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sábado, 6 de octubre de 2012

Historia de la Geotecnia - Contribuciones de Suecia a la Ingeniería Geotécnica


Grabado del Canal Göta

La ingeniería geotécnica en Suecia tiene una larga tradición histórica, y las contribuciones iniciales de varios ingenieros y científicos suecos, han tenido una profunda influencia en el diseño de fundaciones actual, dentro y fuera de Suecia. Un factor contribuyente para el temprano desarrollo de la mecánica de suelos y rocas, fue las difíciles condiciones geológicas en Suecia con un predominio de espesos depósitos de arcillas blandas compresibles, - que es aún un desafío para los ingenieros geotécnicos - y rocas duras pulidas por glaciares.

Varias obras de ingeniería importantes, se llevaron a cabo durante el siglo XIX, tales como la construcción del Göta Kanal, el crecimiento de una red de líneas de ferrocarril y la expansión de los puertos. En conexión con estos proyectos, se encontraron problemas importantes, que implicaron la excavación de túneles a través de la roca, el asentamiento de terraplenes, y deslizamientos, así como la necesidad de cimentaciones profundas. 

Canal Göta (Suecia)

Una de las razones principales para el desarrollo temprano de la ingeniería geotécnica Sueca, fue los muchos desafíos que surgieron debido a la existencia de depósitos de arcilla muy blanda y sensible, a lo largo de las orillas de los lagos y del mar, donde la mayoría de los asentamientos se establecieron. Con el fin de hacer frente a las difíciles tareas de la construcción de puertos, canales y cimientos para carreteras y ferrocarriles, nuevos conceptos de fundación debían ser desarrollados. 
La práctica geotécnica Sueca tiene una larga historia de innovaciones en la ingeniería geotécnica con importantes logros de los ingenieros a nivel individual. El establecimiento de una "Comisión Geotécnica" interdisciplinaria, que constaba de geólogos e ingenieros civiles con la tarea de estudiar deslizamientos de tierra y fallas de taludes, sentó las bases para los métodos geotécnicos modernos de ensayo en campo y laboratorio, y ayudó a establecer el papel clave de la geotecnia en la ingeniería civil. Las universidades Suecas reconocen la ingeniería geotécnica como una parte central del plan de estudios de la ingeniería civil, que es prometedor para el futuro de la ingeniería civil Sueca, así como la geotécnica. 
Suecia ha producido algunos ingenieros geotécnicos importantes, sin embargo, el aspecto más importante es el espíritu de estrecha colaboración entre los profesionales, ingenieros y científicos heredado de la cultura sueca de la colaboración y consulta. Aplicado a la ingeniería geotécnica, esto dio lugar a la creación del Instituto Sueco de Geotécnica (SGI), y la creación de un caldo de cultivo único para la tecnología de pilotaje, la Comisión Sueca de Pilas.

Los Vikingos seleccionaron sus asentamientos primarios y lugares de comercio, a lo largo de las líneas costeras. Por ejemplo, la ciudad de Birka, (situada a unos 100 kilómetros al oeste de Estocolmo), probablemente construida alrededor del año 700 DC, se convirtió en un importante lugar de comercio con cerca de 500 a 1.000 habitantes.

Los vikingos a menudo optaron por construir casas y aldeas en inhóspitos ambientes húmedos, como a lo largo de las orillas de lagos y ríos. Estos lugares fueron hábitats ideales defensivos, pero a menudo era difícil de construir asentamientos en tales ambientes. Los caminos en áreas de suelos blandos hicieron un amplio uso de separadores tipo "fajina" entre el material de la carretera y el suelo - precursores de las modernas soluciones en geotextil. Las pilas se necesitan con frecuencia y se instalaron cavando hoyos para los postes o hincándolos en el suelo. Al igual que en la mayor parte del norte de Europa, donde los depósitos de suelo blando dominaban a lo largo de las líneas costeras, las pilas de madera se llevaban hasta los 4 a 5 m de profundidad, incluidos los casos donde existían sedimentos inundados permanentemente.

Ejemplo de fajinas para caminos

Menotti y Pranckenaite (2008) hicieron un relato detallado de una técnica para la instalación de pilotes de madera en sedimentos blandos localizados en depósitos lacustres cercanos a la costa, como se ilustra en la siguiente figura, que muestra cómo las pilas se colocaron casi "sin esfuerzo" y muy rápidamente, girando la pila. 

Instalación de pilotes durante la Edad de Bronce (Menotti y Pranckenaite, 2008)

Las excavaciones en Birka han mostrado que los vikingos fueron capaces de construir un sofisticado puerto. Durante recientes excavaciones, alrededor de 100 pilotes de madera fueron encontrados bajo el agua, formando una barrera rompeolas semicírcular. De esta forma, el puerto ofrecía una protección durante la guerra, pero como Birka era como un lugar comercial importante, las pilas también servían para proporcionar apoyo a pesadas estructuras de piedra a manera de muelles, que se encontraron en las excavaciones arqueológicas. Uno de los asentamientos vikingos mejor conservados se ha descubierto recientemente en County Louth, Irlanda. Los arqueólogos creen que el asentamiento se remonta a 841, el mismo año en que Dublín fue fundada. Las excavaciones muestran evidencia de la obra de ingeniería impresionante, con una isla artificial construida para proporcionar protección contra los ataques de los nativos irlandeses. 

PRIMERAS CONTRIBUCIONES A LA MECÁNICA DE SUELOS (1600 - 1900) 

Christopher Polhem fue un destacado científico e ingeniero. Después de estudiar matemáticas y mecánica en la Universidad de Uppsala, comenzó en 1697 la primera "Escuela de Ingeniería" en Suecia. Siendo reconocido por sus inventos, fue nombrado por el Rey de Suecia como "Director de Mecánica de Rocas" y más tarde fue encargado de la explotación de varias minas importantes. Fue responsable del diseño de compuertas y esclusas a lo largo del río Göta y también diseñó numerosas presas para minas. Él introdujo un importante y revolucionario diseño de ingeniería, así como soluciones de construcción a proyectos en Suecia y en el extranjero.


Los primeros métodos suecos de pilotaje fueron desarrollados y refinados por Christopher Polhem, a medida que se aplicaban a las fundaciones en pilas para el puerto de Estocolmo. Él desarrolló una torre de pilotaje para hincado de pilotes inclinados, que se describe en las actas de 1753 la Real Academia Sueca de Ciencias. 

Torre de pilotaje diseñada por Ch. Polhem para construcción de esclusas y compuertas


Baltzar von Platen (1766-1829)

Baltzar von Platen es considerado "el padre del Canal Göta", un canal de 195 kilometros de longitud, que une el Mar Báltico con el Mar del Norte, atravesando el sur de Suecia. Baltzar von Platen estuvo a cargo de la construcción de varios canales en Suecia.

El trabajo en el Canal Göta se inició en 1810 y von Platen, en colaboración con el ingeniero británico Thomas Telford, diseñó y supervisó la construcción del canal, que cuenta con 58 esclusas y compuertas y extensas excavaciones (de más de 2 millones de metros cúbicos), algunas en lugares con condiciones de suelo muy difíciles (arcillas blandas, compresibles). La sección oriental del canal fue terminado en 1822 y la sección occidental en 1832. 
Alfred Nobel nació en Estocolmo. Su padre era un ingeniero e inventor que construyó puentes y edificios en Estocolmo.


Junto a su padre y su hermano, Alfred Nobel realizó experimentos para desarrollar la nitroglicerina como un explosivo comercialmente y técnicamente útil. Pronto descubrió que la nitroglicerina mezclada con sílice, convertía el líquido en una pasta que puede ser moldeada en forma de barras de un tamaño y forma adecuados para su inserción en los agujeros de perforación. En 1867, patentó este material bajo el nombre de dinamita. 
Para poder activar las barras de dinamita, también inventó un detonador (tapón de voladura) que podía ser iniciado encendiendo una mecha. Las invenciones de Nobel se realizaron al mismo tiempo que la corona de perforación de diamante y el taladro neumático alcanzaron un uso generalizado. En conjunto, estas invenciones redujeron drásticamente el costo de la voladura de roca, la construcción de túneles, y excavación de canales, y los procesos que son necesarios para el desarrollo de minas y para realizar muchas otras formas de trabajos de construcción. Como resultado de la obra de Alfred Nobel, la minería, la construcción de ferrocarriles y otro tipo de construcciones, no menos importante que la construcción de presas, se hizo más segura, más eficiente y más barata. 


Albert Mauritz Atterberg fue un importante químico y científico agrícola. Llevó a cabo importantes estudios sobre la composición mineralógica de los suelos y presentó los ahora bien conocidos y generalmente aceptados límites de tamaño de partícula de 0.002, 0.02, 0.2, 2, 20 y 200 mm y 0.006, 0.06, 0.6, 6, 60, y 600 mm.

La escala de diámetro de grano planteada por A. Atterberg, fue propuesta como estándar internacional en 1913 cuando la Sociedad Internacional de Ciencia del Suelo determinó:

'Se decidió aceptar el grupo de división de granos de suelo recomendado por Dr. Atterberg. Al momento siendo la siguiente nomenclatura la que deberá ser utilizada en el lenguaje Alemán ...

Límites de consistencia del suelo (según Atterberg)

Atterberg también investigó la floculación de diferentes fracciones de suelo, que obtuvo por sedimentación, y la mayor parte de su sistema de clasificación del suelos todavía se utiliza en el mundo entero. Propuso pruebas sencillas para diferenciar entre suelos muy plásticos (arcilla), ligeramente plásticos (limo) y no plásticos. Atterberg clasificó las arcillas de acuerdo a la consistencia, con el contenido de agua como parámetro limitante (índice de plasticidad, límite plástico y el límite líquido). Terzaghi aceptó los límites de consistencia propuestos por Atterberg y los incluyó en su libro "Erdbaumechanik", publicado en 1925. Atterberg también estudió la permeabilidad y la capilaridad y contribuyó a la evaluación de los suelos sometidos a la congelación. 

Comparación entre diferentes escalas de diámetro de partícula efectuada por Arthur Casagrande (1948)

Clasificación actual del diámetro de partícula en los principales sistemas de clasificación de suelos

Gerard Jacob DeGeer fue un geólogo sueco que hizo importantes contribuciones a la Geología del Cuaternario, en particular en los depósitos de fines del Cuaternario y las geoformas del sur de Suecia. 

En 1897, DeGeer fue nombrado profesor de Geología en la Universidad de Estocolmo, y, más tarde, Presidente de la Universidad (1902-1910). Sus primeros estudios de playas elevadas, que se utilizó para reconstruir los cambios glacio-isostáticos del nivel del mar y su cartografía de las morrenas glaciares para reconstruir la extensión de la última capa de hielo Escandinavo y su patrón de deglaciación, son ampliamente reconocidos. 
A través del trabajo DeGeer, la geología cuaternaria se estableció como una parte clave del trabajo en evolución sueco, en el diseño de fundaciones en ingeniería civil. DeGeer observó que la aparición de sedimentos laminados depositados en lagos glaciares, en el margen de la capa de hielo Escandinava en retirada, al final de la última edad de hielo, se parecía anillos de los árboles, y fue pionero de su uso en la Geocronología.

DeGeer llamó a estas capas sedimentarias anuales "varvas", una palabra sueca que ahora ha ganado estatus internacional. (Un término acuñado por DeGeer adicional es "roca atrapada" (ó 'trap rock'), que describe una roca sedimentaria erosionada por etapas. La palabra sueca para el "etapa" (step en inglés) es "Trappa"). DeGeer reconoció el potencial de las varvas para establecer cronologías anuales del clima pasado y del cambio medio ambiental. DeGeer fue el primer Presidente de la Comisión Geotécnica Sueca. 

LA COMISIÓN GEOTÉCNICA SUECA (1914-1922) 

Un importante desarrollo de la ingeniería geotécnica Sueca, y de la historia de la Mecánica de Suelos moderna, tuvo lugar cuando, una comisión interdisciplinaria, integrada por geólogos e ingenieros, fue designada por los Ferrocarriles del Estado de Suecia, para investigar la causa de una serie de deslizamientos ocurridos recientemente en la red ferroviaria de la nación y proponer soluciones a estos problemas.

El 29 de diciembre de 1913, después de una serie de graves deslizamientos en ferrocarriles, canales, y costas, que involucraron muelles, presas (ó diques), muros de contención, y fallas de taludes de caminos y terraplenes, la Junta Real de Ferrocarriles del Estado, nombró una comisión encabezada por el profesor Wolmar Fellenius. Esta comisión fue encargada de investigar las vías férreas del gobierno, desde un punto de vista geológico, y de indicar si existía algún riesgo de deslizamiento de la calzada y, si es el caso, para presentar las propuestas de los pasos que se deben tomar con el fin de asegurar la vía férrea en contra de tales desplazamientos de masas de terreno.

El comité se constituyó como la "Comisión Geotécnica de Ferrocarriles del Estado" y trabajó entre los años de 1914 y 1922. Su informe final, primera publicación en usar la palabra "geotecnia" (del sueco geoteknik), es considerada como un hito en la ingeniería geotécnica moderna.

Portada de reporte de la Comisión Geotécnica Sueca

Durante los trabajos, un laboratorio geotécnico permanente se creó dentro de los Ferrocarriles del Estado de Suecia, como probablemente el primero de su tipo en el mundo. La Comisión Geotécnica trabajó inicialmente bajo la jefatura del profesor Gerard DeGeer y, en sucesión, del profesor Wolmar Fellenius. El Secretario de la Comisión fue el ingeniero John Olsson. 

La Comisión Geotécnica de Ferrocarriles del Estado, investigó más de 300 fallas de terraplén y deslizamientos de tierra, introdujo métodos de investigación de campo y de laboratorio, y, así, desarrolló un enfoque racional a las investigaciones de campo y de análisis geotécnico. Las siguientes observaciones de cierre se realizaron en el informe. 

"El Comité llama especialmente la atención sobre el hecho de que en varios casos aún no es posible determinar con exactitud las condiciones de equilibrio de cargas en terrenos débiles. Por medio de algunos ejemplos, el Comité indica que la demanda de seguridad absoluta no es justificable económicamente y estima aproximadamente los costos de medidas similares en el sistema de ferrocarriles del Estado, a o menos cien millones de coronas Suecas. En esos lugares donde hay un riesgo, pero donde garantizar la seguridad completa no está dentro de los gastos razonables, el Comité considera que sería mejor esforzarse en eliminar los riesgos de catástrofes ferroviarias, y esto puede hacerse mediante la introducción de mecanismos eficaces de guardia, especialmente del sistema de alerta automática. El Comité, por último, llama la atención sobre el hecho de que la solución de la cuestión geotécnica radica en un estudio mucho más profundo y extenso del mismo, y enfatiza el deseo de que el departamento de construcción del Estado pueda disponer de un medio especial para la investigación geotécnica.

El informe se destacó por un eficaz sistema cuantitativo de clasificación del suelo, y sus técnicas de campo y laboratorio de amplia aplicación en conjunto con mejores métodos de muestreo y determinación de la resistencia. 

Además, se presentó un método (el llamado método del círculo sueco) para el cálculo de estabilidad de taludes hechos de suelos cohesivos bajo el supuesto de una superficie de deslizamiento circular y cilíndrica. Los proponentes de la teoría de la superficie deslizamiento circular, son los ingenieros suecos: Knut Petterson y Sven Hutlin.

Un ejemplo del trabajo de la Comisión, es el desastre ferroviario en Getå, en donde el 1o de octubre de 1918 perdieron la vida 42 personas y 41 resultaron heridas, a causa de un deslizamiento que produjo la pérdida de la banca del terraplén.

Accidente en Getå en octubre 1 de 1918

El terraplén de la vía del ferrocarril, había sido construido sobre varias capas de arcilla y grava depositadas allí durante la Edad de Hielo. La Comisión realizó la perforación de sondeos en el lecho de roca en varios lugares. Estas perforaciones, revelaron los restos de un deslizamiento de tierra prehistórico bajo el sitio donde el tren se descarriló. Este deslizamiento prehistórico, había incrementado el flujo de agua en ese lugar, que a su vez, contribuyó al derrumbe que había causado el accidente. Estas circunstancias excepcionales de incremento de la resistencia por efectos de la sobrecarga, pueden haber llevado a los ingenieros de la construcción de la línea, a pensar que la capacidad portante del suelo era mayor de lo que realmente era. En 1923, otro deslizamiento ocurrió en el mismo lugar, esta vez causando el colapso de la carrertera que va a lo largo de la Bahía Bråvik.

Panorámica aérea del accidente

La investigación dio lugar en 1922, a un extenso informe final que contiene algunos datos de muestreo de suelos moderno, y un método de ensayo aplicado a más de 300 lugares, con 2.400 perfiles de suelo. El Método Sueco de Sondeo por Peso (Swedish Weight Sounding Method), que todavía está en uso, se convirtió en una herramienta eficaz para investigar la estratificación del suelo. También, por primera vez, se comprendió el concepto de sensibilidad de las arcillas.

Swedish weight sound method

Con la ayuda de este equipo de muestreo, fue posible obtener información confiable acerca de la estratificación de los depósitos de suelo. A través de los años, el método sueco de sondeo por peso, se ha convertido en la herramienta de suelo investigación dominante en Suecia, incluso hoy en día, siendo utilizado principalmente en la investigación de depósitos de arcilla, turba y otros suelos orgánicos, arena y sedimentos sueltos de densidad media. 

A finales del siglo XX, el equipo de pruebas fue mecanizado y en la actualidad, los sondeos por peso, son casi exclusivamente llevados a cabo con la ayuda de equipos de perforación mecánicos y/o hidráulicos. La punta de penetración en forma de tornillo, sin embargo, ha mantenido su forma original tal como fue diseñada por la Comisión Geotécnica de los Ferrocarriles del Estado de Suecia. El estándar para el método sueco de sondeo por peso, fue aprobado por la Sociedad Geotécnica de Suecia en 1974.

Cabe destacar que la exactitud del método de sondeo por peso, así como los otros métodos de penetración, depende en gran medida de la experiencia y cuidado del operador. Esto es especialmente cierto cuando se utiliza el equipo de penetración mecánica.

En la siguiente figura, de acuerdo con las instrucciones de la Comisión Geotécnica, el ingeniero (el hombre a la derecha), toca la parte superior de la tubería de sondeo con el fin de detectar las vibraciones del vástago cuando la punta de sondeo pasa de penetrar arcilla blanda a capas de arena, ya que esta información se consideró importante para la evaluación de las condiciones de drenaje. 

Método Sueco de Sondeo con Masa (Swedish Weight Sounding Method)

El hecho de que la seguridad absoluta no pueda lograrse con frecuencia, lo indicó claramente el informe de la Comisión Geotécnica de los Ferrocarriles de Suecia en 1922, y con ello favoreció la práctica del método observacional, que a la luz del ejercicio actual de la Ingeniería Geotécnica, es una de las herramientas más importantes para el correcto diseño, el ahorro de materiales, la reducción de los tiempos de construcción y la evaluación de riesgos en ingeniería geotécnica.

La posibilidad de hacer modificaciones durante la construcción y fortalecimiento de la estructura en cualquier momento, incluso después de la construcción, es un requisito fundamental del método observacional. Permite una continua re-evaluación de los parámetros utilizados para el diseño. El método de observación involucra los conceptos de las condiciones más probables y más desfavorables, por lo tanto, es un proceso creativo y no demasiado complejo, sino "simplicidad de alta calidad".


La sencillez de alta calidad, no olvida el razonamiento detrás de "simples" prácticas, porque un exceso de simplificación, a veces a través de los llamados cálculos mecanizados de alta tecnología, puede nublar el juicio de ingeniería.

Las incertidumbres naturales son inevitables en la ingeniería geotécnica, pero las normas estandarizadas de seguridad, no deben ser reducidas adicionalmente, por baja calidad o por competencia brutal.  

El Método Sueco de Análisis de Estabilidad
Dos años después de la creación de la Comisión de Ferrocarriles, se produjo en marzo de 1916, el ahora clásico deslizamiento del Muelle Stigberg en el puerto de Gotemburgo, un año después de su construcción. También en este caso, fue creado un comité especial para puertos (el Harbour Committee), con la tarea de descubrir las razones del deslizamiento y de formular recomendaciones para el diseño de un nuevo muelle.

Sven Hultin (1889-1952), en 1937

El análisis del deslizamiento del muelle de Stigberg empleó un método de círculos de falla, desarrollado por Sven Hultin (1889-1952), profesor en el Instituto Tecnológico de Chalmers en Gotemburgo, y por Knut Pettersson, ingeniero del puerto de Gotemburgo. El método original se basó en la suposición de que la arcilla podía ser tratada como un material no cohesivo. El retro cálculo produjo un valor del ángulo de fricción tan bajo como 9°. 

Círculos de Falla y estratigrafía del muelle Stigberg

Analizar la estabilidad de estructuras de tierra, es el tipo de análisis más antiguo de la Ingeniería Geotécnica. Se han hecho intentos de mejorar el enfoque de la regla-de-pulgar de las generaciones anteriores, hacia el cálculo matemático de la estabilidad de taludes de corte y de relleno. Uno de los primeros intentos fue el del ingeniero francés Alexander Collin (1846). En 1916, utilizando el método de equilibrio límite, K.E. Pettersson (1955) matemáticamente efectuó un análisis retrospectivo (back calculation) y calculó la estabilidad rotacional de la falla del muelle Stigberg en Gotemburgo, Suecia. Una serie de fallas en los muelles en Suecia, proporcionó el ímpetu a los suecos para hacer uno de los primeros intentos de cuantificar la estabilidad de taludes utilizando el método de las tajadas y el método de equilibrio límite. Este método sistemático culminó en el establecimiento del Método Sueco (ó Método Ordinario, ó Método Fellenius) de las tajadas (ó rebanadas, ó dovelas, conocido como slices en inglés) por su proceso gráfico de análisis discreto (Fellenius, 1927). 

Posteriormente, se hizo una serie de ajustes al método: La Carta de estabilidad de Taylor (Taylor, 1937); Fellenius (1936) introdujo el método ordinario o sueco de las rebanadas (ó tajadas); a mediados de la década de 1950s, el Método Simplificado de las tajadas de Bishop (Bishop, 1955) asegura que los momentos se encuentran en equilibrio; Janbu (1954) extendió el deslizamiento circular a una superficie de deslizamiento general (Janbu, 1973); con el advenimiento de los ordenadores electrónicos en la década de 1960s, fue posible manejar más fácilmente el procedimiento iterativos inherentes al método, lo que condujo a formulaciones matemáticamente más rigurosas, tales como las desarrollados por Morgenstern y Price (1965) quienes aseguraron que los momentos y las fuerzas se encuentran simultáneamente en equilibrio; las fuerzas paralelas entre tajadas de Spencer (1967), y el enfoque sísmico horizontal de Sarma (1973). Estos diversos métodos han resultado en el Método Moderno Generalizado de las Tajadas (GMS) (por ejemplo, Low et al., 1998). 

Los tipos de análisis de equilibrio límite para evaluar la estabilidad de terrenos, se han utilizado en la ingeniería geotécnica durante décadas. Los conceptos se han aplicado ampliamente para el análisis de estabilidad de taludes. La idea de discretizar una masa potencial de deslizamiento en rebanadas verticales se introdujo a principios del siglo XX.
  
La introducción de potentes computadoras personales de escritorio en la década de 1980s, hizo económicamente viable el desarrollo de productos de software comercial basados ​​en estas técnicas, y hoy la disponibilidad inmediata de los productos de software de este tipo ha llevado a la utilización rutinaria de análisis de estabilidad de equilibrio límite en práctica de la ingeniería geotécnica.

El software moderno de equilibrio límite hace posible manejar cada vez mayor complejidad en el análisis. Ahora es posible para hacer frente a una estratigrafía compleja, en condiciones de presión de poros altamente irregulares de agua de poros condiciones de presión, varios modelos de resistencia al corte lineales y no lineales, casi cualquier tipo de forma de superficie deslizamiento, cargas concentradas, y refuerzo estructural.

Las fórmulas de equilibrio límite basadas en el método de las rebanadas se están aplicando también más y más para el análisis de estabilidad de estructuras tales como muros anclados, taludes claveteados o terraplenes reforzados, e incluso la estabilidad al deslizamiento de estructuras sometidas a elevadas cargas horizontales provenientes, por ejemplo, de flujos de hielo.

Fuerzas sobre las rebanadas de una masa potencialmente deslizable

Mientras que el software moderno hace posible analizar problemas cada vez más complejos, las mismas herramientas también están haciendo lo posible para entender mejor el método de equilibrio límite. La visualización gráfica asistida por computador de los datos utilizados en los cálculos hace posible ir más allá del factor de seguridad. Por ejemplo, observar gráficamente todas las fuerzas detallados en cada rebanada en la masa potencial deslizable, o la visualización de la distribución de una variedad de parámetros a lo largo de la superficie de deslizamiento, es de gran ayuda para comprender los detalles de la técnica. A partir de esta información detallada, ahora es cada vez más evidente que el método tiene sus límites y que es tal vez está siendo llevado más allá de su propósito inicial. Originalmente, el método de las rebanadas se concibió para la situación en la que el esfuerzo normal a lo largo de la superficie de deslizamiento, estaba principalmente influenciada por la fuerza de gravedad (peso de la rebanada). Incluir refuerzo en el análisis va más allá de la intención inicial.


Análisis de estabilidad de talud asistido por computador (SLIDE - Rocscience)

En el enfoque de equilibrio límite clásico, el usuario tiene que definir a priori una superficie de deslizamiento antes de calcular la estabilidad. Hay diferentes técnicas para asegurar que una superficie crítica de deslizamiento pueda ser realmente identificada. El ubicuo Método de los Elementos Finitos (Griffiths y Lane, 1999) o el equivalente Método de Diferencias Finitas (Cundall y Strack, 1979), conocido como FLAC, también pueden ser utilizados para evaluar la estabilidad, utilizando directamente el algoritmo de reducción de resistencia (Dawson et al., 1999). Zhang (1999) propuso un método de elemento rígido finito para calcular el factor de seguridad (FOS). La ventaja de estos métodos es que no hay necesidad de asumir ninguna fuerza entre rebanadas o superficie de deslizamiento, pero también hay limitaciones a estos métodos.

En los primeros días cuando las computadoras no eran tan ampliamente disponibles, los ingenieros prefirieron utilizar las Cartas de Estabilidad (Stability Charts) desarrolladas por Taylor (1937), por ejemplo. Ahora que las computadoras poderosas y baratas están fácilmente a mano, los profesionales siempre utilizan programas informáticos para evaluar la estabilidad en el diseño. Sin embargo, cada método numérico tiene sus propios postulados y por lo tanto limitaciones. Entonces, es necesario para el Ingeniero Geotécnico, estar plenamente conscientes de tales limitaciones, de modo que el método puede ser utilizado dentro de sus limites en una situación de diseño real. Además del método numérico, es igualmente importante para el ingeniero de diseño, tener un modelo apropiado para la situación a diseñar.

Carta de estabilidad de Taylor (1937) para capa de suelo infinita
Carta de estabilidad de Taylor para capa de suelo de profundidad finita y  Øu=0

Hay, sin embargo, una cuestión fundamental que ha estado en el tintero durante mucho tiempo, y es que todas las fallas observadas en la naturaleza, son invariablemente en 3D, pero prácticamente todos los cálculos para el diseño de rutina asumen la falla como un plano de deformación (2D). Las resistencias al corte en 3D (tridimensional) y 2D (deformación plana), son significativamente diferentes unas de otras. Por ejemplo, la arena típica puede movilizarse en el plano de deformación, hasta problemas fundamentales como: utilizar datos de resistencia 3D, en un modelo 2D, y por lo tanto hacer que la práctica actual sea altamente dudosa. Sin embargo, el aumento de la resistencia al corte en deformación plana, es por lo general mucho mayor que los FOS de magnitud inherente más alta, en un análisis en 3D. Esta es probablemente la razón por la cual en la naturaleza todos los taludes fallan en 3D, ya que es más fácil para un talud fallar de esta manera. Ahora que el análisis de estabilidad de taludes en 3D ha sido bien establecida, ya no hay ninguna excusa para que los profesionales no hagan el análisis de forma correcta, o al menos que tengan en cuenta el efecto 3D.

El Círculo de Fricción de Coulomb y su Desarrollo en Gotemburgo (Suecia)

En 1785  Coulomb escribió un artículo premiado sobre los problemas de las cuerdas y jarcias (aparejos) de los buques. Este documento incluyó la solución al problema del deslizamiento de las cuerdas alrededor de  bolardos friccionantes, y la solución al problema de la torsión de los mástiles redondos. El documento presentó también, la construcción del círculo de fricción (o rozamiento) para el análisis del deslizamiento de un eje, como se muestra en la siguiente figura, en un rodamiento (ó cojinete o apoyo) plano, friccionante.

Eje a punto de deslizarse (Coulomb, 1785)

El eje gira y se desliza a lo largo de una línea de contacto, de tal manera que la reacción V está inclinada respecto al radio R al ángulo de fricción ρ. Convenientemente se dibuja un "círculo de fricción" de  radio R Sen ρ, y se hace una construcción gráfica en el que la reacción limite V es tangencial al círculo de fricción. La técnica de Coulomb de 1785 iba a ser aplicada en 1916 para el problema del deslizamiento de tierra, en superficies circulares de ruptura, por los ingenieros del puerto sueco de Gotemburgo, donde había una serie de fallas en los muelles.

Un diseño exitoso del muro del puerto, que se muestra en la parte (a) de la siguiente figura, se basó en la consideración de planos rectos de deslizamiento. En la parte (b) de la misma figura, la fuerza activa A, debida a la presión del suelo retenido y del tráfico superpuesto, se reduce colocando grava altamente friccionante detrás del muro; y la fuerza pasiva P, debida a la resistencia de una cuña de suelo frente a la pata (ó base) del muelle, se incrementa colocando grava altamente friccionante, allí también. 

Muelle en el Puerto Sannegard en 1914 (Petterson, 1955)

El siguiente muro del muelle, que se muestra en la figura a continuación, debería haber sido por estas consideraciones, más estable que su precursor; la arcilla bajo de este nuevo relleno, se consideró más rígida que en el sitio anterior, y sin embargo 'el muro del muelle se deslizó lentamente en el río en marzo de 1916, justo antes de ser completado y antes de que cualquier carga viva se hubiera añadido a la zona del muelle. Las perforaciones y otras observaciones, mostraron que el movimiento se aproximó a un deslizamiento sobre una superficie circular de deslizamiento, a través de la arcilla por debajo del relleno de grava. Sin embargo, otro gran muro del muelle se encontraba en construcción para el Puerto Central y esta falla, hizo imperativo que los ingenieros involucrados​ revisaran sus principios de diseño.

Superficie de deslizamiento en el muelle Stigberg en 1916 (Pettersson, 1955)

Su investigación se basó en la opinión general en ese momento, de que la fricción gobernaba el comportamiento de todos los tipos de suelo, y de que un método gráfico de polígonos de fuerza era la base más práctica para el análisis. Un relleno de grava existente en el proyecto del Puerto Central se extendió para formar una carga de prueba: cuando esta prueba estaba en la etapa que se muestra en la siguiente figura, se observó una grieta en el relleno, y el suelo se movió lentamente unos 17 cm hacia el exterior y 25 cm hacia abajo y no se detuvo hasta pasados 9 días. El análisis de las fallas del muro del muelle y la prueba de carga, se hizo de la manera mostrada en la misma figura.

Análisis de la estabilidad bajo la prueba de carga en el Puerto Libre en 1916 (Petterson, 1955)

Una posible superficie circular de deslizamiento de radio R se dibujó a través del suelo, la sección transversal dentro del círculo, se dividió en rebanadas o porciones verticales, y se determinó el peso vertical V y el centro de gravedad para cada rebanada. Una fuerza horizontal H se asumió actuando entre las rebanadas, en el punto tercio inferior de la interfaz. Se supuso un valor tentativo para el ángulo de fricción efectivo a lo largo del arco círcular y se dibujó un círculo de fricción de radio R Sen ρ. Para cada rebanada número n, era conocido el peso vertical V, y la reacción de fricción a través de la base de la rebanada debía estar en una dirección tangencial al círculo de fricción, inclinada a un αn con la vertical. Por lo tanto la diferencia entre las fuerzas horizontales a cada lado de esta rebanada era



El polígono de fuerzas de la figura anterior, se construyó a partir de la primera rebanada; cuando la última rebanada se alcanzara, el polígono debía cerrar sin reacción horizontal a la derecha. Los ensayos con diferentes valores mostraron qué ángulo de fricción ρ era requerido para mantener el equilibrio de la masa deslizante, dentro de esa superficie circular de deslizamiento, particular. Entonces muchas otras posibles superficies de deslizamiento fueron así analizadas, y se consideró que la superficie que requirió el mayor valor de ρ era la más crítica y la falla ocurriría primero a lo largo de ella. En el análisis de la falla del Puerto Central de la figura anterior, se asumió un ángulo de fricción ρ = 24° para la parte de la superficie de deslizamiento que pasaba a través de la grava, y el mayor valor de ρ necesario para la estabilidad de la arcilla se encontró que era aproximadamente 14°. Para la falla del muro del muelle Stigberg, presentado también en una figura anterior, el valor de ρ necesario para la estabilidad era de unos 10°.

El análisis de estas fallas, dejó en claro que los muros de los muelles con pesados rellenos de grava, no eran adecuados para esa cimentación en arcilla, en particular. El diseño para el nuevo muro del muelle en el Puerto Central fue modificado, como se muestra en la parte (a) de la siguiente figura. El peso del relleno de grava al frente del muro del muelle estaba inalterado, pero el peso bajo del muelle se redujo; el muelle se convirtió en una plataforma de carga que descansa sobre pilotes de madera que fueron hincados a través de un talud de grava hasta la arcilla subyacente. El factor de seguridad del diseño nuevo se calculó de la siguiente manera. 

El polígono de fuerzas se inició a partir de ambos extremos. Una división se introdujo en el plano vertical tangente al círculo de fricción. Todas las rebanadas situadas a la derecha de este plano se consideraron activas para provocar un incremento de la fuerza horizontal entre rebanadas, y el peor caso incluyó la sobrecarga de tráfico en estas rebanadas; todas las rebanadas a la izquierda de este plano se consideraron pasivas, resistiendo la fuerza horizontal de la derecha y el peor caso no permitió la sobrecarga de tráfico en estas rebanadas. Los polígonos terminados desde cada extremo hasta dicho plano vertical, produjeron una fuerza horizontal HA activa desde la derecha, y una fuerza horizontal HP disponible en resistencia pasiva a la izquierda. La relación HP/HA fue considerada como el factor de seguridad del diseño: en el diseño del Puerto Central este factor fue de aproximadamente 1½, y en otro caso, un factor de 1⅓, se consideró satisfactorio.

(a) Muelle en el Puerto Libre como se construyó y (b) - (c) Análisis de estabilidad del muelle en el Puerto Libre en 1916 (Petterson, 1955)

El método de las rebanadas era claramente capaz de extensión. Las superficies no circulares más tarde podrían ser consideradas, y la división entre "rebanadas activas y pasivas" serían entonces simplemente  encontradas trazando una tangente con pendiente ρ respecto de la curva de deslizamiento. La cohesión también se podría considerar y hallarse muy fácilmente un adecuado polígono de fuerzas. El efecto de la presión de poro en la producción de variación de los esfuerzos normales efectivos a través de la superficie de deslizamiento se introdujo más tarde. Otras definiciones posteriores del factor de seguridad incluyeron una relación de momentos, tomada alrededor del centro del círculo de fuerzas activas "perturbadoras" y  fuerzas pasivas "restauradoras".

Existe una amplia literatura sobre el análisis de equilibrio en las superficies de ruptura. Cuando se hace referencia a estos textos, el lector debe tener cuidado de tener en cuenta lo que cada escritor supone sobre la distribución de la presión de poros y de presión normal total normal, a lo largo de toda superficie de ruptura asumida, y qué definición es utilizada para factor de seguridad. En cada uno de estos aspectos, existe una cierta variación de la práctica.


Wolmar Fellenius (1876-1957)

Wolmar Fellenius fue profesor de Ingeniería Hidráulica en el Instituto Real de Tecnología (KTH) de Estocolmo, y activamente investigó la estabilidad de taludes, muelles y presas. Recibió títulos honoríficos de doctorado de las universidades alemanas de Karlsruhe y Darmstadt. 


Wolmar Fellenius extendió el método del círculo de deslizamiento a suelos cohesivos y suelos cohesivos y friccionantes. También introdujo el concepto de factores de seguridad para las fundaciones, como se utiliza hoy en día (Fellenius 1926a, 1926 b), como la relación entre la resistencia total disponible y las fuerzas actuantes, o para la estabilidad de taludes, como la relación entre los momentos giratorios resistente y actiante (forcing). El trabajo resultó en el desarrollo del "Método Sueco del Circulo de Deslizamiento", o "Método Fellenius", en el que la superficie de falla más peligrosa se ​​determina combinando un método analítico y gráfico. 

Construcción del plano circular de falla en el muelle Stigberg (Fellenius)

El método fue traído a la atención internacional por Karl Terzaghi y Donald W. Taylor, y fue ampliamente adoptado. Fellenius publicó varios trabajos sobre el análisis de estabilidad de taludes y fundaciones entre 1916 y 1927, de los cuales el más conocido es su "Erdstatische Berechnungen" en 1926 (que reconoce los primeros trabajos de Pettersson y Hultin) y "Cálculo de la estabilidad de la Presas de Tierra", presentado al 2o Congreso de Grandes Presas, de 1936, en Washington, D.C. Sus numerosas publicaciones sobre la construcción en concreto reforzado entre 1902 y 1910, fueron la base de los principios de diseño sueco de concreto reforzado. Fue uno de los iniciadores de la Sociedad Internacional de Investigación Hidráulica, para la que se desempeñó como Presidente desde su fundación hasta después de la II Guerra Mundial. 

John Olsson (1880-1969)

John Olsson (1880-1969)

John Olsson fue el secretario de la Comisión Geotécnica de Ferrocarriles del Estado, que estuvo activa entre 1914 y 1922, e hizo contribuciones sobresalientes a la labor de la misma. Cuando el Laboratorio de Geotecnia de Ferrocarriles del Estado se formó, fue nombrado jefe del laboratorio, donde se desempeñó hasta 1946. John Olsson se convirtió en el "padre de la práctica de la Ingeniería Geotécnica Sueca". 

Como Secretario, John Olsson, desarrolló un sencillo dispositivo de compresión no confinada, e inventó la prueba de caída de de cono en 1915, para medir la resistencia de arcilla blanda. Introdujo el concepto de sensibilidad de las arcillas (sensitivity) e investigó la resistencia al corte de arcillas afectadas por remoldeo y alteración, a través del aparato de caída de cono. El cono de caída también se utilizó para determinar el "número de finura" de un suelo, hoy llamado límite líquido del cono caída. Por otra parte, el primer barrenador de veleta (de paletas o aletas) o Ensayo de Veleta, como es conocido hoy día, por lo que ha podido determinarse, fue diseñado por John Olsson, y utilizado primero en 1919 durante la construcción del puente de Lidingö cerca de Estocolmo. El objetivo fue determinar la rigidez in situ del suelo (módulo de reacción) para evaluar el potencial de pandeo de pilotes largos. Dos ensayos se realizaron a la misma profundidad con dos tamaños de cuchillas (ambos con altura de la cuchilla de 500 mm; y anchos 300 y 700 mm, respectivamente). El momento de torsión de ambas cuchillas fue determinado y se obtuvo una medida de la resistencia del suelo restando los dos valores (Bjerrum y Flodin, 1960). Alrededor de 1923, John Olsson desarrolló también el primer muestreador de pistón, que presentó en un informe al ICOLD en Washington.

LL obtenido por ensayo de cono de caída

El método sueco de sondeo por peso se originó en la Comisión Geotécnica de Ferrocarriles del Estado, y es un desarrollo del método utilizado por Wolmar Fellenius para el puerto de Gotemburgo en 1908. Un manual de perforación de suelos, Meddelande 1 (Statens Järnvägar, 1917) publicado por la Comisión, se convirtió en una guía temprana para la exploración de sitio, la manipulación de las muestras, la clasificación de los suelos, y la presentación de datos de campo y de laboratorio. 

Debido a las duras condiciones climáticas de Suecia, la construcción de carreteras y ferrocarriles tuvo que tener en cuenta el efecto de la congelación del suelo. Beskow fue el primero en señalar la importancia de la capilaridad de los suelos para la adecuada comprensión del mecanismo de la escarcha y el deshielo. En 1927, a la edad de 26 años, Beskow desarrolló un dispositivo de pruebas de laboratorio y elaboró ​​un método para determinar rápidamente incluso grandes ascensos capilares con pequeñas cantidades de muestra de suelo. Estableció una correlación entre el ascenso capilar en suelos granulares y su tamaño de grano. En 1949, se convirtió en profesor de geología en el Instituto Tecnológico de Chalmers en Gotemburgo. Su trabajo en ascenso capilar y la congelación del suelo, llegó a ser internacionalmente reconocido y todavía se acepta ampliamente. 



El Instituto Sueco de Geotécnica (SGI) ha desempeñado y sigue desempeñando un papel importante en la aplicación práctica de la investigación y los métodos innovadores de cimentación. 

Desde sus comienzos en 1944, el SGI ha sido el caldo de cultivo para muchos ingenieros geotécnicos, que desde entonces han hecho su propia contribución al progreso de la práctica geotécnica Sueca y un almacén de conocimiento internacional. El SGI también se convirtió en un lugar de encuentro internacional para los principales ingenieros geotécnicos y de fundaciones de diferentes partes del mundo, muchos de ellos pasando meses en el instituto, para practicar conceptos de ingeniería geotécnica Sueca. 


Walter Kjellman (1905-1955)

Walter Kjellman, un alumno de Terzaghi en Viena, fue nombrado jefe del Departamento de Geotecnia de la Autoridad Nacional de Carreteras de Suecia en sus inicios en 1936. Este departamento fue reorganizado como el Instituto Sueco de Geotécnica (SGI) en 1944. 

Verdadero aparato triaxial (originalmente ideado por W. Kjellman)

En esa época existía una gran incertidumbre sobre la evaluación de la resistencia al corte de las arcillas. Kjellman fue uno de los primeros en sugerir que los ensayos triaxiales drenados y las pruebas de corte, deberín utilizarse para el análisis de taludes y excavaciones en arcilla, y terraplenes en arcilla. Él construyó un aparato triaxial verdadero, inicialmente destinado a la arena, utilizando muestras cúbicas donde los esfuerzos principales podían ser variados independientemente. 

Tipos de geodrenes planares: Geodren, Mebradren, Alidren, Colbond, Castle board y PVC

A principios de la década de 1940s, inventó el primer dren de mecha absorbente, también conocido como mecha de cartón, ó mecha Kjellman, un drenaje consistente en un delgado dren de 100 mm de ancho, bandeado, hecho de cartón con canales internos para el agua. Este geodren permitía acelerar la consolidación de suelos de grano fino sometidos a carga. También desarrolló una cosedora de drenajes para la instalación continua de drenes de mecha. 

Método de consolidación de suelos de grano fino (W. Kjellman)

Kjellman inicialmente, comenzó trabajando con tubos de fibras de marea en pruebas de campo, en 1937, pero pronto concluyó que resultaban demasiado costosos de instalar, y en 1939 decidió utilizar cartón acanalado en bandas de drenaje (o geodren planar como se conoce hoy en día y del cual es pionero), de 1/8" de espesor (0.3175 cms) y 4" de ancho (10.16 cms), espaciados 4' entre sí (1.22 m), aprovisionado en rollos cosidos, adosados a una torre de instalación. Apenas cinco años antes de ser presentados a la comunidad geotécnica internacional, en los Estados Unidos, se habían introducido los drenes verticales en columnas de arena, los cuales consisten en pozos circulares rellenos de arena de normalmente 20" de díamentro (0.508 m) y espaciados entre 10' - 15' entre sí (3.05 m - 4.57 m). 

Torre de instalación y cosedora de drenes de cartón de W. Kjellman (1945)

Se construyeron terraplenes de prueba para el estudio a gran escala de la aceleración de la consolidación, utilizando drenajes verticales, empleando un tratamiento de vacío, para mejorar los esfuerzos de la sobrecarga. Walter Kjellman y los muchos ingenieros que trabajaron con él en el SGI contribuyeron de manera significativa a muchos otros desarrollos de la ingeniería geotécnica Sueca. 

Una mecha de cartón, estaba compuesta por tres (3) tiras de cartón unidas con pegante, donde la tira centra era acanalada, para permitir el flujo longitudinal del agua.

Sección de geodren de cartón de W. Kjellman

Las contribuciones de Suecia en el campo de los drenes verticales han sido sustanciales en los últimos años, pero, sorprendentemente, el alcance del uso de este método de mejoramiento de suelos en Suecia, es bastante limitado en comparación con otros métodos de mejora del terreno aplicables a los suelos de grano fino, por ejemplo, las columnas de cal cementante o los terraplenes piloteados.

Lo anterior, puede originarse en la necesidad de un alto grado de conocimiento empírico, y la experiencia de drenes verticales en cualquier tipo de suelo particular, con el fin de ser capaz de describir la interacción suelo-dren con precisión y hacer un diseño fiable. Debido al gran número de hipótesis relativas a la interacción suelo-drenaje requeridas en el diseño, y las incertidumbres en la predicción del comportamiento de una construcción de drenes verticales, siempre hay una necesidad de mediciones y análisis en la fase de ejecución. Esto puede ser visto como un obstáculo potencial o una fuente de complicaciones, que es la razón por la que los drenes verticales pueden parecer menos atractivos, que los métodos con los que compiten en determinadas circunstancias.

Otro aspecto de desventaja está relacionado con el tiempo. Para el uso racional de los drenes verticales, siempre hay una necesidad de tiempo para que el suelo se consolide. En la mayoría de los proyectos, puede ser necesario un mínimo de seis a ocho meses, que no siempre están disponibles. En muchos casos, transcurren uno o dos años de tiempo de consolidación.

Kjellman apreció temprano la importancia del diseño geotécnico basado en información de pruebas in situ, tales como diferentes métodos de sondeo. En 1940 inventó un ingenioso dispositivo, el Iskymetro (Iskymeter), basado en el principio del paraguas como se muestra en la siguiente figura. 

Iskymetro

El Iskymetro consta de dos alas que se pueden retraer para formar un penetrómetro. El Iskymetro es empujado en el suelo y se mide la resistencia a la penetración, proporcionando información sobre la estratificación del suelo. Una vez que la profundidad máxima de penetración se ha alcanzado, la sonda Iskymer se expande y se mide continuamente la resistencia a la tracción, proporcionando una medida de la resistencia al corte sin drenaje. Este concepto es similar a la probeta de bola y barra desarrollada por Randolph más de 50 años después. El concepto del Iskymetro sigue siendo uno de los más ingeniosos dispositivos geotécnicos de pruebas de campo y un precursor del "Penetrómetro de Barra T" (T-bar penetrometer) (Randolph y Stewart, 1994). 

Penetrómetro T-bar de campo (arriba) y resultado de dos pruebas de penetración T-bar (abajo)

En 1951, Kjellman presentó el dispositivo de corte directo simple, para analizar muestras circulares de suelo (h = 60 mm y D = 20 mm) envuelto en una membrana de caucho y rodeado por anillos de aluminio como se ilustra en la siguiente figura. Dos piedras porosas en la parte superior e inferior de la muestra de suelo permiten el drenaje durante la consolidación, que puede ser comparada con un ensayo edométrico en compresión unidimensional. La muestra se somete a esfuerzo de corte desde de la placa superior, con la posibilidad de mantener la carga o la altura constante. A menudo, la tapa superior e inferior están equipadas con pequeños dientes para evitar el deslizamiento entre los bordes y el espécimen de suelo..

Aparato de corte directo simple (W. Kjellman, 1963)
Diferencia entre corte directo simple (a) y corte directo ordinario (b)
Muestra sometida a ensayo de corte directo simple (Grognet, M.; 2011)

Se utilizan celdas de carga vertical y horizontal, y medidores de desplazamiento, para obtener el esfuerzo vertical, el esfuerzo-deformación vertical de corte y la deformación de corte. Las principales ventajas de este dispositivo son las de imponer una zona constante de deslizamiento potencial (en comparación con la caja de corte directo) y también obtener una mejor homogeneidad de la distribución de esfuerzos. De forma comparable con la caja de corte directo, la dirección del esfuerzo principal mayor, es vertical durante la consolidación (el menor es horizontal) y luego se gira durante el cizallamiento. La amplitud y la dirección de los esfuerzos principales siguen siendo difíciles de rastrear durante el cizallamiento en este dispositivo.

Contribuciones de los Ingenieros Suecos en el SGI 


Fue jefe del departamento de mecánica del SGI, donde fue responsable del desarrollo y construcción de equipos geotécnicos. Él construyó en 1947 la primera grapadora de drenajes para la mecha de papel, utilizada en el aeropuerto Arlanda de Estocolmo, desarrolló diferentes tipos de equipos geotécnicos, como piezómetros hidráulicos, dispositivos de medición de asentamientos y el inclinómetro SGI. Como presidente del comité de pruebas de penetración Sueco, desarrolló conceptos para la aplicación práctica y la interpretación de los diferentes tipos de penetrómetros, incluyendo el Iskymetro, (Kallstenius 1961). Llegó a ser más conocido internacionalmente por el desarrollo del muestreador de pistón y papel de aluminio (piston foil sampler) SGI. Recibió en 1963 el título de doctor por su trabajo en un innovador muestreador de pistón (Kallstenius, 1963). 

Swedish foil sampler ó Swedish standard piston sampler

Nils Flodin (1915-1991)

Nils Flodin (1915-1991)

Comenzó en el Instituto Geotécnico como ingeniero de campo, pero desarrolló un gran interés en la historia geotécnica Sueca, en particular libros, documentos e informes, que activamente reunió en una biblioteca que se convirtió en la Biblioteca del SGI con él como jefe. La Biblioteca del SGI es hoy reconocida internacionalmente, como una de las principales bibliotecas con sistemas de información geotécnica y fuentes literarias de libre disposición para la comunidad geotécnica. Estuvo profundamente involucrado desde el inicio en 1953, con el sistema de clasificación internacional para la literatura geotécnica. Es co-autor de la "Historia de la Ingeniería Civil en la Arcilla Blanda" (Flodin y Broms 1981). Las contribuciones de Nils Flodin a la Sociedad Geotécnica Sueca fueron extraordinarias. Miembro de la misma desde 1955 hasta su muerte, se desempeñó como secretario desde 1963 a 1981, y proporcionó un invaluable elemento de continuidad en los asuntos de la Sociedad. 

El reconocimiento que obtuvo es quizás mejor demostrado por el hecho de que él es el único miembro de la Sociedad en haber sido invitado a servir como miembro permanente del consejo de la sociedad de los directores. Fue elegido Miembro Honorario Vitalicio de la Sociedad en 1978. 

Oleg Wager (1915-1992)

Oleg Wager (1915-1992)

Trabajó en la Autoridad Nacional de Carreteras de Suecia, con Walter Kjellman como supervisor, y acompañó a Kjellman al Instituto Sueco de Geotécnica en 1944. Wager trabajó en consultoría e investigación, y participó en el desarrollo de nuevos equipos de campo, sobre todo el muestreador de papel de aluminio Sueco -un dispositivo de toma de muestras inalteradas muy largas (Kjellman et al. 1950). 

Fue el responsable de los muchos experimentos de campo requeridos en su desarrollo. A principios de la década de 1950s, supervisó las pruebas de campo del método de precarga de vacío, de Kjellman (1952) (vacuum preloading method). En la década de 1960s, desarrolló aún más el diseño del dren de mecha, con un núcleo central de plástico, rodeado de de un filtro sintético permeable. Su desarrollo se convirtió en el modelo para los drenes de mecha modernos. En la década de 1970s, Wager también fue pionero en el diseño y uso de refuerzo horizontal con geotextiles. Holtz y Massarsch (1976) describen una aplicación particular de geotextil para la estabilidad de terraplenes en taludes naturales en combinación con pilas de alivio (Holtz et al. 1994).


Wager también contribuyó al desarrollo del 'soil nailing' (ó suelo claveteado) con concreto lanzado, y principalmente, a los terraplenes de suelo reforzado con acero.

Tipos de fallas en soil nailing
Terraplén reforzado con barras de acero (O. Wager; 1966)

Lyman Cadling (1917-2010)

Obtuvo una maestría de la Universidad de Harvard bajo la dirección de Casagrande, y es más conocido por el desarrollo del dispositivo moderno de ensayo de veleta. Mientras que el primer barrenador de aleta o veleta (vane borer) con dos hojas fue diseñado por John Olsson. En Suecia, este dispositivo se comenzó a utilizar en 1919 y su uso se extendió a nivel mundial durante la década de 1940s.

El equipo de veleta o barrenador de aleta como se utiliza hoy en día, fue presentado por primera vez por Lyman Carlsson (quien más tarde cambió su nombre por Cadling) en 1948 en la 2a Conferencia Internacional de Rotterdam. Un informe sobre un dispositivo más avanzado se publicó dos años más tarde (Cadling y Odenstad 1950). El barrenador Cadling de aleta original, que fue diseñado para suelos blandos, fue empujado al suelo sin pre-preforado. La varilla fue encamisada para eliminar la fricción, y el torque requerido para hacer girar la paleta se midió en la superficie de la tierra por un instrumento separado. La resistencia al corte del suelo fue calculada a partir del torque y la geometría de la aleta (veleta). Las cuchillas fueron hechas tan delgadas como fue posible para reducir la perturbación cuando la lámina se introduce en el suelo. La veleta estaba inicialmente sin protección, pero posteriormente, se proporcionó una funda de protección, para evitar daños por encontrar piedras en la arcilla. 

Ensayo de barrena de aletas de campo (Field vane shear test)

Hansbo, contribuyó a las técnicas de mejoramiento del suelo por consolidación, con sus cálculos de la densificación y la estabilización de suelos. También, en 1948 se presentó el Penetrómetro Estático de Cono CPT (static cone penetrometer CPT).

Ensayo de penetrómetro estático de cono

Paralelo con el uso del método sueco de sondeo por peso, se han desarrollado en Suecia, varios penetrómetros estáticos, mecánizados. El penetrómetro estático Geotech (antes Nilcon), es el equipo más conocido de este tipo, que utiliza una punta cónica (piramidal) con un área de 10 cm², que se empuja hacia abajo en el suelo a una velocidad constante. Mediante el uso de un acoplamiento de deslizamiento especial, puede medirse la fricción a lo largo de las varillas de empuje y se puede separar del esfuerzo total de penetración Cf. Con la ayuda de una grabadora mecánica, el esfuerzo total de penetración, se registra automáticamente como una función de la profundidad. El penetrómetro estático Geotech proporciona información detallada sobre el espesor y la resistencia relativa de las capas de suelo penetrado.

Penetrómetro estático Geotech (Dahlberg, 1974)

Diferentes métodos dinámicos de sondeo fueron utilizados muy temprano en Suecia. Alrededor de 1940, la  firma sueca Borros diseñó y desarrolló el método de sondeo sueco Ram (probablemente asociado al término carnero - ram- en inglés). Este método se ha utilizado para predecir la longitud de pilotes hincados de capacidad por punta. 

Basado en extensas investigaciones de Bergdahl y Dahlberg (1974), el tradicional método sueco de sondeo Ram, fue revisado y en 1973, se estandarizó un método y procedimiento mejorado - Método A -. Los elementos básicos de ensayo se describen en la siguiente figura. Un martillo de caída libre (con un peso de 63,5 kg) golpea un yunque fijo, equipado con un amortiguador de goma. La altura de la caída es 0,50 m. Con el fin de reducir la fricción lateral (skin friction), las barras de extensión (de 32 mm de diámetro), se hacen girar dos vueltas, cada 0,20 m de penetración. Un método de ensayo más sofisticado incluye la medición del par (momento) necesario para girar las barras de extensión. Basándose en dichas mediciones, la fricción lateral puede ser separada de la resistencia total a la penetración, que a su vez permite una interpretación más detallada de los resultados de la prueba. 

Swedish Ram sounding device. Método A (Dahlberg, 1974)

El método sueco de sondeo Ram, es una herramienta útil para la predicción de la longitud de pilotes hincados, trabajando por punta y fuste, en arenas y gravas.

Hacia la década de 1950s, se han utilizado pesadas máquinas de perforación de rocas, para la realización de sondeos en suelos y rocas, con el objetivo principal de determinar la profundidad hasta la roca madre y la calidad de la roca subyacente. En principio, este tipo de investigación se lleva a cabo con el mismo equipo que es utilizado para la perforación de roca convencional. Las máquinas ligeras, medianas o pesadas de perforación, son utilizadas dependiendo de las condiciones del suelo y/o roca, y la profundidad máxima de investigación requerida. Se mide el tiempo en segundos, requerido para una penetración de 20 cm. Este parámetro da una indicación de la dureza de la roca o la compacidad/composición del suelo penetrado. De acuerdo con las recomendaciones existentes, los sondeos se extenderán de 3 a 5 m dentro de la roca que se de apoyo, para asegurar que el sondeo no termina en roca fragmentada.

El trabajo de Broms sobre pilotes prefabricados, mejoramiento del suelo, y la estabilización de arcilla utilizando la técnica de la columna de cal, son otros importantes aportes de la ingeniería geotécnica sueca, que ha estimulado a otros científicos a enfocar su investigación en la solución de problemas de cimentación prácticos.

Los diferentes tipos de técnicas de compactación vibratoria, tales como rodillos vibratorios y sondas se han desarrollado para la densificación superficial y profunda de los suelos granulares. Hoy en día, muchos de los métodos de investigación de suelos y cimientos desarrollados en Suecia se utilizan en todo el mundo.

El concepto de "diseño activo", utilizando técnicas de seguimiento sobre el terreno para optimizar el trabajo de la fundación, se ha convertido en el principio rector para muchos ingenieros geotécnicos.

Probablemente, el último avance en la estabilización de suelos, es el "método de la columna de cal" (lime column method), inventado en 1969 por Kjeld Paus. El método ha sido desarrollado desde entonces, y es hoy en día, el más ampliamente utilizado para el mejoramiento de la arcilla blanda y compresible. Equipos de instalación muy avanzados, con sistemas de vigilancia electrónicos se han también desarrollado desde entonces. La investigación es llevada a cabo con el apoyo del recién fundado Centro Sueco de Investigación  de Estabilización Profunda (Swedish Deep Stabilization Research Centre), que se encuentra en el Instituto Geotécnico de Suecia SGI.

Columnas de cal para mejoramiento de arcillas blandas compresibles



La localización de las ciudades suecas, estuvo a menudo determinado por las posibilidades de comunicación a través del mar, ríos y caminos, además del punto de vista estratégico militar, y la proximidad a los suelos orgánicos adecuados para la agricultura. En estas zonas de asentamiento, las condiciones geotécnicas son generalmente insatisfactorias y los edificios generalmente, tienen que ser apoyados por pilotes (ó estacas en su versión más temprana). 

Como era de esperar, los riesgos tecnológicos eran reconocidos, puesto que para la construcción de estos pilotes de madera, mediante la excavación de zanjas cavadas a mano y rellenos apisonados, que fueron utilizados desde la antigüedad, los accidentes fatales era bastante frecuentes. 

Atendiendo esta necesidad, los pilotes de madera entonces fueron impulsados e hincado, ​​por un martillo, construido a mano. Con base en la experiencia de los astilleros suecos, se utilizaron martillos suspendidos en cuerdas, lo que facilitó el procedimiento de construcción y fue sucedido por martillos accionados por caballos, de mayor de capacidad de hincado. El primer método de hincado "moderno", fue desarrollado en 1740 por el inventor sueco Christopher Polhem. 

Como resultado de la revolución industrial, llegó el primer martillo de hincado accionado por un motor de vapor, en el siglo XVIII. Estas máquinas han sido gradualmente reemplazadas por martillos accionados  por motores diésel.

Los pilotes de madera se convirtieron en los cimientos más comunes para los edificios fundados sobre los depósitos de arcilla blanda en Suecia. Mientras que la madera se mantenga totalmente por debajo del nivel de agua, su durabilidad es muy buena. Pero debido a la elevación de la península escandinava, durante la última edad de hielo, las puntas superiores y parte de los vástagos de muchos pilotes de madera quedó expuesto al aire y estos elementos de fundación, pronto comenzaron a deteriorarse. Muchos de los edificios antiguos de la 'ciudad vieja' en el centro de Estocolmo se han reforzado durante los los últimos años por esta razón. La elevación del terreno es de aproximadamente 2-4 cm por año y, hoy en día debido a la reducción de la presión del colchón glacial, podría alcanzar espesores de hasta mil metros. 

Ejemplos de uso de pilotes (Fang H-Y.)
Formas y secciones de pilotes (Fang H-Y.)

La Comisión Sueca en Investigación de Pilas fue fundada en 1957, cuando el Departamento de Geotecnia de los Ferrocarriles del Estado de Suecia tuvo que hacer frente a las incertidumbres con respecto a las cimentaciones profundas de las extensas nuevas obras ferroviarias en las ciudades de Gotemburgo y Estocolmo.

El jefe del departamento, Bror Fellenius, reunió a representantes del mundo académico (por ejemplo, Hans-Christian Fischer de la Universidad de Uppsala) y los profesionales (por ejemplo, Sölve Severinsson de Nya Asfalt AB), para establecer una comisión de investigación en pilotes y fundaciones piloteadas. El comité fue nombrado más tarde por la Academia Sueca de las Ciencias de la Ingeniería como la Comisión de Investigación de Pilas. 

Desde su creación, la Comisión sirvió como un "foro interdisciplinario" para el intercambio de información y esfuerzos, ya que se componía esencialmente de todos los contratistas, consultores de ingeniería geotécnica, investigadores y representantes de las autoridades de la construcción en Suecia. También contaba con varios miembros de los países vecinos. En 1959, la Comisión llevó a cabo e informó de las primeras mediciones dinámicos en pilotes comunes reforzados, muy largos, prefabricados, aclarando muchas de las preguntas relativas a las fuerzas de tensión que producen daño durante el hincado inicial y el ajuste (set-up) de la capacidad de carga con el tiempo. La Comisión de Pilas ha tenido un importante efecto positivo en el desarrollo Sueco de técnicas de pilotaje y los códigos de construcción, y ha publicado un gran número de informes y guías prácticas. 
Bror Fellenius (1903-1990)

Bror Fellenius (1903-1990)

Bror Fellenius -hijo de Wolmar Fellenius y padre Bengt H. Fellenius, comenzó su carrera geotécnica en la oficina del puerto de la ciudad de Gotemburgo, y más tarde se trasladó a la Autoridad Nacional de Carreteras de Suecia, en Estocolmo. Desarrolló métodos para determinar la resistencia al corte no drenada de arcilla y demostró que ésta aumenta linealmente con la profundidad (publicado en la 1a Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones de 1936). Su trabajo de investigación en la década de 1930s, también arrojó luces sobre muchas de las preguntas, entonces sin resolver, sobre pilotes largos en arcilla, tales como demostrar la existencia de rozamiento negativo y que incluso las pilas muy delgadas en arcilla inorgánica muy blanda, no se puedes pandear siempre y cuando se instalen de forma recta, es decir, no se doblan o tuercen, lo que demuestra que las pilas rectas cederán estructuralmente (structural yield) antes de que el pandeo se desarrolle. 

En 1946, Bror Fellenius sucedió a John Olson como jefe del Departamento de Geotecnia de los Ferrocarriles del Estado de Suecia. Fue miembro del grupo que en 1948 fundó la Sociedad Geotécnica Sueca. En 1970, fue nombrado Miembro Honorario de la Sociedad. 

Otros enlaces importantes sobre el tema en este blog:


Bibliografía Seleccionada:

  • Bjerrum, L, and Flodin, N. (1960). “Development of soil mechanics in Sweden, 1900-1925. Geotechnique 10(1) 1-18. 
  • Beskow, G. 1929. “Om jordarternas kapillaritet” (With English summary: On the capillarity of soils). Sveriges Geologiska Undersökning Årsbok 23 (1929), No. 1, 64 p. 
  • Cadling, L. and Odenstad, S. (1950). “Vane borer. An apparatus for determining the shear strength of clay soils directly in the ground”. Statens Geotekniska Institut, SGI Proceedings 2, 87 + 13 p. 
  • Fellenius, W. (1926)a. "Jordstatiska beräkningar med friktion of kehesion och under antagande av cirkulärcylindriska glidytor." Kungliga Väg- och Vatten-byggnadskåren 1851-1926, Festskrift, Stockholm, pp. 79-127. 
  • Fellenius, W. (1926)b. "Erdstatische Berechnungen mit Reibung und Kohäsion und unter Annahme kreiszylindrische Gleitflächen." Ernst Vorlag, Berlin, 48 p. 
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  2. Schofield, A. N. and Wroth, P., 1968, Critical State Soil Mechanics, McGraw-Hill Book Co., London, p. 310.

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