LIMITES DEL EMPIRISMO EN
INGENIERIA DE ROCAS
Ricardo Jose Rocca
Universidad Nacional de Córdoba
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 Ingeniería de Rocas
Libros de E. Hoek
• Rock Slope Engineering
• Underground Excavations in rocks
• Practical rock engineering
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)
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 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
• 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.
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
CONCLUSION DEL CASO 1 (Wittke Sommer 2011)
• El empirismo no da solución única:
tres métodos, tres resultados
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
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 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
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.