Documento técnico: Construcción de pilotes con fluido de soporte de polímero en el puente Gull Wing, Lowestoft

Oct 30, 2023

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

El ala de gaviota 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 admite una calzada única con senderos combinados para peatones y ciclistas a cada lado. El cruce del puente y los terraplenes de acceso a ambos lados se conectarán con la red vial existente y aliviarán la congestión del tráfico en la ciudad asociada con los breves períodos de apertura del puente existente para permitir el paso de embarcaciones.

El basculante rodante será el puente móvil más grande de su tipo en el mundo operado 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 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 Pilar 4 (P4) y el Pilar 5 (P5), están situados sobre el agua y están soportados por pilotes perforados rotativos de hormigón armado de 1,08 m de diámetro. Quinn Piling fue el contratista especializado en pilotaje y, a su vez, nombró a KB International para proporcionar 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 1.220 mm de diámetro exterior que se duplican como revestimientos temporales para la construcción de pilotes perforados y tablestacas. Los tubos de pared combinados permanecen en su lugar para formar parte de los pilares del puente de obras permanentes y sostener la protección del guardabarros.

Las condiciones del suelo en las ubicaciones del Muelle 4 se han interpretado a partir de la información del pozo obtenida de la investigación del sitio de 2019. El pozo, BH02A, se completó en la ubicación del Muelle 4 y se ha utilizado para establecer las condiciones del suelo para el diseño de pilotes de perforación rotatoria. 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 que soplan" encontradas durante la excavación del pozo. El fluido de apoyo se utilizó posteriormente 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 granulométricas para el grupo Crag, que muestra arena media uniformemente graduada con típicamente menos del 15 % de limo y arcilla y menos del 5 % de grava. A modo de comparación, también se trazan las graduaciones publicadas para las pruebas realizadas en Thanet Sand como parte del proyecto Crossrail en Londres (Menkiti, et al, 2015). Previamente se construyeron pilotes en Thanet Sand utilizando fluido de soporte de KB Polymers y se realizaron 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 Crag Group está conectado hidráulicamente al nivel del agua del mar.

El rango de la marea puede ser significativamente mayor en las mareas vivas y durante los eventos de marejada (inundaciones). En Lowestoft, el nivel de la marea astronómica alta (HAT) se registra en +1,48 mOD, mientras que el manantial de agua alta media (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, el nivel HAT se ha utilizado para evaluar el nivel de fluido en la pila.

Los pilotes que sostienen el Pilar 4 del cruce están sujetos a una gran carga estática cuando el basculante rodante está en una posición "cerrada" y una gran carga cíclica a medida que la cubierta del puente se mueve hacia adelante y hacia atrás para permitir el paso de embarcaciones marinas. El puente está diseñado para un promedio de 10 aperturas por día a lo largo de su vida útil de diseño de 120 años. Por lo tanto, el diseño del pilote para el Pilar 4 ha considerado la capacidad axial para condiciones de carga tanto estáticas como cíclicas.

Los pilotes Pier 4 diseñados tienen 1.080 mm de diámetro, con niveles de punta que van desde -32,5 mOD a -62,5 mOD, incrustados 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 rotatoriamente para ser construidos bajo fluido de soporte de polímero. El diseño consideró la instalación de una estructura de ataguía de pilotes combinados temporal que consistía en tubos de acero hincados y tablestacas alternas 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 rotativos. 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 concreto de los pilotes perforados rotatorios es -5.425mOD.

No había ningún plan para realizar un pilote de prueba de construcción o una prueba de carga de pilote preliminar/contratada. Por lo tanto, era crucial que se acordara un método de construcción de pilotes con puntos de control 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 prueba de polímeros se acordó durante la producción de la declaración del método de pilotaje. Los criterios sugeridos para el desempeño del polímero se basaron en las recomendaciones de la Tabla C20.2 de la Especificación ICE para pilotes y muros de contención empotrados (Sperw), (Instituto de Ingenieros Civiles, 2016).

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

Los diseñadores de pilotes utilizaron los resultados de las pruebas de pilotes y la experiencia de construcción de otros sitios con condiciones de suelo similares para complementar el diseño. Se desarrolló una declaración de método integral para mitigar los riesgos de construcción. Se acordó el mantenimiento de registros detallados durante la construcción para verificar los procedimientos de pilotaje. La duración permitida de la construcción se relajó de 12 horas después de Sperw a 72 horas en la especificación del proyecto según la experiencia previa (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 cubiertas temporales a estos tubos de acero para extender el nivel superior de la cubierta a +4,2 mOD para permitir que el nivel del fluido se extendiera lo suficientemente alto para que se pudiera mantener la presión neta mínima del fluido. Esto también incluía una asignación para los efectos de las mareas altas.

El proveedor de polímeros aconsejó una presión de fluido neta mínima de 1,5 m por encima de 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 de fluido a tope durante la extracción del balde de perforación y durante las fluctuaciones de la marea. La configuración se arregló para que esto pudiera monitorearse 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 capa del tamaño de grava, por lo tanto, KB adoptó un valor de embudo Marsh alto para reducir la infiltración. El sistema KB Polymer tiene aditivos, Kobbleblok y Magma-fiber, que se pueden usar para reducir el flujo en suelos permeables. KB brindó capacitación a los operarios de pilotaje y representantes de clientes sobre el uso adecuado de estos aditivos y también brindó orientación sobre el muestreo de polímeros y los métodos de prueba durante la primera semana de perforación.

Existía el riesgo de que el polímero se contaminara con arena durante la perforación. Esto podría conducir a la acumulación de un revoque de filtración grueso en el eje del pilote, lo que reduce la fricción del eje del pilote.

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

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

Las longitudes de los pilotes eran de hasta 60 m y esto significaba que los pilotes tenían que permanecer abiertos durante la noche y hasta tres días. El trabajo nocturno no estaba permitido 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 en el nivel de líquido se registró regularmente durante la noche y se completó según se requería.

Hubo muy poca oportunidad de aumentar la longitud del pilote porque la barra Kelly estaba casi en su longitud total. Del mismo modo, el diseño de pilotes utilizó los tubos de la pared de la ataguía como revestimientos temporales para las pilas, dejando solo tubos de repuesto para pilotes adicionales en las esquinas de la ataguía. Sería difícil instalar pilotes adicionales dentro de la ataguía a corto plazo.

El muelle 4 se encuentra a unos 30 m de la orilla. Esto significaba que el hormigón tremie tenía que ser bombeado a 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 según lo recomendado en 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 desvío de fluido para evitar reducciones de presión debajo del cucharón durante la extracción. Se usó un balde de limpieza de base plana para la limpieza final de la base. Se quemaron dos perforaciones en la cubeta de excavación para permitir que el polímero fluyera durante la etapa final de extracción. La Figura 5 muestra un ejemplo de los baldes de excavación y limpieza utilizados en el Proyecto Gull Wing. La prueba de dureza base se llevó a cabo usando una placa de acero de 100 mm por 100 mm de diámetro de acuerdo con Sperw. La placa también se utilizó para registrar el nivel de la base del pilote para comprobar que no se estaba produciendo el colapso del fuste y la sedimentación de material fino en el fluido de perforación.

Se utilizó un dispositivo de inspección de fondo de eje perforado (DID) (DMY Inc, 2016) desarrollado por el presidente de DMY, John Ding, para inspeccionar la dureza base de la primera pila, con el objetivo de calibrar contra la placa de acero. El DID no se pudo utilizar para pilas posteriores debido a un problema de fugas, por lo que no se recopilaron datos suficientes para permitir la calibración.

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

Figura 5: Ejemplo de cuchara de excavación y limpieza

Los resultados de los registros de sitio de rutina 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 rotatorio P4-7, condiciones climáticas inesperadas provocaron un retraso en el proceso de excavación. Esto dio como resultado que la perforación del pilote se dejara abierta durante 10 días bajo un fluido de soporte de polímero, 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 de los fluidos de soporte sucios en el eje del pilote. Se sabe que esta es la causa principal de la reducción del fuste del pilote.

La acumulación de revoque de filtración es más significativa con un fluido de perforación de bentonita en comparación con un fluido polimérico limpio y hay pocas investigaciones disponibles que muestren 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 prueba de carga de pilotes disponibles generalmente muestra datos para pilotes abiertos por menos de un día, con el peor de los casos siendo dejados abiertos por 48 horas debajo del fluido de soporte de polímero (Lam, Troughton, Jeffries and 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 supervisó muy de cerca para garantizar que la perforación del pilote se mantuviera estable y que se pudieran hacer suposiciones de diseño sobre el impacto en la fricción del eje.

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

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

El nivel de fluido en el tanque de compensación se midió con frecuencia para poder calcular la tasa de pérdida de fluido en las pilas. La Figura 9 muestra que la pérdida acumulada de fluido de la pila P4-7 es de 12,80 litros/m2 de superficie de la pila durante el período de 10 días. La pérdida de fluido 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, la distancia de infiltración se calculó en 45 mm y, por lo tanto, el gradiente hidráulico de presión de fluido neto es pronunciado y es poco probable que se deslice el eje del pilote.

Se tomaron muestras con frecuencia y las pruebas de embudo de 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 de la perforación. 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 en suspensión. Para P4-15, el contenido de arena fue ligeramente superior, alcanzando un máximo de <1,25%; sin embargo, esto se mantuvo dentro de los límites de especificación.

Los niveles de base de pilotes y las lecturas de dureza base se tomaron varias veces al día utilizando la placa de acero de dureza base. El nivel de la base de P4-7 no cambió, lo que significa que no se produjo el desprendimiento de los lados. La acumulación del nivel de escombros en la base de la pila fue inferior a 120 mm para P4-15 durante el período de demora, a una tasa de aproximadamente 33 mm por día, posiblemente debido a que el contenido de arena marginalmente mayor se desprendió de la suspensión. No hubo aumentos rápidos que reflejaran el colapso del eje. Esto mostró que el eje era estable.

Se realizó una prueba de pérdida de fluido de dos horas a 100 psi para ambas pilas. La pérdida de fluido medida de la prueba P4-7 fue de 12,5 litros/m2, 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 de la prueba P4-15 fue de 9,98 litros/m2, 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 residuos en ambos papeles de filtro. Esto dio la seguridad de que no se estaba acumulando un revoque de filtración grueso en la pared de la pila.

En P4-7, los resultados de las pruebas del sitio y las observaciones dieron confianza de que solo había una acumulación delgada de espesor de revoque de filtración 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 para confirmar el efecto del largo tiempo de apertura sobre la fricción del eje, se tuvo que adoptar un enfoque conservador. Se supuso que el 50 % de la degradación del eje del pilote había ocurrido entre la parte inferior del revestimiento -14,0 mOD y la profundidad de la punta durante el reposo -46,5 mOD. Como resultado, la punta del pilote de diseño se amplió en 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 de punta de -70.45mOD. 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 polímeros está evolucionando rápidamente y el uso de polímeros para proyectos de pilotaje se está volviendo más común. Sin embargo, todavía hay opiniones encontradas sobre su uso en la industria.

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

Los resultados de las pruebas de polímero muestran que el contenido de arena en la pila se puede mantener fácilmente muy bajo y que las partículas de arena se asientan de la suspensión muy rápidamente, lo que elimina la necesidad de dejar 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 de adelgazamiento por cizallamiento no newtonianos, como bombas de diafragma, de lóbulo rotativo o de manguera.

En la actualidad, aunque estas bombas están disponibles, actualmente hay escasez de soluciones disponibles y probadas en el mercado de alquiler del Reino Unido. Las bombas de diafragma están 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 de polímeros. 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 contenido de arena inferior al 0,5%.

La prueba de pérdida de fluido no se requiere para polímeros en Sperw y la Guía Tremie de EFFC/DFI. Sin embargo, la prueba se puede usar para evaluar el espesor muy delgado del revoque de filtración como se usa en Gull Wing.

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

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

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

Institución de estándares británicos. (2014). BS EN 1997-1:2004 +A1:2013. Eurocódigo 7: Diseño Geotécnico - Parte 1: Reglas Generales.

Brown D, Muchard M y Bud K. (2003). El efecto del fluido de perforación en la capacidad axial, Cape Fear River, NC. Fundamentos Profundos, (pp. 30-32). San Diego.

DMY Inc (2016). DID - Dispositivo de inspección de abolladuras para inspección de ejes perforados. Obtenido de http://www.dmy-inc.com/did.php

EFFC/DFI. (2018). Guía de hormigón Tremie para cimentaciones profundas.

EFFC/DFI. (2019). Guía de fluidos de soporte para cimentaciones profundas.

Institución de Ingenieros Civiles. (2016). Especificación ICE para pilotes y muros de contención empotrados. Londres: ICE Publishing.

Jardine RJ y Standing JR (2012). Experimentos de campo de cargas cíclicas axiales sobre pilotes hincados en arena. Volumen 52, Número 4, Suelos y cimientos, 723-736.

Kanaris S. (2022, noviembre). Ala de gaviota: estructura destacada. Nuevo Ingeniero Civil, pp. 28-29.

Lam C. (2013). Investigación de la fricción de la piel. Universidad de Oxford.

Lam C, Jefferies S y Martin C. (2014). Efectos de los fluidos de soporte de polímeros y bentonita en la interfaz concreto-arena. Geotécnica 64, 28-39.

Lam C, Jeffries SA, Suckling TP y Troughton VM (2015). Efectos de los fluidos de soporte de polímero y bentonita en el rendimiento. Suelos y Cimientos, 1487-1500.

Lam C, Troughton V, Jeffries S y Suckling T (2010, octubre). Efecto de los fluidos de soporte en el rendimiento de pilotes: una prueba de campo en el este de Londres. Ingeniería de Tierra.

Menkiti C, Davis J, Semertzidou K, Abbireddy D, Hight W, Williams J y Black M (2015). La geología y las propiedades geotécnicas de la formación de arena de Thanet: una actualización del proyecto Crossrail. Editorial ICE.

Consejo del condado de Suffolk. (2023, 01 de febrero). Lowestoft de ala de gaviota. Obtenido de https://gullwingbridge.co.uk/

El Centro Nacional de Oceanografía (NOC) (2022). Instalación Nacional de Marea y Nivel del Mar. Obtenido del sitio del indicador de mareas de Lowestoft: https://ntslf.org/tgi/portinfo?port=Lowestoft

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