Mapping surface deformation in open pit iron mines of Carajas Province (Amazon Region) using an integrated SAR analysis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mapeamento geológico-geotécnico pelo método de detalhamento progressivo: aplicação no planejamento e gestão de obras rodoviárias

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Güímar and La Orotava mega-landslides (Tenerife) and tsunamis deposits in Canary Islands

More than 20 mega-landslides have been described in the Canary Islands affecting the flanks of the volcanic edifices. Gliimar and La Orotava landslides, in Tenerife, are two exceptional cases due to their huge dimensions and outstanding geomorphological features. The estimated volume of these landslides exceed tens of cubic km. Tsunami deposits have been also identified in some of the islands of the archipelago probably associated to the large landslides of the islands flanks. An investigation has been carried out to explain the causes of these large instability processes and their failure mechanisms. One of the main aspects investigated was the geomechanical characteristics of the volcanic rock masses, specially the hyaloclastite rocks forming the substratum underlying the emerged volcanic building. The low strength and high deformability properties of these rocks have played a fundamental role on the stability of the island flanks. The results have shown the gravitational origin of these instability processes as the main failure mechanism. Volcanic eruptions or large earthquakes could be contributing factors to the instability, but according with the data obtained in Gliimar and La Orotava cases they are not necessary as triggering factors. As a result of the field work carried out in the frame of the project, three large tsunami deposits have been identified in the islands of Lanzarote, Tenerifc and Gran Canaria attributed to rnega-Iandslides, possibly related to Guimar and La Orotava. A Sumrnary of their main features is described.

La habitación subterránea en la Península Ibérica : investigación geológica

La habitación rupestre en la Península Ibérica conforma un amplio conjunto de manifestaciones cuyos orígenes son difíciles de dilucidar. Existen conjuntos primitivos, posiblemente horadados durante la Antigüedad Clásica y Tardía, y otros que probablemente se originaron y excavaron en la Alta Edad Media, en los que se mezclan grupos de origen religioso y otros de probable uso defensivo. El conjunto peninsular es sin duda el más variado de Europa Occidental, pues recibió influencias árabes y usos de la cristiandad antigua, importados de Oriente Próximo, que por tanto relacionan estas manifestaciones con otras del arco mediterráneo. La supervivencia del uso de las cuevas a lo largo de la Baja Edad Media -una vez afianzada la Reconquista- es una incógnita, pero los usos rupestres volvieron a generalizarse en ciertos sectores de la Península durante la Edad Moderna, toda vez que el hábitat cuevero manifestó una eclosión relacionada con la peripecia de los moriscos, primero desterrados de sus habitaciones en el Sur y Este peninsular y luego expulsados en los albores del siglo XVII. Los que quedaron, nominalmente conversos, debieron habitar de nuevo cuevas en sus lugares de origen. Esos núcleos son los más abundantes, particularmente en la provincia de Granada y aledañas. Este substrato fue seguramente el punto de apoyo para la proliferación de las cuevas de habitación a partir del siglo XIX, en el cual un creciente proletariado agrícola y urbano necesitó de alojamientos baratos y no hizo sino imitar usos preexistentes, que se pueden rastrear en muchos de los núcleos rupestres que sobrevivieron mayoritariamente hasta bien entrado el siglo XX, y que se abandonaron gradualmente a partir de los años 60 de esa centuria. Para entonces, existían barrios de cuevas extensos en muchas provincias, destacando, aparte de las andaluzas, ciertas zonas de la Cuenca del Ebro (aragonesa, navarra y riojana), del arco periurbano de Valencia, del Sur de Madrid, de la Mancha toledana, o de las provincias de Albacete, Guadalajara, Murcia e incluso de Palencia. Los núcleos antiguos se excavaron -en razón de su origen dedicado a defensa y refugio- en lugares poco accesibles, que mayoritariamente se dan en relieves anfractuosos, en las orlas marginales detríticas y carbonatadas de las cuencas terciarias y en terrenos más antiguos de la geológicamente denominada Cuenca Vasco Cantábrica, en las cuales florecieron centros de eremitismo del primitivo condado de Castilla. También son lugares inaccesibles los riscos asomados a cantiles fluviales, cuya regularización morfológica natural ha sido causa de la ruina de múltiples hipogeos que se labraron con las mismas intenciones de refugio, defensa o retiro espiritual. Los núcleos modernos se han excavado ya en terrenos más propicios (los que componen las cuencas terciarias o "España arcillosa", mayoritariamente), y por ello observamos cómo abundan las litologías sedimentarias, que son aquellas en las que se horadaron casi todas las "colmenas" de habitación moderna en la Península. En unos casos y otros, existen rasgos comunes en lo relativo a la litología y comportamiento de los materiales excavados, y también en lo relativo a su evolución, meteorización y conservación. Se han estudiado por ello estas pautas comunes -como un posible avance para el establecimiento futuro de estudios de geoconservación del patrimonio rupestre habitado-, que se traducen en la determinación de los procesos de meteorización más característicos en los antros de la Península Ibérica -sean modernos o antiguos- y en la determinación de las relaciones más habituales entre geomorfología y tipología de las cuevas de habitación. También se exponen algunas conclusiones relativas a la resistencia de los tipos pétreos en relación a la antigüedad de los emplazamientos. Esta relación se explica bien si tenemos en cuenta que las cuevas antiguas trataban de ser lugares apartados en los que dominan rocas más resistentes -como se ha explicado- y que en las modernas se ha buscado la habitación permanente, en los materiales más blandos ocupan las depresiones terciarias del Centro, Este y Sur de la Península, colonizados no ya como refugios sino de modo seguro, y ya en arrabales "extramuros" de las ciudades. Geomorfológicamente, esta razón histórica tiene consecuencias sobre la posición de las cuevas, sobre su organización, y sobre su conservación. La extensión del dominio estudiado obliga prácticamente a bosquejar algunas de estas conclusiones geológicas, pero permite a su vez proporcionar una visión global acerca del patrimonio troglodítico desde una perspectiva geológica, y en ello radica la principal novedad de la investigación. Cave dwelling in the Iberian Peninsula comprises a great deal of examples whose origins are sometimes difficult to elucidate. There are primitive groups of caves, probably belonging to Classical and Late Antiquity, and other settlements that appear to have been created and excavated in the Early Middle Ages. Some of them are due to religious reasons and some others may probably have served for defensive uses. The Peninsular group is very likely the most diverse in Western Europe, for it was not only influenced by Arabs, but it also assimilated uses from the Antique Christendom, imported from the Middle East. In this sense, Iberian cave dwellings connect with those of the Mediterranean area. There is not total certainty about the survival of caves serving for dwelling throughout the Late Middle Ages, once the Reconquista was a fact. However, underground excavations for human habitation were once again dispread in certain zones of the Peninsula during the Early Modern period. This growth of underground habitats appears in connexion with Morisco’s vicissitudes; first of all, their removal from their settlements in South and Eastern Peninsula, and finally their expulsion from Spanish territory at the very beginning of XVII th century. Those of them who rested in Spain –and that were nominally “converts”- seem to have returned to cave dwelling in their places of origin, particularly in the province of Granada and its neighbouring zones. This substrate may have been the toehold for a new spreading of cave dwellings since XIX th century, when the increasing rural and urban proletariat returned to the pre-existent uses of caves in order to solve the necessity of affordable housing. This fact can still be detected in many of the rock settlements that have survived during a great part of the XX th century and which were gradually abandoned from the 60´s onwards. There were important cave dwelling districts in many Spanish territories by that time, and not only in Andalusia. We also find them in certain areas of the Ebro basin (those of Aragon, Navarra and La Rioja), in the peri-urban arc of Valencia, in the South of Madrid province and also in the provinces of Toledo (the so called “Mancha toledana”), Albacete, Guadalajara, Murcia or even Palencia as well. Due to their defensive and refuge uses, primitive underground habitats were dug in hardly accessible places. The majority of them are located in mountainous and rough areas, when not in the marginal borders of Tertiary basins, where coarse detritic and carbonate formations outcrop. Cave dwellings can also be found in more ancient rock masses, such as those of the Basque Cantabrian Mesozoic Basin, which is the area where hermit centres of the primitive County of Castile first flourished. Cliffs surrounding fluvial valleys are as well inaccessible places, but here we find that geological evolution has caused the destruction of many rock sanctuaries and cliff dwellings that were originally dug with the same purposes of defence, refuge and spiritual retreat. Later modern cave settlements were dug in quite more favourable terrains, mainly in the soils that compose the Tertiary basins, generally known as “España arcillosa” or “Clayey Spain”. Therefore, we find abundant sedimentary fine and medium grained lithologies, which are the ones that have hosted the majority of Modern Era warren cave dwellings in the Iberian Peninsula. Actually, both types of cave dwelling share some standards regarding the lithology of the excavated materials, and they share as well certain patterns that affect to their evolution, weathering and preservation. These common patterns have been studied here in order to determine the most characteristic weathering processes that affect the majority of the Iberian caves, both Antique and Modern. And also with a view to establish the most habitual relationships between geomorphology and typology of cave dwellings. The study may as well provide a first basis for future studies on geo-preservation of cave dwellings heritage. We also reach some conclusions about the strength of different rocks concerning the antiquity of the sites. As we have already pointed out, this relation comes from the fact that ancient caves were placed in remote or isolated locations, where harder rocks outcrop, while more modern ones result from people´s search of permanent dwelling. In this sense, the softer rocks of the Tertiary Basins of Middle, East and South Peninsula provided a secure colonization to this second and modern group. And moreover, considering geomorphological features, this historical reason has had an effect not only on the position and location of the caves, but also on their organisation/structure/distribution and preservation. The huge extension of our domain of interest almost forces to sketch out some of these geological conclusions. But at the same time it gives a global panorama of Spanish troglodyte heritage, seen from a geological perspective. And here is the main novelty of this research.

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.

Túneles en macizos calcáreos karstificados: impacto en las obras subterráneas de los fenómenos kársticos, su evaluación y tratamiento

En esta Tesis Doctoral se aborda un tema poco estudiado en el ámbito de los túneles y cuya problemática está basada en los riesgos e incertidumbres que representa el diseño y ejecución de túneles en macizos calizos karstificados. Mediante un estudio profundo del comportamiento de distintos casos reales de túneles en macizos kársticos calizos, aportando la realización de modelos y la experiencia constructiva del autor, se pretende proponer un procedimiento que permita sistematizar las actuaciones, investigación, evaluación y tratamiento en los túneles en karst, como herramienta básica para la toma de decisiones primarias correctas. Además, se proponen herramientas que pueden ayudar a mejorar el diseño y a decidir las medidas más eficientes para afrontar los problemas que genera el karst en los túneles, minimizando los riesgos para todos los actores, su probabilidad e impacto. Se profundiza en tres fases principales (que son referidas en la tesis en cuatro Partes): La INVESTIGACIÓN del macizo rocoso: La investigación engloba todas las actuaciones observacionales encaminadas a obtener el IK (Índice de Karstificación), así como las investigaciones necesarias mediante recopilación de datos superficiales, hidrogeológicos, climáticos, topográficos, así como los datos de investigaciones geofísicas, fotointerpretación, sondeos y ensayos geotécnicos que sean posibles. Mediante la misma, se debe alcanzar un conocimiento suficiente para llevar a cabo la determinación de la Caracterización geomecánica básica del macizo rocoso a distintas profundidades, la determinación del Modelo o modo de karstificación del macizo rocoso respecto al túnel y la Zonificación del índice de karstificación en el ámbito de actuación en el que se implantará el túnel. En esta primera fase es necesaria la correcta Definición geométrica y trazado de la obra subterránea: En función de las necesidades que plantee el proyecto y de los condicionantes externos de la infraestructura, se deben establecer los requisitos mínimos de gálibo necesarios, así como las condiciones de máximas pendientes para el trazado en alzado y los radios mínimos de las curvas en planta, en función del procedimiento constructivo y motivación de construcción del túnel (ferrocarril, carretera o hidráulico, etc...). Estas son decisiones estratégicas o primerias para las que se ha de contar con un criterio y datos adecuados. En esta fase, son importantes las decisiones en cuanto a las monteras o profundidades relativas a la karstificación dominante e investigación de las tensiones naturales del macizo, tectónica, así como las dimensiones del túnel en función de las cavidades previstas, tratamientos, proceso de excavación y explotación. En esta decisión se debe definir, conocida ya de forma parcial la geotecnia básica, el procedimiento de excavación en función de las longitudes del túnel y la clasificación geomecánica del terreno, así como sus monteras mínimas, accesos y condicionantes medioambientales, pero también en función de la hidrogeología. Se establecerá la afección esperable en el túnel, identificando en la sectorización del túnel, la afección esperable de forma general para las secciones pésimas del túnel. Con todos estos datos, en esta primera aproximación, es posible realizar el inventario de casos posibles a lo largo del trazado, para poder, posteriormente, minimizar el número de casos con mayores riesgos (técnicos, temporales o económicos) que requieran de tratamiento. Para la fase de EVALUACIÓN de la matriz de casos posibles en función del trazado inicial escogido (que puede estar ya impuesto por el proyecto, si no se ha podido intervenir en dicha fase), es necesario valorar el comportamiento teórico del túnel en toda su longitud, estudiando las secciones concretas según el tipo y el modo de afección (CASOS) y todo ello en función de los resultados de los estudios realizados en otros túneles. Se debe evaluar el riesgo para cada uno de los casos en función de las longitudes de túnel que se esperan que sean afectadas y el proceso constructivo y de excavación que se vaya a adoptar, a veces varios. Es importante tener en cuenta la existencia o no de agua o relleno arcilloso o incluso heterogéneo en las cavidades, ya que los riesgos se multiplican, así mismo se tendrá en cuenta la estabilidad del frente y del perímetro del túnel. En esta segunda fase se concluirá una nueva matriz con los resultados de los riesgos para cada uno de los casos que se presentarán en el túnel estudiado. El TRATAMIENTO, que se debe proponer al mismo tiempo que una serie de actuaciones para cada uno de los casos (combinación de tipos y modos de afección), debiendo evaluar la eficacia y eficiencia, es decir la relevancia técnica y económica, y como se pueden optimizar los tratamientos. Si la tabla de riesgos que se debe generar de nuevo introduciendo los factores técnicos y económicos no resulta aceptable, será necesaria la reconsideración de los parámetros determinados en fases anteriores. Todo el desarrollo de estas tres etapas se ha recogido en 4 partes, en la primera parte se establece un método de estudio e interpretativo de las investigaciones superficiales y geotécnicas, denominado índice de karstificación. En la segunda parte, se estudia la afección a las obras subterráneas, modelos y tipos de afección, desde un punto de vista teórico. La tercera parte trata de una recopilación de casos reales y las consecuencias extraídas de ellos. Y finalmente, la cuarta parte establece los tratamientos y actuaciones para el diseño y ejecución de túneles en macizos kársticos calizos. Las novedades más importantes que presenta este trabajo son: El estudio de los casos de túneles realizados en karst calizo. Propuesta de los tratamientos más efectivos en casos generales. La evaluación de riesgos en función de las tipologías de túnel y afecciones en casos generales. La propuesta de investigación superficial mediante el índice de karstificación observacional. La evaluación mediante modelos del comportamiento teórico de los túneles en karst para casos muy generales de la influencia de la forma, profundidad y desarrollo de la karstificación. In this doctoral thesis is studied the recommended investigation, evaluation and treatment when a tunnel is planed and constructed in karstic calcareous rock masses. Calcareous rock masses were selected only because the slow disolution produces stable conduct and caves instead the problems of sudden disolutions. Karstification index (IK) that encompasses various aspects of research karstic rock mass is presented. The karst rock masses are all unique and there are no similarities between them in size or density cavities ducts, but both their formation mechanisms, like, geological and hydrogeological geomorphological evidence allow us, through a geomechanical survey and geological-photo interpretation in the surface, establish a karst evaluation index specific for tunnelling, which allows us to set a ranking of the intensity of karstification and the associated stadistic to find caves and its risk in tunnelling. This index is estimated and useful for decision-making and evaluation of measures to be considered in the design of a tunnel and is set in degrees from 0 to 100, with similar to the RMR degrees. The sectorization of the tunnel section and the types of condition proposed in this thesis, are estimated also useful to understand the different effects that interception of ducts and cavities may have in the tunnel during construction and service life. Simplified calculations using two-dimensional models contained in the thesis, have been done to establish the relationship between the position of the cavities relative to the section of the tunnel and its size in relation to the safety factors for each ground conditions, cover and natural stresses. Study of over 100 cases of tunnels that have intercepted cavities or karst conduits have been used in this thesis and the list of risks found in these tunnels have been related as well. The most common and effective treatments are listed and finally associated to the models and type of affection generated to give the proper tool to help in the critical decision when the tunnels intercept cavities. Some existing studies from Marinos have been considered for this document. The structure of the thesis is mainly divided 4 parts included in 3 steps: The investigation, the evaluation and the treatments, which match with the main steps needed for the critical decisions to be made during the design and construction of tunnels in karstic rockmasses, very important to get a successfully project done.

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.

Application of Bayesian approach in geotechnical engineering

En esta Tesis Doctoral se emplean y desarrollan Métodos Bayesianos para su aplicación en análisis geotécnicos habituales, con un énfasis particular en (i) la valoración y selección de modelos geotécnicos basados en correlaciones empíricas; en (ii) el desarrollo de predicciones acerca de los resultados esperados en modelos geotécnicos complejos. Se llevan a cabo diferentes aplicaciones a problemas geotécnicos, como es el caso de: (1) En el caso de rocas intactas, se presenta un método Bayesiano para la evaluación de modelos que permiten estimar el módulo de Young a partir de la resistencia a compresión simple (UCS). La metodología desarrollada suministra estimaciones de las incertidumbres de los parámetros y predicciones y es capaz de diferenciar entre las diferentes fuentes de error. Se desarrollan modelos "específicos de roca" para los tipos de roca más comunes y se muestra cómo se pueden "actualizar" esos modelos "iniciales" para incorporar, cuando se encuentra disponible, la nueva información específica del proyecto, reduciendo las incertidumbres del modelo y mejorando sus capacidades predictivas. (2) Para macizos rocosos, se presenta una metodología, fundamentada en un criterio de selección de modelos, que permite determinar el modelo más apropiado, entre un conjunto de candidatos, para estimar el módulo de deformación de un macizo rocoso a partir de un conjunto de datos observados. Una vez que se ha seleccionado el modelo más apropiado, se emplea un método Bayesiano para obtener distribuciones predictivas de los módulos de deformación de macizos rocosos y para actualizarlos con la nueva información específica del proyecto. Este método Bayesiano de actualización puede reducir significativamente la incertidumbre asociada a la predicción, y por lo tanto, afectar las estimaciones que se hagan de la probabilidad de fallo, lo cual es de un interés significativo para los diseños de mecánica de rocas basados en fiabilidad. (3) En las primeras etapas de los diseños de mecánica de rocas, la información acerca de los parámetros geomecánicos y geométricos, las tensiones in-situ o los parámetros de sostenimiento, es, a menudo, escasa o incompleta. Esto plantea dificultades para aplicar las correlaciones empíricas tradicionales que no pueden trabajar con información incompleta para realizar predicciones. Por lo tanto, se propone la utilización de una Red Bayesiana para trabajar con información incompleta y, en particular, se desarrolla un clasificador Naïve Bayes para predecir la probabilidad de ocurrencia de grandes deformaciones (squeezing) en un túnel a partir de cinco parámetros de entrada habitualmente disponibles, al menos parcialmente, en la etapa de diseño. This dissertation employs and develops Bayesian methods to be used in typical geotechnical analyses, with a particular emphasis on (i) the assessment and selection of geotechnical models based on empirical correlations; on (ii) the development of probabilistic predictions of outcomes expected for complex geotechnical models. Examples of application to geotechnical problems are developed, as follows: (1) For intact rocks, we present a Bayesian framework for model assessment to estimate the Young’s moduli based on their UCS. Our approach provides uncertainty estimates of parameters and predictions, and can differentiate among the sources of error. We develop ‘rock-specific’ models for common rock types, and illustrate that such ‘initial’ models can be ‘updated’ to incorporate new project-specific information as it becomes available, reducing model uncertainties and improving their predictive capabilities. (2) For rock masses, we present an approach, based on model selection criteria to select the most appropriate model, among a set of candidate models, to estimate the deformation modulus of a rock mass, given a set of observed data. Once the most appropriate model is selected, a Bayesian framework is employed to develop predictive distributions of the deformation moduli of rock masses, and to update them with new project-specific data. Such Bayesian updating approach can significantly reduce the associated predictive uncertainty, and therefore, affect our computed estimates of probability of failure, which is of significant interest to reliability-based rock engineering design. (3) In the preliminary design stage of rock engineering, the information about geomechanical and geometrical parameters, in situ stress or support parameters is often scarce or incomplete. This poses difficulties in applying traditional empirical correlations that cannot deal with incomplete data to make predictions. Therefore, we propose the use of Bayesian Networks to deal with incomplete data and, in particular, a Naïve Bayes classifier is developed to predict the probability of occurrence of tunnel squeezing based on five input parameters that are commonly available, at least partially, at design stages.

Assessment of corrective measures for alleviating slope instabilities in carbonatic Flysch formations: Alicante (SE of Spain) case study

As is well known, in order to select remediation measures to correct or prevent slope instabilities, it is essential to identify and characterize the instability mechanisms. This task is especially complex for heterogeneous rock masses such as Flysch formations. This paper addresses the assessment of corrective measures used in carbonate Flysch formations by classifying and grouping field data reported in an available database in order to associate this data with various instability mechanisms and stratigraphic column types as well as with the corrective measures taken to stabilise them. For this purpose, 194 slopes have been geomechanically characterized, mainly by considering the observed instability mechanisms. The corrective measures that were applied have been evaluated for their suitability and performance, and, if applicable, the causes of their malfunction have been also studied. As a result, some guidelines based on the observed behaviour and the suitability of the correction measure as a function of instability type are proposed for similar slopes.

An approach for characterising the weathering behaviour of Flysch slopes applied to the carbonatic Flysch of Alicante (Spain)

Various studies indicate that most of the slope instabilities affecting Flysch heterogeneous rock masses are related to differential weathering of the lithologies that make up the slope. Therefore, the weathering characteristics of the intact rock are of great importance for the study of these types of slopes and their associated instability processes. The main aim of this study is to characterise the weathering properties of the different lithologies outcropping in the carbonatic Flysch of Alicante (Spain), in order to understand the effects of environmental weathering on them, following slope excavation. To this end, 151 strata samples obtained from 11 different slopes, 5–40 years old, were studied. The lithologies were identified and their mechanical characteristics obtained using field and laboratory tests. Additionally, the slaking properties of intact rocks were determined, and a classification system proposed based on the first and fifth slake cycles (Id1 and Id5 respectively) and an Index of Weathering (IW5), defined in the study. Information obtained from the laboratory and the field was used to characterise the weathering behaviour of the rocks. Furthermore, the slaking properties determined from laboratory tests were related to the in-situ weathering properties of rocks (i.e., the weathering profile, patterns and length, and weathering rate). The proposed relationship between laboratory test results, field data, and in-situ observations provides a useful tool for predicting the response of slopes to weathering after excavation during the preliminary stages of design.

The pancreatic islet system of the rock bass /|nby Edward Francis Squires. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

The endocrine pancreas of the rock bass (Ambloplites rupestris) was examined by light and electron microscopy. Two cell types with staining properties similar to mammalian A and B cells, and a third, non-staining cell type were found in the spherical pancreatic islets that were surrounded by a connective tissue capsule and embedded in two small masses of exocrine tissue. From an analysis of the ultrastructure of the A and B cells, a secretory cycle for each of these cell types was proposed. The secretory cycle of the A cell consisted of three well defined stages: (1) A cell production stage: during which A granule formation occurred in the sacs of the Golgi apparatus and the cell was characterized by the presence of numerous secretory granules, some elements of lamellar endoplasmic reticulum, and a homogeneously granular nucleus. The cytoplasm contained few distended cisternae, variable numbers of free ribosomes, microtubules and small vesicles. (2) A cell release stage: during which the release of A granules occurred and the cell usually contained several large distended cisternae and variable numbers of secretory granules. Granule release mechanisms included exocytosis, by which individual granules were released into the extracellular space after their membranes fused with the plasmalemma, and emiocytosis, by which one or more granules were released into a large cisterna whose membrane fused with the plasmalemma and formed a pore through which the cisternal contents passed out of the cell. (3) A cell reorganization stage: during which the changeover from the release stage to the production stage occurred and the reorganization of organelles and membrane structures took place. The cell contained few secretory granules and numerous small endoplasmic reticular cisternae. The cytoplasm exhibited less electron density than either of the other two stages. The A granule after formation underwent a series of morphological changes which were described in four numerically identified phases. The secretory cycle of the B cell consisred of two stages: (1) B cell production stage: during which the B granule formation occurred in the sacs of the Go1gi apparatus. The cell was characterized by an irregular outline, the presence of numerous secretory granules, and an irregularly shaped nucleus which contained variable amounts of clumped chromatin. The cytoplasm contained moderate amounts of lamellar endoplasmic reticulum studded with ribosomes, several small vesicles, and an active Go1gi apparatus. (2) B cell release stage: during which the release of B granules occurred. The cell contained a rounded nucleus with dispersed chromatin, several distended endoplasmic reticular cisternae and a variable number of secretory granules. Granule release occu~ by emiocytosis and exocytosis similar to that found for the A cell.

Numerical and semi-analytical models of sliding masses: application to the 1783 Scilla tsunamigenic landslide

The Scilla rock avalanche occurred on 6 February 1783 along the coast of the Calabria region (southern Italy), close to the Messina Strait. It was triggered by a mainshock of the Terremoto delle Calabrie seismic sequence, and it induced a tsunami wave responsible for more than 1500 casualties along the neighboring Marina Grande beach. The main goal of this work is the application of semi-analtycal and numerical models to simulate this event. The first one is a MATLAB code expressly created for this work that solves the equations of motion for sliding particles on a two-dimensional surface through a fourth-order Runge-Kutta method. The second one is a code developed by the Tsunami Research Team of the Department of Physics and Astronomy (DIFA) of the Bologna University that describes a slide as a chain of blocks able to interact while sliding down over a slope and adopts a Lagrangian point of view. A wide description of landslide phenomena and in particular of landslides induced by earthquakes and with tsunamigenic potential is proposed in the first part of the work. Subsequently, the physical and mathematical background is presented; in particular, a detailed study on derivatives discratization is provided. Later on, a description of the dynamics of a point-mass sliding on a surface is proposed together with several applications of numerical and analytical models over ideal topographies. In the last part, the dynamics of points sliding on a surface and interacting with each other is proposed. Similarly, different application on an ideal topography are shown. Finally, the applications on the 1783 Scilla event are shown and discussed.