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martes, 10 de abril de 2012

Historia de la Geotecnia - Terzaghi y el SPT


Charles R. Gow (1872-1949 E.E.-U.U.)

Hacia 1902, el Coronel Charles R. Gow (1872-1949), propietario fundador de la compañía Gow Construction Co. en Boston, en 1899; comenzó a hacer perforaciones exploratorias utilizando muestreadores hincados, de 1 pulgada de diámetro, utilizando golpes repetidos de un martillo de 110 lb, para contribuir en la estimación de costos de excavación manual de caissons con campana, y con ello desarrolló la práctica de hincar en el suelo un tubo para obtener muestras, marcando el inicio del muestreo dinámico de los suelos. 

Hasta ese momento, los contratistas utilizaban perforaciones por lavado con cuchillas de corte, similares a los métodos que se utilizan actualmente en la perforación de pozos de agua. Los sondeos geotécnicos de la época eran relativamente toscos comparados con los estándares actuales, bastando con delinear la interfase suelo/roca, utilizando cortadores de perforaciones por lavado. 

Perforación por Lavado

Los cortadores de las perforaciones por lavado eran muy limitados para poder distinguir el carácter y la consistencia de los sedimentos no consolidados, como la capa dura amarilla de Boston.

Gow se familiarizó con los sondeos de exploración, mientras trabajaba para la Comisión de Tránsito de Boston (Boston Transit Commission) en la construcción del metro, como ingeniero asistente entre 1895 y 1908.

Construcción de la Estación Park Street del Metro de Boston

Mientras trabajaba en la estructura de Tremont Street para el metro de Boston a finales de la década de 1890s, en la Comisión de Tránsito, Gow aprendió sobre el comportamiento de los distintos tipos de suelo encontrados, y determinó que las diferentes capas de suelo, exhibían dramáticamente, diferentes capacidades para soportar las cargas estructurales, lo que hoy conocemos como capacidad portante. Señaló que los estratos de apoyo más adecuados eran suelos orgánicos sepultados, en los que se habían desarrollado "costras de meteorización", y más coloquialmente conocido como la "capa dura amarilla".

Alrededor del año 1902, Gow comenzó a tomar "muestras secas" con un muestreador del tipo 'chopping bit' (punta cortadora), en busca de la capa dura. Gow comenzó entonces con la práctica de la toma de muestras hincadas, cada vez que había un cambio notable en el tipo de suelo.

Máquina de perforación de Gow

Gow empleó inicialmente una tubería rústica de 1 pulgada de diámetro para recuperar muestras hincadas. Utilizó la misma tubería hueca a través de la cual circulaba el agua de perforación ("agua sucia") que se utilizaba para lavar y extraer el suelo de la perforación. Limpiaba el orificio de todos los cortes de suelo y residuos sueltos, antes de tomar una muestra hincada. El tubo muestreador tenía entre 12 " y 18", de largo, con pequeñas aberturas de ventilación y un biselado cónico en el extremo, semejando una rústica zapata de corte.

Muestreador de tubo Gow

En 1922, la Gow Construction Co. se transformó en una subsidiaria de Raymond Concrete Pile Co. (al venderla a sus propietarios), con sede en Nueva York y dirigida en ese momento por Linton Hart, y fue la nueva compañía, la que difundió esta metodología para estimar la resistencia del material y densificación del suelo, en base al trabajo de hinca del tubo. Originalmente los penetrómetros dinámicos fueron concebidos para apreciar la compacidad de los suelos sin cohesión (gravas y arenas), ante la dificultad de obtener muestras inalteradas.

La Raymond Concrete Pile, expandió sus operaciones para convertirse en una empresa con cobertura costa-a-costa en 1927 cuando abrieron su oficina de San Francisco, y fue pionera en una gran cantidad de productos patentados, como la Pila Cónica de Paso Raymond.

La ingeniería de fundaciones se desarrolló rápidamente durante las décadas de 1920 y 1930 en los Estados Unidos y la exploración del sitio y toma de muestras del subsuelo confiables, fueron cada vez más importantes.

Esquema de Moran & Proctor para el proyecto de cimentación del nuevo Banco de Manhattan en 1929, cuando cimientos más profundos fueron construidos entre las antiguas zapatas superficiales

El muestreador de cuchara partida fue introducido a mediados de la década de 1920s por la empresa Sprague & Henwood Inc., de Scranton-Pensilvania; y comercializado en todos los Estados Unidos. Fue fabricado en una variedad de tamaños: con diámetros externos de 2.0 in. (5.1 cm), 2.5 in. (6.35 cm), 3.0 in. (7.6 cm), and 3.5 in. (8.9 cm). Los diámetros internos de estos muestreadores tenían 0.50 in. (1.27 cm) menos que las dimensiones exteriores antes descritas.

Promoción de Sprague & Henwood (1951)

A finales de la década de 1920s, Gow empleaba una cuadrilla de perforación conformada por tres hombres para tomar muestras hincadas en sus sitios de trabajo en Boston, Nueva York y Filadelfia, empleando técnicas estandarizadas de muestreo. Los directores de operación eran: Harry Mohr en Boston, Linton Hart en Nueva York, y Gordon Fletcher en Filadelfia.

Harry Mohr (1885-1971) se unió a la División de Gow RCPC en 1926, en su oficina de Boston y comenzó la recolección de datos del número de golpes para hincar muestreadores de 22" de longitud, con martillos de 140 libras de peso, que caían desde una altura de 30". Luego también lo registrarían sistemáticamente L. Hart y G. Fletcher en sus respectivas ciudades.

Equipo de SPT de Gow (a finales de 1920s)

La cuchara partida de 2 pulgadas de diámetro exterior, fue diseñada en el año 1927 por H.A. Mohr (gerente regional de Gow Company en Nueva Inglaterra, USA), basándose en el trabajo de campo realizado en Philadelphia por G. A. Fletcher, y el desarrollo de investigaciones realizadas. En 1930, Harry Mohr comenzó a reglamentar el método de ensayo con la realización de mediciones de la resistencia a la penetración de una cuchara partida (de 2 pulgadas de diámetro) bajo una carrera de 12 pulgadas (1 pie), empleando una maza de 63,5 kg. (140 lb) que caía desde 76,2 cm. de altura (30 pulgadas). Este procedimiento fue establecido en 1937 y posteriormente publicado en su trabajo para graduarse de la Universidad de Harvard en 1940 como: H.A. Mohr, 1940, Exploration of Soil Conditions and Sampling Operations: Bull 269, Graduate School of Eng’g, Harvard University.

Muestreador 'split-spoon' de H.A. Mohr

Mohr desarrolló entonces, un muestreador por hincado de cuchara partida, de diámetro ligeramente más grande, y registró el número de golpes por pie de penetración en una muestra de alrededor de 18 pulgadas de longitud, utilizando un martillo de 140 libras que cae desde una altura de 30 pulgadas, empujando a un muestreador de 2 pulgadas de diámetro externo, mientras recuperaba una muestra de 1-3/8 pulgadas de diámetro. El valor registrado para la primera ronda de hincado usualmente se desechaba debido al ajuste por caída y la contaminación en la perforación. El segundo par de números eran entonces combinados y reportados como como un valor único para las últimas 12 pulgadas (1 pie). Este valor se presenta como el valor del número de golpes SPT, comúnmente denominado "N". 

Aunque alteradas, los muestreadores hincados de diámetro 1-3/8", eran capaces de recuperar delgadas capas de material en la secuencia estratigráfica correcta, brindando importantes detalles que las perforaciónes por lavado no podían. Mejoras al barril muestreador se hicieron en los años posteriores, incluyendo la introducción de una válvula de cheque de bola, para evitar la pérdida de la muestra.

Ensayo de penetración de H.A. Mohr

En su trabajo titulado "Exploration of soil conditions and sampling operations" publicado por la Universidad de Harvard en el año 1937, H. A. Mohr reporta que el método de exploración del suelo y su muestreo se estableció en febrero de 1929, fecha del primer informe del ensayo de penetración, realizado por la Gow, División de Raymond Concrete Pile.

Muestreador de pistón Shelby diseñado
por H.A. Mohr en 1936


Carlton Proctor desarrolló a mediados de la década de 1930s, el muestreador hincado de 3.625 pulgadas de diámetro externo para Moran & Proctor y que fue conocido como M&P, para la exploración que debía efectuar la firma en la construcción del puente de la bahía de San Francisco, y descrito en C.S. Proctor, 1936, The Foundations of the San Francisco-Oakland Bay Bridge: Proceedings of the Int’l Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Harvard Univ., v.3, p. 183-193.

El muestreador hincado de 3 pulgadas de Moran & Proctor fue perfeccionado en 1939, para el proyecto de la Feria Mundial de New York, en colaboración con el profesor Donald Burmister de la Universidad de Columbia. Era mucho más grande que el muestreador Gow de la Raymond, con un diámetro externo de 3-5/8 ", y capaz de recuperar muestras de 3 pulgadas de diámetro, en lugar de las de 1-3/8" de diámetro del muestreador de Gow. Otras empresas de geotecnia en el área de Nueva York, comenzaron a usar este barril muestreador hincado, también fabricado por Sprague & Henwood.

Muestreador de Hincado Raymond de 15 lb. (estandarizado en 1940)

En 1940, la Gow Division de Raymond había estandarizado su muestreador hincado de 15 libras, utilizando una zapata de hincado en acero con un barril muestreador de 22 pulgadas; fabricado para la Raymond por Sprague & Henwood.

Según Fletcher (en "Standard Penetration Test: Its Uses and Abuses", ASCE, Vol. 93, SM 4, P. 67-75, 1965), hacia fines de la década de 1920s, la técnica de la perforación, era el principal obstáculo para la normalización del método. Ni Fletcher, ni Mohr, dieron muchos detalles del diseño de la cuchara partida de 2” de diámetro externo, pero si lo hizo Juul Hvorslev en 1949, en su reporte clásico sobre exploración y muestreo del subsuelo.

El Comité ASCE en Muestreo y Ensayo (de suelos) de la División de Mecánica de Suelos y Fundaciones, fue formada en 1938, y los procedimientos estandarizados para el muestreo por hincado fueron escritos por Juul Hvorslev en 1940, y posteriormente, fueron adoptados en todos los Estados Unidos por el Engineers Joint Council en 1949.

No todo el mundo utilizó el muestreador de Gow, originario de Boston, pero a Karl Terzaghi le gustó el muestreador Raymond, debido a que Harry Mohr había recolectado más de 30 años de datos de penetración subsuperficial en los suelos de Boston y sus alrededores y a que desde 1927, la Raymond había estado empleando un procedimiento de penetración estandarizado con dispositivos similares a lo ancho de Estados Unidos. En 1925, un perforador de la Raymond Concrete Pile Co., propuso a Terzaghi, contar el número de golpes necesarios para hincar un tubo muestreador, que tenía por costumbre utilizar, asumiéndolo como un ensayo. Después de haber acumulado una gran cantidad de resultados, Terzaghi nunca quiso modificar el muestreador que había utilizado originalmente y creó como procedimiento una rutina que era costumbre en la época.

Bjerrum, Terzaghi y Casagrande en agosto de 1957

Terzaghi y Arthur Casagrande, enérgicamente patrocinaron la adopción del procedimiento de muestreo con cuchara partida bajo los auspicios del Comité ASCE sobre 'Muestreo y Ensayos' de la División de Mecánica de Suelos y Fundaciones de ASCE, formada en 1938. El trabajo de este comité se llevó a cabo en Harvard por Juul Hvorslev (anterior estudiante de doctorado de Terzaghi en Viena), y fue más o menos estandarizado hacia 1940, cuando Hvorslev publicó: "El estado actual de la técnica de obtención de muestras inalteradas de suelos" (“The Present Status of the Art of Obtaining Undisturbed Samples of Soils”), incluido como un apéndice de 88 páginas a la Conferencia Purdue sobre Mecánica de Suelos y sus Aplicaciones. 

Mikal Juul Hvorslev

Las mejoras en los métodos de muestreo e instrumentación — prescritos como objetivos del programa de potamología (área de la hidrografía dedicada al estudio de las aguas fluviales (del griego potamos (Ποταμός) = río), — fueron en gran medida responsabilidad de Hvorslev. Nativo de Dinamarca, Hvorslev trabajó con Terzaghi en su laboratorio de Viena a mediados de la década de 1930s, antes de trasladarse a los Estados Unidos. En 1938 la División de Mecánica de Suelos y Fundaciones de ASCE enroló al recien llegado inmigrante como ingeniero investigador para el estudio de métodos de exploración y muestreo de materiales subsuperficiales, con el propósito primario de desarrollar mejores métodos para obtener muestras inalteradas de suelos. Harvard facilitó las instalaciones de laboratorio y espacio de oficina, y en 1940 la universidad publicó el primer trabajo de Hvorslev en los Estados Unidos como parte de su serie sobre Mecánica de Suelos, estableciendo entonces su reputación como autoridad en el campo de las investigaciones subterráneas. El documento publicado fue: M.J. Hvorslev, The Present Status of the Art of Obtaining Undisturbed Samples of Soil. Soil Mechanics Series No. 14 (Cambridge: Harvard University Press, 1940).

En 1942 la ASCE creó un comité sobre Muestreo y Ensayos. Hvorslev nuevamente fue enganchado como ingeniero de investigación, con frecuencia desarrollando investigaciones sin remuneración. Turnbull en particular, reconoció las inusuales habilidades de Hvorslev. Consecuentemente, a comienzos de 1946, la Waterways Experiment Station WES, ofreció su asistencia en la recopilación y preparación de un documento comprensivo sobre la exploración subsuperficial y prontamente persuadió a Hvorslev de mudarse a Vicksburg, donde funcionaba desde entonces su centro de operaciones. Allí sirvió como consultor técnico especial para Turnbull hasta su retiro en 1976. En 1948 la WES publicó el extenso documento de Hvorslev Subsurface Exploration and Sampling of Soils for Civil Engineering Purposes, que se convitió en la referencia estándar en su campo y que definió las técnicas de muestreo en el programa de potamología y otros numerosos proyectos. Sobre una base continua, Hvorslev introdujo mejoras técnicas en casi todas las fases de la exploración subterránea.

El concepto de Terzaghi de utilizar un número de golpes "estándar" para estimar las propiedades del suelo (consistencia y densidad del terreno) no se comprendió hasta 1947, cuando éste se sentó a trabajar con Harry Mohr, y desarrolló correlaciones entre la presión de carga admisible y el número de golpes [SPT] en arenas, mientras completaba su proyecto de libro titulado 'Mecánica de Suelos en la Práctica de la Ingeniería'. 

Clasificación Mohr-Terzaghi basada en el SPT

Más tarde ese año, Terzaghi bautizó al muestreador Gow de 2 pulgadas como la "Prueba de Penetración Estándar" ("Standard Penetration Test"), en una presentación titulada "Tendencias recientes en la exploración del subsuelo", que dictó en la 7ª Conferencia sobre Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones en la Universidad de Texas, en Austin; en este documento se citan las primeras referencias concretas sobre el método al que le dieron el nombre de Standard Penetration Test. Bajo este nombre se describieron entonces las correlaciones desarrolladas en los últimos 20 años por Harry Mohr, de la Gow Division de la Raymond Concrete Pile Co, en las principales ciudades de los Estados Unidos.

Los ingenieros de fundaciones en la ciudad de Nueva York prefirieron el muestreador M&P de mayor diámetro, que recuperaba una muestra menos alterada, pero el muestreador SPT se convirtió en el favorito de la mayoría de los practicantes porque era sencillo, económico y los datos de SPT estaban correlacionados con la resistencia del suelo y la consistencia, los cuales eran los insumos del diseño.

Peck, Thornburn & Hanson, autores de Foundation Engineering (1953)

Las primeras correlaciones SPT publicadas aparecieron en la Figura 177, de la página 423 de la primera edición de 'Mecánica de Suelos en la Práctica de Ingeniería' de Terzaghi y Peck, publicada en 1948. Este libro es el primer texto donde se hace referencia al ensayo SPT. Posteriormente, se presentaron correlaciones entre el número de golpes del SPT y la consistencia de limos y arcillas, y la densidad relativa de arenas, en  Peck, R. B.; Hanson, W. E.; y Thornburn, T. H., 1953, Foundation Engineering: John Wiley & Sons, New York, 410 p. En este libro, los autores indicaron que los datos para las arenas eran más confiables que los publicados para limos y arcillas.

Correlaciones adicionales con la resistencia del suelo, aparecieron en la literatura a medida que más gente comenzó a utilizar el muestreador del SPT, hasta que se convirtió en la herramienta dominante para el muestreo del suelo hacia el año 1960 y hasta se publicaron tablas que correlacionaron la resistencia del suelo con el número de golpes del ensayo.

Muestreador tipo 'Terzaghi'

Valores estimados de cohesión y fricción del suelo basados en el número de golpes
-sin corregir- del SPT. Karol (1960)

El aporte que realizan al SPT en su 'Mecánica de Suelos en la Práctica de la Ingeniería' de 1948, Terzaghi y Peck, es que relacionan los valores de N-DR (Densidad Relativa) y N-φ (Ángulo de Fricción Interna), en forma independiente de la profundidad a la que se efectúa el ensayo, y por lo tanto de la sobrecarga efectiva en el nivel considerado. Cuando el ensayo SPT, se efectúa en arenas finas o limosas bajo el nivel freático, debe reducirse el número de golpes a través de la siguiente relación:


Correlación N-DR y N-φ de Terzaghi y Peck

El muestreador por hincado de mayor diámetro de M&P recuperaba muestras de 3", utilizando 5000 lb-pulgada/golpe mientras el muestreador de la Raymond lo hacía con 4200 lb-pulgada/golpe. Entonces en 1947, la Moran, Proctor, Freeman & Mueser contrató al profesor Donald M Burmister (1895-1981) de la Universidad de Columbia, para desarrollar un factor de corrección adecuado.

Donald Martin Burmister (1895-1981)

Burmister asumió que, el número de golpes del SPT, relacionaba la energía de entrada versus el área del barril muestreador y de la muestra. Concluyó que podían hacerse correlaciones simples entre los varios diámetros de muestreadores, ignorando el incremento en el área sometida a fricción de pared (skin friction area) que acompaña a los muestreadores de mayor diámetro, y el aumento de la fricción con la profundidad. A pesar de la física simplista, estas burdas correlaciones han demostrado ser muy valiosas en la práctica. Burmister sugirió una corrección simple por energía de entrada para la relación entre el peso de hincado (energía del martillo) versus el diámetro de la muestra, en su documento: D.M. Burmister, 1948, The importance and practical use of relative density in soil mechanics: Proceedings of ASTM, v. 48:1249. Con esta  simple expresión quedaba correlacionado el SPT del muestreador Moran & Proctor con el SPT de Mohr.  

La relación de Burmister solo consideró la energía de entrada (peso del martillo multiplicado por la altura de caída), tamaño de la muestra recuperada (Di) y diámetro del barril muestreador (Do). Esta expresión puede se re-escrita para obtener la corrección por energía de entrada y diámetro para que otras pruebas se correlacionen con el SPT (ASTM D-1586).

Corrección de Burmister al SPT

W es el peso del martillo, H es la altura de caída, Do es el diámetro externo del barril muestreador, Di es el diámetro de la muestra hincada, NR is número de golpes bruto, y N* es el número de golpes reportado como equivalente al valor de SPT. La corrección de energía de Burmister toma el valor bruto del número de golpes del SPT y lo multiplica por una fracción apropiada. El número de golpes corregido es usualmente denotado por un asterisco (*) en el registro de perforación, con una nota que explica que el número de golpes ha sido ajustado.  

En 1954 Jim Parsons de Moran, Proctor, Freeman & Mueser introdujo el procedimiento convencional donde se registra el número de golpes para los tres incrementos de 6" de longitud, usando un barril muestreador de 18 pulgadas. El valor registrado para la primera etapa de avance es descartado debido a la alteración de la muestra y ajuste por caida de la tubería. Esto ahorró tiempo y dinero ya que no se requería la limpieza con el barreno jet que él había introducido en 1940. El segundo par de numero son entonces combinados y reportados como un único valor para las últimas 12 pulgadas. Este valor se conoció como el número de golpes estándar, N, o Nspt .

Gracias a la gran cantidad de tipos de ensayos de penetración que existen, como los relacionados por G. Sanglerat, la prueba está muy lejos de ser 'estándar' y solamente Terzaghi y Peck son los únicos que se refieren a la prueba como estandarizada. En la actualidad, son esencialmente el material y el procedimiento de ejecución, que tanto interesaron a Terzaghi en 1925, los más extendidos y los únicos susceptibles de una interpretación con los ábacos que presenta la literatura técnica.

Respecto de la alteración de la muestra obtenida mediante la cuchara partida, Terzaghi citó la siguiente expresión: “Sería muy extraño que este brutal tratamiento del subsuelo, no tuviera influencia en la estructura del mismo” 

La prueba del "muestreador estándar hincado" fue posteriormente adoptada por la ASCE y por el Cuerpo de Ingenieros con base en el docimento de J. Hvorslev: "Exploración subsuperficial y Muestreo de Suelos para fines de la Ingeniería Civil" (“Subsurface Exploration and Sampling of Soils for Civil Engineering Purposes”), que apareció en noviembre de 1949 (reimpreso por la Ingeniería de Fundaciones en 1962 y 1965). Sprague & Henwood comenzaron a producir el muestreador Mohr de cuchara partida, de 2 pulgadas de diámetro, a comienzos de la década de 1950 y se convirtió en un estándar en todo Estados Unidos en 1958, cuando el aparato y los procedimientos fueron oficialmente adoptados por ASTM como Método de Prueba D1586 (y revisado por última vez en 1984). 

Muestreador SPT ASTM D1586

En sus comienzos, Terzaghi realizaba la prueba de SPT en superficie, después hubo mayor atrevimiento y en la actualidad se practica a cualquier profundidad.

Metodología original del SPT

La metodología propuesta por G.A. Flechter en la década de 1920s, presentaba las siguientes actividades:

  • Ejecutar una perforación en la zona donde se analizaba el subsuelo, la cual se limpia por medio de inyección de agua hasta la profundidad a la que se deseaba extraer la muestra.
  • Bajar la cuchara partida enroscada al extremo de las barras de sondeo. 
  • Una vez que la cuchara llega al fondo de la perforación, comienza el ensayo de penetración propiamente dicho, materializado por medio de un dispositivo que deja caer libremente una maza de 140 libras (63,5 kg), desde una altura de 30” (762 mm) sobre la cabeza de golpeo de las barras de sondeo para que el muestreador penetre primero 6”(15 cm). 
  • A continuación se hinca el muestreador 12”(30 cm) más. Se anota entonces el N° de golpes necesarios para cada 6” (15 cm) de carrera. Las primeras 6” de penetración, se denominan "hinca de asiento".
  • El N° de golpes necesarios para la hinca de las restantes 12", se llama "resistencia normal a penetración (N)". 
  • Una vez finalizada la hinca, se extrae la muestra, abriendo longitudinalmente la cuchara, se coloca en un recipiente hermético y se rotula indicando: Obra, N° de sondeo, N° de muestra, profundidad y el valor (N). 
  • En todo momento las muestras deben estar al resguardo de heladas o el sol hasta su llegada al laboratorio para la determinación de los parámetros correspondientes.
A continuación incluyo enlace de un excelente artículo del ingeniero Alvaro J. González G. sobre la estimación de parámetros efectivos de resistencia del suelo obtenidos a partir de la prueba SPT, publicado en la página web de la Sociedad Colombiana de Geotecnia, que ilustra en profundidad los conceptos previamente descritos:

Estimativos de Parámetros de Resistencia Efectivos con el SPT

 Referencias:

  • Atala Abad, César. Ensayo de Penetración Estándar [SPT]. Seminario Taller de Mecánica de Suelos y Exploración Geotécnica. 9 al 11 de setiembre de 1992. Universidad Nacional de Ingeniería - Facultad de Ingeniería Civil. Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas  y Mitigación de Desastres.
  • Cassan,  Maurice. Los Ensayos "In Situ" en la Mecánica del Suelo: Su ejecución e Interpretación. Volumen 1. Editores Técnicos Asociados. Barcelona. 1982. 
  • López Menardi, R.E. Determinación In Situ de Propiedades Ingenieriles de los Suelos y su Relación con el Ensayo Normal de Penetración. Universidad Tecnológica Nacional. Buenos Aires. Septiembre 2003. 
  • Rogers, J. David. Notes on the Standard Penetration Test. GE 441 Advanced Engineering Geology & Geotechnics. Spring 2004. University of Missouri.
  • Rogers, J. David. Gow, Mohr, Terzaghi, and the Origins of the Standard Penetration Test. Missouri University of Science & Technology for the Joint Meeting Association of Environmental & Engineering Geologists. American Society of Civil Engineers. Chicago, Illinois January 14, 2009.
  • Rogers, J. David. Subsurface Exploration Using the Standard Penetration Test and the Cone Penetrometer Test. Environmental & Engineering Geoscience, Vol. XII, No. 2, May 2006, pp. 161–179.

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domingo, 26 de febrero de 2012

Historia de la Geotecnia - Terzaghi y la Mecánica de Suelos


Retrato de Karl von Terzaghi

Dando continuidad a la serie de escritos que permiten profundizar el conocimiento del desarrollo de la Mecánica de Suelos, a continuación se presenta un importante documento preparado por el profesor peruano de ingeniería civil, Jorge E. Alva Hurtado, Ph D, y publicado en mayo de 1996, que describe algunos interesantes detalles de la vida y obra de Karl Terzaghi.

Introducción


Los constructores han sido conscientes desde hace muchos siglos que las condiciones del terreno debían ser consideradas para que sus edificaciones no se asienten, inclinen o colapsen. La construcción antigua se realizaba en base a la experiencia del constructor. Sin embargo no fue sino hasta 1776, cuando Charles Augustin de Coulomb introdujo sus teorías de presión de tierras, que se aplicaron los métodos analíticos. En 1871, Otto Mohr presentó una teoría de falla para materiales idealmente plásticos, que en combinación con el trabajo de Coulomb, produjo la expresión muy conocida de resistencia cortante de suelos, τ = c + σ tg φ.
Recientemente, con el trabajo realizado por Terzaghi, la Mecánica de Suelos fue reconocida como una disciplina principal de la Ingeniería Civil. Este término y el de Geología Aplicada a la Ingeniería, fueron introducidos en su libro pionero “Erdbaumechanick auf Bodenphysikalischer Grundlage” publicado en 1925. El reconocimiento internacional de esta disciplina se logró con la Primera Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, llevada a cabo en la Universidad de Harvard en junio de 1936. Esta conferencia, presidida por Terzaghi, fue organizada por el Profesor Casagrande.
Un hito principal en la Mecánica de Suelos fue la publicación en 1943 del libro “Theoretical Soil Mechanics” de Terzaghi, el que hasta ahora permanece como una importante referencia. Este libro fue seguido por “Soil Mechanics in Engineering Practice” de K. Terzaghi y R.B. Peck en 1948 y por trabajos posteriores de otros investigadores. La Mecánica de Rocas fue una disciplina desarrollada y practicada durante muchos años por ingenieros y geólogos en la industria petrolera y minera. Esta no fue reconocida como parte de la Ingeniería Civil sino hasta 1960, en el Primer Congreso de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas en Lisboa. El término Ingeniería Geotécnica fue lanzado con la revista Geotechnique en 1948 por la Institución de Ingenieros Civiles de Gran Bretaña, siendo utilizado el término desde entonces en Europa y Sudamérica. La Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) adoptó el término de Ingeniería Geotécnica en 1974 para una de sus Divisiones y su revista correspondiente de publicación mensual. En la actualidad este último término incluye la mecánica de suelos, ingeniería de cimentaciones y mecánica de rocas, e implica una fuerte relación con la geología aplicada a la ingeniería.


El amplio espectro de las numerosas contribuciones de Karl Terzaghi a la mecánica de suelos, hoy denominada ingeniería geotécnica, es asombroso. Muchas de dichas contribuciones permanecen como la base de muchos elementos de este arte - ciencia. Algunas de las contribuciones más importantes son: el principio de los esfuerzos efectivos y la teoría de la consolidación que datan de 1920, y el concepto de módulo de reacción de subrasante en 1955. Terzaghi desarrolló criterios de diseño para el soporte de túneles en roca en base a una evaluación empírica de la calidad de la roca en 1946 y fue uno de los primeros investigadores en reconocer el significado de la inestabilidad del fondo marino en 1956. El número total de publicaciones del Profesor Terzaghi supera los 280, lo que demuestra el amplio rango de sus intereses y contribuciones a la mecánica de suelos.


En esta ocasión presentaré un resumen de la biografía de Terzaghi, la cual ha sido publicada por su más cercano colaborador, el Profesor Arthur Casagrande, tanto en el libro Aniversario (1960) como en su artículo de la revista Geotechnique (1964) después de la muerte de Terzaghi. Seguidamente describiré brevemente las principales contribuciones de Terzaghi a la Ingeniería Civil, tal como han sido narradas por sus colaboradores y amigos en las distintas publicaciones revisadas. Finalmente presentaré el mensaje de Karl Terzaghi respecto a los requerimientos para la práctica de la mecánica de suelos aplicada y lo que debe ser un consultor en ingeniería geotécnica.

Vida y Logros de Terzaghi
Karl Terzaghi nació el 2 de octubre de 1883, en Praga, entonces provincia bohemia de Austria, donde su padre, Anton von Terzaghi, estaba temporalmente asignado como oficial del ejército. Se esperaba que Karl siguiera la carrera militar de sus antecesores, pero cambió sus planes cuando descubrió, a los 14 años, que un pequeño defecto de visión le impediría alistarse en el ejército austriaco.

Joven Terzaghi

Estudió, en cambio, ingeniería mecánica en la Universidad Técnica de Graz, graduándose en 1904. Como estudiante se dedicó más a asistir a cursos de geología, astronomía y filosofía, que a los propios de su carrera. Había ya comenzado la búsqueda de algo que satisficiera su intensa curiosidad y su deseo de explorar más allá de los límites del conocimiento de su época. Con todo, sus años de estudiante fueron un período borrascoso.

Terzaghi a los 23 años (1907)

Sin estrella que lo guiara ni mano firme que sostuviera el timón, estuvo al borde del naufragio. Es verdad que hubo miembros de la Facultad que reconocieron en la suya una mente bien dotada y potencialmente creadora, siendo uno de ellos Ferdinand Wittenbauer, Profesor de Mecánica, que también era poeta y dramaturgo. Se dice que él defendió a Terzaghi cuando la Facultad quería expulsarlo por excesiva "libertad académica".

Portada del libro de F. Wittenbauer publicado en 1931

En dicha ocasión el Profesor Wittenbauer recordó a sus colegas que los tres estudiantes que hasta entonces habían sido expulsados de la Universidad Técnica de Graz habían llegado a ser hombres eminentes - uno de ellos, Nicola Tesla.
Después de graduarse, Terzaghi sirvió un año en el ejército, durante el cual, en su abundante tiempo libre, tradujo al alemán la obra "Outline of Field Geology", de A. Geikie. Esa fue su primera publicación, de una lista de más de 280 publicaciones. En el Volumen Aniversario de Terzaghi se incluye una bibliografía completa hasta 1960.

Portada del libro de Archibald Geikie

Desde estudiante ya se había dado cuenta que no le agradaba la ingeniería mecánica. Por lo tanto, pasado su año de servicio militar, regresó a su "alma mater" para otro año de estudio, concentrándose sobre todo en geología. A continuación trabajó tres años con una firma austríaca de ingeniería y construcciones civiles, aprendiendo en ella, en una serie de proyectos, el lado práctico de la profesión. En aquel entonces aceptó gustosamente la oportunidad de encargarse de un levantamiento hidrográfico y geológico para un proyecto hidroeléctrico en las montañas Karst de Croacia, disfrutando con los extensos trabajos de campo. Al final de los dos años que duró el trabajo escribió un muy completo artículo sobre la morfología y las aguas subterráneas en la región de Karst, sede del proyecto, artículo que aún hoy se considera como actualizado sobre la geología del fenómeno kárstico.
Durante la preparación del artículo, un amigo le habló de las dificultades que habían surgido en la cimentación de un edificio grande en San Petersburgo. Terzaghi se ofreció para encargarse del proyecto, siendo aceptado su ofrecimiento y logrando controlar la peligrosa situación. Durante este trabajo se le puso claramente de manifiesto el estado altamente insatisfactorio del arte de la ingeniería de cimentaciones. Consideró este asunto como un reto a su imaginación, por lo que decidió sacrificar sus ahorros y su tiempo para compilar y correlacionar todos los conocimientos disponibles sobre cimentaciones, con la esperanza que ese trabajo permitiera un ataque racional para predecir el comportamiento de los suelos en obras de tierra y cimentaciones. Permaneció todavía por un lapso corto en Rusia, en una atmósfera muy atractiva en lo profesional, social y financiero; estimulado por los problemas que observó en Rusia, preparó algunas valiosas contribuciones al diseño de concreto armado, las cuales publicó luego en varios artículos y en un pequeño libro del que fue coautor con T. Pöschl, usando parte del material de su tesis doctoral que presentó a la Universidad Técnica de Graz, recibiendo allí, en 1912, el grado de Doctor en Ciencias Técnicas. Pocas semanas después estaba ya camino a los Estados Unidos.

Terzaghi tenía la impresión que el mayor avance en obras de tierra se había hecho en los Estados Unidos y que el U.S. Reclamation Service era en ésto uno de los precursores. En consecuencia, visitó en Washington a F.H. Newell, que era el Director del Servicio en esa época, y le pidió información de donde se habían presentado problemas difíciles en ingeniería de obras de tierra.

Reparación de la presa de Avalon (1905) de U.S. Reclamation Service

Permaneció en Washington lo suficiente para estudiar la geología de estos sitios, publicada por el U.S. Geological Survey, y procedió después a visitar los sitios, uno tras otro. Para completar sus escasos fondos aceptaba trabajo de cualquier clase: ingeniero, supervisor de perforación y hasta perforista. De esta manera llegó a conocer las arcillas blandas aluviales del delta del Mississippi, los suelos de las regiones semiáridas del suroeste y oeste, y las arcillas de Oregon y Washington, que son causa de inestabilidad de taludes; observando también con interés los nuevos procedimientos de construcción de obras de tierra. Hacia el fin de 1913 regresó a Austria, desanimado por haber fracasado en su objetivo, y mientras estaba estudiando la pequeña cantidad de material útil que había obtenido, estalló la primera guerra mundial.

Después de participar brevemente en la lucha del frente Servio, pidió traslado a la fuerza aérea austríaca que se estaba organizando entonces, permaneciendo en ella dos años como comandante de la estación de ensayos aeronáuticos de Aspern, cerca de Viena, donde estuvo asociado a Theodor von Karman y Richard von Mises. El trío se encontró de nuevo en los Estados Unidos muchos años después. En esa época, el Profesor Philip Forchheimer, que había sido maestro de Terzaghi en la Universidad Técnica de Graz, estaba ayudando al gobierno turco a reorganizar la enseñanza de la ingeniería en Turquía. Necesitando un hombre competente y enérgico, y sin ni siquiera consultar a Terzaghi, pidió que lo nombraran Profesor de Ingeniería de Cimentaciones en la Escuela Imperial de Ingeniería de Constantinopla (después Estambul).
Así comenzó, a la edad de 33 años, su estadía de diez años en Turquía durante la cual la rama de mecánica de suelos fue concebida y fundada. En su tiempo libre comenzó una compilación sistemática de toda la literatura inglesa, alemana y francesa sobre ingeniería de cimentaciones y obras de tierra para el período de 1860-1917, utilizando principalmente las bibliotecas de Viena durante sus visitas a esa ciudad.

Biblioteca Nacional de Viena

Como consecuencia de este trabajo y del que había llevado a cabo en los Estados Unidos, concluyó que era desesperanzador el intento de condensar los conocimientos empíricos en un sistema apropiado, donde se carecía de medios para describir claramente y medir cuantitativamente las propiedades estructurales de la vasta gama de los suelos. Como esos medios no existían, era un intento inútil tratar de encontrar relaciones entre las condiciones del subsuelo y el comportamiento de las estructuras. Una vez que afirmó en su mente tal conclusión, no perdió más tiempo tratando de encontrar la clave mediante el estudio de conocimientos empíricos, sino que comenzó a experimentar sistemáticamente con suelos, empezando por arenas. Con cajas de tabaco y piezas diversas, usando instrumentos de medición prestados, construyó aparatos con los que rápidamente obtuvo resultados significativos de ensayos de presión de tierras.
Al terminar la guerra, la Escuela Imperial despidió a los profesores de las naciones derrotadas y Terzaghi aceptó una cátedra en el American Robert College de Estambul, hoy Universidad de Bogazici, que había visitado antes en varias ocasiones. A pesar de sus abrumadoras obligaciones de docencia (principalmente materias de termodinámica y de ingeniería mecánica), comenzó inmediatamente a formar un laboratorio de suelos, utilizando materiales que rescataba del basurero del instituto. Careciendo de fondos para un extensómetro de precisión, inventó uno, basado en el espaciamiento de los anillos de Newton que se forman cuando se comprime agua entre dos planchas de vidrio. La arcilla la obtenía de las riberas del Bósforo. Noche tras noche trabajó con su equipo primitivo, descubriendo así la mecánica de la consolidación de la arcilla y otros principios importantes que forman la base de la moderna mecánica de suelos. En 1923 publicó la ecuación diferencial fundamental para el proceso de consolidación, para la que también estableció su analogía matemática con la transferencia del calor. A pesar de que este artículo recibió poca atención en esa época, representó un hito alcanzado en el punto medio de su vida. Según sus propias palabras: "Los resultados de mis esfuerzos excedieron mis esperanzas". A partir de entonces, vio claro el rumbo de su futura misión, la cual ejerció con notable constancia hasta su muerte, cuarenta años después.
En 1924 presentó su teoría de "consolidación de arcillas" (para la cual también usaba el nombre de "teoría de esfuerzos hidrodinámicos"), en el Primer Congreso Internacional de Mecánica Aplicada, en Delft, Holanda. La audiencia lo acogió entusiastamente y después de la sesión, Forchheimer estrechó la mano a Terzaghi y le dijo: "Hoy ha nacido usted al mundo científico". El año siguiente apareció su primer libro, un clásico de la mecánica de suelos, titulado "Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage".

Edición autografiada por Karl Terzaghi

La publicación de ese libro (en 1925) marca el comienzo de la Mecánica de Suelos. El libro llamó la atención de John R. Freeman, de Rhode Island, conocido especialista en hidráulica que se ocupaba entonces de divulgar en Estados Unidos los adelantos de los laboratorios hidráulicos europeos; Freeman sugirió al Profesor Charles M. Spofford, por esa época jefe del departamento de ingeniería civil del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que invitara a Terzaghi como conferencista. Puesto que en ese momento los grandes y continuos asentamientos de los nuevos edificios del M.I.T. eran motivo de preocupación, la subsiguiente invitación no fue toda motivada por el deseo de fomentar la enseñanza de esta nueva materia.

Edificio del Campus de M.I.T. que sufría asentamiento

Terzaghi llegó a M.I.T en el otoño de 1925, para iniciar su segunda estadía en los Estados Unidos, que debía terminar en el otoño de 1929. Este período fue el de más rápido ascenso de su carrera y de importancia vital en la aceptación de la mecánica de suelos por el gremio de ingenieros. En su pequeña oficina de M.I.T. comenzó inmediatamente a preparar el equipo para ensayos de suelos y fue allí en mayo de 1926 que construyó un aparato de consolidación en miniatura. En este período conoce al Dr. Arthur Casagrande, un compatriota suyo y se inicia una estrecha relación de amistad y de trabajo profesional.
En el verano de 1926 Casagrande trabajó como ayudante de Terzaghi en Washington y desde diciembre como asistente de investigación en M.I.T. A medida que aumentaba su reputación como consultor, se buscó su consejo en muchos países y él, para familiarizarse con los suelos tropicales, buscó trabajos en América Central. Su curso de dos semestres de mecánica de suelos en M.I.T. atrajo muchos estudiantes y dio una norma para su enseñanza, que fue gradualmente aceptada por otras universidades.

A pesar de lo valioso que le fue este período en M.I.T. para su desarrollo profesional, Terzaghi no pensó entonces en establecerse en los Estados Unidos permanentemente. Cuando se le ofreció una cátedra de ingeniería civil en la Universidad Técnica en Viena, le entusiasmó la perspectiva de regresar a su patria, además que dicho ofrecimiento implicaba un reconocimiento eminente de sus realizaciones y de su estatura profesional. Terzaghi sugirió a su asistente Casagrande que tomara un permiso por seis meses y lo acompañara a Viena, para organizar un laboratorio de suelos y adiestrar a sus nuevos ayudantes.

Terzaghi comenzó a enseñar en Viena en 1930 y pronto sus cursos y sus investigaciones empezaron a atraer estudiantes e ingenieros de muchos países, llegando su departamento a ser un centro renombrado de mecánica de suelos. Sus servicios tenían también mucha demanda como conferencista y consultor en proyectos importantes en toda Europa, Norte de Africa y Rusia. Dondequiera que iba despertaba un gran interés entre los ingenieros locales por la mecánica de suelos. En 1935 permaneció tres meses como conferencista en la Universidad Técnica de Berlín.
Harvard lo invitó para participar en el primer semestre de 1936, e inmediatamente después actuó allí como Presidente de la Primera Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, la que tuvo lugar en Pierce Hall. En esa ocasión se fundó la Sociedad Internacional, y Terzaghi fue elegido su primer Presidente, puesto que ocupó hasta la Cuarta Conferencia Internacional de 1957, en Londres.

En la primavera de 1938, después que Hitler ocupó Austria, Terzaghi se estableció con su familia temporalmente en Francia, que le era conveniente para sus actividades de consultor. El y su esposa consideraron establecerse permanentemente en los Estados Unidos, informando a Casagrande que estaría interesado en una cátedra a medio tiempo que le dejara suficiente libertad para sus otras actividades. Casagrande persuadió al decano Westergaard de la Universidad de Harvard para que invitara a Terzaghi como conferencista y durante el segundo semestre de 1938-39 enseñó Geología Aplicada a la Ingeniería por primera vez en la Escuela de Postgrado de Ingeniería de Harvard. Durante la primavera de 1939 cumplió su promesa de dar una serie de conferencias en el Imperial College de Londres, y ofreció además la Conferencia James Forrest en la Institución de Ingenieros Civiles, siendo el segundo ingeniero no británico en recibir tal honor (el primero fue Marconi) desde 1890, año en que se creó la Conferencia. Sus conferencias en Londres estimularon mucho el crecimiento rápido de la mecánica de suelos en Inglaterra.

En la Universidad de Harvard, Terzaghi encontró un ambiente intelectual muy de su agrado, disfrutando de los contactos con colegas de otras facultades; para mencionar sólo algunos: Harold M. Westergaard, a quien había conocido en Washington D.C. cuando ambos eran consultores del Bureau of Public Roads; su compatriota Richard von Mises; Lionel Marks, y Percy Bridgman, de Física. En el escritorio de su oficina, en el tercer piso de Pierce Hall (que ocupó de 1938 a 1960, cuando su estado físico lo obligó a trabajar en su casa), escribió más que en ninguna otra oficina que ocupara en su vida: dos libros, más de cien artículos y numerosos informes de su trabajo de consultoría. La Biblioteca Gordon McKay era su favorita, por tener su entrada vecina a su oficina, disfrutando de los eficientes servicios de sus bibliotecarios y de su habilidad para obtenerle libros de otras bibliotecas. A pesar de enseñar sólo un cuarto de tiempo, estableció un segundo curso, "Mecánica de Suelos Aplicada", en el que adoptó el método de casos tomados liberalmente de su experiencia de consultor. Mantuvo su costumbre de dar conferencias en otras universidades y sociedades profesionales en muchos de los países que visitaba como consultor, y aceptó el nombramiento como conferencista e investigador sobre una base más permanente en la Universidad de Illinois, y más tarde también en M.I.T.
En 1946, Harvard le dió el título de Profesor de la Práctica de la Ingeniería Civil, retirándose en 1956 con el calificativo de Profesor Emérito; a pesar de ello continuó disertando sobre geología aplicada a la ingeniería por varios años más. Sus cursos en Harvard, y sus otras actividades centradas en su oficina de Pierce Hall, contribuyeron poderosamente a la espléndida reputación que disfrutó Harvard en Ingeniería Civil durante ese período.

Sus actividades de consultoría se extendieron a muchas partes del mundo, ocupándose sólo de asuntos que lucieran prometedores de obtener información valiosa. La lista de los proyectos en que intervino incluye grandes presas de tierra, estabilización de taludes, cimentaciones para edificios y puentes, problemas especiales surgidos de dificultades de construcción o accidentes, túneles en tierra y en roca dura, ferrocarriles subterráneos y problemas de cimentaciones de muelles. En 1954 fue nombrado Presidente de la Junta Consultora para la Presa Alta de Assuán, en Egipto, pero renunció a la Junta en 1959, cuando la Unión Soviética se encargó del diseño y de la construcción, cambiando el proyecto que se había preparado bajo su dirección.

Los logros de Terzaghi fueron producto de muchas y relevantes características personales; a su visión integral, su brillante mente analítica, y la insaciable curiosidad indispensable a un gran físico, unió dotes y afición para la observación paciente y cuidadosa de la naturaleza, indispensables al geólogo competente. A una extraordinaria capacidad de actividad mental, que desafiaba el cansancio en largas horas de trabajo, unida a un envidiable poder de concentración y gran habilidad para rechazar asuntos que interfirieran con su interés principal (pero siempre con gentileza que rara vez producía resentimientos), se debe el enorme volumen de trabajo que produjo en su vida. Su espléndida memoria fue de gran ayuda para compendiar y retener la gran cantidad de datos geológicos y de observación que siempre se acumulan en proyectos grandes de obras de tierra y cimentaciones, teniendo además la capacidad de reconocer rápidamente los elementos esenciales en la masa de datos.

Para su muy desarrollado talento literario, escribir era una actividad fácil y placentera. Cuando alguien, a la terminación de una investigación larga y complicada, compadeció a Terzaghi por tener por delante "la parte más difícil del trabajo", es decir, la preparación del informe, Terzaghi contestó: "¡Pero si ésa es la mejor parte!". El cuadro que está indeleblemente impreso en la memoria del Profesor Casagrande, es el de Terzaghi sentado en su escritorio, escribiendo por horas, con sólo pausas ocasionales para ordenar sus pensamientos y para reponer, por medio de un buen cigarro, la cortina de humo en que habitualmente se envolvía. Tenía también facilidad para el dibujo, que usaba ventajosamente en las muchas figuras que ilustran sus informes y artículos.

Hasta edad avanzada gozó de vigor físico y magnífica salud. Geólogos jóvenes, acostumbrados al campo, difícilmente lo podían seguir en las montañas a la edad de 70 años, y hasta los 75 mantuvo un tren de trabajo y de viajes que hubiera agotado a muchos hombres de menor edad. Estaba dotado de una voz cálida y resonante, que alcanzaba con facilidad los rincones más remotos de auditorios grandes. Hasta sus últimos años dictó conferencias que duraban bastante más de una hora, sin hacer uso de notas, y tanto sus disertaciones como su conversación estaban salpicadas de un humor fresco y a veces de agudezas mordaces. Así mantenía fascinada a su audiencia, aún cuando describía detalles tediosos; en cualquier reunión social su personalidad magnética y su brillante verbo lo hacían rápidamente el centro de atracción.

Alimentó de joven el deseo de hacerse explorador, deseo que siempre se mantuvo latente. En sus extensos viajes aprovechaba siempre las oportunidades de apartarse de la ruta específica de su trabajo; por ejemplo: excursiones a las selvas de Guatemala y Panamá, las ruinas mayas de Yucatán, montañismo en los Montes Garibaldi, en la Columbia Británica. Tales excursiones le proporcionaban material para sus afamadas charlas no profesionales, que ilustraba con sus propias transparencias a colores.

Poseía otras cualidades personales que fueron esenciales para su gran éxito como consultor, particularmente aceptación de la responsabilidad, autoridad, valor para imponer soluciones nuevas y una notable habilidad para diagnosticar relaciones y causas ocultas. Esta última cualidad se basaba no sólo en su intuición y juicio excelentes, sino también en un cuidadoso análisis de cada detalle de información. A veces detalles aparentemente triviales le proporcionaban pistas valiosas, que él proseguía con programas bien pensados de exploración y observación adicionales.

En su biografía en el Volumen Aniversario, el Profesor Casagrande (1960) describe las contribuciones más importantes de Terzaghi hasta sus 75 años; en sus últimos cinco años de vida se ocupó especialmente de los siguientes tres grupos de temas, que se reflejan en sus publicaciones últimas (Casagrande, 1964):

  1. El primer grupo contiene una descripción detallada de problemas de mecánica de suelos y su solución, en conexión con proyectos de grandes presas de tierra en los que actuó como consultor principal. Estos artículos documentan su creencia que las lagunas existentes, tanto en mecánica de suelos como de rocas, sólo pueden ser eliminadas en base a observaciones e investigaciones de campo completas y pacientes, antes que por medios teóricos y de laboratorio.
  2. El segundo grupo comprende artículos dedicados a "la mecánica de suelos en acción". En su amplísima experiencia de mecánica de suelos, Terzaghi tuvo oportunidad de observar los muchos tropiezos que acechan al consultor de suelos, siendo el principal el de no dársele la oportunidad para verificar personalmente sus hipótesis de diseño con las condiciones expuestas durante la ejecución del trabajo. Insistía que un consultor "...se verá convertido en el primer chivo expiatorio...", aún cuando los proyectistas hayan ignorado por completo sus recomendaciones. Otra fuente de dificultades es la dependencia en la teoría sin una experiencia práctica adecuada. Terzaghi adquirió en sus primeros años de ejercicio aversión a la teoría que no estaba complementada por experiencia práctica. Terzaghi indicó que los peores enemigos de la mecánica de suelos no serían los que negaban la validez de sus principios básicos, porque ésos a su tiempo morirían; el peor daño ocurriría cuando los teóricos puros descubrieran la mecánica de suelos, porque la actividad de esos hombres podría socavar su propio objetivo.
  3. El tercer grupo se refiere a la mecánica de rocas. A sus visitantes de los últimos años expresó su temor que la excesiva tendencia a la teoría y la poca atención a la realidad de las observaciones de campo, podían retardar seriamente el avance de la mecánica de rocas.

Así, en sus últimos años, Terzaghi usó su energía y su visión en tratar de proteger a las jóvenes generaciones de ingenieros de suelos de las acechanzas que enfrentaban, y de guiarlos sabiamente. En ningún momento trató, como creen algunos, de desanimarlos en el uso de la teoría o en sus esfuerzos por desarrollarla, ni tampoco trató de disuadir al ingeniero joven de ejercer la mecánica de suelos, como algunos han creído interpretar en sus opiniones. El, que creó la mecánica de suelos, y que retuvo en este campo una preeminencia indiscutida, trató hasta el fin de su vida de compartir su sabiduría con aquellos que quisieran escucharle.

Los eminentes logros de Terzaghi se reflejan en nueve doctorados "honoris causa" y en los muchos galardones y premios de sociedades científicas y de ingeniería. Fue el único ingeniero que recibió cuatro veces la medalla Norman, el más alto honor de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE), en 1930, 1943, 1946 y 1955. Fue también miembro honorario de esa sociedad y de otras en muchos países. En 1960, la ASCE anunció la creación del Premio Karl Terzaghi, con un fondo inicial de $20,000, contribuido por miembros de la Sociedad; un recordatorio digno del gran hombre. El apreció profundamente todos los honores y disfrutó con el gran número de felicitaciones de todas partes del mundo en su octogésimo cumpleaños; pero su mayor satisfacción fue asistir en vida a la completa y entusiasta aceptación universal de la mecánica de suelos.
El Profesor Casagrande (1964), acerca de la trayectoria vital de Terzaghi, encuentra que es similar a la de muchos grandes hombres que dejaron su huella en el tiempo, incluyendo a Goethe, que la describió en término simbólicos en el drama de “Fausto”. De joven, Terzaghi pasó por un período turbulento e infeliz, atormentado por la interrogación del significado de la vida; momentos de disipación se alternaban con remordimiento y abatimiento. Este período se refleja patéticamente en los ensayos inéditos escritos en esa época y en las notas de su diario. Al término de sus estudios se dió con entusiasmo a sus primeros trabajos de ingeniero, que combinó frecuentemente con investigaciones geológicas, pero siempre buscaba incansablemente empresas más dignas de esfuerzo. Así se encontró un enorme vacío en la Ingeniería Civil, que era un desafío a su imaginación.
Sus primeros esfuerzos en ese territorio incógnito consistieron en años de viajes y búsqueda en bibliotecas, que le sirvieron, sin él saberlo, para encontrar la vía verdadera, seguidos por seis años de agotadora labor precursora y de sacrificios, en los que sentó los principios básicos de la mecánica de suelos. A la mitad de su vida, a los cuarenta años de edad, vio que había triunfado; desaparecieron sus frecuentes conflictos internos y la segunda mitad de su vida fructificó en una prodigiosa actividad productiva. Gracias a su genio, su energía y sus infatigables esfuerzos, la mecánica de suelos es hoy día una parte vital del currículum de ingeniería, y no se emprende ningún proyecto importante de obras de tierra o cimentación sin hacer uso sustancial de la ciencia creada por Terzaghi.

Karl Terzaghi falleció el 25 de octubre de 1963 en Winchester, Massachusetts, y la ingeniería perdió una de sus eminentes y pintorescas personalidades. En el prefacio del Volumen Aniversario de 1960, titulado "From Theory To Practice in Soil Mechanics", los editores L. Bjerrum (Noruega), A.W. Skempton (Gran Bretaña), R.B. Peck y A. Casagrande (Estados Unidos) dicen: “Pocos hombres han ejercido en sus profesiones durante su vida una influencia comparable a la de Karl Terzaghi en la Ingeniería Civil y la Geología Aplicada a la Ingeniería. Sin embargo, sus trabajos y sus escritos son tan diversos, han cubierto tan largo período y se originaron en tantos países, que aún sus más íntimos allegados no tienen todavía una idea completa de la amplitud de su carrera”.


Principales Contribuciones de Terzaghi

Una de las principales contribuciones de Terzaghi a la Ingeniería Civil es el desarrollo del Principio de Esfuerzos Efectivos, que en sus propios términos dice (Skempton, 1960):

“Los esfuerzos en cualquier punto de una sección de una masa de suelo pueden calcularse de los esfuerzos principales totales σ1, σ2 y σ3 que actúan en ese punto. Si los vacíos del suelo están llenos de agua con un esfuerzo u, los esfuerzos totales principales consisten de dos partes. Una parte, u, actúa en el agua y en el sólido en todas direcciones con igual intensidad. Se denomina presión de poros. La diferencia σ1' = σ1-u; σ2' = σ2-u; y σ3' = σ3-u; representa un exceso sobre la presión de poros y ocurre exclusivamente en la fase sólida.

Esta fracción de los esfuerzos totales principales, será llamada esfuerzos efectivos principales... Un cambio en la presión de poros no produce cambio de volumen y prácticamente no influencia los esfuerzos en la falla... Los materiales porosos (arena, arcilla y concreto) reaccionan a un cambio en u como si fueran incompresibles y como si su fricción fuera igual a cero. Todos los efectos medibles de un cambio de esfuerzo, tales como compresión, distorsión y un cambio de resistencia cortante son exclusivamente debidos a cambios en los esfuerzos efectivos σ1',σ2' y σ3'. Por lo tanto, cualquier investigación en la estabilidad de un cuerpo saturado de suelos requiere el conocimiento de tanto el esfuerzo total como la presión de poros”.

El Principio de Esfuerzos Efectivos es de fundamental importancia en el desarrollo de la mecánica de suelos. En 1923, fecha en que Terzaghi utilizó la ecuación σ' = σ-u , se considera el inicio de la Mecánica de Suelos.

Otra contribución importante de Terzaghi fue su ejemplo de vida, con un entusiasmo incesante para enfrentar nuevos desafíos como un INGENIERO de decisiones prácticas para PROBLEMAS DE IMPORTANCIA. Además, Terzaghi propuso desarrollar un ciclo de experiencia formado por ajustes sucesivos de predicción, prescripción, diseño y funcionamiento de las obras. Para continuar con el desarrollo de la mecánica de suelos e ingeniería de cimentaciones, Terzaghi propuso el método de observación de casos estudiados donde existiera una buena instrumentación para evaluar y analizar los resultados de las mediciones. Estos conceptos fueron desarrollados posteriormente por R.B. Peck (1969) en su Método de Observaciones; A. Casagrande (1964) en su Riesgo Calculado y T.W. Lambe (1972) en su Proyecto Integrado. Estos métodos fueron presentados en distintas Conferencias en Honor a Rankine y Terzaghi.

Mensaje a los Ingenieros Geotécnicos

Terzaghi (1958) indica que un Consultor es una persona que supuestamente sabe más que su cliente sobre una determinada materia. Cuando un Consultor adquiere una reputación y descubre que sus servicios están en demanda, su carrera futura dependerá de lo que desea conseguir en la vida: si desea adquirir prestigio y dinero, deberá establecer una organización de ingeniería y luego convertirse en su esclavo. Sus ingresos aumentarán pero también sus preocupaciones. Será un ejecutivo y hombre de negocios, con condiciones para adquirir úlceras en el estómago. Por otro lado, si decide practicar el arte de la ingeniería, desistirá de establecer una organización y se concentrará en ampliar sus conocimientos en el campo de su elección. Para lograr lo anterior deberá utilizar por lo menos la mitad de su tiempo en investigación y evaluación de sus observaciones de campo. De esta manera su capacidad económica será limitada, pero tendrá menos preocupaciones y mayor libertad de acción. Terzaghi admite que su opción en la vida fue la segunda.


Terzaghi (1958) concluye que en base a los riesgos involucrados en la falta de contacto entre los departamentos de diseño y construcción en las grandes obras de tierra, las organizaciones serias deben incluir un departamento de mecánica de suelos. Durante el diseño ese departamento supervisa los sondajes y ejecuta los ensayos de laboratorio.

Durante la construcción verifica los materiales encontrados y supervisa la compactación, adaptándola a los cambios de materiales. También compara lo encontrado con lo supuesto y realiza las modificaciones pertinentes.

Si la organización de ingeniería contrata un Consultor y ésta tiene un departamento de mecánica de suelos que mantiene un buen contacto con el departamento de diseño y la obra, las relaciones entre el Consultor y el Cliente serán sin fricciones y satisfactorias. El Consultor podrá rendir el máximo servicio con el mínimo de tiempo necesario, puesto que el departamento de mecánica de suelos lo mantendrá informado sobre lo asumido en el diseño y lo encontrado en la construcción. Por otro lado, en la mayoría de organizaciones de ingeniería el diseño y la supervisión de la construcción permanecen divorciados, aunque con un camuflaje de un pequeño laboratorio de suelos que proporciona solamente datos básicos para el diseño. Si se invita a un Consultor a participar en la etapa de diseño, éste debe tener cuidado. Deberá desistir de participar si es que la asignación no significa un contacto activo con el proyecto hasta el final de la construcción y puede inspeccionar los trabajos cuando considere conveniente. Debe recibir informes detallados semanalmente, preparados por un ingeniero de suelos competente, que permanezca todo el tiempo en la obra. En segundo lugar el Consultor debe averiguar si la inspección de obra funciona, en caso contrario debe renunciar, dejando en claro las razones de su renuncia.

En su artículo “Mecánica de Suelos en Acción”, K. Terzaghi (1959) indica que: “el autor nunca ha fallado en señalar en los prefacios de sus libros en mecánica de suelos, que sus contenidos deberán utilizarse solamente como guías para un juicio ingenieril. Ellos no pueden utilizarse satisfactoriamente a menos y hasta que el lector haya adquirido capacidad de juicio, y esta capacidad tan solo puede obtenerse en años de contacto con las condiciones de campo”.

Terzaghi presentó las calificaciones necesarias para la aplicación de la mecánica de suelos de forma satisfactoria:

  1. Adecuado conocimiento de fundamentos
  2. Conocimiento adquirido por experiencia
  3. Sentido común
  4. Apropiada observación
  5. Iniciativa
  6. Imaginación

El Prof. Casagrande (1959) complementó las recomendaciones propuestas por Terzaghi, con el objeto de animar a los ingenieros jóvenes a desarrollar una posición correcta frente a esta materia. El ingeniero joven que quiere alcanzar un alto nivel de realización en su profesión, debe aprender a comprender que su educación formal, aún a nivel de postgrado, no puede inculcarle juicio ingenieril. Este juicio es una combinación de años de experiencia y sentido común innato; sin embargo, el proceso puede acelerarse si se busca la oportunidad de desarrollar experiencia, particularmente trabajando en una variedad de problemas difíciles en mecánica de suelos aplicada, bajo la guía de ingenieros de suelos que hayan adquirido una madurez de juicio. En este sentido el desarrollo de un ingeniero de suelos tiene un gran parecido con el desarrollo profesional de un cirujano. Por supuesto que en cada profesión existen personas que han alcanzado la cima solas por su propio esfuerzo, pero éste es un camino más lento y menos seguro.

La siguiente lista presenta los requisitos que un ingeniero de suelos debe cumplir para asegurar una aplicación confiable de la mecánica de suelos a los problemas difíciles de obras de tierra y cimentaciones.

Debe tener:

  1. Buen conocimiento de la teoría (mecánica de suelos + geología aplicada a la ingeniería) 
  2. Buen juicio (sentido común + experiencia).
  3. Conocimiento profundo de propiedades y métodos de exploración, muestreo y ensayos de suelos.

Debe hacer:

  1. Insistir en exploración, muestreo y ensayos confiables. Si el proyecto se localiza en áreas no conocidas para él, debe revisar la información sobre geología local existente.
  2. Introducir todas las cantidades en el análisis en términos de rangos posibles y obtener los resultados en los mismos términos.
  3. Insistir en una evaluación continua de toda la información que esté disponible durante la construcción.

Los tres primeros requisitos se aplican a todas las ramas de la ingeniería. Sin embargo, la relativa importancia de los mismos entre sí es distinta entre las especialidades. 

Un ingeniero de suelos con un excelente comando de la teoría, pero sin experiencia e inadecuado conocimiento de los suelos en estudio, puede entrar fácilmente en dificultades.

Se presenta a continuación lo que el ingeniero de suelos debe hacer: 

Debe insistir en la ejecución de programas de exploración y ensayos confiables. Es difícil verificar personalmente que todo se haya realizado conforme a lo especificado; sin embargo el ingeniero de suelos no debe olvidar las serias consecuencias que se producirán si los programas no han sido satisfactorios.

En contraste con otras ramas de la ingeniería, como la de estructuras, el ingeniero de suelos debe tratar de evaluar cada cantidad en términos de rango posible, analizar el caso utilizando esos rangos para producir resultados en los mismos términos y no en números únicos. El futuro ingeniero de suelos, desde su formación, debe ser consciente de esta importante diferencia entre la ingeniería estructural y la ingeniería de suelos, debiendo ser entrenado desde el principio en el hábito de apreciar realísticamente los posibles rangos de todas las cantidades que entran en la solución de un problema particular.

El último requisito enfatiza en la necesidad de mantener una vigilancia constante durante la construcción para obtener nueva información de las condiciones del subsuelo, que permitan una eventual revalidación y modificación del diseño. El grado de énfasis en este requisito depende principalmente de la geología local. Como fuera indicado por Terzaghi, el ingeniero de suelos tiene grandes obstáculos en sus esfuerzos para estar en contacto con la fase de construcción, debido al divorcio que existe entre el diseño y la construcción de las obras.

En relación a la necesidad de ejecutar análisis matemáticos exactos en la mecánica de suelos, Terzaghi indicó en el prefacio de uno de sus libros “si una predicción no puede hacerse por métodos simples, ésta definitivamente no puede hacerse”. Una manera muy reveladora acerca del juicio ingenieril de un ingeniero de suelos es la manera como usa las matemáticas en la mecánica de suelos aplicada. Si utiliza cálculos refinados que van mas allá de lo garantizado cuando se considera las variaciones en las condiciones de los suelos del proyecto y si utiliza constantes únicas con tres decimales en vez de rangos realistas, el ingeniero de suelos demuestra que todavía no ha desarrollado el juicio ingenieril que es prerequisito para un manejo satisfactorio de problemas difíciles en obras de tierra y cimentaciones.
Referencias:

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