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viernes, 10 de diciembre de 2010

Historia de la Geotecnia - 01 - Introducción


Evolución Histórica de la Ingeniería Geotécnica



El primer registro de uso del suelo como material de construcción se pierde en la antigüedad. En términos de verdadera ingeniería, la comprensión de la Ingeniería Geotécnica, como hoy es conocida se inició a comienzos del siglo XVIII, cuando la física y las matemáticas habían alcanzado un importante desarrollo y permitían conceptualizar modelos físicos. Pero para nuestros antecesores nunca fue un obstáculo desconocer los principios físicos básicos que rigen el comportamiento del suelo y de los materiales geológicos. Un importante ejemplo de ello es la construcción de túneles, que había alcanzado un desarrollo muy notable antes de que se acuñaran incluso los términos mecánica de suelos y mecánica de rocas o de que se celebraran formalmente los primeros congresos internacionales sobre estas teorías emergentes. La construcción de monumentales obras requiere algo de ingenio, audacia e ingenuidad.


En 1820 el arquitecto británico Thomas Tredgold presidente de la Institution of Civil Engineers, probablemente el primero que hizo un intento, la llamó “el arte de dirigir las grandes fuerzas de la naturaleza y usarlas para beneficio del hombre”. Para esa época la definición era apropiada pues no se había consolidado aún el papel de la ciencia y la tecnología en el quehacer ingenieril. Un siglo después, ya en el siglo XX, los ingenieros civiles definían su profesión como "el arte de la aplicación práctica del conocimiento científico y empírico al diseño y producción o realización de varios tipos de proyectos constructivos, máquinas y materiales de uso o valor para el hombre". 

Thomas Tredgold
El Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería de México adoptó recientemente esta definición: “La ingeniería se considera como una profesión que mediante el conocimiento y aplicación de las matemáticas y las ciencias naturales, integradas en el estudio, la experiencia y la práctica, desarrolla un conjunto de métodos que utilizan y transforman los materiales y fuerzas de la naturaleza con economía y respeto al ambiente, en beneficio del ser humano”. 

Ingeniero” no es quien ostenta tal título, es quien ejerce la ingeniería, la profesión que concreta los sueños y construye los ingenios (las invenciones) de todo tipo, desde la rueda hasta los autómatas, entendiendo como ingenio ya sea una máquina o artificio de guerra o bien un artilugio que se fabrica con entendimiento y facilita la labor humana, que de otra manera demandaría grandes esfuerzos. 

Históricamente, la profesión de ingeniero se configuró fuera de las universidades y a partir de diversas ocupaciones. En un inicio, los pre ingenieros fueron artesanos experimentados que se desempeñaron como constructores de molinos, albañiles, herreros, relojeros, etc. Principalmente, por razones de índole militar, la posición social del pre ingeniero se elevó de status al integrarlo en los cuerpos del ejército. Los pre ingenieros fueron los encargados de la fabricación de artefactos de guerra y la construcción de fortificaciones, barcos, puentes, puertos, caminos y la logística para el transporte y aprovisionamiento de los soldados. 

Hasta finales del siglo XVIII, la ingeniería fue más un oficio que una profesión. Consistía en un conjunto de inventiva, destrezas manuales y habilidades mecánicas transmitidas de padres a hijos y de maestros a aprendices. Es a fines del siglo XVIII que empiezan a surgir las primeras escuelas de ingeniería. Por cierto, no vinculadas a las universidades. En Estados Unidos el US Army Corps of Engineers en la Academia militar de West Point. En México, El Real Seminario de Minas, posteriormente Escuela de Minería. Lentamente se fueron introduciendo estudios de Ingeniería en las universidades, o se fusionaron las escuelas a estas, como ocurrió en México. 

Mediante su incorporación a las universidades y la adopción de los principios básicos de la Física, las Matemáticas y la Química, los ingenieros han sido capaces de elevar el nivel técnico y científico de su disciplina. 

Desde el punto de vista social y ocupacional los modernos ingenieros exhiben una fuerte dicotomía. Por un lado, poseen las técnicas versátiles del empresario y del administrador; por el otro, disponen de los conocimientos y destrezas de un trabajador hábil (Collins, 1989). Este dualismo empresario-trabajador calificado les confiere una suerte de identidad doble que les causa muchas dificultades para definir su propio proyecto profesional. En países como Francia tiene un muy alto status social, en EUA y Gran Bretaña no al nivel de las profesiones como la medicina, abogacía, etc. En México es ambivalente el status. Dependiendo del país y de su tradición cultural se tienen diferentes concepciones de lo que es un ingeniero y del papel que desempeña en la sociedad (Dettmer, 2003).

La palabra ingeniero apareció en la Edad Media para designar a los constructores de ingenios, aunque junto con el sacerdocio y la milicia, la ingeniería fue una de las primeras profesiones en aparecer. La etimología del término ingeniería es reciente, pues deriva del término ingeniero, que data del año 1325 D.C. del idioma inglés, cuando un engine'er (el que opera un engine, o sea una máquina) refiriéndose inicialmente a un constructor de máquinas militares. En este contexto,  “engine” se refería a una máquina militar (hoy en día se traduce como "motor"), es decir, un dispositivo mecánico usado en las contiendas militares (por ejemplo, una catapulta). El término “engine” es aún más antiguo, pues deriva del término latino ingenium (1250 D.C.), al español ingenio.

El término evolucionó más adelante para incluir todas las áreas en las que se utilizan técnicas para aplicar el método científico. En otras lenguas como el árabe, la palabra ingeniería también significa geometría. 

Mapa mental de la Ingeniería Civil

En el presente, la Ingeniería se encuentra estrechamente interconectada con la Ciencia, a pesar de ello subsisten marcadas diferencias. Una primera diferencia entre Ciencia e Ingeniería es que en esta el diseño es uno de sus objetivos centrales, aparejado con la realización de lo que se diseña. En general, los expertos concuerdan en que el diseño constituye la actividad fundamental de la Ingeniería. Se entiende que diseño comprende también, análisis y construcción (o fabricación, implementación o elaboración).

La evolución histórica de la ingeniería geotécnica ha llevado a establecer (de conformidad con lo presentado por National Highway Institute en 2006), su mapa mental, donde al juicio del geotecnista deben confluir simultáneamente la teoría, los ensayos de materiales y la experiencia en casos previos. En estas condiciones estará en capacidad de emitir nuevos juicios de razón a partir de comparativos o desarrollos particulares.

Mapa mental de la Ingeniería Geotécnica

Las primeras prácticas de la ingeniería civil se iniciaron entre los años 4,000 y 2,000 A.C. en el Antiguo Egipto y Mesopotamia (antiguo Irak) cuando el hombre abandonó la existencia nómada, lo que provocó la necesidad de la construcción de viviendas y a partir de entonces, el transporte debido al comercio, se hizo cada vez más importante, y condujo al temprano desarrollo de la rueda y la vela. A medida que las ciudades crecían las estructuras se eregían apoyadas por cimentaciones formales.

Durante siglos, el arte de la ingeniería geotécnica fue un tema de alguna manera esotérico pues se basaba exclusivamente en experiencias previas (técnica ensayo - error) luego de una sucesión de experimentaciones sin ningún carácter científico real, transmitidas por tradición oral de generación en generación y que posteriormente se recopilaron por escrito ("History of embankment construction". William G. Weber).

Uno de estos primeros registros escritos se encuentra en el Dschou-Li, un libro sobre las costumbres de la dinastía Dschou en China escrito hacia el año 3,000 A.C., y que contiene entre otros temas, recomendaciones para la construcción de caminos y puentes. Según la AASHTO (1950) el camino más antiguo del mundo fue "El Camino Real" entre Asia suroccidental y Asia Menor (Anatolia) utilizado en el año 3,000 A.C. por carretas de ruedas. Uno de los registros técnicos más antiguos de construcción utilizando suelos se encuentra en los diez libros De Architectura compilados en el siglo I A.C. por el arquitecto romano Vitrubio (Vitruvius en latin).

Hacia el año 3,000 A.C., época en la que se construyeron las primeras ciudades, la mayoría de las edificaciones eran modestas viviendas, pero desde entonces, la ingeniería estructural dejó de ser meramente funcional y también fue arquitectónica. Se construyeron grandes palacios para los príncipes y enormes templos para los sacerdotes. 

Una consecuencia de la aparición de las religiones organizadas, con su gran estructura, fue un aumento de la actividad ingenieril y de su conocimiento. La nueva riqueza y los rituales religiosos también llevaron a la construcción de tumbas monumentales, de las cuales son ejemplo sobresaliente las pirámides. De hecho el primer ingeniero conocido por su nombre fue Imhotep, constructor de la Pirámide escalonada en Saqqarah, Egipto, probablemente hacia el 2,550 A.C. Este ingeniero alcanzó tanta reverencia por su sabiduría y habilidad, que fue elevado a la categoría de dios después de su muerte. 

Los sucesores de Imhotep (los egipcios, persas, griegos y romanos) llevaron la ingeniería civil a notables alturas sobre la base de métodos empíricos ayudados por la aritmética, la geometría y algunos conocimientos incipientes de física. Sin embargo, es paradójico que la obra de los ingenieros, presente en toda la historia, no fue reconocida jamás como obra de ingeniería, sino, acaso, como obra de arquitectura. 

El mundo antiguo percibió a la ingeniería como un quehacer que competía con las fuerzas naturales y las dominaba. Esta percepción comprendía en ella una componente técnica, pero sobre todo intuía una parte mágica.

En Egipto, aproximadamente en 2,000 A.C., ya se usaba la piedra en la construcción de cilindros para las estructuras pesadas erigidas sobre suelos blandos, utilizada a manera de pilotes hincados. La superficie exterior de los cilindros era alisada para que presentara poca resistencia a la penetración, lo que indica que para entonces ya se tenían nociones acerca de la fricción o rozamiento, y que tanto los romanos como los egipcios ponían mucha atención a ciertas propiedades de los suelos en la estabilidad de las cimentaciones.

La construcción de las pirámides de Egipto (2,700 a 2,500 A.C.) podría considerarse el primer caso de construcción a gran escala. Otras construcciones históricas antiguas de la ingeniería civil incluyen el Partenón por Iktinos en la antigua Grecia (447 a 438 A.C.), la Vía Apia por ingenieros romanos (312 A.C.), y la Gran Muralla de China por el General Meng T'ien bajo las órdenes del emperador chino Shih Huang Ti (220 A.C.) y las estupas construidas en la antigua Sri Lanka como el Jetavanaramaya y las obras de irrigación extensiva en Anuradhapura. Los romanos desarrollaron las estructuras civiles en todo su imperio, incluyendo especialmente acueductos, puertos, puentes, represas y carreteras.

Con el declinar de la civilización egipcia, el centro del conocimiento se desplazó a la isla de Creta y después, alrededor del año 1,400 A. C., hacia la antigua ciudad de Micenas en Grecia, el lugar de donde Agamenón partió para la guerra de Troya.

Los constructores de Micenas, como los egipcios, manejaron enormes bloques de piedra, hasta de 120 ton, en sus construcciones. Además dominaron el arco falso, una técnica que les ha ganado un puesto en la ingeniería. Este principio lo usaron en las construcciones subterráneas, como tumbas y sótanos y en las superficiales, en puentes para vías y acueductos, pues estos últimos los construyeron con eficacia, así como los sistemas de drenaje.

Los griegos de Atenas y Esparta copiaron muchos de sus desarrollos de los ingenieros minoicos, porque en esa época fueron más conocidos por el desarrollo intensivo de ideas prestadas que por su creatividad e inventiva. La ciencia griega no fue muy propensa a la ingeniería, pero en este sentido quizá su mayor contribución fue descubrir que la naturaleza tiene leyes generales de comportamiento, las cuales se pueden describir con palabras. Además está la ventaja de la geometría euclidiana y su influjo en la ingeniería.

El primer ingeniero reconocido en el mundo griego fue Pytheos, constructor del Mausoleo de Halicarnaso en 352 A.C., quien combinó allítres elementos: el pedestal elevado de la columna, el templo griego y el túmulo funerario egipcio. Además fue el primero que entrenó a sus aprendices en escuelas y escribió tratados para los constructores del futuro.

Otros ingenieros importantes fueron Dinócrates el planeador de Alejandría, y Sostratus, quien construyó el famoso faro. Inventos y descubrimientos griegos sobresalientes son los de Arquímedes y los de Cresibius, antecesor de Herón, el inventor de la turbina de vapor.

Pero los mejores ingenieros de la antigüedad fueron los romanos, quienes, sin reatos, tomaron ideas de los países conquistados para usarlas en la guerra y las obras públicas. Aunque muchas veces carecieron de originalidad de pensamiento, los ingenieros romanos fueron superiores en la aplicación de las técnicas, entre las cuales son notables los puentes que usaron en vías y acueductos.

"Pontífice", la palabra que designaba a los ingenieros constructores de puentes, tomó una denotación tan importante que en tiempos de los romanos vino a significar el magistrado sacerdotal que organizaba y presidía el culto a los dioses y con esa acepción se utiliza el término en la actualidad. Esta anotación semántica sólo para insistir en el contenido sacro de las actividades ingenieriles.

Además de los notables puentes de los acueductos, visibles en Europa y Asia y de los cuales son ejemplos famosos el acueducto de Segovia y el Pont du Gard, cerca de Nimes, con 50 m de altura y 300 m de largo, son altamente notables las famosas vías imperiales como la Via Appia y la Via Flaminia, que atraviesan Italia longitudinalmente. En la cumbre del poder romano la red de carreteras cubría 290,000 km, desde Escocia hasta Persia.

Un historiador afirma que las ciudades del imperio romano gozaban de sistemas de drenaje y suministro de agua, calefacción, calles pavimentadas, mercados de carne y pescado, baños públicos y otras facilidades municipales comparables a las actuales. La aplicación de la ingeniería en las artes militares y en los problemas de navegación, adecuación de puertos y bahías implicó, como en los otros casos, el uso de máquinas, materiales y procesos, que hablan del grado de desarrollo de la ingeniería romana, de la cual quedó fundamentación escrita en muchos tratados escritos en aquel tiempo y entre los cuales descuellan los trabajos de Vitrubio.

Cuando el poder se desplazó de Roma a Bizancio en el siglo VI D.C., la ingeniería romana se adaptó a nuevas exigencias y surgieron nuevas formas de construcción. En esto los bizantinos superaron a egipcios, griegos y romanos. Desarrollaron el principio del arco y lo utilizaron en un domo soportado en las esquinas de una torre cuadrada, la diagonal de la cual era igual al diámetro de la base del domo. Un ejemplo notable de este sistema es la catedral de Santa Sofía.

A la caída del Imperio Romano, y debido a la desorganización social que se generó, se descuidaron los aspectos técnicos sobre los suelos, llegando a su punto más bajo en el periodo medieval (400 a 1400 A.C.), lo que provocó que caminos, puentes y diversas obras de tierra quedaran en el abandono, para posteriormente ser destruidas poco a poco por las guerras, y por la implacable acción de los agentes de la intemperie. Se presentó una época de poco interés en el conocimiento de los problemas de los suelos, y no fue sino hasta los siglos XVII y XVIII cuando revivió el interés, y se dio nuevo impulso a la solución de los problemas en las cimentaciones. 

Una de las primeras ramas en ganar interés fue la relativa al empuje de tierras. De hecho, el pionero en formular una guía en esta área fue el ingeniero militar francés Marquis Sebastián le Prestre de Vauban (1633-1707), y posteriormente Charles Agustín Coulomb (1736-1806), también notable y sobresaliente ingeniero militar francés, a quien se le acredita la primera contribución básica y científica en el cálculo de la estabilidad de muros de retención de tierras. Otra importante contribución en el estudio de la presión de las tierras la aportó William John Macguorn Rankine (1820-1872), ingeniero y físico escocés, más conocido por sus investigaciones en física molecular y uno de los fundadores de la ciencia de la termodinámica.

Sobre la base de los experimentos, muchas estructuras fueron construidas, algunas de las cuales se han derrumbado, mientras que muchas otras siguen en pie. Por lo tanto las reglas técnicas, siempre inspiradas en la experiencia acumulada, son más antiguas que los desarrollos teóricos que las avalan.




Desde entonces, cualquier proyecto geotécnico debía cumplir los dos requisitos fundamentales:
  1. Asegurar la estabilidad de la obra: estudio de las condiciones de rotura para prevenir el colapso (Factor de Seguridad por resistencia del terreno), y 
  2. Conseguir que las deformaciones o movimientos en servicio fueran aceptables: conocimiento de la “rigidez” del terreno frente a las cargas y otros cambios en el estado inicial del suelo como consecuencia de la realización del proyecto. 
Después de la caída de Roma, el conocimiento científico se dispersó entre pequeños grupos, principalmente bajo el control de órdenes religiosas. En el Oriente, empezó un despertar de la tecnología entre los árabes, pero se hizo muy poco esfuerzo organizado para realizar trabajo científico. Por el contrario, fue un período en el cual individuos aislados hicieron nuevos descubrimientos y redescubrieron hechos científicos conocidos antes. 

Fue durante este período cuando se usó por primera vez la palabra Ingeniero. La historia cuenta que alrededor del año 200 D.C. se construyó un ingenio, una invención, que era una especie de catapulta usada en el ataque de las murallas de defensa de las ciudades. Cientos de años después sabemos que el operador de tal máquina de guerra era el Ingeniator, el origen de nuestro título moderno: El Ingeniero

Etapas de la Edad Media
El historiador John Harvey al describir el mundo gótico, afirma: “la principal gloria de la Edad Media no fueron sus catedrales, su épica o su escolástica: fue la construcción, por primera vez en la historia, de una civilización compleja que no se basó en las espaldas sudorosas de esclavos o peones sino primordialmente en fuerza no humana”. Esto porque la revolución medieval de la fuerza y la potencia es uno de los desarrollos más dramáticos e importantes de la historia. Obviamente que un estímulo para este desarrollo fue la decadencia de la institución de la esclavitud y el continuo crecimiento del cristianismo. 

Las principales fuentes de potencia fueron la fuerza hidráulica, el viento y el caballo, que se concretaron en las ruedas y turbinas hidráulicas, los molinos de viento y las velas, las carretas y los carruajes. Además se hicieron otros avances técnicos como el uso del carbón de leña y el soplo de aire para fundir el hierro eficientemente. Otro avance fue la introducción, desde China, del papel y la pólvora por los árabes, así como las ciencias de la química y la óptica que ellos desarrollaron. 

Sin duda el uso del papel, la invención de la imprenta y la brújula, junto con las posibilidades de navegación, contribuyeron a la dispersión del conocimiento. El cristianismo hizo desarrollar la construcción en expresiones tan maravillosas y sacras como las catedrales góticas y el Islam las construcciones y mezquitas de los moros. los ingenieros medievales elevaron la técnica de la construcción, en la forma de arco gótico y los arbotantes, hasta alturas desconocidas por los romanos. 

Como se ha establecido, los primeros ingenieros fueron arquitectos, especialistas en irrigación e ingenieros militares. Uno de los primeros cometidos de los ingenieros fue construir muros para proteger las ciudades; debido al riesgo de recibir un ataque enemigo, el sentirse protegido es una de las necesidades humanas básicas. Es justo pensar que los antiguos arquitectos precederían a los ingenieros en la satisfacción de esta necesidad. Sin embargo en el diseño y edificación de estructuras de uso público (los edificios) se hizo necesario acudir a las habilidades de la ingeniería. 

En esos días la innovación de los inventos fue sumamente lenta en aquel entonces, las necesidades militares y agrícolas tenían una mayor prioridad. También por las limitaciones en el campo de la comunicación, porque las distancias entre las poblaciones eran sumamente grandes y se podría decir que fue realmente difícil el intercambio de conocimientos, y muchos de los inventos tuvieron que volverse a inventar antes que formaran parte del constante proceso evolutivo de la sociedad de esa época. En cambio, las poblaciones aledañas a las rutas principales de comercio desde China a España se desarrollaron mucho más rápido que las demás regiones debido a que éstas les llegaba el conocimiento de innovaciones desde otros lugares distantes. 

Se puede definir esta época como la era de los inventos, ya que éstos dieron inicio a la ingeniería. La ciencia y la Ingeniería han avanzado mucho en los tres últimos siglos a pesar que su desarrollo se ve obstruido antes del siglo XVIII debido a la persecución que se les dio a los hombres de ciencia debido a la creencia de que eran brujos. Al final, la ciencia y la ingeniería siempre se han codeado con las verdades últimas.

Vías, puentes, canales, túneles, diques, puertos, muelles y máquinas se construyeron en la Edad Media con un conocimiento que todavía pasma en la actualidad. El libro de bosquejos del ingeniero francés Villard de Honnecourt revela un amplio conocimiento de las matemáticas, la geometría, las ciencias naturales y la artesanía. 

De esos tiempos data una máquina tan maravillosa como el reloj mecánico, que iría a influir tan marcadamente en la civilización moderna. En Asia la ingeniería también avanzó con complejas técnicas de construcción, hidráulica y metalurgia, que ayudaron a crear civilizaciones como la del imperio Mongol, cuyas grandes y bellas ciudades impresionaron a Marco Polo en el siglo XIII.

En el siglo XVIII ocurrió en Europa una gran erupción del desarrollo científico. En Francia e Inglaterra, el estudio del suelo era fundamentalmente agrícola y químico, mientras en Alemania y sobre las bases proporcionadas por la Geología, aparece una escuela para estudiar, definir e inventariar los suelos.

John Smeaton (1724-1792)
Una teoría sobre la génesis del suelo de la época indicaba que: “Los suelos se originan por alteración “in situ” de las rocas o por depósito de materiales alterados después del transporte” los integrantes de esta escuela consideran que el suelo es el horizonte superior de las rocas, dando a la palabra horizonte el significado de capa.

Hasta los tiempos modernos no había una distinción clara entre la ingeniería civil y arquitectura, y los términos ingeniero y arquitecto eran principalmente variaciones geográficas que aludían a la misma persona, y a menudo usados indistintamente. Inicialmente, la ingeniería civil fue desarrollada por la ingeniería militar hasta que en 1775 se da la transición en Francia, cuando gracias a que a mediados del siglo XVII, el rey emprendió un amplio programa de construcción de caminos, canales y sistemas de fortificación para las fronteras del territorio; se fundó la Ecole des Ponts et Chaussées, primera escuela de ingeniería de Europa fundada en 1747, seguida de la evolución a universidades técnicas a partir de las escuelas politécnicas en Austria y Alemania en el siglo XIX, y el establecimiento de escuelas politécnicas en Praga, Viena, y San Petersburgo.

El primer ingeniero civil autoproclamado fue el inglés John Smeaton, que construyó el faro de Eddystone en 1759. En 1771 Smeaton y algunos de sus colegas formaron la Sociedad Smeatonian de Ingenieros Civiles, un grupo de líderes de la profesión que se reunían de manera informal durante la cena. Aunque había pruebas de algunas reuniones técnicas, era poco más que un grupo de sociedad.

Faro de Douglass al lado de la base del Faro de Eddystone,
desmantelado en 1882 por erosión en la roca de fundación.
En 1818 se fundó en Londres la Institución de Ingenieros Civiles, y en 1820 el eminente ingeniero Thomas Telford se convirtió en su primer presidente. La institución recibió en una carta real en 1828, el reconocimiento formal de la ingeniería civil como una profesión. En sus estatutos se define como la ingeniería civil de la siguiente manera: "... El arte de dirigir las grandes fuentes de energía en la naturaleza para el uso y conveniencia del hombre, como los medios de producción y del tráfico en los estados, tanto para el comercio externo e interno, al aplicarse en la construcción de carreteras, puentes, acueductos, canales, navegación fluvial y los muelles para la navegación interna por energía artificial para propósitos de comercio, y en la construcción y aplicación de la maquinaria, y en el drenaje de las ciudades y poblados. ". El primer pregrado en Ingeniería Civil en los Estados Unidos fue otorgado por el Instituto Politécnico Rensselaer en 1835. El primero título otorgado a una mujer fue concedido por la Universidad de Cornell a Nora Stanton Blatch en 1905.

Es difícil dominar el arte de la Geotecnia sin una formación adecuada en tres aspectos íntimamente relacionados: en el mundo de la práctica, que es uno de sus pilares fundamentales, en la experimentación en laboratorio e “in situ”, y el desarrollo de marcos conceptuales, teorías y modelos. Todos estos aspectos van de la mano de un profundo conocimiento de la Geología.

La ingeniería geotécnica es un área de la ingeniería civil interesada en la roca y el suelo sobre los que se cimentan los sistemas de ingeniería civil. El conocimiento de los campos de la geología, la ciencia de los materiales y los ensayos, la mecánica, y la hidráulica; es aplicado por los ingenieros geotécnicos para diseñar de manera segura y económica cimentaciones, muros de contención y estructuras similares.

Karl Terzaghi (1883-1963)
Padre de la Mecánica de Suelos
Algunas de las dificultades singulares de la ingeniería geotécnica son resultado de la variabilidad y de las propiedades del suelo. Las condiciones de contorno están a menudo bien definidas en otras ramas de la ingeniería civil, pero con el suelo, definir claramente estas condiciones puede llegar a ser imposible. Las propiedades del material y el comportamiento del suelo también son difíciles de predecir debido a la variabilidad y la limitada investigación. Esto contrasta con las propiedades relativamente bien definidas del acero y concreto utilizado en otras áreas de la ingeniería civil. La Mecánica de Suelos, que define el comportamiento de suelo, es compleja debido a que las propiedades del material dependientes del nivel de esfuerzos tales como el cambio de volumen, la relación esfuerzo-deformación, y la resistencia.

La ingeniería geotécnica moderna fue desarrollada en la segunda mitad del siglo XX, construida a partir de la obra de Karl Terzaghi, quien expuso la filosofía de la Mecánica de Suelos en 1925. 

De modo paralelo, a la Mecánica de Suelos, la Ingeniería de Fundaciones evolucionó como una habilidad práctica que dependía en gran medida de la observación empírica. Los pilotes de madera se habían utilizado desde los tiempos antiguos, y una lectura de la Biblia deja en claro que la necesidad de cimientos firmes era ampliamente reconocida. 

El uso de los pilotes en la construcción de cimentaciones fue documentado por el escritor griego Heródoto en el siglo IV A.C.. Antiguos egipcios, griegos, fenicios, romanos, chinos, mesopotámicos, y otras culturas utilizaron los pilotes. En el Lago Constanza, situado entre Suiza y Alemania, los arqueólogos se encontraron restos de pilotes de madera bien conservados, que se estiman entre 2,000 y 4,000 años de antigüedad. Estos pilotes soportaban las casas de los habitantes que las construyeron en el lago para estar protegidos de ataques. Obras similares también se han encontrado en zonas lacustres de Escocia, Italia e Irlanda.

El Pons Sublicio (puente de pilotes) es uno de los más antiguos puentes romanos, y la construcción del puente apoyado sobre pilotes sobre el río Rhin, construido por el ejército de Julio César está bien documentada. Hace más de 1,300 años, la ciudad de Venecia fue fundada y construida sobre pilotes en el delta del pantano del río Po; Amsterdam fue fundada hace más de 1000 años, y se apoyó casi en su totalidad en pilotes hincados.


Puente romano sobre el río Rhin (actual Alemania) construido por
orden del emperador Julio César en el año 55 A.C., sobre pilotes de
madera y con una longitud de 300 m.

Los antiguos fenicios construyeron puertos y muelles (como Tiro) utilizando pilotes y métodos de construcción subacuáticos. Los griegos y romanos utlizaron los pilotes para trabajos costeros en el Mediterráneo y muchos otros sitios. Heródoto describió viviendas sobre pilotes en un lago al norte de África. En Gran Bretaña se encontraron restos de pilotes de madera de 3.0 m de longitud utilizados en un puete sobre el río Tyne. Vitrubio en De Architecture, describió el uso de pilotes recubiertos para la construcción de presas y otras estructuras hidráulicas. Los ingenieros Romanos también desarrollaron el concreto y lo colocaron en los estribos de los puentes.

Los pilotes se siguen utilizando hoy en día como cimentaciones profundas para soportar muchos tipos de estructuras de variadas condiciones geológico geotécnicas en tierra o mar (en "A brief history of the application of stress-wave theory to piles". Mohamad H. Hussein y George G. Goble). 

Varios problemas relacionados con la ingeniería de fundaciones, tales como por ejemplo el caso de la Torre Inclinada de Pisa y la catedral arzobispal de Riga, llevaron a los científicos a enfocarse en una base más científica para examinar el subsuelo. Los primeros avances se produjeron en el desarrollo de las teorías de empuje de tierra para la construcción de muros de contención. Henri Gautier, un ingeniero francés, reconoció la "inclinación natural" de los diferentes suelos en 1717, una idea que más tarde se conoció como el ángulo de reposo del suelo. También se desarrolló un sistema rudimentario de clasificación de suelos sobre la base del peso unitario del material, que ya no se considera un buen indicador del tipo de suelo.

La mecánica geotécnica clásica, comenzó en 1773 con la introducción de la mecánica a los problemas del suelo por Charles Augustin de Coulomb. Utilizando las leyes de la fricción y la cohesión para determinar la verdadera superficie de deslizamiento detrás de un muro de contención (introdujo los conceptos de resistencia friccionante y cohesiva de los cuerpos sólidos que asumió aplicables a cuerpos granulares incluídos aquí los suelos), Coulomb inadvertidamente definió un criterio de falla para el suelo. Combinando la teoría de Coulomb con la de Christian Otto Mohr (teoría de ruptura y círculo de esfuerzos, 1871) de un estado de esfuerzos en 2D, se desarrolló la teoría de Mohr-Coulomb, una construcción gráfica muy útil todavía utilizada hoy en día para determinar la resistencia al corte de los suelos.

Otros desarrollos importantes durante este periodo incluyeron: la definición de la conductividad hidráulica de Henry Darcy, la ley de permeabilidad del suelo de Darcy y la ley de Stokes para la velocidad de partículas a través de líquidos (1856), la teoría de distribución de esfuerzos de Joseph Boussinesq (1885), la simplificación de la teoría de empuje de tierras de Coulomb por el escocés William Rankine (1857) y el ensayo de consistencia de las arcillas de Albert Atterberg. Es importante anotar que en el siglo XVIII, el problema del diseño de muros de contención ocupaba las mentes de científicos de la ingeniería como Couplet, Coulomb y Rankine, pero practicantes de la ingeniería como Benjamin Baker seguían sin estar convencidos de la validez general de tales teorías, polémica saludable para revisar una y otra vez la validez de tales teorías. 

Charles Augustine Coulomb (1736-1806)
La necesidad de analizar el comportamiento de los suelos surgió en muchos países, a menudo como resultado de accidentes espectaculares, tales como deslizamientos de tierra y fallas de cimentaciones.

Los comportamientos inesperados (a menudo catastróficos), con tintes dramáticos y a veces trágicos, han sido una constante en el desarrollo de la Geotecnia, la estabilidad de taludes se centra en el análisis de las roturas, tan frecuentes que forman parte de la experiencia casi cotidiana de cualquier profesional.

Las catástrofes geotécnicas más importantes siempre se han estudiado atentamente en la comunidad científico-técnica porque ponen de manifiesto los límites de las teorías, modelos y prácticas de proyecto o constructivas.

A comienzos del siglo XIX en Inglaterra, Thomas Telford y John McAdam construyeron caminos basados parcialmente en conceptos científicos. Uno de los principios era el de elevar la fundación por encima del terreno circundante de forma tal que el agua no pudiera ablandar la subrasante. Los terraplenes tenían con frecuencia alturas hasta de 3.0 m (10 pies) con pendiente máxima de los taludes de 3H:1V. La mayoría de los caminos seguían el contorno topográfico en las áreas montañosas y esto originaba constantes cortes y rellenos en donde las plataformas de drenaje eran comunes.

Torre inclinada de Pisa (Italia)
Con el desarrollo del ferrocarril a partir de la década de 1830, se enfrentaron nuevos problemas derivados de la baja pendiente, el amplio radio de giro requerido y las elevadas sobrecargas a la subrasante . Pronto se descubrió que el agua en el suelo desempeñaba un importante papel en en la compactación de terraplenes y rellenos. Cuando el terreno estaba muy húmedo, el equipo de compactación se hundía y ocurrían fallas. Cuando el terreno estaba muy seco se presentaban asentamientos repentinos durante la temporada de lluvias. Entonces se desarrolló una prueba muy simple para determinar el contenido óptimo de humedad del suelo que consistía en formar una bola densa de material y escupir sobre ella, si la saliva se absorbía lentamente estaba en condiciones óptimas, pero si se abrovía muy rápido o resbalaba, entonces el suelo estaba muy seco o muy mojado, respectivamente. Este ensayo condujo a la prueba de humedad de campo equivalente, posteriormente.

En Gran Bretaña, la Mecánica de Suelos moderna comenzó con las investigaciones de la falla de la Presa Chingford a finales de 1930s, y desempeñó un importante papel en el desarrollo del diseño de edificios altos en el área de Londres por allá en los 1950s. En ambas oportunidades estuvo involucrado el profesor Sir Alec Westley Skempton.

En los Países Bajos el deslizamiento de un terraplén de ferrocarril cerca de Weesp, en 1918 dio lugar a la primera investigación sistemática en el campo de la Mecánica de Suelos, por parte de una comisión especial creada por el gobierno. 

Deslizamiento cercano a Weesp (1918)

El comité de investigación del desastre cerca de Weesp llegó a la conclusión de que los niveles de agua en el terraplén del ferrocarril aumentaron por la lluvia constante, y que la resistencia del terraplén resultó insuficiente para soportar estas altas presiones de agua. Por lo anterior, puede anotarse que muchos de los principios básicos de la Mecánica de Suelos eran bien conocidos hasta ese momento, pero su combinación con una disciplina de ingeniería aún no se había completado. 

Esto lleva a revisar cual ha sido el devenir histórico hasta llegar a la práctica actual de la Geotecnia, que parte del desarrollo de la Mecánica de Suelos, diferenciando cinco períodos principales, propuestos por Alec Westley Skempton, en su artículo “A History of Soil Properties, 1717–1927” (1985):

  1. Ingeniería Geotécnica Antes del siglo XVIII. Período de evolución de la técnica ensayo - error.
  2. Período Pre clásico (1700-1776). Período preparatorio.
  3. Mecánica de Suelos Clásica - Fase I (1776-1856). Periodo de formación de la disciplina.
  4. Mecánica de Suelos Clásica - Fase II (1856-1910). Período de desarrollo en la formación de la disciplina.
  5. Mecánica de Suelos Moderna (1910-1927). Período de consolidación e integración de la disciplina de ingeniería geotécnica.

Los períodos propuestos por Skempton serán desarrollados en adelante por capítulos, con algún grado de detalle en los aspectos considerados relevantes en la comprensión del proceso evolutivo de la ingeniería geotécnica, y que nos adentrará en un maravilloso viaje desde la cuna de la civilización hasta darle la vuelta al mundo entero, y en donde el ingenio del hombre siempre ha prevalecido.

La Mecánica de Suelos

El término "Mecánica de Suelos" comenzó a utilizarse después de una serie de artículos escritos por Karl Terzaghi que habían sido publicados en la revista 'Engineering News Record' (Skempton, 1979). La publicación del libro Erdbaumeckanik por Karl Terzaghi en 1925 marca el surgimiento de la Mecánica de Suelos clásica con la introducción de la teoría del esfuerzo efectivo y, como tal, Terzaghi es ampliamente considerado como el padre de la Mecánica de Suelos. Posteriormente el término se incluyó en las Actas de la Primera Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos, que se celebró en la Universidad de Harvard publicado en 1936. El año también marca el surgimiento de la Mecánica de Suelos como una disciplina de la ingeniería civil que complementa la teoría de la estructuras e hidráulica. A partir de entonces, muchas obras destacadas en Mecánica de Suelos e ingeniería geotécnica se hicieron famosas por los ingenieros como R.B. Peck, A. Casagrande, A.W. Skempton, A.W. Bishop, K.H. Roscoe, G.G. Meyerhof, N.M. Newmark, L. Bjerrum y muchos otros que continuaron el trabajo de Terzaghi.

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