Historia de la Geotecnia - 05 - La Ingeniería Geotécnica Antes del Siglo XVIII

Tornillos de Arquímedes (Leonardo Da Vinci)

La Geotecnia y la Hidrotecnia

La historia de la geotecnia (con la evolución de los principios de la mecánica de suelos y la ingeniería de fundaciones) ha venido de la mano de otra rama de la ingeniería civil conocida como hidrotecnia, en la cual el almacenamiento, conducción y desvío del agua es el principal objetivo, a la par de la comprensión y el desarrollo de los principios de la mecánica de fluidos (iniciada por Arquímedes en la antigua Grecia con la investigación de la estática de fluidos y la flotación que lo llevó a presentar su "Principio de Arquímedes") de la cual hace uso extensivo.

Eureka

Durante la época del Holoceno (8.000 A.C.) se dio el desarrollo de la agricultura cuando el hombre descubrió cómo aumentar las cosechas y domesticar animales, en las colinas al norte del actual país de Irak y Siria.  El cultivo de semillas fue descubierto alrededor del 5.000 A.C., pero no había forma de arar la tierra ya que la Edad del Hierro (2.000 A.C. a 600 A.C.) posterior a la Edad del Bronce (4.500 A.C. a 2.000 A.C.) no había llegado todavía y se desconocía la técnica de moldear el metal.

El hombre antiguo descubrió entonces que podía utilizar arados de madera en los blandos suelos de los deltas de los grandes ríos como el Tigris y el Éufrates en Mesopotamia, el Nilo en Egipto, el Indo en el subcontinente indio, y el Amarillo en China. Debido a que estas zonas son áridas, el agua fue desviada de los ríos por represas y canales y, luego levantada por dispositivos de impulso animal o humano que todavía están en uso hoy en día. Las presas y canales, aunque rudimentarias para los estándares modernos, estaban más allá de la capacidad de los agricultores y fueron construidas por sociedades organizadas en comunidad. Otras obras de gran escala, incluyeron sistemas de diques para minimizar los daños de las inundaciones.

Alrededor del 4.400 A.C. se construyeron canales para regar el suelo en el valle del Nilo. Aproximadamente en el 4.000 A.C. se construyó la represa de piedra más antigua en Kosheish, Egipto; al parecer, también se construyeron diques de tierra en Babilonia entre los años 3.000 y 4.000 A.C. Hubo ciudades con conducciones de agua y pozos artesianos; las estructuras hidrotécnicas fueron conocidas en la antigua Khorezm, Rusia (entre 800 y 600 A.C.).

El éxito de los primeros esfuerzos para controlar el flujo de agua se alcanzó en Mesopotamia y Egipto, donde los restos de las obras de riego prehistóricos todavía existen. En el antiguo Egipto, la construcción de canales fue un importante esfuerzo de los faraones y sus sirvientes, comenzando en la era de Escorpio. Uno de los primeros deberes de los gobernadores provinciales fue la excavación y reparación de canales, que se utilizaron para inundar grandes extensiones de tierra, mientras que el Nilo fluía alto. La tierra era un tablero de ajedrez con pequeñas cuencas, definidas por un sistema de diques. Los problemas relacionados con la incertidumbre del caudal del Nilo fueron reconocidos. Durante los flujos muy altos, los diques fueron arrasados y las aldeas inundadas, con miles de víctimas por ahogamiento.

Durante los flujos bajos, las tierras no reciben agua y ningún cultivo podría crecer. En muchos lugares donde los campos eran demasiado altos para recibir el agua de los canales, el agua fue extraída de los canales o el Nilo directamente por un swape o un shaduf, que consistía en un balde en el extremo de una cuerda que colgaba del extremo largo de un madero sobre un pivote, con contrapeso, como se describe en la imagen a continuación.

Friso (2000 A.C.) que describe el uso del agua del río Nilo
para riego mediante Swape o Shaduf en Egipto

Los sumerios en el sur de Mesopotamia construyeron murallas para la ciudad, templos, y excavaron canales que fueron las primeras obras de ingeniería civil en el mundo. También es importante destacar que estas personas, desde el principio de la historia, lucharon por los derechos del agua. El riego fue extremadamente vital para Mesopotamia (cuyo nombre proviene del griego "la tierra entre los ríos"). Los problemas de inundaciones fueron más graves en Mesopotamia que en Egipto, porque el Tigris y el Éufrates llevaban varias veces más sedimento por unidad de volumen de agua que el Nilo. Esto dio lugar a que el nivel de los ríos aumentara más rápidamente y a que cambiaran sus cursos con más frecuencia en Mesopotamia.

El sistema de riego de Mesopotamia y del delta Egipcio eran del tipo cuenca, que se abría excavando una brecha en el terraplén y cerrándola mediante la colocación de barro de nuevo en la brecha. El agua se izaba con el swape, como en Egipto. Las leyes de Mesopotamia no sólo exigían a los agricultores conservar sus cuencas y canales de alimentación reparados, pero también debían ayudar con azadas y palas en tiempos de inundación, o cuando había que excavar canales nuevos, o reparar los antiguos. Algunos canales pueden haber sido utilizados durante 1.000 años antes de que fueran abandonados y otros fueran construidos. Incluso hoy en día, entre 4.000 y 5.000 años más tarde, los terraplenes de los canales abandonados aún permaneces. Estos sistemas de canales, de hecho, soportaron una población más densa que la que hoy día vive allí. A través de los siglos, la agricultura de Mesopotamia comenzó a decaer a causa de la concentración de sal en el suelo aluvial. Luego, en el año 1.258 D.C., los mongoles conquistaron Mesopotamia y destruyeron los sistemas de riego.

Los asirios también desarrollaron grandes obras públicas. Sargón II, invadió Armenia en el 714 A.C., y descubrió el qanat (nombre árabe) o kariz (nombre persa), que es un túnel para traer agua de una fuente subterránea en las montañas hasta las laderas bajas. Sargón destruyó el área en Armenia, pero trajo el concepto de nuevo a Asiria. Este método de riego se esparció desde el Cercano Oriente al norte de África durante los siglos, y se utiliza todavía. Senaquerib, hijo de Sargón también desarrolló obras hidráulicas represando del río Tebitu y usando un canal para llevar agua a Nínive, donde el agua podía ser utilizada para riego sin dispositivos de elevación. Durante la primavera la elevación de las aguas y las inundaciones eran manejadas por un dique municipal, en caña, construido para desarrollar pantanos utilizados como cotos de caza de ciervos y jabalíes, y zonas de propagación de abedules. Cuando este sistema fue abandonado, se construyó un nuevo canal de cerca de 19 kilómetros (12 millas) de largo, con un acueducto que tenía un revestimiento de concreto o mortero en la capa superior de la piedra para evitar fugas.

El desarrollo de canales de riego en Centroamérica fue más reciente (de 600 a 500 A.C.), con técnicas menos elaboradas de represas y conducciones. Entre 550 y 200 A.C. se generó un gran desarrollo en la canalización de arroyos, excavación de canales y construcción de presas y ésta tecnología se utilizó con mínimos cambios hasta el 1.300 D.C.

Las así denominadas "civilizaciones hidráulicas" surgidas en la región produjeron abundante alimento para una población creciente, pero, en última instancia, la falta de drenaje provocó la acumulación de sal en los suelos aluviales y una fuerte caída en los rendimientos agrícolas.

Cnossos en la Grecia Egea (parte inferior)

Planta del Palacio de Minos

Cnossos, a unos 5 kilómetros (3 millas) de Iraklion, la moderna capital de Creta, fue una de las ciudades más antiguas y singulares del mar Egeo y de Europa. Cnossos fue habitada por primera vez, poco después del 6.000 A.C., y en 3.000 años se había convertido en el más grande asentamiento de la edad neolítica (5.700 - 2.800 A.C.) en el mar Egeo. Durante la Edad del Bronce (2.800 - 1.100 A.C.), la civilización minoica desarrolló y alcanzó su culminación como el primer milagro cultural griego del mundo Egeo.

Palacio del Rey Minos en Cnossos, escenario de la leyenda de Teseo y el Minotauro: Allí había un enorme laberinto construido por el inventor y arquitecto Deadelus y habitaba un enorme monstruo llamado Minotauro, con cabeza de toro y cuerpo de hombre, hijo de Pasifae, esposa de Minos y un toro de quien Poseidón la había hecho enamorar.

Los sistemas de acueducto y alcantarillado de Cnossos fueron aún más interesantes. Un acueducto suministraba agua a través de conductos tubulares desde las regiones de Kounavoi y Archanes, y se ramificaba en la ciudad y el palacio del rey Minos, diseñado y construido por el gran arquitecto Dédalos, donde se utilizaron conductos de presión para la distribución de agua. Los sistemas de desagüe constaban de dos sistemas separados, uno para recoger las aguas residuales y el otro para recoger agua de lluvia. Desafortunadamente, alrededor del 1.450 A.C., el palacio micénico fue destruido por un terremoto y el fuego, al igual que todas las ciudades palaciegas de Creta.

Tuberías de desagüe en Knossos

Anatolia, también llamada Asia Menor, que forma parte de la República de Turquía, ha sido el cruce de muchas civilizaciones durante los últimos 10.000 años. Del período hitita (2.000 a 200 A.C.), se conservan  muchos restos de antiguos sistemas de abastecimiento de agua de la ciudad, incluyendo tuberías, canales, túneles, sifones invertidos, acueductos, reservorios, cisternas y presas. Allí en Anatolia, se ubica la ciudad de Troya.

Ruinas de un castillo otomano que cubre una fortaleza del 900 A.C.

Ruinas en Troya

Un ejemplo de ciudad que aplicó la hidrotecnia es Éfeso, fundada durante el siglo X A.C. como ciudad jónica en las afueras del Templo de Artemis. En el siglo VI A.C., sus pobladores se asentaron directamente en la zona del Templo de Artemis. El agua se suministró a Éfeso desde manantiales en diferentes lugares, además de las cisternas. El agua para la gran fuente de la ciudad, construida entre el 4 y 14 D.C. fue desviada por una pequeña presa en Marnss y transportada a la ciudad por un sistema de 6 kilómetros de largo (3,7 millas), que constaba de dos tuberías pequeñas y una grande en arcilla.

Fuente de Trajano en Efeso

Tubos de arcilla encontrados en Efeso

Durante el período de florecimiento de Grecia y Roma, hubo un considerable desarrollo de la hidrotecnia: se construyó el conducto de agua de la Via Appia, se proporcionó un sistema de alcantarillado a Roma, y se intentó drenar los pantanos Pontinos. Cerca del 2.000 A.C. se construyeron diques en el territorio de Holanda y en Georgia antigua, para proteger las tierras bajas de las inundaciones y se construyeron canales en Armenia entre los años 400 a 500 A.C.. Por el mismo período se construyeron los primeros canales navegables (por ejemplo, un canal del Nilo y el mar rojo).

Representación de Pirámide en el Lago Moeris (Egipto)
descrita por Heródoto

LOS ACUEDUCTOS ROMANOS

Los primeros romanos dedicaron gran parte de su tiempo a útiles proyectos de obras públicas. Construyeron caminos, obras portuarias, acueductos, templos, foros, ayuntamientos, plazas, baños y las alcantarillas. Los primeros ciudadanos prósperos romanos solían tener una casa con una docena de habitaciones, con un orificio cuadrado en el techo para que la lluvia cayera en una cisterna para almacenar el agua.

Uso de la Hidrotecnia

Muchos acueductos fueron construidos por los romanos, quienes, sin embargo, no fueron los primeros en construirlos. El rey Sennacherio en Egipto construyó acueductos, al igual que lo hicieron los fenicios y helenos. Los romanos y helenos necesitaron sistemas extensos de acueducto para sus fuentes, baños y jardines. También se dieron cuenta de que el agua transportada desde los pozos era mejor para su salud, que el agua del río, y no requería de elevación del nivel desde el río hasta la calle. Los acueductos romanos se construyeron sobre estructuras elevadas para proporcionar la pendiente necesaria para el flujo del agua.

Roma, con una población de más de un millón de habitantes, precisaba alrededor de 1.324.000.000 litros de agua diarios para fines sanitarios, industriales y también para exhibición pública. Ante esta situación, era preciso idear un sistema que permitiese la conducción por gravedad de estas grandes cantidades de agua, desde manantiales situados a una distancia variable en cada caso, pero que podía llegar a alcanzar los cientos de kilómetros, a semejanza de un río artificial.

El problema fue resuelto mediante una estructura en piedra realizada a base de arcos que jugó un papel primordial para satisfacer esta demanda, denominada por los romanos como Aquaeductus (acueducto ó conducto de agua) y que corresponde a un canal hecho por el hombre con el fin de poder transportar el agua mediante la propia acción de la gravedad, evitando así la necesidad de aplicar presiones para provocar ese recorrido.

Vitruvio describe tres tipos de acueductos: los conductos de piedra, las tuberías de plomo o bronce y las de arcilla, de peor calidad. Las tuberías de bronce y plomo eran demasiado caras de fabricar y mantener; ello hizo que solo fuesen empleadas puntualmente para la construcción de sifones. A diferencia de éstas, las conducciones de piedra fueron las más extendidas, resolviéndose en todos los casos de un modo similar.

La forma de diseñar estos conductos era la siguiente: se definía un canal de piedra –aunque en la última época, se hacían también de concreto romano o, incluso, se excavaban directamente en la roca- llamado también specus, con forma de “U”, del tamaño aproximado del vano de una puerta actual. Vitruvio comenta que este canal debía quedar siempre “cubierto con un arco por arriba, para proteger el agua del sol y dificultar el envenenamiento de las aguas por el enemigo”; este último motivo es la justificación de que muchos acueductos primitivos fuesen subterráneos. Estas techumbres empleadas para cubrir los acueductos eran siempre de uno de estos tres tipos principales: el primero de ellos, era el formado por una pieza plana de piedra, el segundo estaba compuesto por dos piezas de piedra iguales apoyadas la una sobre la otra y, el tercero, se resolvía mediante un arco de medio punto.

Para construir estos acueductos de forma que formasen una línea de descenso continua, era necesario en muchas ocasiones excavar túneles que atravesaran ciertas montañas intermedias y también construir puentes sobre losvalles. Allí el arco era indispensable, especialmente al hacer cruzar sus acueductos sobre valles, donde con frecuencia tenían que abarcar también ríos.

Existieron once acueductos que suministraban a la ciudad de Roma, el más perfecto fue el Aqua Claudia, de principios del siglo I D.C. Sin embargo, los restos más asombrosos están en Francia, en el acueducto de Nimes –Pont du Gard- formado por tres hileras de arcos de 48 metros de altura y 270 de largo, que era parte de un acueducto que traía agua a Nimes desde un manantial que estaba a 40 kilómetros de distancia.

Acueducto Romano en Pont Du Gard

Acueducto romano en Segovia (España)

El conocimiento de la fabricación de tubos en materiales como el bronce, plomo, madera, azulejo, y concreto estaba en su infancia, y la dificultad de hacer grandes tubos de alta calidad era un obstáculo. La mayoría de las tuberías romanas eran de plomo, e incluso los romanos reconocieron que el agua transportada por tuberías de plomo planteaban un peligro para la salud.

Tubos romanos en plomo

La fuente de agua para un abastecimiento del sistema típico de una ciudad romana era un manantial o un pozo excavado, por lo general con un elevador de cangilones para subir el agua. Si el agua del pozo era clara y en cantidad suficiente, se conducía a la ciudad por un acueducto. Además, el agua de varias fuentes se recogía en un depósito de reservorio y luego se transportaba por las conducciones de acueducto o conductos de presión a un depósito de distribución (castellum). Tres tubos transportan el agua, el primero a piscinas y fuentes, el segundo a los baños públicos para beneficio público, y el tercero a casas particulares para obtener ingresos para mantener los acueductos.

El flujo en los acueductos romanos se obtenía por gravedad. El agua fluía a través de un conducto cerrado (specus o rivus) que típicamente estaba enterrado desde la fuente hasta el terminus o castellum. Los acueductos sobre el terreno se construían sobre terraplenes elevados (substructio) o sobre arcadas o puentes. Se localizaban tanques de sedimentación (piscinae) a lo largo de los acueductos para remover sedimentos o partículas extrañas. Líneas adicionales (vamus) se construían en algunos sitios a lo largo del acueducto para proveer caudal adicional. También se utilizaban ramales adicionales (ramus). En los puntos de distribución se entregaba el agua por tuberías (fistulae) de arcilla o plomo. Estos tubos estaban conectados al castellum mediante un adaptador (calix) y se ubicaban generalmente por debajo del nivel del terreno de las calles principales.

Locación de castellum romano

Castellum

Los tratados de Vitruvius (84 A.C.) y Sextus Julius Frontinus (40 a 103 D.C., en De Aqueaductu Urbis Romae traducido en 1973) no contribuyeron al desarrollo científico de la hidráulica, pero si permiten dar un vistazo a la planeación, construcción, operación y manejo de las estructuras hidráulicas romanas. Los griegos nos legaron los grandes logros científicos y los romanos el mejoramiento en la tecnología hidrotécnica.

El riego no fue motivo de gran preocupación para los romanos debido al terreno fértil y los ríos intermitentes. Los romanos, sin embargo, drenaron los pantanos para obtener más tierras de cultivo ya que estaban preocupados por el mal aire, o los "espíritus dañinos," que emergían de los pantanos, y que pensaban que causaban enfermedades. El mecanismo de diseminación de la enfermedad no era el aire, sino los mosquitos portadores de malaria. Empédocles, el estadista líder de Acragas en Sicilia durante la guerra persa (siglo VI A.C.), drenó los pantanos locales de Selinunte para mejorar la salud de la gente. También desarrolló la teoría de que toda materia está compuesta de cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua.

La caída del Imperio Romano se extendió por un período de transición de 1.000 años en la llamada Edad Oscura. Durante este período, los conceptos de la ciencia relacionada con los recursos de suelo y agua probablemente retrocedieron a sus aspectos básicos. Después de la caída del Imperio Romano, con la llegada de la Edad Media tuvo lugar el fenómeno de fragmentación feudal y las obras geoténicas e hidrotécnicas se redujeron en Europa ya que no eran promovidas por los gobernantes. El feudo era autónomo en todos los sentidos, incluyendo la defensa militar de la tierra. La producción no era muy grande pues no era necesario.

Los registros históricos hablan de condiciones insalubres del agua increíblemente contaminada, desechos humanos y animales en las calles, y el agua arrojada por las ventanas a los transeúntes, así como grandes extensiones de suelo contaminadas por estos desechos. Lo anterior dio lugar a que varias epidemias asolaran Europa y diezmaran su población. La peste negra acabó con un tercio de la población del continente Europeo. Esto provocó la desaparición de los feudos y el inicio del régimen de los burgos o la burguesía. En contraste, durante el mismo período, las culturas islámicas en la periferia de Europa habían obligado religiosamente a mantener altos niveles de higiene personal y estas poblaciones no sufrieron los efectos devastadores de las epidemias.

Durante el período de fragmentación feudal, la construcción hidrotecnica en Europa occidental se redujo a pequeñas obras, tales como los molinos de agua, suministro de agua de las ciudades y castillos. Con el desarrollo del comercio y la artesanía en los siglos XIII y XIV, aparecieron obras hidráulicas más modernas, exclusas de navegación y otras estructuras fueron construidas en las vías navegables y en los puertos, y se complementaron con obras de riego y drenaje.

Hasta el año 1500 D.C., la ingeniería se había enfocado en la minería, la metalurgia y la construcción de caminos y ductos de agua potable. Existen algunos libros valiosos tales como "Tratado", de Glido Toglieta, escrito en 1587 D.C. que describe con gran detalle la técnica de la construcción de caminos. En 1622 apareció la obra de Nicolás Bergier "Carreteras del Imperio Romano". Hacia 1700 D.C., los gobiernos de las ciudades emergentes empezaron a destinar fondos públicos para la construcción de redes del abastecimiento de agua y drenaje para el desalojo de las aguas negras.

Respecto a la enseñanza formal, desde el siglo XII se fundaron las universidades de París, Oxford y Cambridge. La educación básica medieval era llamada trivium,y en el siguiente grado de enseñanza era quatrivium. La reformas de la escuelas del medievo hacia el año 1000 D.C. en Italia, provocó que casi cualquiera persona pudiera estudiar en la escuelas públicas. A pesar de eso, la educación estaba controlada por el clero.

Durante los siglos XVII y XVIII apareció la fabricación de manufactura, el comercio aumentó, y el crecimiento de las ciudades involucró un nuevo incremento en la construcción de obras hidrotecnicas. Las obras de Galileo, Blas Pascal, Isaac Newton, M. V. Lomonosov y D. Bernoulli desarrollaron considerablemente la base teórica de la hidrotecnia, posibilitando así la evolución a estructuras hidrotecnicas más complejas. En el siglo XVIII y principios del siglo XIX, la importancia de las vías navegables aumentó sustancialmente; muchos canales navegables fueron construidos en Francia, Inglaterra y otros países (el más conocido el Canal de Suez); y se desarrollaron las instalaciones portuarias (por ejemplo, los muelles de Londres y Liverpool y los rompeolas en Cherburgo y Génova).

La hidrotecnia en Rusia avanzó durante los siglos XVII y XVIII: se fabricaron más de 200 de presas e instalaciones hidráulicas en los Urales, Altai y en otras localidades (se destacan la presa Zmeinogorsk, una presa de tierra con una altura de 18 metros y la instalación de energía hidráulica construida por K. D. Frolov en 1780); se construyeron nuevas vías, incluyendo los sistemas Mariinsk, Tikhvinka y Vishnii Volok (que conectan el Volga con el mar Báltico) y el sistema de Sever-naia-Dvina.

La invención de máquinas de vapor y la aparición de los ferrocarriles en Europa occidental a principios del siglo XIX habían disminuido el interés en las instalaciones hidráulicas y el transporte por agua. Pero durante la segunda mitad del siglo XIX la construcción hidrotécnica tuvo un nuevo aumento, causado por el crecimiento de la industria y la agricultura y el desarrollo de las grandes ciudades que requirió el suministro de agua. Las antiguas vías navegables fueron reconstruidas y se construyeron otras nuevas, obras de riego y drenaje a gran escala se llevaron a cabo, y aparecieron las modernas plantas hidroeléctricas. Todo esto fue soportado por el progreso general en la tecnología, como el desarrollo de la ingeniería mecánica, la transmisión de energía eléctrica a largas distancias, el uso del concreto reforzado y la mecanización de la construcción.

El auge de la ingeniería mecánica en este período llevaría a desarrollar modelos teóricos y matemáticos de materiales diferentes a los metales, dando lugar al nacimiento de la mecánica de suelos y de rocas.

Durante los finales del siglo XIX y principios del siglo XX en Rusia el desarrollo económico del país dio lugar a una reactivación de la construcción hidrotecnica, principalmente en el transporte por agua, riego y drenaje del suelo y los suministros de agua. Sin embargo, el poder del agua de los ríos prácticamente no fue utilizado por los problemas geotécnicos derivados de las particulares condiciones naturales del país. Una vez se encontró una solución satisfactoria para el problema de la construcción de cimientos de presas sobre arcillas, típicos de los ríos de llanuras en el país (los trabajos de Terzaghi hacia 1925 permitieron construir las presas Svir', Rybinsk y Tsimliansk); se desarrollaron nuevos tipos de las presas en concreto y concreto reforzado; se crearon nuevos diseños para exclusas navegables, bocatomas y las obras de regulación y puerto; se mejoraron los métodos de producción de mano de obra; y se introdujeron métodos eficientes de erigir presas y complejos de hidroingeniería (tales como los métodos de trabajo sin drenaje preliminar del sitio de construcción y de rellenos hidráulicos vertiendo tierra en agua que fluye).

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