LIMITES DEL EMPIRISMO EN

INGENIERIA DE ROCAS

Ricardo Jose Rocca

Universidad Nacional de Córdoba

rjrocca@unc.edu.ar

MAPA DEL SITIO

• ALCANCE Y MOTIVACION

• LIMITES NATURALES

• PERSPECTIVA HISTORICA

• EL DISEÑO EN INGENIERIA DE ROCAS

• EMPIRISMO EN DISEÑO DE SOPORTES

• EMPIRISMO EN ANALISIS EXPERIMENTAL

• EMPIRISMO EN EXTRAPOLACION

• INFLUENCIA EN CONSTRUCCIONES

• CONCLUSIONES

ALCANCE

• Límites en acepciones: como umbral y limitación/debilidad

• Empirismo = práctica o uso de antecedentes

• Se circunscribe a Ingeniería de Rocas

• No es lo mismo que Mecánica de Rocas

Definiciones:

Mecánica de rocas: es el estudio de la estática y dinámica de las masas rocosas

Ingeniería de rocas: involucra ingeniería con rocas, especialmente la construcción de estructuras en o sobre macizos rocosos, y su proceso de diseño.

ALCANCE: Conceptos de Viggiani

Viggiani C.: Does engineering need science?

en D. Kolymbas Ed. (1999)

Constitutive Modelling of Granular Materials. pp 25-36. Springer-Verlag

PARTICIÓN DEL CONOCIMIENTO (Viggiani, 1999)

Subdivisión por objetos:

• Señala que “las ciencias empíricas son en cierto modo similares a las exactas. Son diferentes del conocimiento pre-científico ya que están basadas en métodos experimentales y son desarrolladas por especialistas cuyo trabajo tiene propósitos cognoscitivos puros”.

• “Las ciencias empíricas no poseen un requisito de las ciencias exactas: la estructura deductiva rigurosa. No pueden ser derivados por métodos demostrativos, no pueden ser sino modelos de una fenomenología específica, y sus resultados no pueden ser extendidos a diferentes condiciones”.

• Por esa razón son convenientemente subdivididas por su objeto (por ej: Mecánica de Suelos).

Ej. Mecánica de Rocas

Fundamentals of Rock Mechanics

J. C. JAEGER

1907-1979

N.G.W. COOK

1938-1998

Ej Ingeniería de Rocas

Libros de E. Hoek

• Rock Slope Engineering

• Underground Excavations in rocks

• Practical rock engineering

MOTIVACIÓN 1: Involución?

• 1974 2016

MOTIVACIÓN 2

• Libro en proceso (que ya lo ofrece Amazon):

Barton N. and Bandis S. (2017?)

Engineering in jointed and faulted rock. CNR Press

Engineering in Jointed and Faulted Rock aims to provide the

background knowledge, necessary tools, and guidelines for rationalized

and consistent engineering approaches to design and construction in

and on jointed and faulted rock. Three avenues will be exploited to that

effect: mechanics, empiricism and analysis (including numerical

analysis).

LIMITES DE LA NATURALEZA

La naturaleza también

trabaja con rocas en el

paisaje que pueden

indicar límites en

geometría estabilizada

GRAN EXCAVACIÓN SUPERFICIAL

• Bingham canyon (Kennecop copper mine).

1200 m de profundidad

Los datos de monitoreo y

fallas en minería sirven para

backanalisis de propiedades

EXCAVACIONES NATURALES

• Cañón del Colorado: 1730 m

• Cañones asiáticos de Gilgit, Indus (5200 m)

Yarlun Zangbo (6000 m)

Kali Gandaki(5570 m)

GRAN EXCAVACIÓN SUBTERRÁNEA

• Caverna Olímpica de GJOVIK (sección 62 m. de luz, 1992)

ESPACIOS SUBTERRANEOS

• Grandes cavernas de Gunung Mulu (Monte Mulu)

Conocido desde 1858

Parque Nacional desde 1994

World Heritage, ONU en 2001

Gran anticlinal con disoluciones internas

Máxima cámara: Sarawak (1980)

Máximo túnel: Deer Cave

Máxima dolina: Garden of Eden

ESPACIOS SUBTERRANEOS

• Cámara de Sarawak (435 m. de luz, 420 m tapada)

Entran los 40 jumbos?

ESPACIOS SUBTERRÁNEOS

• Tunel: Deer Cave (Mínimo: 90 m x 90 m, Máximo: 174 m x 122 m)

• Dolina: Garden of Eden (1000 m x 1000 m)

ESPACIOS SUBTERRÁNEOS

• Evolución de las cavernas de Mulu (Gillieson & Clar, 2014)

ESPACIOS SUBTERRÁNEOS

• Estabilidad de cámara de SarawakA la presencia del anticlinal,

se le suma un micropliegue que

genera una doble curvatura

ESPACIOS SUBTERRÁNEOS

• Hipótesis de máxima de ex-cámara del Garden of Eden

Dimensión: 1000m x 700m

Planta: 52 has

Anticlinal:

arco con

curvatura

simple

MARCO INTERPRETATIVO (Rocca, 2008)

Peck (1979) indica existencia de la dualidad de la

• Ciencia Ingenieril (Paradigma de la teoría)

• Práctica Ingenieril (Paradigma de la práctica)

Algo similar se observa en otras disciplinas talcomo la Medicina donde se reconoce:

• Ciencia Biomédica

• Medicina Clínica

Los médicos luego de egresar de las Escuelas de Medicina, hacen residencias en hospitales para adquirir destrezasprácticas. En Ingeniería, esta última actividad se lleva a cabo principalmente en la vida profesional.

PROCESO DE DISEÑO (Rocca, 2008)

PARADIGMAS DE TEORIA Y PRACTICA(Vick 2002; Burland, 1989,2007)

EL TETRAEDRO EN ROCAS

• El triángulo geotécnico es una proyección

• La forma real es parecida al H3O (ion hidronio) debido a

la influencia del empirismo

EVOLUCIÓN DEL TETRAEDRO

Se puede analizar siguiendo el esquema de Vick

(2002), quien ha escrito una suerte de Epistemología de la

Geotecnia. Vick no lo menciona a Burland ni éste a Vick

Evolución de paradigmas (Rocca 2009)

El paradigma de la Teoría: esquema perforar-ensayar-modelar. De

tipo deductivo.

El paradigma de la Práctica: inducción antes y después de la teoría.

Función del Juicio o Criterio Ingenieril. No se enseña formalmente.

CIENCIA, TECNICA, TECNOLOGÍA:• Ciencia (del latin scientĭa „conocimiento') es un sistema ordenado de

conocimientos estructurados. Los conocimientos científicos se obtienen mediante observaciones y experimentaciones en ámbitos específicos. A partir de estos se generan preguntas y razonamientos, se construyen hipótesis, se deducen principios y se elaboran leyes generales y sistemas organizados por medio de un método científico.

Está asociado con el Paradigma de la Teoría.

• Técnica (del griegoτέχνη [tékne] 'arte') es un procedimiento o juego de reglas, standares o protocolos que tienen como objeto alcanzar un resultado particular. Generalmente se adquiere a través de la práctica y requiere de algunas habilidades.

Esta asociado al Paradigma de la Práctica.

• Tecnología (del griego τεχνολογία formado por téchnē(τέχνη, arte, técnica, habilidad) y logia (λογία, estudio) es un conjunto de conocimientos técnicos, ordenados cientificamente, que permite diseñar y crear bienes y servicios.

Está localizado en la zona intermedia entre los dos paradigmas, se la denomina Espacio Tecnologico.

ALGUNAS RAZONES HISTORICAS

• Tal como en Geotecnia hay raíces empíricas

• Terzaghi trató de hacer empirismo en la década de

1910, cuando fue al USBR (USA). Luego se dedicó a

ensamblar la MS.

• La MR se estableció a fines de 1950 (Talobre) y la

institucionalización se realizó en 1962 (ISRM) (descuido

por parte de la ISSMFE??).

• Tendencia a buscar correlaciones

• Entre los años 1960-1970 se propusieron métodos de

clasificación con correlaciones empíricas tuvieron amplia

aceptación (RMR, 1973, Q, 1974, …..)

DISEÑO EN INGENIERÍA DE ROCAS

La ISRM ha sacado un libro que condensa los métodos sugeridos por el TC

Feng and Hudson, 2011

DISEÑO EN INGENIERIA DE ROCAS (Feng and Hudson, 2011)

Los ocho principales métodos de modelación.

Métodos A–D, representan complejidad creciente desde A–D

Niveles 1 & 2. En 1: hay un intento explícito de modelar la geometría

En 2: no existe.

Paradigma

Teoría

Paradigma

Práctica

Caso 1. Empirismo en Diseño

Caso 1. Empirismo en Diseño

SISTEMAS DE CLASIFICACION EN DISEÑO DE

SOSTENIMIENTO (Rocca, 2015)

UBICACIÓN DE LOS SISTEMAS (Rocca, 2015)

DISEÑO EMPIRICO: por ej Q

COMBINACIÓN TECNOLOGICAEj Celada 2014

DISEÑO ANALITICO (Wittke Sommer 2011)

• Método Empírico Método Análítico

CONCLUSION DEL CASO 1 (Wittke Sommer 2011)

• El empirismo no da solución única:

tres métodos, tres resultados

Caso 2: Empirismo en el

método experimental

Caso 2: Empirismo y método experimentalMODELACION CONTINUA EQUIVALENTE

“Pregunta fundadora” de ISRM, de L. Müller (mayo 1962):

“No conocemos la resistencia de los macizos rocosos, y por esto es

que necesitamos una Sociedad International”

Respuesta más empleada: Hoek-Brown, a fines de 1970:

…se presenta un criterio de falla empírico simple y sus

aplicaciones en el diseño enginieril se ilustran por medio

de un número de ejemplos prácticos...(Hoek Rankine Lecture, 1983)

HOEK BROWN 1

…el proceso usado en la derivación fue simplemente uno de prueba y error.

Salvo el punto de comienzo conceptual proveniente de la teoría de

Griffith, no hay relaciones fundamentales entre las constantes empíricas

incluídas en el criterio y alguna característica física de las rocas (Hoek

Rankine L,1983).

El criterio empírico contiene

tres constantes m, s y σc

Las constantes m y s son

adimensionales y

aproximadamente análogos

al ángulo of fricción, Φ, y la

cohesión, c , del criterio de

Mohr- Coulomb.

HOEK BROWN 2

Desarrollo experimental

Constante m: tipo de rocas Constante s: integridad macizo

calcáreos granitos

Verificación basada en triaxiales de andesita de Panguna

(Bouganville, Papua Nueva Guinea)

HOEK BROWN 3

Extrapolación inicial de

m y s,

basada en RMR y Q

HOEK BROWN 4

Liberación por medio del GSI (Geological Strength index), 1995, 2013

HOEK BROWN 5

Difusión: mediante el ROCLAB (“Trivialización” de la pregunta de Müller)

HOEK BROWN 6

Parámetros por default

Estimación de módulo

macizo en base a GSI

(2002, 2006)

> GSI sirve como

función de transferencia

Pérdida de Control: Ej. en International J. of Geomechanics

Acaba de aparecer (2016, #3):

HOEK BROWN 7

VALIDACION DEL MODELO HOEK BROWN

• El modelo de H-B fue desarrollado para minería

• En minería existen criterios menos conservativos que en

ingeniería civil debido a la temporalidad más reducida de

las obras. La ingeniería civil se beneficia de este hecho.

• La difusión del método ha sido la clave de su

reconocimiento.

• La modelación continua es la más empleada en rocas

• Existen fuerte oposición por la línea de pensamiento que

sigue la modelación discontinua que predomina a baja

profundidad.

VALIDACION DEL MODELO HOEK BROWN

• Rango de Validez

Válido para medio isótropo

Se puede usar en los extremos:

roca intacta o muy fracturada.

Definición de REV (Volumen

elemental representativo) toma

la relación entre tamaño de

excavación y bloques.

Hay cuestionamientos en ambos

casos

MODELACIÓN CONTINUA vs DISCONTINUAUna Alternativa de la Teoría:

Masa rocosa sintética (SRM) (Cundall 2008)

Esperamos que SRM pueda reemplazar los métodos empíricos.

Entonces, podremos saltar directamente desde las propiedades a escalas

pequeñas y el DFN (Discrete Fracture Network) al comportamiento a gran

escala del macizo, eludiendo la metodología GSI/Hoek-Brown (por ejemplo).

MODELACIÓN CONTINUA vs DISCONTINUA

It is clear that the shear strength of

the jointed model will be dominated

by „the weakness‟of its jointing.

Equivalent continuum values of

shear strength will be assigned in the

case of the continuum

representation. It is here that the

problems begin.

The limitations of M-C, H-B are likely

to be observed. (Barton, 2013)

(Models by Lise Backer, NGI. Barton 2013)

Caso 3: Empirismo en

Predicción fuera de escala

Caso 3: Empirismo en extrapolación

PREDICCION FUERA ESCALA

• Cuál es la capacidad de predicción del empirismo? (Hudson 2011)

Como en otras ramas de la ingeniería, el empirismo tiene limitaciones cuando la

extrapolación no es continua.

Extrapolación fuera de escala significa que de 1, 2,3,.. se saltea no a 4, sino a

40, 400. Alli predomina el Paradigma de la Teoría.

Ej EXTRAPOLACION FUERA DE ESCALA

Gran desarrollo de UNO: Underground Neutrine Observatory

Deficiencias en el SM con la aparición de neutrinos con masa

Esquemas exitosos (Nobel)

Ej EXTRAPOLACION FUERA DE ESCALA

UNO: Underground Neutrine Observatories. (Bettini 2015)

Laboratorios y proyectos en auge

Premio Nobel en 2002 y 2015 (Homestake, Kamioka, SNO)

Ej EXTRAPOLACION

Caso local. ANDES LAB con acceso en Túnel Agua Negra (Bettini 2015)

Ej EXTRAPOLACION

USA:NSF DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory)

Umbral en excavaciones,

línea empírica que no tiene en

cuenta:

tensiones (solicitaciones)

deformabilidad (macizos)

anisotropía, discontinuidades

Confianza constructiva

The proposal to develop a cavity such as UNO would be

«stretching the state of the art»(Elsworth & Fairhurst, 2006)

Predominio de Paradigma de Teoría.

Puede haber algo de empirismo?

Ej EXTRAPOLACION

USA:NSF DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory)

The proposal to develop a cavity such as UNO would be

«stretching the state of the art»(Elsworth & Fairhurst, 2006)

Predominio de P. Teoría.

Puede haber algo de empirismo? Usar datos de cavernas naturales

?

420 m

Ambas líneas tienen

sólo fines geométricos

Sarawak

Ej EXTRAPOLACION

Propuesta para DUSEL con base empírica: Kimballton, Virginia

Genera una línea empírica agregando otros datos cavernas naturales

Diseña el sostenimiento basados en RMR, Q

Ej EXTRAPOLACION

DUSEL en Homestake, ahora Sandford Underground Research Facility

Proyecto seleccionado por NSF

Recibió donación estatal: SD

Filántropo donó US$ 70mm

Patrocinio de DOE

Se reconfiguró y se está

desarrollando más

modestamente

Tanque de 30 kt

Ej EXTRAPOLACION EUROPA: LAGUNA-LBNO en Frejus (Design Study 2014. Water Detector.500 Tn Project)

Large Apparatus studying Grand Unification, Neutrino Astrophysics and

Long Baseline Neutrino Oscillation (programado en 16 años)

Ej EXTRAPOLACION JAPON: HYPER KAMIOKANDE. Kamioka Nucleon Decay Experiment

En Anteproyecto 2016 aparecen tanques de

76 m. de diámetro(HK Design Report 2016)

Ej EXTRAPOLACION Comparaciones entre LAGUNA-LBNO y Hyper KamiokANDE(Laguna Design Study 2014. Water Detector.500 Tn Project) – (HK Design Report 2016)

Tanques de distinto diámetro

Distintas profundidades

EJ. EXTRAPOLACIONComparaciones entre Hyper KamiokANDE y LAGUNA-SBNO

HK, gneiss migmatitico,

Flac3D, HB

LAGUNA, esquistos calcáreos,

Flac, retroanálisis de Frejus

NO TRATADO POR EXTENSO

Métodos constructivos

Desarrollo de los sistemas de sostenimiento, tanto superficiales como

subterráneos:

Anclajes

Enfilados, forepoling

Hormigón proyectado

La mayoría de ellos nacieron a través de la práctica, sobre la marcha.

Hay casos especiales, como los anclajes para soportar cargas

dinámicas (rockburst) o sistemas de cilindros deformables que fueron

pensados antes.

Tal es el caso de los NPB, Negative Poisson Bolts.

CONCLUSIONES

•En ingeniería de rocas, por ser reciente, predominan variaciones empíricas basados en experiencias previas.

•La naturaleza brinda ejemplos de grandes excavaciones superficiales y subterráneas, aún cuando no tengan sistemas de sostenimiento. En general, las obras de ingeniería son todavía pequeñas en dimensiones.

•Es posible explicar el empirismo asimilándolo al Paradigma de la Práctica según esquemas de Vick y Burland. En los últimos 50 años hay incrementos del Paradigma de la Teoría, y del Espacio Tecnológico intermedio.

•En los sistemas clasificatorios que asignan elementos de sostenimiento en túneles y taludes, hay distintas variantes que van desde el empirismo puro hasta esquemas tecnológicos. Hay controversias entre escuelas.

•La modelación de los macizos como medios continuos equivalente, tiene algunas limitaciones cuando se analiza la forma de ruptura de los mismos. Se debería migrar hacia medios discontinuos, cuando las tensiones lo ameriten.

•El diseño empírico es factible dentro del rango de antecedentes. Al cambiar de escala, el Paradigma de la Teoría tenderá a predominar, aunque pueda haber empirismo en valoraciones de anteproyectos. Lo más importante, en ambos casos, es conocer los fundamentos para tomar conciencia de las limitaciones.

MUCHAS GRACIAS

POR LA ATENCION !!