Historia de su instrumentación geotécnica
El nuevo puente Harry Nice se localiza sobre el río Potomac; tiene una longitud de 3 km y conecta a Maryland con Virginia. Fue inaugurado en el otoño de 2022 para un vida útil de diseño de más de 100 años. Cuenta con cuatro carriles de 4 m de ancho cada uno, acotamientos de 0.6 m y carriles compartidos para ciclistas.
Kevin Tehansky Foundation Test Group
Jeffrey Goodwin Foundation Test Group
Melih Demirkan Rite Geosystem.
Antecedentes geotécnicos
La investigación geotécnica del sitio reveló varios factores de riesgo que podían causar movimientos del suelo a lo largo del puente. Debajo de la capa superior de relleno no controlado de hasta 10 m de espesor, la geología de la planicie costera del Atlántico medio del sitio de proyecto consiste en terrazas recientes de depósitos de suelo aluvial que cubren la formación terciaria inferior más antigua de las formaciones Nanjemoy, Marlboro y Aquia. Los suelos aluviales variaron desde los 14 m de profundidad en las costas hasta los 43 m de profundidad por debajo de la línea de lodo en las secciones más profundas del Potomac, y se componen de arcillas blandas a muy blandas con capas de arena y grava. Los suelos terciarios inferiores que se encuentran debajo de las terrazas y de los depósitos aluviales consisten en capas de arcillas rígidas a muy rígidas y arena de densidad media a muy densa, algunas de las cuales están cementadas.
El análisis de riesgo determinó que con el hincado de pilotes cuadrados de concreto pretensado de 915 mm de lado, instalados a 11 m de distancia del puente existente, y con terraplenes de hasta 10 m de altura colocados de manera adyacente al mismo puente, el impacto del desplazamiento lateral y vertical, la densificación del suelo y las vibraciones sobre la subestructura estarían por debajo de las tolerancias de diseño estructural del antiguo puente. Sin embargo, para garantizar la protección estructural del puente existente y para verificar el impacto estructural de la construcción del nuevo puente, se recomendó la colocación de instrumentación geotécnica para monitorear la actividad del hincado de pilotes y la construcción de los terraplenes.
Instrumentación
El objetivo de la instrumentación fue monitorear las condiciones estructurales del puente existente en toda su longitud y en sus terraplenes, para lo cual se desarrolló un plan de instrumentación y monitoreo. Para entender el impacto de la construcción del nuevo puente y determinar los movimientos del puente existente por dicha construcción, se instaló una combinación de más de 140 instrumentos de diversos tipos. Se instalaron estaciones totales automatizadas en tres ubicaciones para monitorear 122 prismas a través de la estructura del antiguo puente en varios tableros, pilas y estribos. Para monitorear el nivel de esfuerzo en el acero, se instalaron ocho sensores extensométricos cada 150 m. Para el control rotacional de pilas y estribos, se instalaron en la tapa del pilar y en las elevaciones de la plataforma del puente existente 20 sensores de inclinación. Para el monitoreo de vibraciones en los pilotes hincados, se instalaron 10 sensores triaxiales de vibración y fueron rotados conforme fue progresando la construcción. Para el seguimiento de las deformaciones, se instalaron dos medidores automáticos de grietas en las pilas de concreto. Para el monitoreo de terraplenes, se instalaron siete inclinómetros, 14 piezómetros de cuerda vibrante y 16 placas para medición de asentamientos.
Los lugares disponibles para ejecutar el monitoreo limitaron la cantidad y las ubicaciones de los prismas de referencia que se instalaron en el sitio. Una forma de determinar los datos de redundancia y comprender el comportamiento del puente existente era duplicar la cantidad y tipo de instrumentos en una sola ubicación con el fin de obtener múltiples métodos para la evaluación de su estructura.
Se realizó un monitoreo continuo de las tendencias de los datos durante las tardes, los fines de semana y en las etapas críticas de la construcción para evaluar la validez de las alertas activadas. Parte integral del éxito del proyecto fue contar con un sólido análisis geotécnico de la instrumentación implementada durante las etapas iniciales de la construcción. A lo largo del proyecto, se analizaron los datos de los instrumentos y se hicieron modificaciones para ajustar o ampliar los niveles de umbral, con el que en consecuencia se modificaba el diseño.
Resultados de la instrumentación y del monitoreo
A partir de mayo de 2020, se instalaron sensores de vibración en el puente existente desde el estribo de Maryland hasta la pila de concreto de Virginia para monitorear las vibraciones de la estructura. Los sensores de vibración se reubicaron regularmente en varias curvas y muelles para que coincidieran con las operaciones de avance del hincado de los pilotes adyacentes. La evaluación de los datos de los sensores de vibración durante un periodo de seguimiento de 20 meses, en conjunto con los datos observados de los sensores de inclinación y de los prismas colocados en los mismos sitios, no mostró efectos estructurales a largo plazo en el puente existente provocados por las vibraciones inducidas por la construcción del nuevo puente.
En el transcurso del proyecto, la actividad del hincado de los pilotes produjo niveles elevados de vibración en la estructura por encima de los niveles de referencia. Sin embargo, las lecturas de vibración nunca se observaron por encima del nivel del umbral de alerta de diseño de 13 mm/s establecido.
Los pilotes prefabricados de concreto fueron diseñados para desarrollar su resistencia lateral en los suelos rígidos de Nanjemoy y Marlboro, como también en las arenas densas a muy densas de Aquia. Por otro lado, se esperaba que se presentara una influencia de los impactos del hincado de pilotes sobre la estructura del puente adyacente; es decir, se habían calculado rangos de hasta 18 mm de desplazamiento lateral del suelo y 28 mm/s de la velocidad máxima prevista.
El 6 de julio de 2021, durante la actividad de hincado de los pilotes en el pilar Virginia A, aumentó el movimiento lateral del suelo hasta 50 mm a la profundidad de 18 m. El análisis del informe geotécnico determinó que los desplazamientos del suelo fueron causados por una combinación de deformaciones radiales y verticales que se presentaron en varios estratos de suelo con variaciones en sus características geotécnicas y a medida que se hincaba el pilote. Debido a la magnitud del movimiento lateral del suelo, se volvieron a analizar los datos de los inclinómetros y de otros instrumentos cercanos al puente existente para determinar la influencia generada durante el hincado de los pilotes en los cimientos del puente existente. El análisis geotécnico original predijo que el hincado de los pilotes generaría un movimiento lateral del suelo de aproximadamente 10 mm en el borde del estribo del puente existente. Debido a lo anterior, se utilizaron factores de proximidad junto con la información de los movimientos medidos en los inclinómetros, y adicionalmente se realizó un análisis de elementos finitos, con lo que se determinó que el movimiento del suelo en el punto más cercano a la pila del puente existente era de aproximadamente 15 mm, en promedio. Finalmente, con lo establecido en el proyecto de especificaciones y con los movimientos esperados del suelo por encima de la tolerancia del diseño original, se analizaron los datos de la instrumentación en la pila en relación con la tolerancia de la estructura de ±12 mm de asentamiento o levantamiento total. Al concluir el hincado de los pilotes, los datos de los inclinómetros ya no indicaron ningún movimiento adicional; igualmente, el prisma de seguimiento estructural tampoco indicó asentamientos ni levantamientos, ni tampoco los sensores de inclinación cercanos mostraron movimientos de rotación, lo que permitió seguir con la construcción.
Conclusiones
Los datos adquiridos a través del monitoreo de la instrumentación geotécnica demostraron, durante un periodo de seguimiento de 2.5 años, que las dos construcciones de alto riesgo: hincado de pilotes y construcción de terraplenes, no tuvo ningún impacto a largo plazo en el puente existente, como lo muestran los eventos que se indican en este documento; sin embargo, se presentaron consecuencias menores aunque ninguna de ellas activó las alertas establecidas. En cambio, se encontró que el clima, el tráfico y los escombros eran las causas primarias de alertas generadas por la instrumentación.
El monitoreo exitoso del comportamiento del puente existente se logró gracias a la planificación cuidadosa y la utilización de la instrumentación seleccionada. Se evitó instalar una instrumentación y recolección de datos excesiva; por el contrario, se planteó un propósito específico y se mantuvo un nivel manejable de datos obtenidos de los instrumentos colocados
*Este es un resumen del artículo publicado en la revista Deep Foundations marzo-abril de 2023.
Traducción: Ricardo Enrique Ortiz Hermosillo.
