LaIngeniera Geotcnica Antes del siglo XVIII

El registro del primer uso del suelo como material de construccin se pierde en la antigedad. En trminos de verdadera ingeniera, la comprensin de la ingeniera geotcnica, como hoy es conocida comenz a comienzos del siglo XVIII (Skempton, 1985). Durante aos, el arte de la Ingeniera Geotcnica se bas en experiencias anteriores slo a travs de una sucesin de experimentacin sin ningn carcter cientfico real. Sobre la base de los experimentos, muchas estructuras fueron construidas, algunas de las cuales se han derrumbado, mientras que otras siguen en pie.

La historia escrita nos dice que las civilizaciones antiguas florecieron a lo largo de las orillas de ros, como el Nilo (Egipto), el Tigris y el ufrates (Mesopotamia), el Huang Ho (Ro Amarillo, China), y el Indo (India). Diques que datan de alrededor de 2000 A.C. fueron construidos en la cuenca del Indo para proteger la ciudad de Mohenjo Dara (en lo que se convirti en Pakistn despus de 1947).

Durante la dinasta Chan en China (1120 A.C. a 249 D.C.) muchos diques se construyeron para riego. No hay evidencia de que se hubieran adoptado medidas para estabilizar cimientos o verificar la erosin causada por las inundaciones (Kerisel, 1985). La antigua civilizacin griega utiliz zapatas aisladas y fundaciones continuas-y-combinadas para la construccin de estructuras.

Comenzando alrededor de 2750 A.C., las cinco pirmides ms importantes se construyeron en Egipto en un perodo de menos de un siglo (Saqqarah, Meidum, Dahshur del Sur y del Norte, y Keops). Esto plantea retos formidables en relacin a fundaciones, estabilidad de taludes y construccin de cmaras subterrneas. Con la llegada del budismo a China durante la dinasta Han del Este en el 68 D.C., miles de pagodas se construyeron. Muchas de estas estructuras fueron construidas en limo y capas de arcilla blanda. En algunos casos la presin de la fundacin exceda la capacidad de soporte del suelo y por lo tanto causaba daos estructurales.

Los documentos histricos muestran el uso de la rueda desde el 3,500 A.C., lo cual ilustra elinters de nuestros antepasados por reducir la friccin en movimientos de traslacin. Losegipcios tenan el conocimiento de la friccin y los lubricantes, esto se ve en el transporte degrandes bloques de piedra para la construccin de monumentos y pirmides. Para realizar estatarea utilizaban agua o grasa animal comolubricante.

De acuerdo a lo expuesto por el Profesor J. A. Jimnez Salas (en su discurso de 'Aportaciones cientficas espaolas a la geotecnia' de 1982), durante milenios, la Ciencia ha parecido nutrirse preferentemente por la tcnica artstica o de artesana, toda vez que causa cierto asombro pensar que, en las sociedades primitivas, que se deben suponer acosadas por problemas de pura supervivencia, el estamento cientfico hall la manera de protegerse de la presin social, y concentr su inters en laAstronoma, sin duda porque la regularidad de sus fenmenos, le sugiri la posibilidad de comprenderlos.

Pero, paralelamente, la Humanidad iba acumulando soluciones asus problemas prcticos, en un inmenso almacn de conocimientos empricos (artesanales).Solamente, en los ltimos siglos, se produjo, o al menos as lo parece, un cambio cualitativo en lafrecuencia de los acontecimientos depolimerizacin(crecimiento de las ideas en la mecnica, como lo denomina elProfesor Jimnez Salas), como si algunaradiacin desconocida hubiera excitado los mecanismos de sntesis.

Esta polimerizacin comienza en elRenacimientoy se acelera hasta la actualidad, y es en este periodo de tiempo, comparativamente breve, cuando se produce lavertebracinde lasCiencias Naturalesen la forma en la que hoy persisten, es decir, se da lametamorfosisde artesana a ciencia.

Con base en la observacin visual de las deformaciones de las estructuras antiguas y las laderas naturales, la existencia de la reptacin (creep) en suelos arcillosos que se conoce desde tiempos inmemoriales.

Inclinacin por 'creep' en la Torre de Pisa (Italia)

Sin embargo, la investigacin real de este fenmeno se inici a mediados del siglo XIX, debido a la intensificacin de las actividades de construccin. El 'creep' de los suelos arcillosos, comenz a ser interesante para los cientficos y especialistas, despus de observar grandes deformaciones prolongadas e inadmisibles, que afectaba a la explotacin normal de las estructuras y carreteras. El primer trabajo importante sobre el fenmeno de la fluencia en suelos arcillosos, se puede encontrar en "Bases y Fundaciones" escrito por el cientfico ruso por V.M. Karlovich, publicado en 1869. Es posible decir que durante el ltimo siglo, y sobre todo durante los ltimos aos, que las deformaciones de 'creep' en los suelos arcillosos, comenzaron a ser uno de los problemas ms importantes de la mecnica de suelos.

Hoy en da se pueden encontrar muchos ejemplos de comportamientocreep in-situ. Uno clsico, es el asentamiento irregular de la Torre de Pisa, en Italia. La construccin de la torre se inici en 1173 y termin en 1360. La altura de la torre es de 58 m de la base y 54.58 m desde la superficie del suelo, el peso se ha calculado en 14,453 toneladas, el rea de la base anular es de 285 m y la presin media en la base es 0,514 MPa. Debido a la deformacin de fluencia de arcillas depositadas en forma de lentes en la base de arena, la torre se asent e inclin hacia un lado. La consolidacin media de la estructura, de acuerdo a una de las muchas evaluaciones, es de 1.50 m, y la torre contina asentndose. La inclinacin de la torre es de 5.58 m, es decir, 5.5.

Torres Asinelli y Garisenda, construidas en 1109ubicadas en la Plaza de Porta Ravegnana, Bologna, Italia

La construccin de la torre comenzada en 1173, continu en varias etapas por ms de 200 aos.La torre se ha inclinado en el pasado al este, norte, oeste y, por ltimo al sur. Investigaciones recientes muestran que la compresin de un estrato de arcilla dbil a una profundidad de unos 11 m (36 pies) bajo la superficie del terreno caus la inclinacin de la torre. Esta inclinacin lleg a ms de 5 m (16,5 pies) fuera de la vertical de 54 m (179 pies) de altura.

Otro ejemplo se dio en Bologna, Italia, donde se construyeron dos torres en el siglo XII (Asinelli y Garisenda). La torre de la izquierda se suele denominar como la Torre Garisenda. Despus de encontrarse con varios problemas relacionados con la fundacin, durante la construccin a lo largo de los siglos pasados, los ingenieros y los cientficos comenzaron a investigar las propiedades y comportamiento de los suelos de una manera ms metdica a partir de la primera parte del siglo XVIII.

Leonardo da Vinci (1452-1519)dej muchos textos y dibujos relacionadoscon la ciencia y la tecnologa, aunque l no lo escribi en libros. Uno de los ejemplos que estudi es la resistencia del alambre de hierro, del que colgaba una cesta en la que iba aadiendo lentamente con arena. La resistencia del alambre fue determinada midiendo el peso de arena cuando el alambre se rompa. Por desgracia, las ideas y los avances adelantados por Leonardo da Vinci, quedaron enterrados en sus notas, y no fueron conocidos a tiempo por los cientficos e ingenieros.Algunas de las bases matemticas de la ingeniera civil se remontan a los antiguos tiempos de los griegos. El principio de la palanca, por ejemplo, que Arqumedes (287-212 A.C.) entendi y describi, todava se utiliza ampliamente en los clculos de ingeniera civil. No fue sino hasta Galileo Galilei (1564-1642), sin embargo, que varias de las caractersticas de la ingeniera moderna y la ciencia comenzaron a ser bien formadas, como por ejemplo la idea de que la mejor prueba de una proposicin o idea era un experimento. (Hoy en da decimos "poner la idea a prueba." Galileo utiliz el trminocimento, o prueba, en otras palabras, para "pasar la idea por el ensayo de la prueba.").Por casualidad, el mismo ao que muri Galileo,Isaac Newtonnaci. Newton (1642-1727) desarroll y potenci en gran medida los campos de la fsica del nivel que tenan en la poca de Galileo, y que siguen en uso en la actualidad.

Una aproximacin intuitiva al concepto de gravedad lo encontramos en la obra de Lucrecio (60 A.C.): De Rerum Natura, siendo la idea delheliocentrismodeAristarco de Samosen el 270 A.C.Pero fue el ingls Isaac Newton, quien defini las leyes de la gravedad, partiendo de las observaciones y conclusiones del polaco Mikolaj Kopernik (en latn Nicolaus Copernicus, que en 1543 public De Revolutionibum Orbium Caelestium), del alemn Johannes Kepler (con sus tres leyes de movimientos planetarios de 1609-1619 en Epitome Astronomiae Copernicanae), del italiano Galileo Galilei (inercia, cada de cuerpos, pndulo, observaciones telescpicas, en Discorsi di Due Scienze, 1633, y otras obras), as como de otros grandes estudiosos, como reconociera el propio Newton cuando erigi su Principia Mathemtica (1687) donde expres lasleyes de la gravedad.

Teora heliocntrica

En general se acepta que Galileo Galilei (1564-1642) es el creador de la mecnica moderna.En el famoso libro "Two New Sciences", trat diversos problemas relacionados con la mecnica, como por ejemplo la resistencia de una viga de piedra. Puso sus mtodos de aplicacin en el anlisis de esfuerzos, en una secuencia lgica. Su conferencia pronunciada en la Universidad de Padua, atrajo a muchos eruditos provenientes de toda Europa, y difundi el mtodo de la ciencia moderna. Tambin, el estudio de ladinmica de los cuerpos en movimientotuvo sus inicios en Galileo (1564-1642) con los famosos experimentos sobre los cuerpos que caen, y su tratado "De Motu Gravium"preparado en 1590.

Ya desde antes de 1640, Galileo seal la diferencia entre slidos, semi-lquidos y lquidos. Este aseveraba que los semi-lquidos, a diferencia de los lquidos, mantienen su forma cuando se les apila, y que, si se les hace un hueco o cavidad en la superficie, la agitacin hace que se rellene el hueco, mientras que en los slidos, la cavidad no se rellena. Esta es una rstica descripcin de la propiedad llamadapendiente natural de los materiales granulares, fcilmente observable en arenas limpias y secas, aunque es reconocido que los suelos o terrenos con diversas cantidades de arcilla y humedad, tienen diferentes pendientes naturales de reposo. Es importante no confundir el ngulo de reposo natural, con el ngulo de friccin interna (propiedad no ndice del suelo), aunque muchos autores han seguido a Woltmann, quien, al traducir los escritos de Coulomb, cometi ese error.

Robert Hooke(1635-1704) public el libro "Of Spring" en 1678, demostrando que el grado de alargamiento de un resorte es proporcional a la carga aplicada para diversos casos. Ese mismo ao,public el primer tratado cientficotratado, "De Potentia Restitutiva", donde discute las propiedades elsticas de los materiales. En ella, fue introducida laley de Hookerelacionando fuerza y deformacin y este desarrollose convirti en el fundamento de la mecnica de los cuerpos elsticos.En general, se cree que a Hooke se le ocurri la idea de la deformacin elstica, cuando se llevaron a cabo experimentos de compresibilidad del aire en la Universidad de Oxford como asistente de Robert Boyle (1627-1691), quien propuso la ley de Boyle.

El ingeniero del ejrcito francsCharles Augustin de Coulomb (1736-1806) contribuy en gran medida al estudio yla comprensin de la mecnica de los cuerpos elsticos. De especial inters es su trabajo "Surune Application des Rugles de Maximis et Minimis Quelques Problmes deStatique Relatifs Larchitecture", presentado en 1773 a la Academia Francesa deCiencias y publicado enMm. Acad. Sci. Savants trangersen 1776. Tal vez mejorconocido en la Ingeniera Geotcnica por su trabajo pionero en las teoras de la presin de tierras,Coulomb tambin produjo aportaciones fundamentales en los campos de la electricidad y elmagnetismo. Avances posteriores fueron efectuados por Navier (1785-1836), que en 1820 se presentun libro de memorias a la Academia de Ciencias incluyendo las ecuaciones fundamentales de lateora matemtica de la elasticidad.

Fue Coulomb (1773) quien aplic a los suelos lasleyes fundamentales de la friccin. l descubri que la resistencia a lo largo de una superficie de falla dentro de un suelo es funcin tanto de la carga por unidad de rea como de la superficie de contacto. Puede considerarse como la primera contribucin importante a la Mecnica de Suelos. La resistencia de los suelos a la deformacin depende, sobre todo, de su resistencia al esfuerzo cortante. Esta resistencia equivale, a su vez, a la suma de dos componentes: la friccin y la cohesin. La resistencia friccional surge entonces de la irregularidad de los contactos entre partculas, y es proporcional a la fuerza perpendicular entre ellas (presin normal). La cohesin, que es la resistencia mxima a la tensin de un suelo, es resultado de las fuerzas de atraccin que hay entre grnulos en contacto ntimo, y no depende de la presin normal. Sin embargo, es raro encontrar esta cohesin verdadera; lo ms comn es que los suelos tengan cierta resistencia friccional.

Thomas Young (1773-1829) public su trabajo de 2volmenes"A Course of Lectureson Natural Philosophy and the Mechanical Arts"en Londres en 1807.Entre suscontribuciones (por ejemplo, introduciendo el concepto de Mdulo Elstico) estuvo su precursormtodo para calcular las tensiones en las barras elsticas provocada por el impacto longitudinalteniendo en cuenta el esfuerzo de propagacin de ondas. Eaton Hodgkinson (1789-1861) contribuy con su prcticotrabajo experimental sobre los efectos de los impactos axiales en las vigas. Sus resultadosfueron publicados en los informes deBritish Association Reportsentre los aos 1833-1835.

Barr de Saint-Venant (1797-1886) fue un cientfico brillante, destacado ingeniero,y el hombre valiente. l fue el primero en su clase en la Escuela Politcnica, y fueexcepcionalmente admitido en la cole des Ponts et Chausses sin examen. Ala edad de 17 aos, egresado de la escuela como sargento de desprendimiento de la escuela por primera vez en 1814, cuando los ejrcitos aliadosse acercaban a Pars, sali de las filas proclamando: "Mi concienciame impide luchar por un usurpador ..." (Timoshenko, 1953). Saint-Venant produjosoluciones imaginativas (sin xito al comienzo, por la utilizacin de series trigonomtricas, y ms tarde porexpresiones forma cerrada) para el problema de una barra elstica fija en un extremo y golpeadaaxialmente en el otro extremo.

Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929) fue el alumno ms distinguido de Saint-Venant. Boussinesq resolvi el problema de impacto longitudinal de barras prismticasen trminos de funciones discontinuas. En 1883, Saint-Venant produjotablas de clculo y diagramas que ilustran los impactos longitudinales para diferentesrelaciones entre el peso de la barra golpeada y la de la masa que impacta sobre la base de la solucin de Boussinesqsolucin (Timoshenko y Goodier, 1951). Demostr que el esfuerzo mximo puedeocurrir en el extremo fijo de la barra.

Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894) estudi en Berln con Gustave RobertKirchhoff (1824-1887) y ms tarde hizo importantes avances, entre elloscontribuciones a la teora de la compresin de los cuerpos elsticos, donde se presentansoluciones en las tablas numricas, para simplificar aplicaciones prcticas para propsitos de ingeniera.

El estudio de las vibraciones mecnicas y los armnicos se origin en las antiguasinvestigaciones de las cuerdas vibrantes en los instrumentos musicales. Pitgoras (582-507 A.C.)llev a cabo experimentos que muestran que para dos cuerdas similares sometidas a igualtensin, si una es el doble de la longitud de la otra, produce tonos que son una octavaparte. Los primeros fabricantes de liras tenan un conocimiento prctico de las interrelacionesentre la densidad, la longitud, la tensin y la frecuencia. Joseph Sauveur (1653-1716) esgeneralmente acreditado por los primeros intentos para calcular la frecuencia de una cuerda vibrante, una tarea que se llev a cabo ms tarde por Brook Taylor (1685-1731) en 1713. A JohnWallis (1616-1703) se acredita la observacin del fenmeno de los modos. Sauveursugiri el nombre de modo "fundamental" para el de la menor frecuencia de vibracin, y"armnicos" para los otros modos. Daniel Bernoulli (1700-1783) fue el primero enproponer el principio de superposicin lineal de armnicos. J.B.J. Fourier (1768-1830) estableci el mtodo de la serie armnica que present en 1822 en su "Analytical Theory of Heat Flow" (que ilustra la universalidad de laaplicabilidad general del mtodo).

La ecuacin derivada para una cuerda vibrante por Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783) en 1747 es idntica a la que propuso Lagrange (1736-1813) para el tubo de rgano. Estaecuacin ahora se denomina "ecuacin de onda", a pesar de que el carcter ondulatorio de estetipo de vibracin no se reconoci en ese momento (Burton, 1968). D'Alembert fue pionero enel estudio de las ecuaciones diferenciales parciales, y sus aplicaciones en la fsica, y escribila mayora de los artculos de matemticas en elVolumen 28 dela Enciclopedia. l present unartculo titulado: "Rflections sur la cause gnrale des vents" de la Academia Prusiana,por la que gan el premio 1747.

PRECURSORES DE LA MECNICA DE SUELOS

Son considerados como precursores de la mecnica de suelos, todas aquellas personas que contribuyeron con el desarrollo de teoras matemticas y de experiencias campo, a nivel mundial, hasta el momento en que, a comienzos del siglo XX, el ingeniero Karl Terzaghi, en 1925, sienta las bases que dan origen a esta importante ciencia de la ingeniera geotcnica.

El estudio de la vida de aquellos filsofos, fsicos, matemticos y hasta ingenieros (militares, civiles, mecnicos, etc.), nos permite entender los logros de la ingeniera del pasado y la contribucin de estos hombres a la Ingeniera Geotcnica.

Como punto de partida para un proceso evolutivo lgico, se adopta aqu laclasificacin histrica del desarrollo de la mecnica de suelospresentada porSir Alec Westley Skemptonen 1985.

Entre los principalesprecursoresy contribuyentes al desarrollo de laingeniera geotcnicase encuentran los presentados a continuacin.