Efeito da viscosidade no comportamento geomecânico de solos offshore

Abstract

O estudo do comportamento geomecânico de solos marinhos é necessário e indispensável para a indústria petrolífera e de gás natural, uma vez que a otimização de metodologias de dimensionamento da infraestrutura offshore em contato com o solo (e.g. estacas torpedo, âncoras e mudmats) representa considerável economia de projeto e execução. Ainda há muito a se estudar em relação ao comportamento do solo offshore quando solicitado por um carregamento ou conjunto de cargas, tanto estáticas quanto dinâmicas. Quando estas solicitações possuem uma velocidade de deformação, ocorre a mobilização de uma resistência viscosa cuja magnitude deve ser considerada em projeto. Apesar da importância de tal análise, devido às dificuldades de extração de amostras à grandes profundidades, a bibliografia geotécnica brasileira carece de parâmetros e propriedades de solos marinhos para serem aplicados em projetos nacionais, especialmente àqueles relacionados a comportamento viscoso. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo o estudo da influência da viscosidade no comportamento geomecânico de solos offshore provenientes da Bacia de Pelotas, caracterizados por Limites de Liquidez entre 41 e 55, Limites de Plasticidade entre 21 e 26 e Índices de Plasticidade entre 20 e 29. O solo marinho apresenta elevados teores de silte (35,5 a 57,2%), cuja plasticidade aumenta com o aumento da lâmina d’água. Para a análise geomecânica foram usados ensaios que utilizam uma palheta cruciforme que solicitam o solo através da aplicação de torque. Ensaios de mini-palheta indicaram que o teor de umidade e a resistência não-drenada são inversamente proporcionais (exceto quando há efeito de congelamento a -2,0°C). Também foi demonstrado que a temperatura e a resistência nãodrenada são inversamente proporcionais. Os ensaios de viscosimetria demonstraram que o solo offshore se comporta como um fluído pseudoplástico para teores de umidade de 70%; 78% e 85%. Para maiores temperaturas, o coeficiente de viscosidade dinâmica diminui significativamente em uma relação de potência com o aumento da velocidade angular, sendo que para altas velocidades de deformação a influência da temperatura sobre a viscosidade diminui. Os resultados dos ensaios reométricos oscilatórios indicam que o solo offshore em menores temperaturas e teores de umidade apresentaram maior rigidez. No entanto, as amostras com maiores temperaturas apresentam menor estabilidade microestrutural, ou seja, menor trecho visco-elástico. Com base nestas análises fica evidenciado a necessidade da combinação de ensaios geotécnicos e ensaios reológicos para correta avaliação dos componentes da resistência cisalhante de solos marinhos, sendo o comportamento geomecânico e viscoso determinado, entre outros fatores, pelo teor de umidade, temperatura e velocidade de deformação.

The study of the geomechanical behavior of marine soils is necessary and indispensable for the oil and natural gas industry, since the optimization of methodologies for sizing offshore infrastructure in contact with the ground (e.g. piles, anchors and mudmats) represents considerable savings of design and execution. There is still much to be studied in relation to the behavior of the offshore soil when requested by a load or set of loads, both static and dynamic. When these stresses have a deformation velocity, there is the mobilization of a viscous resistance whose magnitude must be considered in the design. Despite the importance of such analysis, due to the difficulties of extracting samples at great depth, the Brazilian geotechnical bibliography lacks parameters and properties of marine soils to be applied in national projects, especially those related to viscous behavior. In this context, this research aims to study the influence of viscosity on the geomechanical behavior of offshore soils from the Pelotas Basin, characterized by Liquidity Limits between 41 and 55, Plasticity Limits between 21 and 26 and Plasticity Indexes between 20 and 29. The marine soil has shown high levels of silt (35.5 to 57.2%), whose plasticity increases with increasing water depth. For geomechanical characterization, tests were used that use a cruciform vane that request the soil through the application of torque. Mini-vane tests indicated that moisture content and undrained strength are inversely proportional (except when there is a freezing effect at -2.0°C). It has also been shown that temperature and undrained strength are inversely proportional. The viscosimetry tests showed that the offshore soil behaves like a pseudoplastic fluid for moisture contents of 70%; 78% and 85%. For higher temperatures, the dynamic viscosity coefficient decreases significantly in a power relationship with increasing angular velocity, and for high strain rates the influence of temperature on viscosity decreases. The results of the oscillatory rheometric tests have demonstrated that the offshore soil at lower temperatures and moisture contents presented greater rigidity. However, samples with higher temperatures have lower microstructural stability - smaller visco-elastic stretch. Based on these analyses, it is evident that a combination of geotechnical tests and rheological tests is necessary for the correct evaluation of the components of the shear strength of marine soils, with the geomechanical and viscous behavior being determined, among other factors, by the moisture content, temperature and deformation speed.