Las pruebas con modelos físicos a escala de cimentaciones para infraestructura marina y ductos

submarinos con equipo de centrífuga representan el estado del arte experimental en geotecnia marina, y son ya una herramienta reconocida en la industria petrolera y en la academia para entender el comportamiento de la infraestructura costa afuera y apoyar su diseño (Gaudin et al., 2010). El equipo de centrífuga aplica rotación para reproducir artificialmente campos gravitatorios mayores que la aceleración de la gravedad (g) sobre los modelos físicos.

La idea original de realizar pruebas a modelos físicos con equipo de centrífuga se remonta al año 1869. En Francia, Édouard Phillips 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 utilización del equipo de centrífuga en geotecnia aparece en la década de 1960 en las universidades de Manchester y Cambridge, en el Reino Unido. El profesor Andrew Schofield retomó las aplicaciones con equipo de centrífuga realizadas en la Unión Soviética y reportadas por Davindenkov y Pokrowsky y realizó en la Universidad de Cambridge sus primeros trabajos en modelado físico geotécnico de taludes de arcilla (Schofield, 1980). A partir de los setenta y ochenta, las aplicaciones de la centrífuga aumentaron considerablemente en ingeniería geotécnica, y esto incluyó su inicio en geotecnia marina con mediciones en modelos de cimentaciones para plataformas marinas de gravedad (Rowe y Craig, 1981). Sin ser exhaustivos, algunos de los trabajos en geotecnia utilizando centrífuga se han dedicado al estudio del fenómeno de licuación (Taboada-Urtuzuástegui y Dobry, 1998), a la estabilidad de taludes reforzados con geotextiles (Zornberg et al., 1997), a los pilotes para estructuras costa fuera (Murff, 1996), a los pilotes de succión para sistemas flotantes de producción de petróleo (Clukey et al., 2003) y a ductos submarinos interactuando con el suelo (Gaudin y White, 2009).

Las propiedades mecánicas del suelo dependen directamente del nivel de esfuerzos efectivos, por lo que el uso de modelos geotécnicos a escala en un laboratorio convencional para una gravedad (1 g) no reproduce el mismo nivel de esfuerzos que existe en el prototipo. Por lo tanto, el interés principal asociado con el uso de modelado físico con equipo de centrífuga en geotecnia se fundamenta en la posibilidad de que el incremento del campo gravitacional permita alcanzar el mismo nivel de esfuerzos y deformaciones en el modelo, en comparación con el prototipo. La ecuación 1 muestra el potencial incremento de la aceleración en relación con el giro del brazo del equipo, lo cual 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 seleccionado, r es el radio del brazo del equipo, y w es la velocidad angular (en rad/s). Por ejemplo, un equipo con radio de 3 m para alcanzar un valor de 100 g (N = 100) debe girar a 173 rpm. 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