Documento técnico: Construcción de pilotes utilizando fluido de soporte polimérico en Gull Wing Bridge, Lowestoft

Jun 01, 2023

Por Alex Wallis-Evans y Duncan Nicholson, Arup; Henry Spinks-Essam, KB Internacional; y Steven Heaney, Quinn Piling

El Gull Wing es un nuevo cruce de 350 m de largo del lago Lothing en Lowestoft con un puente basculante rodante central de 39,5 m de largo, que se abre y cierra mediante cilindros hidráulicos (ver Figura 1). El tablero del puente tiene hasta 22 m de ancho y soporta una única calzada con carriles combinados para peatones y ciclistas a ambos lados. El cruce del puente y los terraplenes de acceso a ambos lados se conectarán con la red de carreteras existente y aliviarán la congestión del tráfico en la ciudad asociada con los cortos períodos de apertura del puente existente para permitir el paso de los buques.

La basculante rodante será el puente móvil más grande de su tipo en el mundo, accionado por cilindros hidráulicos. El cliente del proyecto es el Consejo del Condado de Suffolk y el contratista principal es Farrans Construction. Arup es el diseñador principal.

Las estructuras de Gull Wing comprenden un viaducto de acceso sur, un viaducto de acceso norte y un puente basculante rodante (Kanaris, 2022). Dos de los pilares del puente, el muelle 4 (P4) y el muelle 5 (P5), están situados sobre el agua y están sostenidos por pilotes perforados rotativos de hormigón armado de 1,08 m de diámetro. Quinn Piling era el contratista especializado en pilotes y, a su vez, nombró a KB International para que proporcionara su innovadora tecnología de lechada de polímero sintético en este proyecto.

El diseño de la ataguía temporal de pilotes combinados del Muelle 4 se muestra en la Figura 2. La ataguía se forma utilizando tubos de acero de 1220 mm de diámetro exterior que funcionan como carcasas temporales para la construcción de pilotes perforados y tablestacas. Los tubos de pared combinada permanecen en su lugar para formar parte de los pilares del puente de obras permanentes y soportar la protección de las defensas.

Las condiciones del terreno en las ubicaciones del Muelle 4 se interpretaron a partir de la información del pozo obtenida en la investigación del sitio de 2019. El pozo, BH02A, se completó en la ubicación del Muelle 4 y se utilizó para establecer las condiciones del terreno para el diseño de pilotes perforados rotativamente. La Figura 3 muestra la estratigrafía interpretada de BH02A.

La Figura 3 también muestra el perfil de prueba de penetración estándar (SPT) para BH02A. Algunos de los resultados bajos de SPT en BH02A pueden estar asociados con “arenas sopladas” encontradas durante la excavación del pozo. Posteriormente se utilizó fluido de soporte para equilibrar las presiones del agua subterránea y estabilizar el pozo.

Las propiedades del suelo adoptadas para el diseño se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1: Perfil y propiedades del suelo.

La Figura 4 presenta las curvas de clasificación para Crag Group, que muestra arena media de clasificación uniforme, típicamente menos del 15 % de limo y arcilla y menos del 5 % de grava. A modo de comparación, también se representan las calificaciones publicadas para las pruebas realizadas en Thanet Sand como parte del proyecto Crossrail en Londres (Menkiti, et al, 2015). Anteriormente se construyeron pilotes en Thanet Sand utilizando fluido de soporte KB Polymers y se llevaron a cabo pruebas de carga según lo informado por Lam, Troughton, Jeffries y Suckling, 2010.

El lago Lothing se encuentra dentro del puerto interior de Lowestoft. El nivel del agua está influenciado por la marea y la fluctuación normal es de unos 2 m. Se supone que el Grupo Risco está conectado hidráulicamente al nivel del agua del mar.

El rango de marea puede ser significativamente mayor durante las mareas vivas y durante los eventos de marejada (inundaciones). En Lowestoft, el nivel de marea alta astronómica (HAT) se registra como +1,48 mOD, mientras que el nivel medio de marea alta (MHWS) es de +1,08 mOD (Centro Nacional de Oceanografía (NOC), 2022). Las mareas altas también pueden aumentar el nivel del agua. Para tener en cuenta estos efectos, se ha utilizado el nivel HAT para evaluar el nivel de fluido en la pila.

Los pilotes que sostienen el muelle 4 del cruce están sujetos a grandes cargas estáticas cuando la basculante rodante está en una posición “cerrada” y a grandes cargas cíclicas cuando la plataforma del puente se mueve hacia adelante y hacia atrás para permitir el paso de los buques marinos. El puente está diseñado para un promedio de 10 aperturas por día durante sus 120 años de vida útil. Por lo tanto, el diseño del pilote para el Muelle 4 ha considerado la capacidad axial para condiciones de carga tanto estáticas como cíclicas.

Los pilotes diseñados para el Muelle 4 tienen 1.080 mm de diámetro, con niveles de punta que van desde -32,5 mOD a -62,5 mOD y están empotrados en Crag Group. No es factible instalar un revestimiento temporal de longitud completa a esta profundidad, por lo que los pilotes se diseñaron como pilotes de hormigón armado perforados rotativamente para construirse bajo un fluido de soporte de polímero. El diseño consideró la instalación de una estructura temporal de ataguía de pilotes combinados que consiste en tubos de acero hincados alternados y tablestacas hasta una profundidad de punta de -14 mOD antes de la instalación de los pilotes perforados rotativos. (Ver Figuras 1 y 2). Los tubos de acero actúan como una carcasa para permitir la construcción de los pilotes perforados rotativamente. Los tubos de acero tienen un diámetro exterior de 1.220 mm y un espesor de pared de 25,4 mm. El nivel de corte de hormigón de los pilotes perforados rotativos es -5,425 mOD.

No había ningún plan para realizar una prueba de construcción del pilote o una prueba de carga del pilote preliminar/contratada. Por lo tanto, era fundamental acordar un método de construcción de pilotes con puntos de seguimiento claros para comprobar la calidad de la construcción. Se llevaron a cabo evaluaciones de riesgos en el proceso de construcción de pilotes y se desarrollaron mitigaciones. El régimen de pruebas de polímeros se acordó durante la elaboración de la declaración del método de pilotaje. Los criterios sugeridos para el rendimiento del polímero se basaron en las recomendaciones de la Tabla C20.2 de la Especificación ICE para pilotes y muros de contención empotrados (Sperw), (Institución de Ingenieros Civiles, 2016).

Algunos de los riesgos de la construcción se enumeran a continuación:

Los diseñadores de pilotes utilizaron resultados de pruebas de pilotes y experiencia en construcción de otros sitios con condiciones de terreno similares para complementar el diseño. Se desarrolló una declaración de método integral para mitigar los riesgos de construcción. Durante la construcción se acordó llevar registros detallados para comprobar los procedimientos de pilotaje. La duración permitida de la construcción se redujo de 12 horas después de Sperw a 72 horas en la especificación del proyecto basándose en experiencias previas (Lam, Troughton, Jeffries y Suckling, 2010).

Para construir los pilotes perforados, se instaló una plataforma de acero temporal sobre cada ataguía sobre pilotes de acero hincados temporales de 610 mm de diámetro. El nivel de la plataforma para el muelle 4 era de +3,0 mOD. El nivel superior del tubo de acero permanente era de +2,5 mOD. Se conectaron carcasas temporales a estos tubos de acero para extender la parte superior del nivel de la carcasa a +4,2 mOD para permitir que el nivel del fluido se extendiera lo suficientemente alto como para poder mantener la presión neta mínima del fluido. Esto también incluía una provisión para los efectos de las mareas altas.

El proveedor de polímeros recomendó una presión neta mínima de fluido de 1,5 m por encima del HAT. Para permitir la extracción del cucharón de perforación se implementó un margen total de 2 m. Se utilizó un tanque de compensación para mantener el nivel del fluido lleno durante la extracción de la cuchara de perforación y durante las fluctuaciones de la marea. La configuración se dispuso de manera que esto pudiera controlarse observando el nivel de líquido en el tanque de compensación. La Figura 3 muestra una sección transversal ilustrativa de la configuración del polímero.

El pozo BH02A identificó capas de cáscara del tamaño de grava, por lo que KB adoptó un valor alto de embudo Marsh para reducir la infiltración. El sistema KB Polymer tiene aditivos (Kobbleblok y Magma-fiber) que pueden usarse para reducir el flujo en suelos permeables. KB brindó capacitación a los operadores de pilotes y representantes de los clientes sobre el uso adecuado de estos aditivos y también brindó orientación sobre métodos de prueba y muestreo de polímeros durante la primera semana de perforación.

Existía el riesgo de que el polímero se contaminara con arena durante la perforación. Esto podría provocar una acumulación espesa de torta de filtración en el eje del pilote, lo que reduce la fricción del eje del pilote.

Para mitigar este riesgo, se monitoreó el contenido de arena mediante muestreo y prueba del polímero durante la excavación del pilote y se mantuvo por debajo de un contenido de arena del 0,5%. Asimismo, los valores del embudo Marsh se mantuvieron por encima de 90 segundos para minimizar el flujo de polímero fuera de la pila.

También se registró periódicamente el pH. La perforación se realizó muy lentamente para permitir que la arena se sedimentara y minimizar la agitación de la arena en suspensión. La especificación del proyecto exigía que se realizaran pruebas de pérdida de fluido si el contenido de arena excedía el 2% durante la excavación o si el pilote excedía el tiempo de construcción permitido. El propósito de la prueba de pérdida de fluido fue evaluar la acumulación de revoque en estas condiciones.

Las longitudes de los pilotes eran de hasta 60 m, lo que significaba que los pilotes debían permanecer abiertos durante la noche y hasta tres días. No se permitía trabajar durante la noche debido a las normas sobre ruido. Para mitigar este efecto, la base del pilote se mantuvo 2 m por encima del nivel final del pie y se limpió al día siguiente. La caída del nivel de líquido se registró periódicamente durante la noche y se rellenó según fuera necesario.

Había muy pocas oportunidades de aumentar la longitud del pilote porque la barra Kelly estaba casi en toda su longitud. Asimismo, el diseño de los pilotes utilizó los tubos de las paredes de la ataguía como revestimientos temporales para los pilotes, dejando solo tubos de repuesto para pilotes adicionales en las esquinas de la ataguía. Sería difícil instalar pilotes adicionales dentro de la ataguía en poco tiempo.

El muelle 4 se encuentra a unos 30 m de la orilla. Esto significaba que el hormigón tremie debía bombearse hasta la tolva tremie. El concreto Tremie se colocó utilizando el método de colocación húmeda que consiste en un tapón de vermiculita envuelto con cinta plástica como lo recomienda la Guía Tremie de la Federación Europea de Contratistas de Cimentaciones y el Instituto de Cimentaciones Profundas (EFFC/DFI, 2018).

El cucharón de excavación tenía un bypass de fluido para evitar reducciones de presión debajo del cucharón durante la extracción. Para la limpieza final de la base se utilizó un balde de limpieza de base plana. Se hicieron dos orificios en el cubo de excavación para permitir que el polímero fluyera durante la etapa final de extracción. La Figura 5 muestra un ejemplo de los cubos de excavación y limpieza utilizados en el Proyecto Gull Wing. La prueba de dureza de la base se realizó utilizando una placa de acero de 100 mm por 100 mm de diámetro de acuerdo con Sperw. La placa también se usó para registrar el nivel de la base del pilote para verificar que no se produjera el colapso del pozo ni la sedimentación de material fino en el fluido de perforación.

Se utilizó un dispositivo de inspección del fondo del eje perforado (DID) (DMY Inc, 2016) desarrollado por el presidente de DMY, John Ding, para inspeccionar la dureza de la base del primer pilote, con el objetivo de calibrarlo con respecto a la placa de acero. El DID no se pudo utilizar para pilotes posteriores debido a un problema de fuga, por lo que no se recopilaron datos suficientes para permitir la calibración.

Se especificó registro sónico en los primeros cinco pilotes para demostrar que el método de construcción no produjo inclusiones significativas en el concreto del pilote.

Figura 5: Ejemplo de balde de excavación y limpieza

Los resultados de los registros de rutina del sitio para el fluido de soporte se resumen en las Figuras 6, 7 y 8 para el Muelle 4.

Se señalan los siguientes puntos:

Durante la construcción del pilote perforado rotativo P4-7, condiciones climáticas inesperadas provocaron un retraso en el proceso de excavación. Esto dio como resultado que el orificio del pilote se dejara abierto durante 10 días bajo un fluido de soporte polimérico, a una profundidad de -46,5 mOD. Cuando los pilotes se dejan abiertos, se puede formar una “torta de filtración” debido a la acumulación de partículas de arena y limo provenientes de fluidos de soporte sucios en el fuste del pilote. Se sabe que esta es la causa principal de la reducción del fuste del pilote.

La acumulación de torta de filtración es más significativa con un fluido de perforación de bentonita en comparación con un fluido polimérico limpio y hay poca investigación disponible que demuestre el impacto de los polímeros sucios en la fricción del eje. Por lo tanto, era muy importante demostrar que el fluido polimérico permanecía limpio durante todo el proceso de perforación. Una revisión de los datos de pruebas de carga de pilotes disponibles generalmente muestra datos para pilotes abiertos durante menos de un día, y en el peor de los casos se dejan abiertos durante 48 horas debajo del fluido de soporte de polímero (Lam, Troughton, Jeffries y Suckling, 2010), (Lam, Jefferies y Martin, 2014), (Lam, Jeffries, Suckling y Troughton, 2015). Debido a la falta de datos disponibles, el rendimiento del pilote se monitoreó muy de cerca para garantizar que el orificio del pilote se mantuviera estable y se pudieran hacer suposiciones de diseño sobre el Impacto en la fricción del eje.

Una segunda pila, P4-15, también sufrió retrasos durante un período prolongado. La pila estuvo en espera durante nueve días a una profundidad de -45,0 mOD y se llevaron a cabo las mismas observaciones y metodología de prueba en el sitio que P4-7.

Se agregaron aproximadamente 2 kg de Kobblebloc y Magma-fibra a P4-7 y P4-15 al comienzo de los retrasos como medida de precaución para sellar el Grupo Craig y evitar cualquier pérdida inesperada de fluido.

El nivel de fluido en el tanque de compensación se midió frecuentemente para poder calcular la tasa de pérdida de fluido en los pilotes. La Figura 9 muestra que la pérdida acumulativa de fluido de la pila P4-7 fue de 12,80 litros/m2 de superficie de la pila durante un período de 10 días. La pérdida de fluido del P4-15 se registra como 11,30 litros/m2 durante el período de nueve días.

La pérdida de fluido también se utilizó para evaluar la distancia de infiltración del polímero en P4-7. Con base en la porosidad del Crag Group, se calculó que la distancia de infiltración era de 45 mm y, por lo tanto, el gradiente hidráulico de presión neta del fluido es pronunciado y es poco probable que el fuste del pilote se desmorone.

Se tomaron muestras frecuentes y las pruebas del embudo Marsh mostraron que para ambas pilas la viscosidad del polímero se mantuvo mayormente por encima del límite inferior de los requisitos de especificación de 90 segundos. La viscosidad se mantuvo alta (>100 segundos) para controlar la tasa de infiltración y asegurar la estabilidad del orificio. Para P4-7, el contenido total de sólidos se mantuvo por debajo del 1% y se observa que disminuye con el tiempo debido a la sedimentación del material suspendido. Para P4-15, el contenido de arena fue ligeramente mayor, alcanzando un máximo de <1,25%; sin embargo, esto se mantuvo dentro de los límites de las especificaciones.

Los niveles de la base del pilote y las lecturas de dureza de la base se tomaron varias veces al día utilizando la placa de acero de dureza de la base. El nivel base de P4-7 no cambió, lo que significa que no se había producido deslizamiento desde los lados. La acumulación de nivel de escombros en la base del pilote fue inferior a 120 mm para P4-15 durante el período retrasado, a un ritmo de aproximadamente 33 mm por día, posiblemente debido al contenido marginalmente mayor de arena que se cae de la suspensión. No hubo aumentos rápidos que pudieran reflejar el colapso del pozo. Esto demostró que el eje estaba estable.

Se llevó a cabo una prueba de pérdida de fluido de dos horas a 100 psi para ambos pilotes. La pérdida de fluido medida en la prueba P4-7 fue de 12,5 litros/m2, lo que fue comparable a la pérdida de fluido medida por la caída del nivel de fluido en el tanque de compensación, 12,80 litros/m2. La pérdida de fluido medida en la prueba P4-15 fue de 9,98 litros/m2, lo que fue comparable a la pérdida de fluido medida por la caída del nivel de fluido en el tanque de compensación, 11,30 litros/m2. Las fotografías del papel de filtro al finalizar las pruebas extendidas se muestran en la Figura 10. Estas muestran que se observó una acumulación insignificante de desechos en ambos papeles de filtro. Esto dio la seguridad de que no se estaba acumulando una torta de filtración espesa en la pared de la pila.

En P4-7, los resultados de las pruebas y observaciones del sitio dieron confianza de que solo había una fina acumulación de espesor de revoque en el eje y que la reducción potencial del eje probablemente era muy pequeña. Sin embargo, como la fricción del eje no se podía medir directamente y no había datos publicados que confirmaran el efecto del largo tiempo de apertura sobre la fricción del eje, se tuvo que adoptar un enfoque conservador. Se supuso que se había producido una degradación del 50 % del fuste del pilote entre la parte inferior del revestimiento -14,0 mOD y la profundidad de la base durante el reposo -46,5 mOD. Como resultado, la punta del pilote de diseño se extendió 10 m, de -52,5 mOD a -62,5 mOD. La parte extendida del pilote no estaba reforzada.

En P4-15, según la metodología aplicada a P4-7, la longitud adicional de pilote requerida para P4-15 fue de 8,0 m. Esto resultó en un nivel del pie de -70,45 mOD. La planta y el equipo en el sitio solo podían alcanzar un nivel de pie de -65 mOD sin modificaciones y, por lo tanto, se decidió extender P4-15 y los dos pilotes adyacentes a un nivel de -65,0 mOD.

Es evidente que la tecnología de los polímeros está evolucionando rápidamente y el uso de polímeros para proyectos de pilotes es cada vez más común. Sin embargo, todavía existen opiniones encontradas sobre su uso en la industria.

La experiencia en Gull Wing ha demostrado un método para mantener estable el orificio de un pilote a una profundidad significativa, en condiciones granulares, durante un período prolongado de tiempo (>10 días).

Los resultados de las pruebas de polímero muestran que el contenido de arena en la pila se puede mantener muy bajo fácilmente y que las partículas de arena se sedimentan de la suspensión muy rápidamente, eliminando la necesidad de dejar las pilas durante la noche para limpiar el polímero. Los resultados también muestran que la viscosidad del polímero se degrada con el bombeo. Esto podría mejorarse mediante el uso de bombas de desplazamiento positivo diseñadas para fluidos adelgazantes no newtonianos, como bombas de diafragma, de lóbulos rotativos o de manguera.

En la actualidad, aunque estas bombas están disponibles, hay escasez de soluciones disponibles y probadas en el mercado de alquiler del Reino Unido. Hay bombas de diafragma disponibles, aunque suelen ser muy ruidosas y no proporcionan un caudal adecuado.

Las observaciones del muestreo de polímeros indican que los criterios recomendados por Sperw se pueden mejorar para garantizar un mejor rendimiento de los fluidos poliméricos. Se podrían reducir los límites superiores del contenido de arena y también se podría aumentar el límite superior del tiempo del embudo Marsh. La prueba de sólidos totales debe introducirse para contenidos de arena inferiores al 0,5%.

La prueba de pérdida de fluido no es necesaria para los polímeros en Sperw y la Guía EFFC/DFI Tremie. Sin embargo, la prueba se puede utilizar para evaluar el espesor muy fino del revoque de filtración como se utiliza en Gull Wing.

Las mediciones de la pérdida de fluido del pilote se pueden utilizar para calcular la distancia de infiltración del polímero. La muy baja acumulación de escombros en la base del pilote se puede utilizar para demostrar que el fuste del pilote permanece estable.

La prueba extendida de pérdida de fluido del Instituto Americano del Petróleo (API) se puede utilizar para demostrar que la torta de filtración no se acumula durante períodos prolongados. La falta de desarrollo del revoque daría como resultado una pequeña reducción de la fricción en el eje del pilote; sin embargo, no existen datos de pruebas de pila para probar esta teoría.

La revisión de la literatura sobre los tiempos de apertura de pilotes de polímero muestra una clara brecha en la investigación. La industria podría beneficiarse de los datos de pruebas de carga de pilotes para pilotes de diferentes materiales que se dejan abiertos durante un período prolongado. Esto debería vincularse a las pruebas de caja de corte de laboratorio sobre el material de la torta de filtración.

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