruel, de la Autoridad Portuaria de Valencia, por su colaboración en esta investigación y por el permiso para facilitar datos de sus obras. También quiero agradecer a la colaboración. prestada. directamente. por. la. U.T.E.. Muelle. del. Este,. especialmente a D. Ignacio Arjona Morell, director general de obra civil de SACYR, y a D. Álvaro Marchesi Alcobeo y D. José Miguel Gimeno.. Al Profesor D. Antonio Soriano, por el indispensable apoyo y al Profesor D. Claudio Olalla, por su colaboración.. Al Secretaría del Departamento de Ingeniería y Morfología del Terreno de la E. T. S de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid, especialmente a José Maria Herrera y Maria del Carmen Lacalle, por sus atenciones.. IV Manuela Carreiro Pousada.

(6) Tesis Doctoral. Al Profesor D. José Estaire, por su gran ayuda en la primera fase de la tesis, cuyos comentarios y enseñanzas me han guiado en el comienzo de mi trabajo.. Al Dr. Gustavo Armijo y a D. Alejandro Segundo, de Geocisa, por los datos prestados sobre columnas de grava en el mar.. Al Profesor D. Vicente Negro, por su especial colaboración, disponibilidad y aportación de conocimientos relacionados con los diques y a los profesores D. Pedro Fernández y D. Ovidio Varela por su atención.. Me gustaría agradecer también a Conchita García e Isidro Fernández, de la biblioteca de la E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos y a Encina Polo, de la biblioteca del CEDEX por el aporte bibliográfico que ambas instituciones me han proporcionado.. Me gustaría mencionar también los miembros del Laboratorio de Geotecnia de la Escuela de Caminos de Madrid: Valentín Bella, Pachi Muñoz y Mateo Arroyo, así como mis compañeros y amigos del laboratorio Carola Sanhueza, Silmara de Assis, Miguel Martín, Rafael Jiménez y también a mis nuevos compañeros de laboratorio Daniel del Olmo y Hernán Patiño. A todos gracias por el apoyo.. Por su simpatía. y compresión, a mis compañeros y amigos de otros. departamentos de la Escuela de Caminos y del CEDEX: Silvia García, Diego Fernández, Mariana Manelli, Cristina Tello, Els Claes, Javier Rodríguez, Álvaro Ridruejo, Claudio García, Francisco Calvo, Fernanda Defant, Patricio Padilla, Ariel Espeche, Francisco Riquelme, Roberto Ortega, Daniel Iglesias, Damon Afkari, Beatriz Sanz, Fernando García, Irene Revelo, Diego Manzanal, Cristina de Santiago y Jesús Manzanas. También me gustaría expresar mi agradecimiento a mis amigos Goran y Svetlana, por su especial atención.. Por último, un agradecimiento muy especial a mi padre Erundino Pousada, por su apoyo incondicional y gran ayuda en los momentos más difíciles, a pesar de la distancia. A mi madre Judith por su importante incentivo y cariño. A Luis, por su ayuda, paciencia, ánimo y cariño. V Manuela Carreiro Pousada.

(7) Tesis Doctoral. RESUMEN. Actualmente, en ámbitos portuarios en España siempre surgen necesidades de hacer obras cada vez más grandes que se apartan de la costa, tanto para conseguir el atraque de buques de mayor calado como para alejar las labores de carga y descarga del ambiente urbano propiamente dicho. Esto hace que la solución de diques verticales (mediante cajones prefabricados de hormigón armado, que se llevan flotando hasta su posición definitiva, en la que se fondean) se venga utilizando cada vez más para permitir el atraque de buques y la contención de rellenos para la obtención de plataformas superficiales.. Los suelos existentes en el ámbito portuario suelen presentar resistencia a corto plazo muy baja y ser muy compresibles, además de presentar posibilidades de drenaje muy lentas, lo que conduce a una generación muy lenta de asientos, bajo carga constante, asociada a la disipación de presiones intersticiales que son generadas por las cargas aplicadas.. Además, en las obras offshore y portuarias, se necesita frecuentemente el refuerzo del terreno. En primer lugar, debido a que los suelos en los fondos marinos presentan problemas de resistencia y también, por la necesidad cada vez mayor de evitar el dragado y la colocación de grandes cantidades de sedimentos que pueden contaminar.. El objetivo principal de esta tesis es analizar el comportamiento estático de diques verticales apoyados en suelos finos blandos sometidos a la acción del oleaje. Este objetivo se divide en dos vertientes: la primera es un análisis sin tratamiento y la segunda es estudiar la respuesta de los diques mediante un tratamiento con columnas de grava.. Para alcanzar los objetivos propuestos se han realizado los siguientes pasos:. VI Manuela Carreiro Pousada.

(8) Tesis Doctoral. •. Recopilación bibliográfica de las presiones equivalentes del oleaje en diques verticales, así como una recopilación de la carga de hundimiento, estabilidad al deslizamiento y vuelco.. •. Elaboración de un estado del arte sobre los procesos de ejecución de columnas de grava en el mar y de sus métodos de cálculo.. •. Comparación de resultados de análisis de estabilidad según métodos de equilibrio límite y con un código numérico de elementos finitos, con el fin de conocer el alcance del coeficiente de seguridad que se emplea en estos últimos métodos.. •. Análisis numérico de los asientos y del coeficiente de seguridad de los diques verticales apoyados en suelos finos blandos sometidos a la acción del oleaje sin intervención de ningún tratamiento del terreno, mediante el método de los elementos finitos, utilizando el modelo de suelo con endurecimiento plástico (hardening soil model), variando las propiedades resistentes del terreno, la altura de la escollera de apoyo y la anchura del cajón.. •. Aplicación del tratamiento con columnas de grava en los suelos blandos bajo diques verticales sometidos a la acción del oleaje, con el objeto de estudiar tanto los asientos como el coeficiente de seguridad, mediante el método de los elementos finitos, considerando un modelo de suelo con endurecimiento plástico (hardening soil model).. •. Comparaciones de los resultados de las simulaciones numéricas con y sin tratamiento del terreno.. •. Verificación de la metodología empleada, comparando los resultados obtenidos mediante el método de los elementos finitos con los medidos con la instrumentación de campo en un caso real.. VII Manuela Carreiro Pousada.

(9) Tesis Doctoral. La metodología adoptada incluye las siguientes etapas: . Determinación de los esfuerzos procedentes del oleaje sobre los cajones.. . Evaluación de la resistencia al corte del terreno de apoyo de los cajones a lo largo del tiempo, considerando el proceso de consolidación.. . Análisis de la estabilidad a lo largo del tiempo, evaluando asentamientos y coeficientes de seguridad, teniendo en cuenta las fases de construcción.. . Estudio de la posible mejora del comportamiento del terreno, considerando un tratamiento mediante columnas de grava.. . Control del comportamiento de una obra real y comparación con la metodología propuesta mediante simulaciones con y sin ajuste de parámetros.. Para simular el caso real tridimensional con columnas de grava distribuidas en una malla triangular en el programa de elementos finitos Plaxis en 2D con la hipótesis de deformación plana, se ha adoptado dos tipos de métodos en este modelo bidimensional. Estos dos métodos consisten en transformar filas de columnas de grava en pantallas equivalentes mediante los criterios de rigidez EI (rigidez transversal) y EA (rigidez axial).. Entre los resultados y aportaciones más importantes obtenidas en esta tesis, cabe señalar los siguientes: . Con relación a las diversas herramientas para la evaluación de la estabilidad, se ha visto la conveniencia de utilizar el método de los elementos finitos respecto a los clásicos de equilibrio límite, porque, además de permitir simular las diversas fases de obras con geometrías complejas, tiene en cuenta las condiciones de deformación y la evolución de las presiones efectivas y las variaciones de las propiedades del terreno. VIII Manuela Carreiro Pousada.

(10) Tesis Doctoral. . Los coeficientes de seguridad en las simulaciones con tratamiento empleando el método de rigidez equivalente EI son algo superiores a los obtenidos con el método de rigidez equivalente EA, constatando que esta diferencia no sobrepasa el 7%.. . En las simulaciones de este estudio, después del fondeo y lastrado del cajón, el tiempo de consolidación en el caso con columnas de grava puede llegar a reducirse en un 85% en relación al tiempo sin tratamiento. Se muestra que casi se pasa de unos 6 meses, en el caso sin tratamiento, a menos de un mes, en el caso con tratamiento.. . De las comparaciones entre los asientos obtenidos en situaciones con y sin tratamiento, ha sido posible evaluar la eficacia del tratamiento mediante columnas de grava. Después de la consolidación con el peso propio del cajón, la reducción de los asientos con tratamiento en relación al caso sin tratamiento es de un 30 % a 50%, siendo la mayor reducción cuando el suelo es menos resistente.. . Cuando el oleaje se presenta después de la consolidación, los coeficientes de seguridad de las simulaciones con tratamiento se incrementan aproximadamente en un 13% en relación al caso sin tratamiento. Sin embargo, cuando el oleaje ocurre antes de la consolidación, los coeficientes de seguridad con tratamiento se incrementan en relación al suelo sin tratamiento entre un 30 y 69 %, produciéndose el mayor incremento cuando se trata el suelo menos resistente.. Finalmente, con el objeto de validar la metodología propuesta, se han comparado los resultados de las medidas registradas en la instrumentación de campo de casos reales con los de las simulaciones numéricas realizadas con los datos reales de la obra, logrando un buen ajuste. De este modo se ha comprobado la eficacia de dicha metodología para análisis de la estabilidad de los suelos blandos del fondo marino bajo diques verticales, incluyendo la acción del oleaje y el tratamiento del terreno con columnas de grava.. IX Manuela Carreiro Pousada.

(11) Tesis Doctoral. ABSTRACT. Nowadays, there exists a growing necessity of carrying out the construction of larger structures far to the coast in order to both allow the berth of larger ships and move further away the charge and discharge labors from urban environments.. The soils in the surrounding areas of harbours often have a very low short-term resistance, they are very compressible and have a slow drainage capacity. These facts lead to a slow settlement generation.. Moreover, in off-shore and harbour constructions, a reinforcement of the soil is often needed, since they are not resistant enough and also to avoid the dredging and the dump of sediments which could entail contamination problems.. The main objective of this dissertation is to analyze the static behaviour of soils under vertical breakwaters subject to the influence of wave action. This objective can be splitted in two different parts: the first one is the analysis the mechanical behaviour of soil without any type of treatment; the second task is the study of the effect of a treatment, by means of stone columns, in the response of this type of soils.. To achieve the proposed objectives, several tasks have been carried out: . A bibliographic compilation of the equivalent static pressures of waves over vertical breakwaters and also of the bearing capacity, and sliding and overturning stability.. . A bibliographic compilation of the calculation method and the construction process of stone columns in marine areas.. . Comparison between the results of stability analyses obtained according to limit equilibrium methods and the finite element method. X Manuela Carreiro Pousada.

(12) Tesis Doctoral. . Numerical simulation, by means of the finite element method (using hardening soil model), of settlements and the safety coefficient of vertical breakwaters on soft soils with and without a treatment, comparing the results obtained in both cases.. . Validation of the methodology followed, comparing the results obtained with the numerical simulations to experimental data of a real case.. The methodology adopted includes the following steps: . Determination of the forces due to the waves over vertical breakwaters.. . Evaluation of the shear resistance of the soil under vertical breakwaters analyzing its evolution along the time, including the consolidation process.. . Analysis of the vertical breakwater stability, evaluating the settlements produced and the safety factor taking into account the different construction phases.. . Study of the improvement in the soil behaviour due to the treatment based on stone columns.. . Comparison of data obtained in a real construction with the results computed in this dissertation.. XI Manuela Carreiro Pousada.

(13) Tesis Doctoral. ÍNDICE. AGRADECIMIENTOS. IV. RESUMEN. VI. ABSTRACT. X. 1.. 1. INTRODUCCIÓN. 1.1. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO Y ANTECEDENTES HISTÓRICOS. 1. 1.2. IMPORTANCIA DE LOS ASPECTOS GEOTÉCNICOS Y PLANTEAMIENTO 6. DEL PROBLEMA 1.3. OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA TESIS.. 8. 1.4. METODOLOGÍA Y PLAN DE DESARROLLO. 2.. ESTADO. DEL. ARTE. SOBRE. MÉTODOS. 10. DE. ANÁLISIS. DEL. COMPORTAMIENTO EN ROTURA DE DIQUES VERTICALES. 13. 2.1. INTRODUCCIÓN. 13. 2.2. PRESIONES DEL OLEAJE EN DIQUES VERTICALES. 14. 2.2.1. Generalidades. 14. 2.2.2. Fundamentos de la teoría de oleaje. 15. 2.2.3. Presiones de oleaje frente a un dique vertical. 18. 2.2.4. Fórmula de Hiroi (1919). 22. 2.2.5. Fórmula de Sainflou (1928). 23. 2.2.6. Fórmula de Minikin (1950). 26. 2.2.7. Fórmula de Goda (1974, 1985). 27. 2.2.8. Modelo de Goda Extendido (Takahashi, 1994). 32. 2.2.9. Aportes de Oumeraci y Kortenhaus (1997) y otros autores. 33. 2.3 CARGA DE HUNDIMIENTO. 38. 2.3.1 Tipos de rotura de cimentaciones superficiales. 38. 2.3.2 Teorías de carga de hundimiento en terrenos homogéneos. 45. 2.3.3 Carga de hundimiento en suelos no-homogéneos y anisótropos. 64. 2.3.4 Otros tipos de soluciones para carga de hundimiento. 73. Manuela Carreiro Pousada. XII.

(14) Tesis Doctoral. 2.4. ESTABILIDAD FRENTE AL DESLIZAMIENTO Y VUELCO. 77. 2.4.1. Generalidades. 77. 2.4.2. Seguridad frente al deslizamiento. 79. 2.4.3. Seguridad frente al vuelco. 81. 3.. TRATAMIENTO DE MEJORA DEL TERRENO CON COLUMNAS DE GRAVA. 84. 3.1. INTRODUCCIÓN. 84. 3.2. EJECUCIÓN DE LAS COLUMNAS DE GRAVA. 86. 3.3. APLICACIÓN DE LAS COLUMNAS DE GRAVA EN OBRAS MARITIMAS. 87. 3.4. CONTROL DE EJECUCIÓN. 97. 3.5. FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA TÉCNICA. 99. 3.6. DISEÑOS EMPLEADOS EN LAS COLUMNAS DE GRAVA. 104. 3.7. MÉTODOS DE CÁLCULO. 107. 3.7.1. Introducción. 107. 3.7.2. Método de Priebe (1976, 1978 y 1995). 107. 3.7.3. Método de Van Impe y De Beer (1983). 110. 3.8. EFICACIA DEL TRATAMIENTO. 118. 4.. MODELIZACIÓN. NUMÉRICA. DE. LA. CIMENTACIÓN. DE. DIQUES. VERTICALES SIN TRATAMIENTO DEL TERRENO. 123. 4.1. INTRODUCCIÓN. 123. 4.2. CÓDIGO DE ELEMENTOS FINITOS EMPLEADO EN LA SIMULACIÓN NUMÉRICA. 123. 4.2.1. Generalidades. 123. 4.2.2. Tipo de elementos finitos. 124. 4.2.3. Modelos de comportamiento de los materiales. 125. 4.2.4. Definición de elementos estructurales. 127. 4.3. CÓDIGO NUMÉRICO BASADO EN LOS MÉTODOS DE EQUILIBRIO LÍMITE 4.4. METODOLOGÍA. 128 DESARROLLADA. PARA. EL. ANÁLISIS. DE. CIMENTACIÓN DE LOS CAJONES BAJO LA ACCIÓN DEL OLEAJE 4.4.1. Introducción. LA 129 129. Manuela Carreiro Pousada. XIII.

(15) Tesis Doctoral. 4.4.2. Análisis previo del estudio comparativo de los cálculos del coeficiente de seguridad mediante métodos analíticos y numéricos. 130. 4.4.3. Ganancia de resistencia de la arcilla. 131. 4.4.4. Implementación de la carga estática correspondiente en la acción del oleaje. 133. 4.5. ANÁLISIS PREVIO DEL ESTUDIO COMPARATIVO DE LOS CÁLCULOS DEL COEFICIENTE DE SEGURIDAD MEDIANTE MÉTODOS ANALÍTICOS Y NUMÉRICOS. 134. 4.5.1. Introducción. 134. 4.5.2. Método de análisis de la estabilidad mediante el código Slope basado en la teoría de equilibrio límite. 135. 4.5.3. Descripción de los casos analizados. 136. 4.5.4. Análisis de las líneas de rotura. 137. 4.5.5. Comparación del coeficiente de seguridad de los dos métodos numéricos con el método analítico clásico. 138. 4.6. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD MEDIANTE EL CÓDIGO DE ELEMENTOS FINITOS PLAXIS. 145. 4.6.1. Introducción. 145. 4.6.2. Geometría. 146. 4.6.3. Malla de elementos finitos. 146. 4.6.4. Características de los materiales. 147. 4.6.5. Condiciones de contorno. 148. 4.6.6. Presión del oleaje empleada en el código de elementos finitos. 149. 4.6.7. Fases de cálculo. 150. 4.7. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS. 151. 4.7.1. Introducción. 151. 4.7.2. Análisis de los asientos. 151. 4.7.3. Análisis del factor de seguridad. 155. 5.. MODELIZACIÓN. NUMÉRICA. DE. LA. CIMENTACIÓN. VERTICALES CON TRATAMIENTO DEL TERRENO. DE. DIQUES 161. 5.1. INTRODUCCIÓN. 161. 5.2. CÓDIGO NUMÉRICO EMPLEADO EN LA SIMULACIÓN. 162. 5.2.1. Generalidades. 162 Manuela Carreiro Pousada. XIV.

(16) Tesis Doctoral. 5.2.2. Geometría y malla de elementos finitos. 162. 5.2.3. Condiciones de contorno. 163. 5.2.4. Características de los materiales. 163. 5.2.5. Ganancia de resistencia de la arcilla. 164. 5.2.6. Presión del oleaje empleada en el código de elementos finitos. 165. 5.2.7. Fases de cálculo. 165. 5.3. DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA PARA LA MODELIZACIÓN DE COLUMNAS DE GRAVA. 166. 5.4. CARACTERÍSTICAS DE LAS COLUMNAS DE GRAVA. 169. 5.5. MÉTODO TEÓRICO DEL CÁLCULO DE COLUMNAS DE GRAVA. 171. 5.6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. 171. 5.6.1. Introducción. 171. 5.6.2. Análisis de los asientos de los casos con tratamiento. 172. 5.6.3. Análisis del factor de seguridad de los casos con tratamiento. 175. 5.6.4. Comparación de los asientos con y sin tratamiento de columnas de grava obtenidos en las simulaciones del MEF. 177. 5.6.5. Comparación entre los asientos de las simulaciones del Plaxis con los calculados mediante la teoría de Priebe. 184. 5.6.6. Comparación de los coeficientes de seguridad obtenidos en las simulaciones del MEF para los casos con y sin tratamiento. 6.. 187. APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA NUMÉRICA A CASOS REALES DE DIQUES CON COLUMNAS DE GRAVA. 196. 6.1. INTRODUCCIÓN. 196. 6.2. GEOLOGÍA SUCINTA DEL PUERTO DE VALENCIA. 199. 6.2.1. Geología y geomorfología local. 199. 6.2.2. Columna estratigráfica tipo. 202. 6.3. PERFIL GEOTÉCNICO DE LAS SECCIONES. 205. 6.3.1. Introducción. 205. 6.3.2. Perfil geotécnico de la sección 1 estudiada. 206. 6.3.3. Perfil geotécnico de la sección 2 estudiada. 210. 6.4. DESCRIPCIÓN DE LAS ETAPAS DE CONSTRUCCIÓN. 212. 6.5. SIMULACIÓN DE CONTRASTE DEL CASO REAL CON TRATAMIENTO MEDIANTE COLUMNAS DE GRAVA Manuela Carreiro Pousada. 216 XV.

(17) Tesis Doctoral. 6.5.1. Objetivo de la simulación. 216. 6.5.2. Código utilizado en la simulación numérica. 216. 6.5.3. Método adoptado en la modelización de las columnas de grava. 217. 6.5.4. Características y modelización de las columnas de grava. 219. 6.5.5. Geometrías estudiadas. 221. 6.5.6. Malla de elementos finitos. 222. 6.5.7. Condiciones de contorno. 223. 6.5.8. Características de los materiales. 223. 6.5.9. Presiones del oleaje empleadas en el código de elementos finitos. 224. 6.5.10. Fases de cálculo. 225. 6.6. ANÁLISIS. DE. LOS. RESULTADOS. OBTENIDOS. PARA. LAS. SIMULACIONES DE LAS SECCIONES DEL CASO REAL. 228. 6.6.1. Introducción. 228. 6.6.2. Análisis de los asientos en las dos secciones del caso real. 228. 7.. 239. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN. 7.1. CONCLUSIONES. 239. 7.2. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN. 251. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 253. ANEJOS I.. TEORÍAS DE CARGA DE HUNDIMIENTO DE TERZAGHI Y DE MEYERHOF 266. II. EJECUCIÓN Y CÁLCULO DE COLUMNAS DE GRAVA. 276. III. MODELO DEL SUELO CON ENDURECIMIENTO PLÁSTICO (HARDENING SOIL MODEL). 308. IV. EVOLUCIÓN DE LAS SOBREPRESIONES INTERSTICIALES EN EL CÓDIGO PLAXIS. 316. V. RESULTADOS DE LOS SONDEOS Y PIEZOCONOS. Manuela Carreiro Pousada. 336. XVI.

(18) Tesis Doctoral. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1.1:. Vista aérea del Puerto de Málaga (ampliado recientemente). 1. Figura 1.2:. Dique vertical convencional (U.S. Army Coastal Engineering Research, 1984). Figura 1.3:. 2. Diques Verticales: (a) dique vertical de baja banqueta; (b) dique compuesto de alta banqueta; (c) dique compuesto horizontal (Tsinker, 2004). 3. Figura 1.4:. Vista general aérea de las alineaciones del Puerto de Barcelona. 5. Figura 1.5:. Puerto de Tazacorte: A) Dique antes del fallo. B) Dique durante la acción 6. del oleaje. C) Detalle del dique durante la acción del oleaje Figura 1.6:. Esquema de los estudios realizados. 12. Figura 2.1:. Comparación entre los perfiles de ondas de Airy, Stokes y Solitaria (Raudkivi, 1990). Figura 2.2:. 18. Secuencia de una ola rompiendo y colisionando con el paramento vertical de un dique. 20. Figura 2.3:. Diagrama de Hiroi. 22. Figura 2.4:. Diagrama de presiones de Sainflou. 24. Figura 2.5:. Diagrama de presiones de Sainflou Modificado. 25. Figura 2.6:. Diagrama de presiones de Minikin. 26. Figura 2.7:. Diagrama de presiones de Goda. 28. Figura 2.8:. Ángulo de ataque de la ola (β). 29. Figura 2.9:. Esquema de definición de la presión total horizontal y subpresión total. 31. Figura 2.10: Esquema de rotura de Takahashi (1994). 33. Figura 2.11: Esquema de las presiones inducidas por las olas. 35. Figura 2.12: Mapa paramétrico de McConnell (1998). 36. Figura 2.13: Comportamiento presión-asiento de una cimentación superficial. 38. Figura 2.14: Formas de rotura o hundimiento. 40. Figura 2.15: Campos de desplazamientos en los diferentes tipos de rotura: a) general, b) local, c) por punzonamiento.. 41. Figura 2.16: Presiones de contacto (con variación lineal), desplazamientos y mecanismos de rotura en función de la excentricidad y de la inclinación de carga.. 43. Figura 2.17: Formas de rotura bajo carga excéntrica, según Meyerhof. 44. Figura 2.18: Formas de rotura bajo carga inclinada, según Brinch Hansen. 44. Manuela Carreiro Pousada. XVII.

(19) Tesis Doctoral. Figura 2.19: Áreas efectivas equivalentes de cimentaciones superficiales. 54. Figura 2.20: Área efectiva (A*) en función de la excentricidad (e). 55. Figura 2.21: Inclinación de carga y área efectiva de la cimentación. 56. Figura 2.22: Inclinación de la base de la cimentación. 58. Figura 2.23: Base de cimentación en forma de cuña. 59. Figura 2.24: Influencia del nivel freático. 60. Figura 2.25: Factores de capacidad de carga para cimientos en la ladera de un talud. 61. Figura 2.26: Factores de capacidad de carga para cimientos en la coronación de un talud. 62. Figura 2.27: Geometría del talud admitida en las soluciones de Hansen y Vesic.. 63. Figura 2.28: Geometría del método propuesto por Soriano et al. (2001). 64. Figura 2.29: Condiciones de variación de propiedades (módulo “E” y resistencia “s”) del suelo con la profundidad: a) homogéneo, b) linealmente heterogéneo y c) estratificado. 64. Figura 2.30: Factores de capacidad de carga de suelos cohesivos anisótropos y estratificados. 65. Figura 2.31: Valores de Nc para suelos cohesivos con incremento linear de resistencia 66 Figura 2.32: Geometría de la bicapa de arcilla de Vesic, con c1<c2. 67. Figura 2.33: Rotura por punzonamiento de sistemas bicapa (Tcheng, 1957). 68. Figura 2.34: Modos de ruptura de sistemas bicapa (Hanna y Meyerhof, 1980). 68. Figura 2.35: Factor is para la solución bicapa de Meyerhof y Hanna. 70. Figura 2.36: Mecanismo de rotura para bicapa según Soriano et al. (2003). 71. Figura 2.37: Geometría del caso de capa finita sobre base infinitamente rígida. 72. Figura 2.38: Mecanismos de rotura y factores de capacidad de carga para φ = 0. 74. Figura 2.39: Criterio de rotura de Coulomb y ley de fluencia asociada. 76. Figura 2.40: Modos de fallo de un dique vertical. 77. Figura 2.41: Comprobación del vuelco plástico (ROM 05, 2005). 82. Figura 3.1:. Métodos de tratamiento compatibles con las zonas granulométricas. 85. Figura 3.2:. Método de la banqueta de grava. 88. Figura 3.3:. Colchón de materiales de aportación sobre el fondo marino. 88. Figura 3.4:. Ejecución con tanque superior de grava y alimentación por el fondo. 89. Figura 3.5:. Método del tanque superior de grava con alimentación por el fondo. 90. Figura 3.6:. Bomba de gravas con depósito de doble compuerta. 91. Figura 3.7:. Equipamiento de alimentación por el fondo en funcionamiento (Keller). 94. Figura 3.8:. Vista general de ejecución de columnas de grava desde la pontona. Figura 3.9:. (Cortesía de Geocisa). 95. Vista general de ejecución de columnas de grava desde la pontona. 96. Manuela Carreiro Pousada. XVIII.

(20) Tesis Doctoral. Figura 3.10: Vibradores en batería (Keller, 2004). 96. Figura 3.11: Detalle de la monitorización de los equipos (Cortesía de Geocisa). 98. Figura 3.12: Salida de registro de parámetros del tratamiento(Cortesía de Geocisa). 98. Figura 3.13: Tipos de rotura de una columna de grava bajo carga vertical. 100. Figura 3.14: Influencia del soporte lateral en las tensiones de las columnas. 103. Figura 3.15: Diversos tipos de distribución mostrando el diámetro equivalente del área de influencia de cada columna (De). 105. Figura 3.16: Distribución triangular o al tresbolillo. 106. Figura 3.17: Croquis de las columnas y de las pantallas equivalentes en planta. 112. Figura 3.18: Parámetros geométricos (Van Impe & De Beer, 1983). 113. Figura 3.19: Ábaco de Van Impe & De Beer que relaciona m y α.. 117. Figura 3.20: Ábaco de Van Impe & De Beer que relaciona β y α.. 117. Figura 3.21: Curvas “tensión – asiento” de ensayos sobre grupos de quatro columnas (Oteo, 2004). 119. Figura 3.22: Asientos del terreno tratado referido al terreno sin tratar, según diversos autores. 120. Figura 3.23: Estimativas contrastadas con la testificación gama (Oteo y Sopeña, 1989) 120 Figura 3.24: Ensayo bajo terraplenes de estribo (E-1, Sevilla). 121. Figura 3.25: Ensayos bajo terraplenes de estribo (E- 2, Sevilla). 121. Figura 4.1:. Elementos finitos en 2D, modelos de deformación plana y axilsimétrico. 124. Figura 4.2:. Elementos de 15 nodos y 12 puntos de Gauss adoptados en el cálculo con elementos finitos. 125. Figura 4.3:. Esquema de la metodología para la implementación del oleaje. 133. Figura 4.4:. Ángulo de salida “α”. 135. Figura 4.5:. Mecanismo de rotura en el cálculo por el MEF. 137. Figura 4.6:. Comparación entre las curvas de rotura del método analítico clásico, del programa Slope y del código Plaxis, para un suelo sin cohesión y ϕ = 35º. 137. Figura 4.7:. Comparación entre los coeficientes de seguridad (FS), para cargas actuantes verticales, según los métodos de Vesic y del código Slope. Figura 4.8:. 139. Comparación entre los coeficientes de seguridad (FS), para cargas actuantes verticales, de según los métodos de Vesic y del código Plaxis. Figura 4.9:. 139. Comparación entre los coeficientes de seguridad (FS), para cargas actuantes verticales, según la ROM 0.5 y del código Slope. 140. Figura 4.10: Comparación entre los coeficientes de seguridad (FS), para cargas actuantes verticales, según la ROM 0.5 y el código Plaxis. 140. Figura 4.11: Comparación entre los FS, para cargas actuantes verticales, según el código Slope y el Plaxis Manuela Carreiro Pousada. 142. XIX.

(21) Tesis Doctoral. Figura 4.12: Comparación entre los FS, para cargas actuantes inclinadas, según Vesic y a través del Slope. 143. Figura 4.13: Comparación entre los coeficientes de seguridad (FS), para cargas actuantes inclinadas, según Vesic y el código Plaxis. 143. Figura 4.14: Comparación entre los FS, para cargas actuantes inclinadas, según el Slope y a través del Plaxis. 144. Figura 4.15: Geometría del caso sin tratamiento. 146. Figura 4.16: Malla de elementos finitos del caso sin tratamiento. 146. Figura 4.17: Distribución de presiones según las formulaciones de Goda empleado en el código de elementos finitos. 149. Figura 4.18: Evolución de los asientos con el tiempo en la superficie de la arcilla bajo banqueta de escollera para B = 20 m. 153. Figura 4.19: Evolución de los asientos con el tiempo en la superficie de la arcilla bajo banqueta de escollera para B = 18 m. 154. Figura 4.20: Tipo de mecanismo de rotura en las simulaciones mediante el Plaxis. 155. Figura 4.21: Factores de seguridad en las fases de cálculo del código Plaxis para B=18 m. 157. Figura 4.22: Factores de seguridad en las fases de cálculo del código Plaxis para B=20 m. 158. Figura 5.1:. Geometría de las simulaciones con tratamiento. 162. Figura 5.2:. Malla de elementos finitos de las simulaciones con tratamiento. 163. Figura 5.3:. Croquis explicativo del método de modelización adoptado para las columnas de grava. 167. Figura 5.4:. Variación de los asientos en la geometría simulada en el Plaxis. 172. Figura 5.5:. Evolución de los asientos con el tiempo en los casos con tratamiento. 173. Figura 5.6:. Influencia de la cohesión y de la altura de la banqueta en los asientos en los casos con tratamiento. 174. Figura 5.7:. Tipo de mecanismo de rotura en las simulaciones con tratamiento. 175. Figura 5.8:. Influencia del método de cálculo de las pantallas equivalentes y del área de influencia de las columnas en los factores de seguridad. Figura 5.9:. 176. Comparación de los asientos en la superficie de la arcilla bajo la banqueta para las simulaciones del MEF de los casos con y sin tratamiento con B = 20 m y hb = 4,5 m. 178. Figura 5.10: Comparación de los asientos en la superficie de la arcilla bajo la banqueta para las simulaciones del MEF de los casos con y sin tratamiento, con B = 18 m y hb = 4,5 m. Manuela Carreiro Pousada. 180. XX.

(22) Tesis Doctoral. Figura 5.11: Comparación de los asientos en la superficie de la arcilla bajo la banqueta para las simulaciones del MEF de los casos con y sin tratamiento, con B = 20 m y cohesión de referencia cuo = 55 kPa. 181. Figura 5.12: Comparación de los asientos en la superficie de la arcilla bajo la banqueta para las simulaciones del MEF de los casos con y sin tratamiento, con B = 18 m y cohesión de referencia cuo = 55 kPa. 183. Figura 5.13: Comparación entre los asientos calculados mediante el método de Priebe y a través del código de elementos finitos Plaxis. 185. Figura 5.14: Comparación entre los casos sin y con tratamiento mediante el método de Priebe y el método de los elementos finitos, empleando el método EA 186 Figura 5.15: Comparación entre los casos sin y con tratamiento mediante el método de Priebe y el método de los elementos finitos, empleando el método EI. 186. Figura 5.16: Comparación entre los factores de seguridad con y sin tratamiento para B = 20 m y cohesión de referencia cuo = 55 kPa. 189. Figura 5.17: Comparación entre los factores de seguridad con y sin tratamiento para B = 18 m y cohesión de referencia cuo = 55 kPa. 190. Figura 5.18: Comparación entre los factores de seguridad con y sin tratamiento para los casos con B = 18 m y hb = 4,5 m. 192. Figura 5.19: Comparación entre los factores de seguridad con y sin tratamiento para los casos con B = 20 m y hb= 4,5 m. 194. Figura 6.1:. Vista aérea general del Puerto de Valencia. 196. Figura 6.2:. Vista aérea detallada del Puerto de Valencia (Puertos del Estado). 198. Figura 6.3:. Plano detallado del Puerto de Valencia. 198. Figura 6.4:. Periodos geológicos de la plana de Valencia y sierras circundantes (IGME, 1980). 200. Figura 6.5:. Plano geológico general de la plana de Valencia. 201. Figura 6.6:. Situación de los sondeos. 206. Figura 6.7:. Identificación del suelo en la zona del perfil. 208. Figura 6.8:. Perfil geotécnico de la Sección 1 del dique Este. 209. Figura 6.9:. Perfil geotécnico longitudinal de la Sección 2 del dique Este. 211. Figura 6.10: Ejecución del dragado. 212. Figura 6.11: Ejecución de las columnas de grava (Foto: Cortesía de Geocisa). 213. Figura 6.12: Construcción de la banqueta de cimentación. 214. Figura 6.13: Enrase de la parte superior de la escollera. 214. Figura 6.14: Fondeo del cajón (Fotos: Cortesía U.T.E. Muelle del Este). 215. Figura 6.15: Croquis de la modelización adoptada para las columnas de grava. 217. Figura 6.16: Croquis en planta de las columnas de grava en la malla triangular.. 220. Manuela Carreiro Pousada. XXI.

(23) Tesis Doctoral. Figura 6.17: Croquis de la geometría de la Sección 1. 221. Figura 6.18: Croquis de la geometría de la Sección 2. 221. Figura 6.19: Malla de elementos finitos de la Sección 1. 222. Figura 6.20: Malla de elementos finitos de la Sección 2. 222. Figura 6.21: Distribución de presiones del oleaje según Goda. 225. Figura 6.22: Comparación entre los asientos medidos en campo y los obtenidos con el Plaxis, sin considerar la acción del oleaje (Sección 1). 231. Figura 6.23: Comparación entre los asientos medidos en campo y los obtenidos con el Plaxis, considerando la acción del oleaje y con modificaciones en las propiedades de los materiales. (Sección 1). 232. Figura 6.24: Comparación entre los asientos medidos en campo y los obtenidos con el Plaxis, considerando la acción del oleaje (Sección 1). 233. Figura 6.25: Comparación entre los asientos medidos en el campo y los obtenidos con el Plaxis, sin considerar la acción del oleaje, pero con las modificaciones de los materiales mencionadas (Sección 2). 237. Figura 6.26: Comparación entre los asientos medidos en el campo y los obtenidos con el Plaxis, considerando la acción del oleaje y realizando modificaciones en algunas propiedades de los materiales (Sección 2). Manuela Carreiro Pousada. 238. XXII.

(24) Tesis Doctoral. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 2.1: Síntesis de los métodos de diseño para presiones de ola. 21. Tabla 2.2: Factores de forma de la fórmula generalizada según Vesic (1975). 51. Tabla 2.3: Factores de profundidad según Brinch Hansen (1970). 52. Tabla 2.4: Factores de profundidad según Bowles (1968). 53. Tabla 2.5: Factores de inclinación de carga según Meyerhof (1965). 55. Tabla 2.6: Factores de inclinación de carga según Vesic (1975). 57. Tabla 2.7: Factores de inclinación de la base de la cimentación según Vesic (1975). 58. Tabla 2.8: Factores de inclinación de la superficie del terreno según Brinch Hansen (1970). 62. Tabla 2.9: Factores de inclinación de la superficie del terreno según Vesic (1975). 63. Tabla 2.10: Factores correctivos ζc , ζc , ζc para capa finita sobre base rígida. 72. Tabla 2.11: Coeficientes de seguridad mínimos frente al deslizamiento horizontal. 80. Tabla 2.12: Coeficientes de seguridad mínimos frente al vuelco plástico. 82. Tabla 3.1: Comparación entre la eficacia de los tratamientos (Oteo, 2004). 122. Tabla 4.1: Parámetros geotécnicos de los suelos. 136. Tabla 4.2: Propiedades de los materiales empleados en los cálculos mediante el código Plaxis. 148. Tabla 4.3: Valores de presiones utilizados en la implementación del oleaje. 150. Tabla 5.1: Propiedades de los materiales empleados en los cálculos con tratamiento 164 Tabla 5.2: Características geométricas de las columnas de grava modelizadas. 170. Tabla 5.3: Características geométricas de las pantallas equivalentes de las columnas 170 Tabla 5.4: Propiedades geotécnicas de las columnas de grava. 170. Tabla 5.5: Comparación entre los asientos sin tratamiento y con tratamiento de columnas de grava adoptando el método EI.. 184. Tabla 5.6: Comparación entre los asientos sin tratamiento y con tratamiento de columnas de grava adoptando el método EA.. 184. Tabla 6.1: Descripción de las capas del perfil geotécnico de la Sección 1. 207. Tabla 6.2: Descripción de las capas del perfil geotécnico de la Sección 2. 210. Tabla 6.3: Características geométricas de las columnas de grava modelizadas. 219. Tabla 6.4: Características geométricas de las pantallas equivalentes de columnas de grava modelizadas. 220. Tabla 6.5: Propiedades del material del cajón. 223. Tabla 6.6: Propiedades de los materiales geotécnicos en las simulaciones. 224. Tabla 6.7: Valores de las presiones utilizadas en la implementación del oleaje. 225. Manuela Carreiro Pousada. XXIII.

(25) CAPÍTULO 1. Introducción. 1. INTRODUCCIÓN. 1.1.. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO Y ANTECEDENTES HISTÓRICOS. Actualmente, en ámbitos portuarios, surge una creciente necesidad de mayores calados y mayores superficies (Figura 1.1). Por ello, la construcción de diques verticales se viene utilizando cada vez más para permitir el atraque de buques y la contención de rellenos para la obtención de plataformas superficiales. Esta tipología posee una serie de ventajas, como son la reducción de material empleado, la rapidez de construcción y las mejoras ambientales y económicas que supone frente al tradicional dique en talud.. Figura 1.1: Vista aérea del Puerto de Málaga (ampliado recientemente). Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 1.

(26) CAPÍTULO 1. Introducción. En obras portuarias, un dique viene a ser una estructura empleada con el objeto de reflejar y disipar la energía del agua del oleaje y, como consecuencia prevenir o reducir la acción del oleaje en un área donde se desea proteger. Los diques verticales convencionales son monolitos rígidos, de paredes impermeables y de comportamiento gravitatorio. Su principal característica es reflejar prácticamente el total de la energía del oleaje, no produciendo disipación sobre el paramento, por esto son también llamados de diques reflejantes. En la Figura 1.2 se puede observar que los diques verticales están usualmente compuestos de cajones de hormigón armado y apoyados en una banqueta de escollera. Los cajones están constituidos por celdas y son fondeados mediante el relleno de las mismas con agua y posteriormente lastrados con arena.. 1). Banqueta de cimentación. 2). Berma de protección. 3). Bloque de guarda anti-socavación. 4). Monolito (cajón o tipología especial). 5). Espaldón. Figura 1.2: Dique vertical convencional (U S. Army Coastal Engineering Research, 1984). En la Figura 1.3, se presenta los diques verticales típicos utilizados en las construcciones modernas. Básicamente, este tipo de dique vertical está formado por una banqueta de escollera apoyada en el fondo marino y una pared vertical (Figura 1.3a). Las estructuras que se presentan en las Figuras 1.3b y 1.3c son definidas como diques compuestos.. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 2.

(27) CAPÍTULO 1. Introducción. (a). (b). (c). Figura 1.3: Diques Verticales: (a) dique vertical de baja banqueta; (b) dique compuesto de alta banqueta; (c) dique compuesto horizontal (Tsinker, 2004). Históricamente, los diques en general, y los diques verticales en particular, fueron construidos alrededor del Mediterráneo centenares de años a.C. Antiguamente, los diques se construían con bloques de piedra y con la forma de encofrados de madera rellenos de piedra. La versión del cajón para construcción de diques fue utilizado en Oriente Medio en Cesarea alrededor de 20 años a.C.. En el final de los años 70 y en el comienzo de los 80, ocurrieron fallos en grandes diques de diversos países. Estas amargas lecciones revelaron el hecho de que los ingenieros no tenían suficiente experiencia en: •. La fuerza del oleaje en la estructura. •. Las propiedades mecánicas de los suelos del fondo marino. •. Los modos y mecanismos de rotura de estas estructuras. A pesar del esfuerzo realizado en los últimos años en países líderes en tecnología de cajones como Japón y Europa, la experiencia en la construcción de diques verticales es todavía relativamente reducida y la investigación del comportamiento, diseño y optimización de diques verticales tiene todavía un largo camino que recorrer.. En España, por ejemplo, aunque el país posee alrededor de 8.000 km de litoral, con más de 300 diques existentes como obras de abrigo, con una longitud próxima a los 200 km, lo que representa 3,5 diques cada 100 km, sólo un 10 % son diques. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 3.

(28) CAPÍTULO 1. Introducción. verticales. Sin embargo, en lo últimos 10 años más del 80% de las obras de abrigo que se han construido, son diques verticales. De cierto modo puede decirse que estamos viviendo la época de estos tipos de diques, debido sobre todo a los factores llamados ecológicos, así como al desarrollo tecnológico de las obras marítimas y a las actuales técnicas de predicción y registro del oleaje, que permite minimizar los errores en las estimaciones del clima marítimo incidente, que fue causa de numerosas averías durante el período de los años 30 al 50.. Ello hace que la solución de diques verticales (mediante cajones prefabricados de hormigón armado, que se llevan flotando hasta su posición definitiva, en la que se fondean) se venga utilizando cada vez más para permitir el atraque de buques y la contención de rellenos para obtención de plataformas superficiales de uso ya indicado (De La Fuente & Oteo, 1997 y Oteo & De la Fuente, 2004b).. El apoyo de estos cajones en el fondo del mar se hace a través de banquetas de escollera que transmiten presiones muy importantes (400 a 450 kPa) al terreno natural blando que suele existir en muchos puertos.. En vista de la aplicación de esas elevadas cargas, así como de la usual presencia de suelos de cimentación de naturaleza relativamente impermeable y bastante floja, tienen sobresaliente importancia los aspectos geotécnicos con relación a: . Problemas de resistencia a corto plazo para resistir la carga del propio cajón y banqueta de escollera.. . Problemas de deformación diferida, dado el lento drenaje de suelos blandos e impermeables.. . Problemas de resistencia estática y dinámica al actuar cargas horizontales en los cajones que provienen, en parte, del oleaje, lo que entraña no sólo el problema de la acción horizontal sino el de la respuesta del terreno subyacente.. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 4.

(29) CAPÍTULO 1. Introducción. . Necesidad de adaptación de métodos de análisis ya tradicionales en la geotecnia al caso particular de las obras marítimas, por cuanto en ocasiones dichas formulaciones están pensadas para otro tipo de obras y su extrapolación a la obra portuaria puede presentar ciertos problemas.. En el caso portuario, el elevado incremento de cargas que supone el apoyo del cajón sobre el terreno tiene una importancia enorme, que en algunos casos ha llevado a producir verdaderos casos de rotura y deslizamientos en muelles de este tipo, como ocurrió en el famoso y antiguo caso del Puerto de Gotemburgo (Suecia), o los casos clásicos de deslizamientos en el Puerto de Santander (Muelle de Maliaño) y en el de Málaga (Dique nº 1). Recientemente, en 2001, se han hundido dos cajones prefabricados en el Puerto de Barcelona, con cierto nivel importante de oleaje y, más recientemente, en 2004, han deslizado cuatro cajones en el Puerto de Málaga. Por supuesto, si se considera el caso adicional de un posible terremoto, en zonas sísmicas, pueden producirse problemas de naturaleza dinámica más compleja, como en el caso de un muelle en el Puerto de Valparaíso (Chile, 1985). En la Figura 1.4 se puede ver, en planta, como se desplazaron los cajones en el fallo del Puerto de Barcelona (2007). Todo ello hace que los problemas que aquí se tratan tengan importancia y enorme actualidad en España.. Figura 1.4 Vista general aérea de las alineaciones del Puerto de Barcelona. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 5.

(30) CAPÍTULO 1. Introducción. En la Figura 1.5, se presenta un ejemplo del fallo en el dique del Puerto de Tazacorte, en Canarias. En la Figura 1.5 A se puede ver como era el dique originalmente y en la Figura 1.5 B y C se puede observar como el oleaje ha pasado por encima del dique.. A. B. C Figura 1.5: Puerto de Tazacorte: A) Dique antes del fallo. B) Dique durante la acción del oleaje. C) Detalle del dique durante la acción del oleaje. 1.2.. IMPORTANCIA. DE. LOS. ASPECTOS. GEOTÉCNICOS. Y. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Los suelos existentes en el ámbito portuario suelen presentar unas características geotécnicas muy desfavorables:. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 6.

(31) CAPÍTULO 1. Introducción. -. Presentan granulometrías variadas, en las que predominan las fracciones finas. Ello hace que sean frecuentes capas pseudohorizontales limosas o arcillosas, es decir, bastantes impermeables.. -. La consistencia suele ser de blanda a muy blanda, ya que se trata de sedimentos recientes, de época cuaternaria, por tratarse de los sedimentos asociados a la desembocadura de los ríos próximos (o integrados) a la zona portuaria.. -. La presencia de materia orgánica puede acentuar la compresibilidad de los sedimentos, incluyendo la posibilidad de que presente consolidación secundaria.. Como consecuencia de estas características pueden encontrarse en esas zonas portuarias espesores importantes de suelos blandos a muy blandos, y muy impermeables, lo que los hace no solo muy compresibles sino que sus posibilidades de drenaje sean muy lentas, lo que entraña una resistencia a corto plazo muy baja y una generación muy lenta de asientos bajo carga constante.. La construcción de diques verticales como paramento en aguas profundas está en nuestros días en auge por la ventajosa reducción de material empleado, la rapidez de construcción y las mejoras ambientales y económicas que supone frente al tradicional dique en talud. Sin embargo, la eventual falta de capacidad portante de los fondos marinos conduce a una serie de actuaciones, como por ejemplo: tener que sustituir grandes volúmenes de terreno por escollera y, esperar mucho tiempo hasta la consolidación, o bien mejorar artificialmente el suelo. El dragado de grandes volúmenes y su sustitución con escollera para mejorar la resistencia, alarga los plazos de construcción, encarece la obra y exige la presencia de canteras cercanas disponibles (lo que no es siempre posible).. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 7.

(32) CAPÍTULO 1. Introducción. Ante lo expuesto anteriormente, se ha planteado estudiar la mejora del terreno mediante columnas de grava, la cual representa una buena solución para mejorar la capacidad portante del terreno, disminuir el tiempo de consolidación (disminuir tiempo de obra), así como para reducir el volumen dragado.. Con la aparición de los ordenadores, en las décadas de los cincuenta y sesenta, se inició un gran interés por simular una gran cantidad de fenómenos físicos. Los métodos numéricos han experimentado un gran avance en las últimas décadas, con vistas a resolver las ecuaciones que gobiernan los problemas físicos.. En las tres décadas de desarrollo de las columnas de grava, se han propuesto diferentes métodos de análisis. Unos son de tipo parcial, enfocando aspectos concretos del problema (asientos, consolidación, resistencia), y tienen en general un complemento empírico en la determinación de coeficientes correctores. Por otra parte, existen métodos de análisis refinados, mediante técnicas de elementos finitos, cuyo enfoque es global, tratando el problema en su conjunto.. Para realizar la presente investigación, se ha empleado el método de los elementos finitos tanto para simular las cargas del peso propio y las de la acción cuasi-estática del oleaje en el dique, así como el efecto de las columnas de grava para tratamiento del terreno.. 1.3.. OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA TESIS.. El objetivo último de esta investigación es analizar el comportamiento estático de diques verticales apoyados en suelos finos blandos sometidos a la acción del oleaje. El primer objetivo global es realizar un análisis mediante un código numérico de elementos finitos para verificar la estabilidad del dique sometido a la acción del oleaje sin intervención de ningún tratamiento del terreno. El segundo objetivo global es realizar el mismo análisis mediante el mismo código numérico,. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 8.

(33) CAPÍTULO 1. Introducción. considerando el tratamiento del terreno con columnas de gravas. Para alcanzar estos objetivos globales ha sido necesario cumplir una serie de objetivos parciales:. . Estudio comparativo entre los coeficientes de seguridad mediante métodos analíticos, método de elementos finitos y métodos de equilibrio límite de suelos típicos del fondo marino para la validación de los aspectos fundamentales de la herramienta numérica Plaxis.. . Implementación de las presiones de Goda en un código numérico para simular la acción del oleaje.. . Estudiar el comportamiento estático de suelos finos blandos bajo diques verticales mediante un código numérico de elementos finitos que reproduzca. la. geometría. del. problema,. el. comportamiento. tensodeformacional del terreno y el procedimiento constructivo de la obra. . Analizar la influencia de la consolidación en la mejora de las propiedades resistentes de los suelos blandos bajo diques verticales.. . Realizar análisis paramétricos de suelos blandos bajo diques verticales con el objeto de conocer su influencia en los asientos y en los coeficientes de seguridad.. . Desarrollar una metodología para modelizar las columnas de grava mediante un programa de elementos finitos, adoptando una malla bidimensional con hipótesis de deformación plana, si bien la realidad en 3D con las columnas distribuidas en una malla triangular es más compleja.. . Comparar los casos estudiados sin tratamiento con los casos con tratamiento mediante columnas de grava, para evaluar la eficacia del tratamiento.. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 9.

(34) CAPÍTULO 1. Introducción. . Como comprobación final de la validez del procedimiento desarrollado se simulan. numéricamente. algunos. casos. reales,. efectuando. la. comparación con los datos de la instrumentación de campo disponible para los mismos.. 1.4.. METODOLOGÍA Y PLAN DE DESARROLLO. Para la realización de esta investigación se han llevado a cabo las siguientes etapas: •. Se ha realizado una revisión bibliográfica de las presiones equivalentes del oleaje en diques verticales. Esta revisión se ha reflejado en la primera parte del capítulo 2.. •. Se ha llevado a cabo una recopilación bibliográfica de la carga de hundimiento. Esta recopilación también se ha reflejado en el capítulo 2.. •. Se ha recogido el estado del conocimiento actual sobre el tratamiento con columnas de grava. La parte más novedosa de la ejecución de columnas de grava en el mar y el fundamento teórico de cálculo se ha presentado en el capítulo 3. Los detalles de las teorías de cálculo de las columnas de grava se han recogido en el Anejo II.. •. Se ha analizado el comportamiento del terreno bajo los diques verticales sometidos a la acción del oleaje sin intervención de ningún tratamiento del terreno. Este análisis se ha realizado en el capítulo 4.. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 10.

(35) CAPÍTULO 1. Introducción. •. Para analizar la influencia de la acción del oleaje en el terreno bajo los diques verticales, se ha implementado la teoría de presiones del oleaje de Goda en un programa de elementos finitos.. •. Se ha desarrollado un análisis del comportamiento del terreno bajo diques verticales tratado con columnas de grava. Este análisis se ha presentado en el capítulo 5.. •. Se ha comparado los resultados de los casos sin y con tratamiento mediante columnas de grava para evaluar la eficacia del tratamiento. Esta comparación se ha reflejado también en el capítulo 5.. •. Se ha realizado la validación de la metodología mediante una comparación entre los asientos medidos con instrumentación de campo y los asientos obtenidos en las simulaciones mediante el método de los elementos finitos para casos reales. Esta validación se ha realizado en el capítulo 6.. En la Figura 1.6 se muestra esquemáticamente la línea de investigación seguida en la presente tesis.. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 11.

(36) CAPÍTULO 1. Introducción. ESTADO DEL ARTE. Presiones equivalentes del oleaje. Estabilidad frente al hundimiento, deslizamiento y vuelco. Técnica de mejora del terreno con columnas de grava. INVESTIGACIÓN REALIZADA. Modelización numérica de la cimentación de diques verticales sin tratamiento del terreno, y su comparación con métodos clásicos. Modelización numérica de la cimentación de diques verticales con tratamiento del terreno. Comparación de los resultados de la simulación con y sin tratamiento. Aplicación de la técnica con columnas de grava a un caso real. Conclusiones y recomendaciones. Figura 1.6: Esquema de los estudios realizados. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 12.

(37) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. 2. ESTADO. DEL. ARTE. SOBRE. MÉTODOS. DE. ANÁLISIS. DEL. COMPORTAMIENTO EN ROTURA DE DIQUES VERTICALES. 2.1.. INTRODUCCIÓN. En los análisis de estabilidad de los diques verticales, además de las cargas permanentes y variables asociadas a la estructura y las presiones hidrostáticas debidas al nivel del mar, debe tenerse siempre en cuenta la acción del oleaje que produce un importante incremento adicional de presiones horizontales y subpresiones.. Gran parte de los casos mal sucedidos de diques verticales se ha debido bien al erróneo dimensionado de sus elementos por una incorrecta estimación del clima marítimo y sus acciones, o bien a la ubicación del dique en una zona donde la ola puede romper sobre él en casos de temporal. En muchas ocasiones, se ha comprobado que las cargas de oleaje, está en el origen último de muchos de los problemas aparecidos en los diques y muelles. Esto hace que su estudio y análisis sea de gran importancia. En el apartado 2.2 se analizan los aspectos fundamentales de las cargas de oleaje.. La complejidad de esta interacción hidrodinámica sugiere que es muy recomendable la instrumentación de este tipo de estructuras, especialmente cuando hay suelo blando bajo la base de los cajones.. En la práctica habitual de ingeniería geotécnica existen diversos métodos analíticos para calcular la carga de hundimiento de una cimentación superficial. Para verificar la seguridad, la fórmula empleada con más frecuencia es la de expresión polinómica propuesta por Brinch-Hansen (1961) basada en la teoría de la plasticidad para terrenos homogenéos, la cual también es recomendada en el Eurocódigo 7. Para determinar los factores de capacidad de carga y los distintos coeficientes que intervienen en la fórmula polinómica han sido propuestas diversas expresiones, mereciendo destacarse sobretodo las aportaciones de Vesic (1975). Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 13.

(38) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. Como en la de la ingeniería geotécnica existen situaciones más complejas, como los casos de terrenos heterogéneos o de condiciones de flujo de agua que conllevan a excesos de presión intersticial, en la práctica se ha comenzado a estimar la carga de hundimiento por otros procedimientos. Así, por ejemplo se suele utilizar a veces la aplicación de los métodos de cálculo de equilibrio límite desarrollados para estudio de estabilidad de taludes y otras veces se aplican los códigos numéricos basados en el método de los elementos finitos.. En el apartado 2.3, se analizan los principales estudios respecto al cálculo de la carga de hundimiento y, en el apartado 2.4, se comentan las recomendaciones actuales para el análisis geotécnico de la estabilidad al deslizamiento y al vuelco.. 2.2.. PRESIONES DEL OLEAJE EN DIQUES VERTICALES. 2.2.1. Generalidades El oleaje es la principal acción para el diseño de actuaciones en el medio costero, siendo la fuerza del mismo determinante en el coste de las obras. Por ello, la transformación del oleaje en zonas de costa y su interacción con las obras y con las playas deben ser estudiadas mediante modelos numéricos o bien mediante modelos físico a escala reducida. En general, puede decirse que el oleaje es uno de los fenómenos más importantes a tener en cuenta entre las condiciones medioambientales que afectan a una estructura marítima, ya que ejercen una gran influencia sobre este tipo de estructuras.. Debido a que el oleaje es uno de los fenómenos más complejos de la naturaleza, no es fácil alcanzar un pleno entendimiento de sus características principales, así como de su comportamiento. El oleaje posee aspectos muy diversos, teniendo un espectro muy amplio de ondas cuyos periodos van incrementándose: desde las ondas capilares, con periodos de tan solo unas. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 14.

(39) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. fracciones de segundo, pasando por las olas de viento de corto periodo y de mar de fondo (oleaje tipo “swell”) hasta las ondas con periodo muy largo, tales como los tsunamis, las ondas infragravitatorias, las mareas meteorológicas (“store surges”), y muchos otros tipos. Esta capacidad de transformar su perfil es uno de los aspectos más característicos del oleaje, pues al generarse, está formado simultáneamente por olas de alturas y periodos muy diferentes, moviéndose en una diversidad de direcciones y generando patrones muy complejos en la forma de la superficie libre del océano (oleaje tipo “sea”).. 2.2.2. Fundamentos de la teoría de oleaje Existen diversas teorías sobre el oleaje que proponen distintos modelos analíticos y descripciones de las características del comportamiento de un fluido con superficie libre. El sistema de ecuaciones que gobiernan el movimiento ondulatorio, así como las condiciones de contorno son en general no lineales, lo que dificulta o incluso imposibilita la obtención de soluciones analíticas completas. Por consiguiente, se han desarrollado soluciones con distinto grado de aproximación para varias condiciones de contorno. De todas formas, en los últimos años se han logrado avances en el área computacional, proporcionando soluciones numéricas para las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento de un fluido con estas características. Aún así, no todas las incógnitas presentes en el estudio del oleaje pueden ser resueltas analítica o numéricamente, por lo que es necesario realizar estudios de laboratorio así como la adquisición de datos de campo, para poder ajustar las expresiones teóricas y poder precisar estados habituales de la mar.. El oleaje habitualmente se estudia en tres dominios diferentes: . Oleaje en aguas profundas. . Oleaje en aguas intermedias. . Oleaje en aguas someras. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 15.

(40) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. El primer dominio se caracteriza por un efecto nulo del fondo sobre el oleaje. El segundo, por una transformación gradual en la forma del perfil superficial por la acción del fondo, donde el flujo oscilatorio (definido por su altura y periodo) es capaz de generar movimientos medios de régimen permanente y la formación de una capa límite en el fondo. Finalmente, el tercer dominio se caracteriza por la transformación brusca de la ola, su rotura y la generación de distintos tipos de sistemas de corrientes costeras y la disipación de la energía, principalmente a través de la producción de energía turbulenta. Así, la energía del oleaje puede moldear una playa y clasificar y transportar sedimentos en la dirección transversal y longitudinal a la playa.. Las olas que rompen sobre estructuras marítimas pueden ejercer presiones de muy diversa intensidad y duración. Desde la presión derivada de la acción de las mareas, regulando la profundidad de agua a pie de estructura, pasando por la presión ejercida por ondas estacionarias lineales, hasta la provocada por la rotura de una ola frente a la estructura, siendo esta última de una elevada intensidad.. La más simple de las teorías de oleaje es la teoría lineal (Airy, 1845 apud Negro, 2001), también conocida como teoría de Stokes de primer orden. Esta teoría postula que el movimiento del oleaje comienza en la superficie de un fluido incompresible (por lo tanto su densidad ρ es constante), no viscoso e irrotacional, por una fuerza externa que actúa sólo como fuerza perturbadora y que deja de actuar cuando el oleaje se ha formado. El movimiento queda entonces sujeto tan solo a la fuerza de gravedad. Las olas resultantes de esa teoría son bidimensionales, sinusoidales y de muy pequeña amplitud. El perfil de estos tipos de ola puede ser descrito por una función progresiva seno o coseno, con una amplitud igual a la mitad de la altura de ola “H”, resultando. η ( x, t ) =. H ⋅ cos (kx − wt ) 2. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 16.

(41) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. La teoría considera que el flujo es oscilatorio, por lo que las órbitas de las partículas de agua son cerradas. Por ello no hay un transporte neto de masa de agua. Sin embargo, el movimiento de agua por si mismo constituye un flujo o transferencia de energía. La energía potencial queda de manifiesto con el desplazamiento de la superficie del agua a partir del nivel medio en reposo. Al mismo tiempo, el movimiento de las partículas del agua constituye la energía cinética. La energía potencial y cinética en la teoría de Airy son iguales y, la energía total es la suma de ambas.. De acuerdo con la bibliografía, las partículas de agua siguen trayectorias circulares en aguas profundas, que se van haciendo elípticas conforme la ola se propaga en aguas intermedias o someras al sentir el fondo. Asimismo, ya que se supone que la altura de ola es pequeña con respecto a la longitud de onda, el desplazamiento de cualquier partícula del fluido a partir de su posición media es pequeño (Aranda, 2004).. Un mar de fondo (oleaje tipo “swell”) de pequeña amplitud, se puede considerar un oleaje lineal o de Airy. La mayor limitación de la teoría lineal del oleaje es que no permite un transporte neto de agua en la dirección de propagación del oleaje.. Por otro lado, Stokes desarrolló su teoría para olas de amplitud finita, que da como resultado un perfil con crestas más altas y puntiagudas y senos más aplanados, como se puede ver en la Figura 2.1. Para fines prácticos, las velocidades de grupo y de fase son las mismas que en la teoría lineal, aunque las velocidades para las olas más grandes en aguas profundas pueden ser hasta un 10% mayor que aquellas calculadas con la teoría lineal. Una de las diferencias fundamentales entre la teoría de Stokes y la teoría lineal es que la asimetría en el perfil de Stokes también se refleja en las velocidades orbitales. Esto es debido a que las partículas de agua no tienen una trayectoria cerrada, y las partículas tienen un transporte de masa en la dirección de propagación del oleaje (efecto importante en los procesos litorales).. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 17.

(42) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. Figura 2.1: Comparación entre los perfiles de ondas de Airy, Stokes y Solitaria (Raudkivi, 1990). 2.2.3. Presiones de oleaje frente a un dique vertical Al analizar las fuerzas del oleaje actuando en una pared vertical, se puede hacer una distinción entre los efectos de las olas no rompientes y las rompientes. En algunos casos (por ejemplo, cuando el dique vertical se encuentra cimentado en un fondo marino en talud), también se tienen en cuenta los efectos de las olas rotas. En general, debido a los efectos de olas rompientes, el talud del fondo marino, la interferencia de la ola con la escollera en diques compuestos, el “overtopping” y otros factores, es muy difícil la determinación de la presión de oleaje en la pared del dique. Este cuadro se agrava más por la irregularidad de las olas. Eso lleva a que, en la mayoría de los casos prácticos importantes de diques verticales, estos diques sean diseñados basados en resultados obtenidos de ensayos de modelos físicos o en base a fórmulas empíricas formuladas a partir de ensayos en modelos.. El constante intento del hombre por conseguir reproducir fenómenos físicos mediante modelos analíticos y elaborar métodos de diseño, llevó a Gaillard (1904), a tomar una serie de datos de campo empleando equipos tipo dinamómetros en diques situados en los Grandes Lagos.. Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 18.

(43) CAPÍTULO 2. Estado del arte sobre métodos de análisis del comportamiento en rotura de diques verticales. Su meta era poder definir diagramas de presiones en zonas de profundidades someras para distintos tipos de oleaje incidente. Esta experiencia sentó las bases de numerosas propuestas que se fueron desarrollando a partir de ellas.. Hasta hace poco tiempo, la presión de oleaje en diques verticales se evaluaba utilizando la altura de ola significante, que esencialmente produce un valor menor de presión de oleaje que la producida por una ola máxima real. Actualmente, debido a los espectaculares fallos de algunos diques verticales importantes, normalmente se utiliza la altura máxima de ola para calcular la presión de oleaje de diseño (Negro et al., 2001).. La dirección de la ola también es un factor importante en los cálculos de presión del oleaje. Si una ola no es rompiente, el cálculo de la presión del oleaje en mares oblicuos es relativamente fácil. Sin embargo, el efecto de la dirección de la ola se hace. especialmente pertinente cuando la ola es. rompiente. Este fenómeno se suele evaluar experimentalmente. Por último, el perfil del dique puede tener una importancia significante en la presión de ola en diques verticales.. En este capítulo se presenta una recopilación del estado del arte de los distintos métodos de cálculo de presiones sobre paramentos verticales desde su origen, a principios del siglo XX, hasta nuestros días. En la Tabla 2.1 se presentan los métodos de diseño de presiones de ola agrupados en presiones debidas a olas estacionarias y presiones impulsivas debida a la rotura de la ola.. Una ola cuasi-estacionaria es aquella que presenta pequeñas alteraciones en la superficie del agua y no suele ocasionar problemas notables a las estructuras que están localizadas en alta mar o en la costa. Para su estudio se suele emplear la teoría de ola de amplitud pequeña, la cual a su vez está basada en la teoría lineal del oleaje. Una característica principal de este tipo de olas es que el período de vibración de la onda es inferior al período fundamental de las estructuras marítimas. Por otro lado las presiones Sobre la respuesta estática de suelos finos blandos bajo diques verticales. 19.