Análisis de niveles de seguridad en túneles y galerías: manual del usuario del programa Aniset (versión 1)

El programa "ANISET" (Análisis de Niveles de Seguridad en Túneles) desarrollado por SINEX, S.A. constituye una herramienta de cálculo orientada a la realización de estudios de Fiabilidad de las estructuras de sostenimiento de túneles y galerías subterráneas. El desarrollo del Nuevo Método Austriaco de construcción de túneles (NATM) ha supuesto un gran avance de tecnificación en un tipo de obras tradicionalmente poco exigentes en lo que al cálculo de refiere. La aplicación de esta nueva metodología ha propiciado un gran desarrollo en la aplicación de métodos numéricos y de nuevos modelos de comportamiento para el estudio del problema de interacción terreno-sostenimiento. Sin embargo, la investigación en torno a procedimientos adecuados para la introducción de la seguridad en los cálculos no ha sido tan intensa, lo que ha creado un estado de cierta confusión entorno a este tema. Con este trabajo, se ha pretendido impulsar un avance en este terreno. Para ello se ha considerado que el mejor método era la aplicación de las técnicas de Fiabilidad Estructural en Nivel U, como de hecho se está realizando en muchos otros terrenos en el ámbito del cálculo estructural. Para realizar el programa, se ha tomado como base el modelo mecánico bidimensional desarrollado por P. Fritz (1984) que básicamente coincide con el aplicado en el programa SOSTENIM. En este modelo el terreno se considera un medio de comportamiento elastoplástico, de acuerdo al criterio de Mohr-Coulomb, sobre el que se realiza una excavación de sección circular. El sostenimiento se ha modelado teniendo en cuenta las aportaciones del hormigón proyectado, del acero de las armaduras y de las cerchas metálicas habitualmente utilizadas. Los Estados Límite considerados en el programa, para los cuales se han desarrollado las correspondientes funciones de fallo, son los siguientes: - Agotamiento de la capacidad resistente del terreno. Caracterizado por un radio de plastificación excesivo del terreno. - Agotamiento de la estructura, producido por la aparición de deformaciones superiores al máximo admisible por los materiales del sostenimiento. - Convergencia excesiva: el desplazamiento radial en el sostenimiento supera un máximo fijado por el proyectista en base a criterios prácticos de utilización, etc. El tratamiento de las incertidumbres para la estimación de los correspondientes índices de fiabilidad y probabilidades de fallo respecto a los 3 estados límite mencionados, responde básicamente al esquema propuesto por E. Rosenblueth (1981). Se espera que el enfoque eminentemente práctico dado al trabajo, y la sencillez de manejo del programa, permitan una fácil y útil aplicación del mismo.

La estabilidad del frente de excavación de un túnel en terrenos heterogéneos o con un criterio de rotura no-lineal

El frente de un túnel puede colapsar si la presión aplicada sobre el es inferior a un valor limite denominado presión “critica” o “de colapso”. En este trabajo se desarrolla y presenta un mecanismo de rotura rotacional generado punto a punto para el cálculo de la presión de colapso del frente de túneles excavados en terrenos estratificados o en materiales que siguen un criterio de rotura nolineal. La solución propuesta es una solución de contorno superior en el marco del Análisis Límite y supone una generalización del mecanismo de rotura mas reciente existente en la bibliografía. La presencia de un terreno estratificado o con un criterio de rotura no-lineal implica una variabilidad espacial de las propiedades resistentes. Debido a esto, se generaliza el mecanismo desarrollado por Mollon et al. (2011b) para suelos, de tal forma que se puedan considerar valores locales del ángulo de rozamiento y de la cohesión. Además, la estratificación del terreno permite una rotura parcial del frente, por lo que se implementa esta posibilidad en el mecanismo, siendo la primera solución que emplea un mecanismo de rotura que se ajusta a la estratigrafía del terreno. Por otro lado, la presencia de un material con un criterio de rotura no-lineal exige introducir en el modelo, como variable de estudio, el estado tensional en el frente, el cual se somete al mismo proceso de optimización que las variables geométricas del mecanismo. Se emplea un modelo numérico 3D para validar las predicciones del mecanismo de Análisis Limite, demostrando que proporciona, con un esfuerzo computacional significativamente reducido, buenas predicciones de la presión critica, del tipo de rotura (global o parcial) en terrenos estratificados y de la geometría de fallo. El mecanismo validado se utiliza para realizar diferentes estudios paramétricos sobre la influencia de la estratigrafía en la presión de colapso. Igualmente, se emplea para elaborar cuadros de diseño de la presión de colapso para túneles ejecutados con tuneladora en macizos rocosos de mala calidad y para analizar la influencia en la estabilidad del frente del método constructivo. Asimismo, se lleva a cabo un estudio de fiabilidad de la estabilidad del frente de un túnel excavado en un macizo rocoso altamente fracturado. A partir de el se analiza como afectan las diferentes hipótesis acerca de los tipos de distribución y de las estructuras de correlación a los resultados de fiabilidad. Se investiga también la sensibilidad de los índices de fiabilidad a los cambios en las variables aleatorias, identificando las mas relevantes para el diseño. Por ultimo, se lleva a cabo un estudio experimental mediante un modelo de laboratorio a escala reducida. El modelo representa medio túnel, lo cual permite registrar el movimiento del material mediante una técnica de correlación de imágenes fotográficas. El ensayo se realiza con una arena seca y se controla por deformaciones mediante un pistón que simula el frente. Los resultados obtenidos se comparan con las estimaciones de la solución de Análisis Límite, obteniéndose un ajuste razonable, de acuerdo a la literatura, tanto en la geometría de rotura como en la presión de colapso. A tunnel face may collapse if the applied support pressure is lower than a limit value called the ‘critical’ or ‘collapse’ pressure. In this work, an advanced rotational failure mechanism generated ‘‘point-by-point” is developed to compute the collapse pressure for tunnel faces in layered (or stratified) grounds or in materials that follow a non-linear failure criterion. The proposed solution is an upper bound solution in the framework of limit analysis which extends the most advanced face failure mechanism in the literature. The excavation of the tunnel in a layered ground or in materials with a non-linear failure criterion may lead to a spatial variability of the strength properties. Because of this, the rotational mechanism recently proposed by Mollon et al. (2011b) for Mohr-Coulomb soils is generalized so that it can consider local values of the friction angle and of the cohesion. For layered soils, the mechanism needs to be extended to consider the possibility for partial collapse. The proposed methodology is the first solution with a partial collapse mechanism that can fit to the stratification. Similarly, the use of a nonlinear failure criterion introduces the need to introduce new parameters in the optimization problem to consider the distribution of normal stresses along the failure surface. A 3D numerical model is employed to validate the predictions of the limit analysis mechanism, demonstrating that it provides, with a significantly reduced computational effort, good predictions of critical pressure, of the type of collapse (global or partial) in layered soils, and of its geometry. The mechanism is then employed to conduct parametric studies of the influence of several geometrical and mechanical parameters on face stability of tunnels in layered soils. Similarly, the methodology has been further employed to develop simple design charts that provide the face collapse pressure of tunnels driven by TBM in low quality rock masses and to study the influence of the construction method. Finally, a reliability analysis of the stability of a tunnel face driven in a highly fractured rock mass is performed. The objective is to analyze how different assumptions about distributions types and correlation structures affect the reliability results. In addition, the sensitivity of the reliability index to changes in the random variables is studied, identifying the most relevant variables for engineering design. Finally, an experimental study is carried out using a small-scale laboratory model. The problem is modeled in half, cutting through the tunnel axis vertically, so that displacements of soil particles can be recorded by a digital image correlation technique. The tests were performed with dry sand and displacements are controlled by a piston that supports the soil. The results of the model are compared with the predictions of the Limit Analysis mechanism. A reasonable agreement, according to literature, is obtained between the shapes of the failure surfaces and between the collapse pressures observed in the model tests and computed with the analytical solution.

Evaluación de la seguridad al deslizamiento de una presa de fábrica en un cimiento con una familia de discontinuidades y con un criterio de rotura con ley de fluencia no asociada

En España existen del orden de 1,300 grandes presas, de las cuales un 20% fueron construidas antes de los años 60. El hecho de que existan actualmente una gran cantidad de presas antiguas aún en operación, ha producido un creciente interés en reevaluar su seguridad empleando herramientas nuevas o modificadas que incorporan modelos de fallo teóricos más completos, conceptos geotécnicos más complejos y nuevas técnicas de evaluación de la seguridad. Una manera muy común de abordar el análisis de estabilidad de presas de gravedad es, por ejemplo, considerar el deslizamiento a través de la interfase presa-cimiento empleando el criterio de rotura lineal de Mohr-Coulomb, en donde la cohesión y el ángulo de rozamiento son los parámetros que definen la resistencia al corte de la superficie de contacto. Sin embargo la influencia de aspectos como la presencia de planos de debilidad en el macizo rocoso de cimentación; la influencia de otros criterios de rotura para la junta y para el macizo rocoso (ej. el criterio de rotura de Hoek-Brown); las deformaciones volumétricas que ocurren durante la deformación plástica en el fallo del macizo rocoso (i.e., influencia de la dilatancia) no son usualmente consideradas durante el diseño original de la presa. En este contexto, en la presente tesis doctoral se propone una metodología analítica para el análisis de la estabilidad al deslizamiento de presas de hormigón, considerando un mecanismo de fallo en la cimentación caracterizado por la presencia de una familia de discontinuidades. En particular, se considera la posibilidad de que exista una junta sub-horizontal, preexistente y persistente en el macizo rocoso de la cimentación, con una superficie potencial de fallo que se extiende a través del macizo rocoso. El coeficiente de seguridad es entonces estimado usando una combinación de las resistencias a lo largo de los planos de rotura, cuyas resistencias son evaluadas empleando los criterios de rotura no lineales de Barton y Choubey (1977) y Barton y Bandis (1990), a lo largo del plano de deslizamiento de la junta; y el criterio de rotura de Hoek y Brown (1980) en su versión generalizada (Hoek et al. 2002), a lo largo del macizo rocoso. La metodología propuesta también considera la influencia del comportamiento del macizo rocoso cuando este sigue una ley de flujo no asociada con ángulo de dilatancia constante (Hoek y Brown 1997). La nueva metodología analítica propuesta es usada para evaluar las condiciones de estabilidad empleando dos modelos: un modelo determinista y un modelo probabilista, cuyos resultados son el valor del coeficiente de seguridad y la probabilidad de fallo al deslizamiento, respectivamente. El modelo determinista, implementado en MATLAB, es validado usando soluciones numéricas calculadas mediante el método de las diferencias finitas, empleando el código FLAC 6.0. El modelo propuesto proporciona resultados que son bastante similares a aquellos calculados con FLAC; sin embargo, los costos computacionales de la formulación propuesta son significativamente menores, facilitando el análisis de sensibilidad de la influencia de los diferentes parámetros de entrada sobre la seguridad de la presa, de cuyos resultados se obtienen los parámetros que más peso tienen en la estabilidad al deslizamiento de la estructura, manifestándose además la influencia de la ley de flujo en la rotura del macizo rocoso. La probabilidad de fallo es obtenida empleando el método de fiabilidad de primer orden (First Order Reliability Method; FORM), y los resultados de FORM son posteriormente validados mediante simulaciones de Monte Carlo. Los resultados obtenidos mediante ambas metodologías demuestran que, para el caso no asociado, los valores de probabilidad de fallo se ajustan de manera satisfactoria a los obtenidos mediante las simulaciones de Monte Carlo. Los resultados del caso asociado no son tan buenos, ya que producen resultados con errores del 0.7% al 66%, en los que no obstante se obtiene una buena concordancia cuando los casos se encuentran en, o cerca de, la situación de equilibrio límite. La eficiencia computacional es la principal ventaja que ofrece el método FORM para el análisis de la estabilidad de presas de hormigón, a diferencia de las simulaciones de Monte Carlo (que requiere de al menos 4 horas por cada ejecución) FORM requiere tan solo de 1 a 3 minutos en cada ejecución. There are 1,300 large dams in Spain, 20% of which were built before 1960. The fact that there are still many old dams in operation has produced an interest of reevaluate their safety using new or updated tools that incorporate state-of-the-art failure modes, geotechnical concepts and new safety assessment techniques. For instance, for gravity dams one common design approach considers the sliding through the dam-foundation interface, using a simple linear Mohr-Coulomb failure criterion with constant friction angle and cohesion parameters. But the influence of aspects such as the persistence of joint sets in the rock mass below the dam foundation; of the influence of others failure criteria proposed for rock joint and rock masses (e.g. the Hoek-Brown criterion); or the volumetric strains that occur during plastic failure of rock masses (i.e., the influence of dilatancy) are often no considered during the original dam design. In this context, an analytical methodology is proposed herein to assess the sliding stability of concrete dams, considering an extended failure mechanism in its rock foundation, which is characterized by the presence of an inclined, and impersistent joint set. In particular, the possibility of a preexisting sub-horizontal and impersistent joint set is considered, with a potential failure surface that could extend through the rock mass; the safety factor is therefore computed using a combination of strength along the rock joint (using the nonlinear Barton and Choubey (1977) and Barton and Bandis (1990) failure criteria) and along the rock mass (using the nonlinear failure criterion of Hoek and Brown (1980) in its generalized expression from Hoek et al. (2002)). The proposed methodology also considers the influence of a non-associative flow rule that has been incorporated using a (constant) dilation angle (Hoek and Brown 1997). The newly proposed analytical methodology is used to assess the dam stability conditions, employing for this purpose the deterministic and probabilistic models, resulting in the sliding safety factor and the probability of failure respectively. The deterministic model, implemented in MATLAB, is validated using numerical solution computed with the finite difference code FLAC 6.0. The proposed deterministic model provides results that are very similar to those computed with FLAC; however, since the new formulation can be implemented in a spreadsheet, the computational cost of the proposed model is significantly smaller, hence allowing to more easily conduct parametric analyses of the influence of the different input parameters on the dam’s safety. Once the model is validated, parametric analyses are conducting using the main parameters that describe the dam’s foundation. From this study, the impact of the more influential parameters on the sliding stability analysis is obtained and the error of considering the flow rule is assessed. The probability of failure is obtained employing the First Order Reliability Method (FORM). The probabilistic model is then validated using the Monte Carlo simulation method. Results obtained using both methodologies show good agreement for cases in which the rock mass has a nonassociate flow rule. For cases with an associated flow rule errors between 0.70% and 66% are obtained, so that the better adjustments are obtained for cases with, or close to, limit equilibrium conditions. The main advantage of FORM on sliding stability analyses of gravity dams is its computational efficiency, so that Monte Carlo simulations require at least 4 hours on each execution, whereas FORM requires only 1 to 3 minutes on each execution.

Contribución al conocimiento de los primeros geotécnicos del siglo XX

Leyendo distintos artículos en la Revista de Obras Públicas (Jiménez Salas, 1945) uno recuerda a las grandes figuras como Coulomb (1773), Poncelet (1840), Rankine (1856), Culmann (1866), Mohr (1871), Boussinesq (1876) y otros muchos, que construyeron la base de un conocimiento que poco a poco irían facilitando la complicada tarea que suponía la construcción. Pero sus avances eran aproximaciones que presentaban notables diferencias frente al comportamiento de la naturaleza. Esas discrepancias con la naturaleza llegó un momento que se hicieron demasiado patentes. Importantes asientos en la construcción de los modernos edificios, rotura de presas de materiales sueltos y grandes corrimientos de tierras, por ejemplo durante la construcción del canal de Panamá, llevaron a la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) a crear un comité que analizase las prácticas de la construcción de la época. Hechos similares se producían en Europa, por ejemplo en desmontes para ferrocarriles, que en el caso de Suecia supusieron unas cuantiosas perdidas materiales y humanas. El ingeniero austriaco-americano Karl Terzaghi (1883) había podido comprobar, en su práctica profesional, la carencia de conocimientos para afrontar muchos de los retos que la naturaleza ofrecía. Inicialmente buscó la respuesta en la geología pero encontró que ésta carecía de la definición necesaria para la práctica de la ingeniería, por lo que se lanzó a una denodada tarea investigadora basada en el método experimental. Comenzó en 1917 con escasos medios, pero pronto llegó a desarrollar algunos ensayos que le permitieron establecer los primeros conceptos de una nueva ciencia, la Mecánica de Suelos. Ciencia que ve la luz en 1925 con la publicación de su libro Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage. Rápidamente otras figuras empezaron a hacer sus contribuciones científicas y de divulgación, como es el caso del ingeniero austriaco-americano Arthur Casagrande (1902), cuya iniciativa de organizar el primer Congreso Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones proporcionó el altavoz que necesitaba esa nueva ciencia para su difusión. Al mismo tiempo, más figuras internacionales se fueron uniendo a este período de grandes avances e innovadores puntos de vista. Figuras como Alec Skempton (1914) en el Reino Unido, Ralph Peck (1912) en los Estados Unidos o Laurits Bjerrum (1918) en Noruega sobresalieron entre los grandes de la época. Esta tesis investiga las vidas de estos geotécnicos, artífices de múltiples avances científicos de la nueva ciencia denominada Mecánica de Suelos. Todas estas grandes figuras de la geotecnia fueron presidentes, en distintos periodos, de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. Se deja constancia de ello en las biografías que han sido elaboradas a partir de fuentes de variada procedencia y de los datos cruzados encontrados sobre estos extraordinarios geotécnicos. Así, las biografías de Terzaghi, Casagrande, Skempton, Peck y Bjerrum contribuyen no solo a su conocimiento individual sino que constituyen conjuntamente un punto de vista privilegiado para la comprensión de los acontecimientos vividos por la Mecánica de Suelos en el segundo tercio del siglo XX, extendiéndose en algunos casos hasta los albores del siglo XXI. Las aportaciones científicas de estos geotécnicos encuentran también su lugar en la parte técnica de esta tesis, en la que sus contribuciones individuales iniciales que configuran los distintos capítulos conservan sus puntos de vista originales, lo que permite tener una visión de los principios de la Mecánica de Suelos desde su mismo origen. On reading several articles in the journal, Revista de Obras Públicas (Jiménez Salas, 1945), one recalls such leading figures as Coulomb (1773), Poncelet (1840), Rankine (1856), Culmann (1866), Mohr (1871) and Boussinesq (1876) among many others, who created the basis of scientific knowledge that would make the complicated task of construction progressively easier. However, their advances were approximations which suffered considerable discrepancies when faced with the behaviour of the forces of nature. There came a time when such discrepancies became all too evident. Substantial soil settlements when constructing modern buildings, embankment dam failures and grave landslides, during the construction of the Panama Canal for example, led the American Society of Civil Engineers (ASCE) to form a committee in order to analyse construction practices of the time. Similar incidents had taken place in Europe, for example with railway slides, which in the case of Sweden, had resulted in heavy losses in both materials and human lives. During the practice of his career, the Austrian-American engineer Karl Terzaghi (1883) had encountered the many challenges posed by the forces of nature and the lack of knowledge at his disposal with which to overcome them. Terzaghi first sought a solution in geology only to discover that this lacked the necessary accuracy for the practice of engineering. He therefore threw himself into tireless research based on the experimental method. He began in 1917 on limited means but soon managed to develop several tests, which would allow him to establish the basic fundamentals of a new science; Soil Mechanics, a science which first saw the light of day on the publication of Terzaghi’s book, Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage. Other figures were quick to make their own scientific contributions. Such was the case of Austrian-American engineer, Arthur Casagrande (1902), whose initiative to organize the first International Congress of Soil Mechanics and Foundation Engineering provided the springboard that this science needed. At the same time, other international figures were becoming involved in this period of great advances and innovative concepts. Figures including the likes of Alec Skempton (1914) in the United Kingdom, Ralph Peck (1912) in the United States, and Laurits Bjerrum (1918) in Norway stood out amongst the greatest of their time. This thesis investigates the lives of these geotechnical engineers to whom we are indebted for a great many scientific advances in this new science known as Soil Mechanics. Moreover, each of these eminent figures held the presidency of the International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, record of which can be found in their biographies, drawn from diverse sources, and by crosschecking and referencing all the available information on these extraordinary geotechnical engineers. Thus, the biographies of Terzaghi, Casagrande, Skempton, Peck and Bjerrum not only serve to provide knowledge on the individual, but moreover, as a collective, they present us with an exceptional insight into the important developments which took place in Soil Mechanics in the second third of the 20th century, and indeed, in some cases, up to the dawn of the 21st. The scientific contributions of these geotechnical engineers also find their place in the technical part of this thesis in which the initial individual contributions which make up several chapters retain their original approaches allowing us a view of the principles of Soil Mechanics from its very beginnings.