Construction and post-construction performance of vertical breakwaters on soft soils : the Port of Barcelona case

Abstract

The design and construction of vertical caisson breakwaters on soft soils represents a significant challenge for the engineering of marine structures. Past experience reveals that this type of structures is sometimes prone to failure or to undergo excessive settlements. Cyclic loading due to storm wave action adds an addtional degree of complexity. This Thesis present the performance of a wide-ranging set of geotechnical activities to address the key issues of stability, large caisson displacements and cyclic loading effects in the context of the construction of vertical breakwaters. They include site investigation operations (involving laboratory tests, in situ tests and field tests), constitutive models for soft clays (under static and cyclic conditions), instrumentation and monitoring systems, numerical modelling of the breakwater during and after construction and the evaluation of stability under static and cyclic loads. The construction and performance of a vertical breakwater built on the soft soils of the Port of Barcelona provides the focal point to integrate the description of those activities in a joint and structured manner. After reviewing the main aspects associated with the construction and performance of vertical breakwaters, the behaviour of the soft foundation soil is examined. Laboratory tests, in situ tests and a large scale instrumented preload test are considered. Particular attention is paid to undrained shear strength, small strain stiffness, compressibility characteristics and cyclic loading effects. Soil behaviour is then modelled by a range of different constitutive laws of different degrees of complexity. The proper representation of strength anisotropy, long-term creep and cyclic behaviour is explicitly addressed. An extensive monitoring system for the measurement of pore pressures and soil movements has been installed before construction and, following the loss of a number of sensors, after caisson emplacement as well. A novel feature of the instrumentation was the installation of sensors on the front and on the base of the caisson to measure the hydraulic response to the impact of sea waves. The monitoring data has provided the necessary information to achieve a sounder knowledge of the behaviour of the breakwater at different stages of construction and post-construction, including the response under storm loading. Numerical analyses have been carried out towards achieving a better understanding of the breakwater behaviour during construction, post-construction and under cyclic loads. The interplay between monitoring observations, construction history and simulation results is highlighted. Special attention has been given to the evaluation of stability during construction and post-construction. Whenever relevant, the observations provided by the monitoring system are incorporated in the evaluation; the measurement of the evolution of pore pressures has proved important to ensure the safety of the caisson during construction. Breakwater stability under cyclic loading has also been evaluated using both simplified and advanced methods. This ensemble of works performed in the context of a well-documented case history should prove of benefit for the design and construction of similar structures founded on soft ground.

El diseño y construcción de rompeolas de cajones verticales en suelos blandos representa un desafío importante para la ingeniería de estructuras marinas. La experiencia pasada revela que este tipo de estructuras en ocasiones son propensas a fallar o sufrir asentamientos excesivos. La carga cíclica debido a la acción de las olas de tormenta agrega un grado adicional de complejidad. Esta tesis presenta la realización de un amplio conjunto de actividades geotécnicas para abordar los problemas clave de estabilidad, grandes desplazamientos de cajones y efectos de cargas cíclicas en el contexto de la construcción de rompeolas verticales. Entre las que se incluyen operaciones de investigación del sitio (que incluyen pruebas de laboratorio, pruebas in situ y pruebas de campo), modelos constitutivos para arcillas blandas (en condiciones estáticas y cíclicas), sistemas de instrumentación y monitoreo, modelado numérico del rompeolas durante y después de la construcción y la evaluación de la estabilidad bajo cargas estáticas y cíclicas. La construcción y ejecución de un rompeolas vertical construido sobre los suelos blandos del Puerto de Barcelona proporciona el punto central para integrar la descripción de esas actividades de forma conjunta y estructurada. Luego de revisar los principales aspectos asociados con la construcción y desempeño de rompeolas verticales, se examina el comportamiento del suelo blando de cimentación. Se consideran pruebas de laboratorio, pruebas in situ y una prueba de precarga instrumentada a gran escala. Se presta especial atención a la resistencia al corte no drenado, la rigidez en pequeñas deformaciones, las características de compresibilidad y los efectos de carga cíclica. Luego, el comportamiento del suelo se modela mediante una gama de diferentes leyes constitutivas de diferentes grados de complejidad. Se aborda explícitamente la representación adecuada de la anisotropía de la resistencia, la fluencia a largo plazo y el comportamiento cíclico. Se ha instalado un extenso sistema de monitoreo antes de la construcción, para la medición de presiones de poros y movimientos del suelo y, luego tras la pérdida de varios sensores, después del emplazamiento de los cajones. Una característica novedosa de la instrumentación fue la instalación de sensores en el frente y en la base del cajón para medir la respuesta hidráulica al impacto de las olas del mar. Los datos de seguimiento han proporcionado la información necesaria para lograr un conocimiento más sólido del comportamiento de los rompeolas en diferentes etapas de construcción y posconstrucción, incluida la respuesta bajo carga de tormenta. Se han realizado análisis numéricos para lograr una mejor comprensión del comportamiento del rompeolas durante la construcción, posconstrucción y bajo cargas cíclicas. Se destaca la interacción entre las mediciones realizadas, el historial de construcción y los resultados de la simulación. Se ha prestado especial atención a la evaluación de la estabilidad durante la construcción y posconstrucción. Siempre que sea relevante, las observaciones proporcionadas por el sistema de seguimiento se incorporan a la evaluación; La medición de la evolución de las presiones intersticiales ha demostrado ser importante para garantizar la seguridad del cajón durante la construcción. La estabilidad del rompeolas bajo cargas cíclicas también se ha evaluado utilizando métodos tanto simplificados como avanzados. Este conjunto de trabajos realizados en el contexto de un caso de estudio bien documentada debería resultar beneficioso para el diseño y la construcción de estructuras similares cimentadas en terreno blando.