Investigación preliminar sobre estabilidad y comportamiento hidráulico de rompeolas de contenedores de arena geotextil rellenos de arena y cemento.

Dec 23, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 15244 (2022) Citar este artículo

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Los rompeolas son construcciones imprescindibles que aportan tranquilidad a los puertos y estructuras portuarias, cuando faltan medidas de protección natural. Tradicionalmente, estas enormes estructuras se construyen con rocas naturales que pesan toneladas. En la situación actual, obtener enormes rocas naturales es difícil y poco ecológico. Los contenedores de arena geotextiles (GSC) surgen como una alternativa adecuada para las unidades de protección de rocas de los rompeolas y diversas publicaciones respaldan su eficacia. La presente investigación tiene como objetivo analizar el desempeño de los GSC cuando se llenan con una cantidad calculada de cemento y arena. El análisis de estabilidad y rendimiento hidráulico de modelos de rompeolas geotextiles rellenos de cemento y arena se lleva a cabo en un canal de olas monocromático a escala 1:30. Cuando los rompeolas de GSC se llenan con arena y cemento, se observa hasta un 43% más de estabilidad con una disminución considerable en el avance, la caída y la reflexión de las olas, en comparación con las unidades llenas de arena sola. Como resultado, las unidades GSC llenas de cemento y arena se pueden sugerir como una posible alternativa a las unidades llenas de arena sola donde se debe contrarrestar el vandalismo.

Los rompeolas generalmente se construyen para disipar la energía de las olas, creando una condición de calma dentro del área del puerto para facilitar la carga y descarga de un barco atracado en un puerto. Además, una zona portuaria tranquila es ventajosa para el buen funcionamiento de puertos y puertos. Las olas del océano a menudo causan una grave erosión costera durante la temporada de los monzones y pueden ser catastróficas para el ecosistema costero, los medios de vida y las comunidades. El cambio climático global y el aumento asociado del nivel del mar pueden causar graves olas, inundaciones e inundaciones costeras en las zonas costeras adyacentes1. Los ciclones recurrentes y las marejadas ciclónicas asociadas son motivo de preocupación reciente2,3,4. Por lo tanto, es inevitable contar con estructuras de protección que puedan reducir el impacto adverso de las olas dañinas en las zonas costeras.

Las estructuras de protección costera generalmente pueden ser duras o blandas. La desviación de arena, la reposición de dunas, la protección de la vegetación, la restauración de playas, etc. se consideran soluciones blandas5,6. Como soluciones difíciles se adoptan rompeolas sumergidos y emergidos, diques, diques, revestimientos y espigones, etc.7,8. A lo largo de los años, los sistemas de rompeolas más comúnmente adoptados fueron montículos de escombros o estructuras blindadas de roca9. El alarmante aumento del coste de la roca natural, la reducción de su disponibilidad y la prohibición de extraer canteras en muchos estados exigen alternativas viables a las estructuras de roca10. A lo largo de los años, se han producido enormes innovaciones en las unidades de armadura artificial. Cubos de hormigón, tetrápodos, acrópodos, dolos, core loc, etc., son algunas unidades de armadura notables9,11,12,13,14,15. Investigación ampliada en el diseño de estructuras innovadoras de rompeolas. Algunas contribuciones notables a este respecto incluyen rompeolas semi y cuarto de círculo16,17, rompeolas de placa18, rompeolas en tándem19, rompeolas de tubería flotante20,21, rompeolas de pilotes22,23, etc. Junto con estos, los geosintéticos también se utilizan ampliamente para diversas aplicaciones de ingeniería costera. Los geosintéticos se refieren a una amplia gama de materiales poliméricos naturales o artificiales que pueden usarse para diversas aplicaciones de ingeniería civil24. Los geosintéticos incluyen geotextiles, geomembranas, geomallas, etc. (utilizados en aplicaciones de ingeniería civil, incluida la construcción de carreteras, gestión de residuos, protección de taludes, etc.), y los geotextiles se utilizan ampliamente para aplicaciones de ingeniería costera25,26. Las aplicaciones de los geotextiles en ingeniería costera incluyen revestimientos27, terraplenes28, rompeolas29, unidades de blindaje de rompeolas30,31 y otras estructuras de protección costera8,12,32,33,34,35. Se ha demostrado que los contenedores de arena geosintética (GSC) poseen varios beneficios sobre las construcciones de roca convencionales36. Puede suministrar una amplia gama de unidades de blindaje de tamaño uniforme, lo cual resulta muy difícil en el caso de las rocas37,38. El costo por unidad de volumen se puede reducir cuando el tamaño de los contenedores es grande, lo que reduce significativamente el tiempo de construcción. La proporción de relleno afecta la estabilidad y la forma debido al entrelazado y la flexibilidad. También se puede apilar en pendientes más pronunciadas en comparación con las estructuras convencionales. Otra característica atractiva de las construcciones geotextiles es la capacidad de llenado in situ del tubo o contenedores con materiales disponibles localmente, lo que hace que la construcción sea rentable y rápida39. A pesar de que las unidades GSC producen un impacto visual, las ventajas mencionadas anteriormente hacen de las unidades geotextiles rellenas de arena una alternativa viable a las unidades de blindaje primario y secundario de un rompeolas convencional en montículos de escombros. Ha habido menos intentos de cuantificar el desempeño de las unidades geotextiles en una estructura de rompeolas, lo que motivó a continuar con el presente estudio.

Los experimentos físicos realizados por Elias et al.30 investigan la eficacia de contenedores geotextiles encapsulados en arena como unidades de armadura de estructuras de rompeolas. El estudio confirma la utilidad de los contenedores de arena geotextil (GSC) con una altura de ola de hasta 3,96 m (prototipo) cuando se utilizan como unidades de blindaje de rompeolas. Se han investigado varias disposiciones, incluida la colocación de una sola capa, doble capa y paralela a la pendiente, donde la disposición de doble capa muestra hasta un 18 % más de estabilidad y la colocación paralela a la pendiente muestra hasta un 11 % menos de estabilidad que la colocación de una sola capa. Como se describe en el estudio, estas unidades GSC son susceptibles a daños que pueden ser incidentales, biológicos o vandálicos. Los daños incidentales incluyen embarcaciones que impactan directamente o anclan en la estructura, pesca con herramientas afiladas que rasgan los geotextiles y provocan la pérdida de arena40. La madera flotante y el hielo también causan daños incidentales29. Los roedores y ratas que anidan alrededor de los contenedores de geotextil, dañándolos, se agrupan como daño biológico41. Los desperdicios de comida favorecen la colonización de ratas, que provocan que rompan los geotextiles. El vandalismo o la destrucción deliberada de las estructuras del GSC es una preocupación importante y sigue siendo una desventaja importante. Se informa que las estructuras expuestas del GSC atraen la curiosidad de los nativos o los turistas y, en última instancia, las cortan o dañan con herramientas afiladas. El vandalismo debido a un corte con cuchillo provocó el fracaso de Kirra Groyne (Gold Coast, Australia), el arrecife sumergido en Kovalam, Kerala, el revestimiento de St Clair (Dunedin, Nueva Zelanda), etc.29,41. Una vez cortados los contenedores, la arena se escapa debido al ataque de las olas, lo que provoca su desinflado total y su falla. Como posible solución a este problema, el presente estudio investiga la viabilidad de la mezcla de mortero para rellenar los GSC de los rompeolas. Cuando las unidades GSC se llenan con mortero, las unidades se endurecen formando una estructura rígida. Esto reduce el riesgo de vandalismo ya que incluso cuando la cubierta geotextil externa se daña, la unidad solidificada interna permanece intacta.

Las estructuras GSC suelen estar llenas de arena. Para llenar los contenedores se utiliza arena seca, lechada de arena (generalmente 70% agua, 30% arena) e incluso materiales dragados42. Los morteros de cemento y arena utilizados para rellenar los contenedores no son muy novedosos. Silvester43 llevó a cabo experimentos llenando los contenedores de geotextiles (en forma de salchicha) con cemento y arena. La mezcla de cemento y arena se considera en forma de lechada con un valor de asentamiento del 100%, lo que permite un fácil movimiento en cualquier parte del contenedor. Estos recipientes, una vez endurecidos, deben poseer la resistencia de la piedra caliza. Según Silvester, el coste de las estructuras hechas con salchichas rellenas de lechada puede ser tan bajo como el 12% en comparación con las de piedra caliza. Rajagopal et al.44 describen estructuras de protección utilizando geosintéticos en el lago Pulickat, Tamil Nadu, India. La estructura del rompeolas construida en el sitio se prueba con una mezcla de cemento y arena (10% de cemento). La mezcla de cemento y arena se vierte en recipientes en forma seca. Al sumergirlo en agua, el endurecimiento se produce en 24 h, incluso en el medio marino. Esto ayuda a reducir la migración de arena dentro de los contenedores, mejorando así el rendimiento. Los autores señalan las posibilidades de cuantificar el comportamiento de la estructura cuando se varía el porcentaje de cemento. Los geocolchones son estructuras novedosas que se bombean con cemento y lechada de arena para formar una funda de colchón45. Generalmente se utilizan en la protección de taludes y protección de ríos en zonas estuarinas. Cuando se utiliza mortero de cemento y arena como material de relleno, los geocontenedores se transforman en una sustancia dura. Incluso cuando la forma del tejido se degrada, la arena endurecida permanece intacta43, formando unidades más "resistentes al vandalismo". Todos los factores anteriores nos llevan a investigar la idoneidad de las unidades GSC rellenas de mortero como unidades de blindaje de rompeolas. El presente artículo recopila las observaciones e inferencias experimentales e intenta;

Analizar el comportamiento hidráulico de diques blindados con unidades geotextiles rellenas de cemento y arena.

Analizar la estabilidad y daños de estructuras de rompeolas blindadas con unidades geotextiles rellenas de cemento y arena.

Compare el rendimiento de las unidades de blindaje rellenas de cemento con las estructuras de rompeolas GSC rellenas de arena sola.

Las investigaciones del modelo físico se llevaron a cabo en el canal de ondas monocromáticas del Departamento de Recursos Hídricos e Ingeniería Oceánica del Instituto Nacional de Tecnología de Karnataka (NITK), Surathkal, India (Fig. 1). De los hallazgos de Faraci46 se infiere que no existe una diferencia significativa en los resultados de la respuesta de onda de la estructura GSC con ondas monocromáticas y aleatorias. Además, al experimentar con ondas monocromáticas, se pueden obtener resultados de estabilidad más conservadores. Por ello, se ha decidido proceder con ondas monocromáticas (a pesar de que no es la tecnología más puntera disponible en la actualidad). Para este estudio se utiliza el canal de ondas de lecho fijo bidimensional disponible que tiene un ancho de 0,74 m, una profundidad de 1,1 m y una longitud de 50 m, incluidos 25 m de paneles de vidrio para fotografía y visualización. Un extremo del canal está provisto de un absorbente de olas pasivo y el otro extremo está equipado con un generador de olas tipo aleta con bisagras en la parte inferior que puede producir olas. Los movimientos de las aletas están controlados por un motor de inducción de 11 kW y 1450 rpm para crear las ondas. Con el equipo existente se pueden generar olas con períodos de 0,8 a 4 s y alturas de 0,02 a 0,20 m en una profundidad de agua de 0,50 m. Para el estudio actual, se utiliza una escala de modelo de 1:30 para limitar los criterios de similitud de Froude con los datos de olas de la costa de Mangaluru (Karnataka, India).

Representación esquemática del modelo de rompeolas GSC en el Laboratorio de Mecánica de las Olas, NITK26.

Las alturas de las olas incidentes y reflejadas se miden utilizando tres sondas de olas del tipo capacitancia provistas a la orilla del mar, con una precisión de 0,001 m. Sondas de ondas, una unidad de amplificación y un sistema informático de recopilación de datos conforman la instalación total de instrumentación. La diferencia de capacitancia entre el agua y el conductor de cobre se mide mediante sondas de onda. El registrador de olas de laboratorio convierte esta entrada de voltaje digital en altura y período de ola. Se estima que la precisión del sistema de medición es de alrededor del 3%. El avance y descenso de las olas se registran mediante observación manual con gráficos de tiras calibradas pegadas en los paneles de vidrio.

El rompeolas consta de un núcleo de arena m y capas de unidades GSC rellenas de cemento y arena. En el prototipo, el núcleo se fabricará con cantera. El núcleo se escala utilizando los criterios de Froud y la clasificación se realiza según los estudios previos realizados47 en el mismo laboratorio de mecánica ondulatoria. La clasificación del núcleo resultó en partículas finas debido a la escala seleccionada, lo que lo hace impermeable en la escala del modelo. El elaborado diseño estructural del rompeolas GSC se analiza en Elias et al.30 y está más allá del alcance del presente artículo. El escalamiento de geotextiles es casi inalcanzable debido a la dificultad de fabricar telas 30 veces más delgadas. Los detalles de las propiedades y los parámetros que rigen el modelo de rompeolas se proporcionan en las Tablas 1, 2, 3. Como investigación preliminar, el modelo de rompeolas emergido sin desbordamiento se prueba con una sola capa de unidades de armadura geotextil rellenas de cemento y arena (ver Fig. .2). Como se infiere del trabajo de Rajagopal et al.44, el porcentaje de cemento que se agregará a las GSC se estima entre 15 y 20 % del peso de las GSC. El tamaño, volumen, forma, disposición, etc. de las unidades individuales de GSC se seleccionan en base a las extensas experimentaciones realizadas por Elias et al.26,30. La ecuación (1) se utiliza para calcular el volumen de una bolsa rectangular completamente inflada con longitud a y ancho b, que no puede estirarse ni cortarse48

Dimensiones y modos de colocación de las unidades GSC utilizadas en los estudios del modelo30.

El estudio examinó cuatro sacos de arena, a saber, Bolsa 1, Bolsa 2, Bolsa 3 y Bolsa 4, que varían en tamaño y porcentaje de relleno de arena. Se considera que la bolsa 3 de 0,16 m de largo y 0,08 m de ancho es la unidad de blindaje de mejor rendimiento con respecto al rendimiento hidráulico y la estabilidad; por lo tanto, la presente investigación se limita a experimentos con la Bolsa 3, que pesaría casi 13,5 toneladas en el prototipo. La construcción se puede llevar a cabo utilizando métodos similares a los de los rompeolas de escombros convencionales. La colocación de las unidades GSC se puede realizar mediante barcazas de fondo dividido, posicionamiento GPS, etc. La resistencia de las bolsas en el campo será mayor que la experimentada en el modelo debido a los efectos de escala. Las unidades se cosen después de llenarse con la cantidad calculada de cemento y arena en forma seca. Luego las unidades se curan por hasta 24 h. Las unidades reforzadas están dispuestas sobre el núcleo del rompeolas con sus dimensiones más largas paralelas al ataque de las olas (según los hallazgos de Shirlal y Mallidi49). Una vez que el modelo está completamente construido, se bombea agua a la profundidad deseada en el canal de olas.

El modelo construido se expone al clima de olas seleccionado para evaluar el rendimiento hidráulico del rompeolas GSC, que incluye el avance, el descenso y la reflexión de las olas. Inicialmente, la estructura está sometida a olas más pequeñas de 0,06 m, que aumentan gradualmente hasta 0,16 m en un intervalo de 0,02 m durante un período de ola determinado. Las ondas reflejadas desde la estructura pueden llegar al generador de olas, cambiando las condiciones de ola deseadas. Para evitar tales problemas, el ataque de las olas se limitará a una ráfaga de no más de ocho olas, y el generador se apagará dejando breves espacios entre cada caso de prueba para amortiguar la energía de las olas y crear una superficie de agua tranquila. Además, se proporcionan absorbentes de olas en el extremo de la playa y en el extremo del generador, limitándose a los hallazgos de diversa literatura50,51,52. Las respuestas de las olas, como la aceleración, la reducción y la reflexión, se calculan para cada condición (para una altura de ola fija y un período para una profundidad del agua) enviando tres conjuntos de trenes de olas que comprenden ocho olas cada uno. Isaacson53 propuso un método de tres sondas para calcular el coeficiente de reflexión Kr. Se colocan tres sondas de olas mar adentro del modelo de rompeolas a una distancia de L y L/3. Kr se calcula utilizando las amplitudes de onda obtenidas en las sondas. Se observan las amplitudes de las olas de tres sondas para una altura de ola prevista y se suministra el período a las formulaciones propuestas por Isaacson. El coeficiente de reflexión cambia con el tiempo debido a la interacción ola-ola y la posible deformación del rompeolas. Al ser un parámetro derivado, se espera que el coeficiente de reflexión calculado utilizando el método indicado muestre hasta un 20% de error. Los gráficos de tiras pegados en los paneles de vidrio del canal se utilizan para registrar los valores de avance y descenso. Runup y rundown son los límites verticales máximos de las olas ascendentes y descendentes en la estructura, medidos con respecto al nivel del agua tranquila. Dado que se utiliza una ráfaga de sólo 8 ondas y no hay instrumentos sofisticados involucrados en el registro de estas cantidades, los valores de avance y descenso de onda obtenidos no necesitan ser precisos. La Figura 1 muestra la configuración experimental, mientras que la Figura 3 muestra los parámetros de diseño del modelo de rompeolas.

Representación del modelo de rompeolas GSC construido26.

A diferencia de los rompeolas convencionales en montículos de escombros, la estabilidad y la clasificación de daños de los rompeolas GSC se llevan a cabo de una manera única, como sugieren Dassanayake y Oumeraci54. La estructura del dique se expone a olas de la altura y período deseados, y se analiza la interacción ola-estructura. El desplazamiento/movimiento y el desprendimiento de las unidades blindadas se inspeccionan y registran, y luego se clasifican en categorías de daño DC0 a DC4, como se muestra en la Tabla 4. Las unidades blindadas pueden ser estables, desplazadas o separadas de acuerdo con los criterios dados en la Tabla 4. Desplazamiento y desprendimiento de Las unidades individuales se cuantifican mediante examen manual. La estructura actual está expuesta a hasta 3000 olas para definir niveles de daño comparables a 6 a 11 h de duración real de la tormenta55. Supongamos que las unidades GSC exhiben una condición "estable" (según la Tabla 4) durante toda la tormenta; la configuración se clasifica como DC0 (“Sin daños”) para la altura y el período de ola en particular. La experimentación procede aumentando la altura y el período de las olas y clasifica la estructura en varios grados de daño. Antes de pasar al siguiente caso, se reorganiza la estructura dañada. Se drena el agua del canal y se vuelve a ensamblar el núcleo para realizar pruebas con una nueva configuración de unidades GSC, una vez que se ha explorado la configuración para todas las condiciones de onda de prueba. En el caso de las unidades de mortero, las ondas provocarán fuerzas de pulsación y de impacto cuando las unidades se balancean, lo que provocará fatiga. A medida que aumenta el número de ciclos de carga de las olas, se produce el inicio y la propagación de grietas que provocan la rotura de las unidades. Limitar el ataque de las olas a una ráfaga de 8 olas ayuda a reducir el efecto del cargamento cíclico para que las olas progresivas no generen fatiga en las unidades GSC en el momento en que se registren las respuestas de las olas.

Dado que las condiciones reales de campo no pueden replicarse consistentemente en experimentos con canales, modelar una estructura costera requiere algunas simplificaciones o suposiciones. Como resultado, las investigaciones actuales se basan en los siguientes supuestos.

El fondo marino es fijo y horizontal, por lo que la experimentación no se ve afectada por el movimiento de sedimentos.

No se consideran las marcas de dedos resultantes del lavado de sedimentos.

No se intenta el desconchado de geotextiles y arena y no se considera su influencia en el desempeño de la estructura.

No se tiene en cuenta la diferencia de densidad entre el agua de mar y el agua dulce (utilizada en el canal de olas).

En este apartado se detallan los resultados de las investigaciones realizadas en rompeolas geotextiles rellenos de mortero. De los experimentos anteriores, se descubre que la Bolsa 3 es el modelo con mejor rendimiento26,30. Este modelo de mejor rendimiento de la Bolsa 3 se llena luego con mortero para analizar su eficacia cuando se utiliza como unidades de blindaje de la estructura de un rompeolas. En este contexto, se prueban las siguientes configuraciones en el canal de olas;

Bolsa 3 llena de cemento al 15%, apiladas en una sola capa.

Bolsa 3 llena con 20% de cemento, apilada en una sola capa.

Bolsa 3 llena con 20% de cemento, apilada en doble capa.

La altura de avance de las olas se registra para calcular la altura de avance relativa (Ru/H0), lo cual es beneficioso para comprender el desbordamiento y la transmisión del agua sobre la cresta de la estructura. El arranque relativo de todas las configuraciones de rompeolas probadas se representa en la Fig. 4. Esto muestra que los rompeolas de una sola capa Bolsa 3 con 15% de cemento exhibieron el máximo arranque relativo, siendo la configuración de doble capa llena de cemento al 20% la menor. Los rompeolas con configuración monocapa rellena de cemento al 15% exhibieron un máximo de 15,9 y 33,33% mayor de arranque relativo con respecto a aquellos con capa simple de sacos de cemento al 20% y doble capa de 20%, respectivamente.

Ejecución relativa de todas las configuraciones probadas.

En la Fig. 5 se representa el avance relativo versus la relación entre la altura de las olas y la profundidad (H0/d) de todas las configuraciones de rompeolas probadas. Esto muestra que los rompeolas de una sola capa con unidades de armadura rellenas de cemento al 15% tuvieron el máximo avance relativo, con doble capa 20 El % de configuración es el mínimo. Este gráfico es útil para analizar la eficacia de varios modos de colocación.

Ruptura relativa versus relación entre la altura de las olas y la profundidad (H0/d) de todas las configuraciones probadas.

Los rompeolas blindados con sacos rellenos de cemento al 15% mostraron tendencia a romperse por dentro. Esas bolsas rotas tienden a reajustarse en la pendiente de la estructura dando como resultado el cierre de ciertos espacios porosos. Como resultado, la disipación de las olas se redujo, lo que provocó un aumento de la aceleración. Cuando las bolsas se llenaron con un 20% de cemento, actuaron como unidades sólidas, creando más espacios porosos. Esas unidades sólidas no proporcionaron margen de reajustes, como resultado, los espacios porosos no se vieron afectados. Esto promovió una mayor disipación de las olas en la pendiente de la estructura, lo que resultó en una reducción del avance. Además, cuando se proporcionó una capa adicional, la porosidad de la estructura aumentó, dando como resultado una mayor disipación de las olas en la pendiente de la estructura. Esto dio como resultado tasas de arranque reducidas en la disposición de doble capa.

El análisis de las olas es útil para comprender el comportamiento del agua que se retira de la superficie de la estructura. El desglose relativo de todas las configuraciones probadas se representa en la Fig. 6. Esto muestra que los rompeolas de una sola capa blindados con un 15% de cemento mostraron el máximo desintegración relativa, siendo la estructura de rompeolas de doble capa de unidades llenas de cemento al 20% la menor. La configuración de una sola capa con relleno de cemento al 15% de la bolsa 3 representó un escurrimiento relativo mayor de 5 y 31,25% con respecto a las disposiciones de una sola capa al 20% (relleno de cemento) y de doble capa al 20% (relleno de cemento), respectivamente. El abatimiento relativo vs la relación altura de ola a profundidad (H0/d) de todas las configuraciones ensayadas se representa en la Fig. 7. Esto muestra que los diques blindados con relleno de cemento monocapa al 15%, mostraron el abatimiento relativo máximo, con doble capa 20 La configuración con % de relleno de cemento es la menor. Este gráfico es útil para analizar la eficacia de varios modos de colocación.

Resumen relativo de todas las configuraciones probadas.

Esquema relativo vs relación altura-profundidad de las olas (H0/d).

Las ubicaciones de una sola capa representan casi un comportamiento similar, con una variación máxima del 5%. Cuando las unidades de armadura están dispuestas en capas dobles, el aumento de la porosidad ayudó en la disipación de las ondas, como resultado, la dispersión de las ondas disminuyó para las estructuras de dos capas.

En esta sección se presenta el análisis de la reflexión de las olas en el rompeolas. Se adopta el método de las tres sondas de Isaacson53 en la estimación del coeficiente de reflexión Kr. La variación de Kr con el parámetro de inclinación de las olas para todos los casos de prueba se representa en la Fig. 8. Es evidente que todos los casos de prueba exhibieron valores de Kr más bajos en comparación con los rompeolas convencionales, como apareció en Zanuttigh y van der Meer14. La estructura del rompeolas con configuración monocapa con un 20% de relleno de cemento mostró la máxima reflexión, hasta un 76% mayor que otros modelos. Las curvas ajustadas muestran un coeficiente de correlación pobre, que apenas llega al 19%. Los valores disminuidos de Kr son el resultado de una mayor porosidad y el consiguiente aumento en la disipación de las olas en la pendiente de la estructura.

Valores de Kr calculados para todos los casos probados.

Cabe señalar que cuando los contenedores de geotextil se llenan con mortero, la estructura del rompeolas resultante produce más espacios porosos que los contenedores con arena sola (Fig. 9). El desplazamiento interno de la arena, al ser sometida a la acción del oleaje, se ha detenido debido al proceso de cementación. Además, las unidades duras tienden a ser comparativamente estables que sus contrapartes de arena sola. En la mayoría de los casos, la extracción se observó como el principal modo de falla. El proceso de salida de los contenedores se produce debido al ataque de oleadas contra unidades blindadas. Según Recio56, la fricción de la interfaz es el factor principal que controla la retirada de las unidades GSC. Las propiedades de fricción del material y el área de contacto entre dos contenedores controlan la fricción de la interfaz. En el caso de las bolsas llenas de cemento, las bolsas se vuelven voluminosas después de la solidificación, lo que reduce el área de contacto entre dos contenedores; como resultado, se reduce la fricción en la interfaz, lo que aumenta la extracción de las unidades de armadura GSC.

Imagen que muestra un recipiente de arena lleno con un 15% de cemento y dispuesto en una sola capa. Tenga en cuenta el volumen de las unidades que contribuyen a una mayor porosidad.

Como informaron Dassanayake y Oumeraci54 y Elias et al.30, las curvas de movimiento incipiente (DC1) pueden servir como una herramienta adecuada para demarcar la estabilidad de un caso particular. El valor de Cw se calcula para cada punto de movimiento incipiente Eq. (2) y su valor promedio se utiliza en (3) para dibujar las curvas de estabilidad.

donde Ns es el número de estabilidad y ξ0 es el parámetro de similitud de surf y está representado por (4) y (5). Hs es la altura significativa de la ola incidente, ρw y ρGSC corresponden a la densidad del agua de mar y GSC. D es el espesor de la capa de armadura dado por l.sinα, donde l es la longitud de las unidades de armadura GSC, α es el ángulo de pendiente de la estructura geosintética, L0 es la longitud de onda de aguas profundas, igual a gT2/2π, donde T es la onda período.

Se obtienen curvas de movimiento incipiente para la Bolsa 3 llena con 15% de cemento, dispuesta en una sola capa como se muestra en la Fig. 10. Los experimentos se llevan a cabo a tres profundidades relativas de agua diferentes 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m), 0,008 < d/gT2 < 0,020 (0,40 m) y 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m). Como se ve en el gráfico, se encontró que la estabilidad a la profundidad más baja del agua (0,35 m) era entre un 25 y un 29 % mayor que a profundidades de agua de 0,40 y 0,45 m, respectivamente. Una posible causa de esto puede ser una mayor actividad de las olas y la energía de las olas a mayor profundidad del agua. Además, la velocidad de avance y descenso de las olas será mayor a mayores profundidades de agua, lo que provocará una mayor inestabilidad.

Curvas de movimiento incipiente para la Bolsa 3 llena con 15% de cemento, dispuesta en una sola capa.

Se obtienen curvas de movimiento incipiente para la Bolsa 3 llena con 20% de cemento, dispuesta en una sola capa en la Fig. 11. Los experimentos se llevan a cabo a tres profundidades relativas de agua diferentes 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m), 0,008 < d/ gT2 < 0,020 (0,40 m) y 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m). Como se ve en el gráfico, se encontró que la estabilidad a la profundidad más baja del agua (0,35 m) era entre un 2,4 y un 3,5% mayor que a profundidades de agua de 0,40 y 0,45 m, respectivamente. El avance de las olas fue menor a 0,35 m de profundidad del agua, por lo que las deformaciones que se produjeron durante el avance serán comparativamente menores.

Curvas de movimiento incipiente para la Bolsa 3 llena con 20% de cemento, dispuesta en una sola capa.

Pero se encuentra que la desviación de la estabilidad es comparativamente menor que el 15% en el caso del cemento. Además, cuando el contenido de cemento en sacos aumentó del 15 al 20%, la estabilidad de la estructura se disparó hasta un máximo del 43,3%. Las curvas de movimiento incipiente obtenidas para la Bolsa 3 llena con 20% de cemento, dispuestas en capas dobles, se muestran en la Fig. 12. Los experimentos se llevan a cabo a tres profundidades relativas de agua diferentes 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m), 0,008 < d/ gT2 < 0,020 (0,40 m) y 0,009 < d/gT2 < 0,023 (0,45 m). Como se ve en el gráfico, se encontró que la estabilidad a la profundidad más baja del agua (0,35 m) era entre un 4,5 y un 8,1% mayor que a profundidades de agua de 0,40 y 0,45 m, respectivamente. La posible razón puede ser una mayor actividad y energía de las olas a mayor profundidad. Además, cuando el número de capas aumenta de una a dos, se presenta una disminución considerable de la estabilidad, hasta un 23,6%. Las razones principales detrás de estas observaciones se discutirán en las secciones siguientes.

Curvas de movimiento incipiente para Bolsa 3 rellena con cemento al 20%, doble capa.

En lo que respecta al rendimiento hidráulico y la estabilidad, se observa que las estructuras de rompeolas con unidades de blindaje GSC rellenas con un 20% de cemento funcionan mejor que aquellas unidades rellenas con un 15% de cemento. Por lo tanto, en el presente estudio no se realizan estudios sobre estructuras con unidades GSC de doble capa rellenas con un 15% de cemento.

En este apartado se ha probado el efecto del número de capas y porcentaje de cemento. Las curvas de estabilidad de todas las configuraciones experimentadas se analizan para una profundidad relativa del agua 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m de profundidad real del agua en el canal) en la Fig. 13. Las bolsas llenas de cemento al 20% dispuestas en una sola capa exhibieron una mayor estabilidad, 13,63 y 17,18% superior a las configuraciones de 15% de cemento de una sola capa y 20% de cemento de doble capa, respectivamente.

Curvas de estabilidad de todas las configuraciones experimentadas para una profundidad relativa del agua 0,007 < d/gT2 < 0,018 (0,35 m de profundidad real del agua en el canal).

Las curvas de estabilidad de todas las configuraciones experimentadas se analizan para una profundidad relativa del agua 0,008 < d/gT2 < 0,020 (0,40 m de profundidad real del agua en el canal) en la Fig. 14. Las bolsas llenas de cemento al 20% dispuestas en una sola capa exhibieron la mayor estabilidad, 39,6 y 19,6% superior a las configuraciones de 15% de cemento de una sola capa y 20% de cemento de doble capa, respectivamente. Las curvas de estabilidad de todas las configuraciones experimentadas se analizan para una profundidad relativa del agua 0,009 < d/gT2 < 0,023 (profundidad real del agua de 0,45 m en el canal) en la Fig. 15. Las bolsas llenas de cemento al 20% dispuestas en una sola capa exhibieron la mayor estabilidad. 43,3 y 22,9% más que las configuraciones de 15% de cemento de una sola capa y 20% de cemento de doble capa, respectivamente.

Curvas de estabilidad de todas las configuraciones experimentadas para una profundidad relativa del agua de 0,008 < d/gT2 < 0,020 (profundidad real del agua de 0,40 m en el canal).

Curvas de estabilidad de todas las configuraciones experimentadas para una profundidad relativa del agua 0,009 < d/gT2 < 0,023 (profundidad real del agua de 0,45 m en el canal).

Del análisis anterior, se ha observado que cuando el contenido de cemento aumenta del 15 al 20%, hay un aumento considerable en la estabilidad, es decir, del 13,6 al 43,3%. La estructura de sacos de arena con un contenido de cemento del 20% exhibió una mayor resistencia. La resistencia de la bolsa aumentó debido a un mayor porcentaje de cemento en ella. Esta puede ser la razón, ya que podría soportar una mayor actividad de olas. Sin embargo, el material endurecido dentro de ciertas bolsas llenas de cemento al 15% mostró una tendencia a romperse dentro del contenedor, haciéndolo vulnerable al desprendimiento ante una mayor actividad de las olas.

De manera similar, cuando se modifican bolsas llenas de cemento al 20% de una sola capa a una doble capa, se observa una disminución de la estabilidad del 17,18 al 22,9%. Esta observación contradecía el concepto general de que la estabilidad aumenta cuando aumenta el número de capas de armadura exterior. La reducción de la estabilidad de la estructura de doble capa puede atribuirse principalmente a la falta de fricción experimentada por la capa de armadura exterior. Como resultado, las unidades de la capa exterior tienden a desprenderse en alturas de ola más bajas, como se muestra en la Fig. 16. Las bolsas con unidades rotas en el interior prácticamente tenían el mismo aspecto cuando se fotografiaban. Se agregó un caso de deformación del blindaje y se muestra en la Fig. 16.

Imagen que muestra unidades GSC separadas de la capa exterior del modelo de rompeolas.

La Figura 17 muestra el análisis comparativo del comportamiento de aceleración de unidades de armadura GSC rellenas de cemento con otras configuraciones de armadura GSC básicas como se analiza en Elias et al.30. Las curvas de aceleración tienden a variar de 0,5 a 2,7 en una escala de tasa de aceleración relativa (Ru/H0), de configuración de doble capa de armadura Bag 3 (20% rellena de cemento) que muestra las menores tasas de aceleración y configuración colocada en paralelo que muestra la tasas de aceleración más altas. De todas las configuraciones probadas, las tasas de aceleración son las más bajas para los arreglos rellenos de cemento. Esto se debe al aumento de la disipación de las olas sobre la pendiente de la estructura, lo que resulta en tasas de avance reducidas debido a la mayor porosidad de la estructura. Las estructuras rellenas de cemento y arena experimentan una mayor porosidad ya que no hay posibilidad de reajustes para cubrir los poros, como en el caso de los GSC. Observaciones más detalladas en la Fig. 18 revelan que el avance relativo de las olas se reduce considerablemente a medida que el número de capas aumenta de una a dos. La estructura Bolsa 3 de una sola capa con armadura llena solo de arena mostró una reducción del 13,15% al ​​8% en las tasas de arranque en comparación con la disposición de doble capa. De manera similar, se experimenta una reducción de hasta el 31 % en las tasas de aceleración en la configuración de doble capa llena de cemento y arena Bolsa 3 en comparación con su contraparte de una sola capa. A medida que aumenta la capa, se crean más espacios porosos, lo que acelera la disipación de las ondas sobre la estructura y reduce así la aceleración.

Análisis comparativo del comportamiento de arranque de todas las configuraciones probadas.

Avance de onda relativo para varios modos de colocación de la Bolsa 3.

En lo que respecta al método de colocación, se observa que la colocación paralela a la pendiente posee tasas de avance más altas. La colocación paralela a la pendiente exhibió hasta un 31,5% y un aumento relativo del 16,27% en comparación con las estructuras de doble y una sola capa. La razón principal detrás de esta observación es el mecanismo de cobertura continua en la colocación paralela a la pendiente, reduciendo la porosidad de la estructura. Como resultado, la aceleración aumenta y se refleja más energía de las olas debido a su incapacidad para disipar la energía.

En lo que respecta a la caída de las olas, las posiciones paralelas a las pendientes presentan el valor máximo, que alcanza hasta 2,5 veces la altura de la ola incidente (ver Fig. 19). Las estructuras indican los valores de menor degradación con un contenido de cemento del 20% (degradación relativa que oscila entre 1,1 y 1,5). Los valores de reducción mostrados por todos los demás modelos se encuentran entre estos dos casos. La razón principal detrás del alto deterioro es la cobertura continua en colocación paralela a la pendiente, reduciendo la porosidad de la estructura. Como resultado, el agua se desliza y permanece en la pendiente de la estructura sin ser absorbida ni disipada a través de los poros. Además, se exhibe una disminución del 20 al 30% en la reducción a medida que aumenta el tamaño de la unidad de blindaje. Como se analizó en las secciones anteriores, el aumento de la porosidad de la estructura al aumentar el tamaño de la unidad de armadura puede ser el factor que contribuye significativamente a la reducción del runup.

Análisis comparativo del comportamiento de rundown de todas las configuraciones probadas.

Los valores de reflexión aparecen dispersos, como se ilustra en la Fig. 20. Se puede observar que todas las demás configuraciones probadas exhiben tasas de reflexión más bajas que el rompeolas convencional, excepto la configuración de capa única GSC. Cabe señalar que las configuraciones rellenas de mortero presentan tasas de reflexión más bajas, con un coeficiente de reflexión máximo Kr de 0,2. En ese caso, una mayor porosidad podría ser la posible razón de la reducción de la reflexión.

Curvas de reflexión.

Las curvas de estabilidad para todas las configuraciones de rompeolas de GSC probadas ayudan a analizar la eficacia de diversas técnicas de colocación. En la presente investigación, se experimenta la estructura con armadura 'Bag 3' en todo tipo de disposiciones, incluidas capas simples y dobles, colocaciones paralelas a pendientes y rellenos de cemento y arena. Por lo tanto, las curvas de estabilidad de la armadura Bag 3 con todas las disposiciones probadas para una profundidad de agua de 0,45 m se representan en la Fig. 21. La profundidad de 0,45 m fue la profundidad más dañina entre todos los casos de experimentación, por lo tanto, solo se investigaron los casos críticos de las pruebas de estabilidad. . La configuración de una sola capa con 20% de cemento muestra la máxima estabilidad, siendo las colocaciones paralelas a la pendiente y el caso de una sola capa (15% de cemento) los más débiles.

Curvas de estabilidad para la Bolsa 3 con todas las disposiciones ensayadas.

Como se observó, cuando las unidades GSC se llenaron con cemento, las estructuras de una sola capa eran hasta un 22% más estables que las estructuras de doble capa. Esto es contradictorio con el hecho de que la estabilidad aumenta con el número de capas. La posible razón de esta inestabilidad puede ser la falta de fricción entre las capas, ya que se utilizan geotextiles. Además, estas unidades de GSC formaron sólidos en forma de almohada (susceptibles de fácil desplazamiento) con un entrelazamiento deficiente cuando la mezcla de cemento y arena se solidificó dentro de las bolsas. Las unidades llenas solo de arena (consulte la sección "Análisis de estabilidad y daños") mostraron una menor estabilidad en comparación con las unidades llenas de cemento. De todas las configuraciones probadas, la colocación paralela a la pendiente mostró la menor estabilidad debido a una menor porosidad y un aumento del avance y la actividad desestabilizadora en la pendiente de la estructura.

El estudio ayudó a analizar la estabilidad y el rendimiento hidráulico de los rompeolas GSC rellenos de mortero. En una nota general, se ha descubierto que el rompeolas GSC funciona mejor cuando se complementa con cemento y relleno de arena. Como resultado, esto se puede sugerir para aplicaciones de campo como un sistema geotextil de contención de arena más resistente al vandalismo. Se ha revisado exhaustivamente cada factor que afecta la estabilidad de la estructura, así como el rendimiento hidráulico, y se han deducido las siguientes observaciones finales.

De todas las configuraciones probadas, el rompeolas blindado con Bolsa 3 llena con 15% de cemento exhibió la máxima penetración y penetración de olas de hasta 33% y 31%, respectivamente.

Se observa que las unidades GSC con 15 % de cemento tienen una mayor tendencia a romperse dentro de la bolsa, lo que provoca el reajuste y el cierre de los poros de la superficie debido a su mayor comportamiento de avance y descenso.

De todas las configuraciones probadas, las estructuras de rompeolas con unidades GSC de una sola capa rellenas con un 20% de cemento exhibieron una reflexión de las olas hasta un 76% mayor, y todos los casos probados exhibieron una reflexión menor que los rompeolas convencionales.

Cuando el contenido de cemento aumenta del 15 al 20%, se produce un aumento considerable de la estabilidad del 13,6 al 43,3%.

La estructura de rompeolas de una sola capa con unidades GSC que contienen un 20% de cemento muestra la máxima estabilidad, mientras que las ubicaciones paralelas a la pendiente son las más débiles en términos de estabilidad.

De manera similar, cuando las estructuras de rompeolas con unidades GSC que contienen 20% de cemento se modifican de una sola capa a dos capas, se observa una disminución de la estabilidad del 17,18 al 22,9%.

Cuando las unidades de blindaje de los rompeolas GSC se llenan con mortero, se observa hasta un 43% más de estabilidad con una disminución considerable en el avance y descenso de las olas en comparación con los rompeolas GSC llenos solo de arena. Como resultado, las unidades GSC llenas de cemento y arena se pueden sugerir como una posible alternativa a las unidades llenas de arena sola donde se debe contrarrestar el vandalismo. Además, la durabilidad y resistencia al oleaje de los rompeolas aumenta cuando se utilizan unidades de arena solidificada. La investigación preliminar sobre los nomogramas de estabilidad y rendimiento hidráulico puede proyectarse como el principal resultado de la investigación, ya que ayuda a los ingenieros costeros a diseñar y planificar los rompeolas de GSC. En resumen, de las tres configuraciones probadas, las bolsas llenas de cemento al 20% colocadas en una sola capa exhibieron la máxima estabilidad y un mínimo avance y descenso de las olas. Este puede proyectarse como el modelo de mejor rendimiento, ya que la estructura de una sola capa rellena de cemento al 15% y la estructura de doble capa rellena de cemento al 20% tenían ciertos inconvenientes. Como se explicó, la estructura monocapa rellena de cemento al 15 % tenía tendencia a romperse dentro de la bolsa, lo que provocaba un reajuste de los poros, lo que provocaba un aumento del ascenso y deterioro. No se recomienda un aumento de la aceleración y la reducción para las prácticas de campo, ya que puede provocar el desbordamiento y la transmisión de las olas. Además, también se encuentra que la estabilidad está disminuyendo. Cuando los rompeolas están provistos de capas dobles de unidades rellenas de mortero, el avance y el avance de las olas mostraron una disminución favorable mientras que la estabilidad se redujo. Por lo tanto, se concluye que no se sugiere la colocación de doble capa de unidades de GSC solidificadas para aplicaciones de campo.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen al Director de NITK, Surathkal, Mangaluru, India y al Jefe del Departamento de Recursos Hídricos e Ingeniería Oceánica, por brindarnos la oportunidad de realizar la presente investigación. Se reconoce debidamente el apoyo técnico de Khator Technical Textiles, Maharashtra, India, en el suministro gratuito de geotextiles no tejidos. Se agradece el apoyo brindado por el personal no docente y colegas en la realización de pruebas de modelos físicos. Se agradece calurosamente la asistencia enviada por los estudiantes de posgrado Geetha y Gopichand.

Instituto Nacional de Tecnología de Karnataka, Surathkal, India

Tom Elías y Kiran G. Shirlal

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A. Experimentación física, preparación de manuscritos. B. Corrección y valoración de manuscritos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Tom Elias.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Elias, T., Shirlal, KG Investigación preliminar sobre la estabilidad y el rendimiento hidráulico de rompeolas de contenedores de arena geotextil llenos de arena y cemento. Informe científico 12, 15244 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19673-9

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Recibido: 06 de junio de 2022

Aceptado: 01 de septiembre de 2022

Publicado: 09 de septiembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19673-9

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