Celestino Valle Molina Responsable técnico e investigador del Laboratorio de Geotecnia e Interacción Suelo-Estructura (LGISE) del Centro de Tecnología en Exploración y Producción (CTEP) del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP).
Marcos Orozco Calderón Doctor en Ingeniería con especialidad en Geotecnia. Investigador en el LGISE del CTEP IMP.
Jorge Sánchez Moreno Doctor en Ingeniería con especialidad en Geotecnia. Investigador en el LGISE del CTEP IMP.
Pedro Salgado Díaz Doctor en Ingeniería con especialidad en Sensores ópticos. Investigador en el LGISE del CTEP IMP.
José Jairo Ordaz Doctor en Ciencias con especialidad en Control Automático. Investigador en el LGISE del CTEP IMP.
Gabriel García Aguilar Estudiante de doctorado en Ingeniería con especialidad en Geotecnia.
José Fuentes Vizuet Ingeniero civil. Especialista en el LGISE del CTEP IMP.
Jorge Aguirre Murillo Ingeniero civil. Especialista en el LGISE del CTEP IMP.
Las tecnologías asociadas al modelado físico geotécnico para pruebas en equipo de centrífuga permiten a la industria petrolera diseñar cimentaciones y ductos para la explotación de hidrocarburos en sitios marinos de manera viable y segura.
El primer equipo de centrífuga en México fue instalado en el Laboratorio de Geotecnia e Interacción Suelo-Estructura (LGISE) del Centro de Tecnología en Exploración y Producción (CTEP), inicialmente denominado Centro de Tecnología para Aguas Profundas (CTAP), del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) en septiembre de 2017, y puesto en marcha en abril de 2018. El LGISE es uno de los cinco laboratorios de investigación y desarrollo tecnológico que conforman el CTEP. Este laboratorio permite calificar y desarrollar tecnologías geotécnicas para la operación segura de infraestructura en campos de explotación de hidrocarburos y está ubicado en Boca del Río, Veracruz. Además del equipo de centrífuga, el LGISE cuenta con equipos de vanguardia para caracterizar suelos en forma estática y dinámica, entre los que destacan columna resonante, corte simpe cíclico y triaxial cíclica.
El equipo de centrífuga aplica rotación para reproducir artificialmente campos gravitatorios mayores a la aceleración de la gravedad (g) sobre los modelos físicos. La idea original de realizar pruebas a modelos físicos en equipo de centrífuga se remonta al año 1869. Édouard Phillips en Francia propuso modelar puentes tubulares sujetos a un campo gravitacional de 50 veces el valor de g (Craig, 1989 y 1995); sin embargo, las pruebas sugeridas en esa propuesta nunca se llevaron a cabo. La aplicación del equipo de centrífuga en geotecnia aparece en la década de 1960 en las universidades de Manchester y Cambridge en Reino Unido. El profesor Andrew Schofield, en la Universidad de Cambridge, retomó las aplicaciones con equipo de centrífuga realizadas en la Unión Soviética que habían sido reportadas por Davindenkov y Pokrowsky, y realizó sus primeros trabajos en modelado físico geotécnico de taludes de arcilla (Schofield, 1980). A partir de los setenta y ochenta hubo un aumento considerable de aplicaciones de los equipos de centrífuga en ingeniería geotécnica, que incluyeron el inicio del uso de la centrífuga en geotecnia marina con mediciones en modelos de cimentaciones para plataformas marinas de gravedad (Rowe y Phillips, 1981).
Las propiedades mecánicas del suelo dependen directamente del nivel de esfuerzos efectivos, por lo que el uso de modelos físicos geotécnicos a escala en un laboratorio convencional para una gravedad 1 g no reproduce generalmente el mismo nivel de esfuerzos que existe en el prototipo. Por lo tanto, el interés principal asociado al uso de modelado físico con equipo de centrífuga en geotecnia se fundamenta en la posibilidad de que el incremento del campo gravitacional permite alcanzar el mismo nivel de esfuerzos y deformaciones en el modelo, en comparación con el prototipo. En la ecuación 1 se presenta la relación entre el número de veces la aceleración de la gravedad con el giro del brazo del equipo, lo cual también se ilustra en la figura 1.
N × g = r × ω2 (1)
Donde:
g es la aceleración de la gravedad
N es el número de veces el valor de g o factor de escala
r es el radio del brazo del equipo
ω es la velocidad angular (en rad/s)
La modelación física con equipo de centrífuga se fundamenta en las leyes de escalamiento entre prototipo y modelo. El escalamiento de los parámetros físicos y geométricos representa una parte clave del uso de este equipo experimental. Algunas de las leyes de escalamiento más importantes se enlistan en la tabla 1. Se identifica que el factor de escala para esfuerzo en el modelo es la unidad, mientras que la longitud y el tiempo de difusión hidráulica son inversamente proporcionales al factor de escala N y al cuadrado del número de veces g (N2), respectivamente. El factor de escala para el tiempo de difusión resulta particularmente importante en el caso de suelos finos, debido al tiempo requerido para consolidar al suelo en comparación con un modelo físico sometido a una gravedad.
Por otra parte, la capacidad de operación de un equipo de centrífuga depende del tamaño máximo del factor de escala (N) para el cual fue fabricada y el peso del modelo físico que puede movilizar en su canastilla. Por lo tanto, la aplicación específica del equipo para resolver ciertos problemas geotécnicos y geometrías consideradas determina el tamaño adecuado de los modelos físicos, lo cual detona la selección de la capacidad de operación del equipo. En la figura 2 se muestra el equipo de centrífuga del CTEP que tiene 3 m de radio de brazo, puede generar campos gravitatorios hasta de 130 g y permite una carga máxima en la canastilla de 1.5 toneladas a 100 g. Para inhibir el desbalanceo del equipo en operación, se cuenta con un sistema de balanceo en vuelo que permite ajustar la posición del contrapeso con el equipo en operación. El equipo tiene un peso de 17 toneladas, y para alcanzar un valor de 100 g (N=100) tiene que girar a 173 rpm.
Modelado físico con equipo de centrífuga en el LGISE
El Laboratorio de Geotecnia e Interacción Suelo-Estructura (LGISE) cuenta con los equipos para reconstituir depósitos de suelo como parte del modelado físico para suelos tanto finos como granulares. En la figura 3 se muestran los equipos para la reconstitución geotécnica y se presenta una prensa de consolidación
En la figura 4 se muestra la colocación en el contenedor de una muestra de suelo fino tipo caolín para probarse en equipo de centrífuga. Después de la reconstitución de los depósitos de suelo en los contenedores del equipo de centrífuga se procede a consolidar el suelo a los niveles de esfuerzo objetivo mediante el uso de la prensa de consolidación y la centrífuga en operación.
La reproducción geotécnica de sitios en el equipo de centrífuga significa reconstituir depósitos de suelo con el mismo perfil de resistencia al corte que el existente en campo. La medición de los perfiles de resistencia al corte requiere el uso de penetrómetros que puedan ser utilizados en el equipo de centrífuga en operación. En el LGISE se cuenta con un conopenetrómetro (CPT) y una barra T (Tbar), equipos que se muestran en la figura 5.
Para accionar los penetrómetros y aplicar cargas a los modelos físicos se requiere un actuador eléctrico, el cual se muestra en la figura 6a. Se trata de un actuador fabricado por Actidyn, diseñado para operar en el equipo de centrífuga en vuelo a niveles de aceleración de 100 g. El actuador permite realizar movimientos controlados con una resolución de ±1 mm.
La figura 6b muestra el actuador acoplado al minicono y sobre el contenedor del equipo de centrífuga; también se muestra una de las cámaras instaladas para monitorear las pruebas.
Adicionalmente, un componente que se puede acoplar al equipo de centrífuga es un simulador de sismos (single axis quake simulator), fabricado también por Actidyn, y se presenta en la figura 7. El equipo se conforma por: a) una base plana que da soporte al rodamiento hidrostático; b) actuadores hidráulicos recíprocos; c) una plataforma de transmisión del movimiento sísmico con capacidad máxima de 400 kg. Este actuador permite aplicar carga dinámica en la plataforma del componente mediante potencia hidráulica, lo cual permite reproducir registros sísmicos reales. El simulador puede operar hasta una aceleración máxima de 80 g y aplicar un rango de frecuencia entre 40 y 250 Hz.
Se han desarrollado modelos físicos a escala de pilotes de succión para soporte de sistema de producción submarinos sobre el lecho marino. En la figura 8 se presenta un modelo físico de pilote de succión a escala durante una prueba de centrífuga a un nivel de 50 g. El objetivo de la prueba fue medir la capacidad de carga axial del pilote (Valle y Orozco, 2019).
Aplicaciones del equipo en la solución de problemas geotécnicos de las pruebas
El Laboratorio de Geotecnia e Interacción Suelo-Estructura del CTEP cuenta con la capacidad tecnológica para desarrollar y probar modelos físicos de infraestructura interactuando con el suelo, como cimentaciones, ductos y presas, entre otros, en equipo de centrífuga. Las pruebas con equipo de centrífuga permiten modelar infraestructura a escala bajo el mismo nivel de esfuerzos en comparación con las condiciones in situ, reproducir condiciones geotécnicas particulares de sitios de interés tanto en condiciones drenadas como no drenadas, conocer modos de falla, calibrar modelos numéricos y validar ecuaciones de diseño, y ofrece la flexibilidad de realizar múltiples pruebas en comparación con modelos físicos 1 g (odómetros de gran tamaño). También se pueden probar modelos de infraestructura en condiciones de operación específicas o sujetos a algún geopeligro, como la inestabilidad de taludes y sismos.
Se tiene la posibilidad de aplicar carga sísmica mediante el simulador de sismos durante las pruebas de centrífuga, lo cual es importante en ingeniería sísmica. Por último, el uso de equipo de centrífuga subsana la necesidad de medir a gran escala el comportamiento de la infraestructura interactuando con el suelo, pues si las mediciones se realizaran a escala real o en campo, éstas serían muy costosas y poco repetibles.
Agradecimientos
Al Fondo Sectorial Conacyt Sener Hidrocarburos (FSCSH) por el patrocinio otorgado para el equipamiento del LGISE del CTEP a través del proyecto 249984 Centro de Tecnología para Aguas Profundas (CTAP).
Referencias
Craig, W. H. (1989). Edouard Phillips and the idea of centrifuge modeling. Géotechnique 39: 697-700.
Craig, W. H. (1995). Geotechnical centrifuge: past, present and future. Geotechnical Centrifuge Technology: 1-18.
Murff, J. D. (1996). The geotechnical centrifuge in offshore engineering. Offshore Technology Conference 8265. Houston.
Rowe, P. W., y R. Phillips (1981). Applications of models to the prediction of offshore gravity platform foundation performance. International Conference on Offshore Site Investigation. Londres.
Schofield, A. N. (1980). Cambridge geotechnical centrifuge operations. Géotechnique (3) 30: 223-268.
Valle Molina, C., y M. Orozco Calderón (2019). Reporte de los resultados experimentales de la capacidad de carga de un pilote de succión. Reporte Técnico Entregable 4. Proyecto Y.61011 Diseño de pilotes de succión para sistemas submarinos de producción sujetos a carga combinada en condiciones geotécnicas de aguas profundas. México: Instituto Mexicano del Petróleo.
