UN VIAJE A TRAVÉS DE LA HISTORIA DE LA INGENIERÍA GEOTÉCNICA

Durante mucho tiempo, la ingeniería geotécnica se sustentó únicamente en experiencias pasadas, sin seguir un enfoque científico genuino. Basándose en estos experimentos, se erigieron numerosas estructuras, algunas de las cuales han colapsado mientras que otras permanecen intactas. El rastro de la primera persona que empleó el suelo como material constructivo se desvanece en la antigüedad. En el ámbito de la ingeniería civil, el conocimiento de la ingeniería geotécnica, tal como la entendemos hoy, comenzó a desarrollarse a principios del siglo XVIII (Skempton, 1985).

La historia registrada nos relata cómo antiguas civilizaciones florecieron a lo largo de los márgenes de distintos ríos importantes, tales como el Nilo (Egipto), el Tigris y el Éufrates (Mesopotamia), el Huang Ho (río Amarillo, China) y el Indo (India). Se han descubierto diques que se remontan a aproximadamente 2000 a.C. en la cuenca del Indo, construidos para resguardar la ciudad de Mohenjo Dará (ubicada en lo que hoy es Pakistán tras 1947). Durante la dinastía Chan en China (desde el 1120 a.C. hasta el 249 a.C.), se erigieron numerosos diques con fines de riego. Sin embargo, no existen pruebas de que se hayan tomado medidas para estabilizar los cimientos o controlar la erosión causada por las inundaciones (Kerisel, 1985).

La antigua civilización griega empleó zapatas aisladas y cimientos de madera en la construcción de sus estructuras. Desde aproximadamente el 2700 a.C., se erigieron diversas pirámides en Egipto, muchas de las cuales se utilizaron como tumbas para los faraones y sus consortes durante los períodos del Imperio Antiguo y Medio. Hasta el año 2008, se han descubierto un total de 138 pirámides en Egipto. La construcción de estas pirámides planteó desafíos considerables en términos de cimentaciones, estabilidad de pendientes y la edificación de cámaras subterráneas.

Con la introducción del budismo en China durante la dinastía Han del Este en el año 68 d.C., se erigieron miles de pagodas. Muchas de estas estructuras se construyeron utilizando limo y capas blandas de arcilla. En algunos casos, la presión ejercida sobre la base excedía la capacidad de soporte de carga del suelo, lo que resultó en daños estructurales significativos.

La Torre de Pisa en Italia es uno de los ejemplos más conocidos que evidencian los desafíos asociados con la capacidad de soporte del suelo en estructuras anteriores al siglo XVIII. Su construcción se inició en 1173 d.C., en una época de prosperidad para la República de Pisa, y se extendió en diversas etapas durante más de 200 años. Esta estructura, con un peso aproximado de 15,700 toneladas métricas, se apoya sobre una base circular de 20 metros de diámetro. A lo largo de su historia, la torre ha experimentado inclinaciones hacia el este, norte, oeste y, finalmente, hacia el sur.

Investigaciones recientes han identificado una capa de arcilla débil a unos 11 metros de profundidad, la cual, debido a la compresión, ha provocado la inclinación de la torre en más de 5 metros respecto a sus 54 metros de altura (Figura 1). En 1990, la torre fue cerrada debido al temor de un posible colapso, pero recientemente se logró estabilizar mediante la excavación del suelo en el lado norte de la estructura. Un total de 70 toneladas métricas de tierra fueron removidas en 41 extracciones separadas, ampliando así la base de la torre. A medida que el suelo se asentaba para ocupar el espacio vacío, la inclinación se redujo, dejando la torre ahora inclinada en un ángulo de 5 grados. Aunque este cambio de medio grado no sea evidente a simple vista, ha fortalecido significativamente la estabilidad de la estructura.

Tras enfrentar varios problemas relacionados con la cimentación durante la construcción en siglos pasados, los ingenieros y científicos comenzaron a estudiar de manera más sistemática las propiedades y el comportamiento de los suelos a partir de la primera parte del siglo XVIII. Según el énfasis y la naturaleza de estudio en ingeniería geotécnica, el lapso de tiempo entre 1700 y 1927 se divide en cuatro períodos principales (Skempton, 1985):

1. Periodo Preclásico (1700 a 1776).

2. Mecánica de suelos: periodo Clásico-Fase I (1776 a 1856).

3. Mecánica de suelos: periodo Clásico-Fase II (1856 a 1910).

4. Mecánica de suelos moderna (1910 a 1927).

Durante este período, se enfocaron en estudios relativos a la inclinación natural y densidades de distintos tipos de suelos, así como en teorías semiempíricas de empuje. En 1717, Henri Gautier (1660-1737), un ingeniero real francés, realizó un estudio sobre la inclinación natural de los suelos mientras se inclinaba sobre una pila para desarrollar métodos de diseño de muros de contención. Lo que conocemos hoy como ángulo de reposo se derivó de este estudio. Gautier estableció que la inclinación natural de la arena seca limpia era de aproximadamente 31° y para la tierra común era de alrededor de 45°. Asimismo, recomendó valores de densidad de la arena seca limpia y la tierra común de 18.1 kN/m³ y 13.4 kN/m³, respectivamente. Sin embargo, no se registraron resultados de pruebas para la arcilla.

En 1729, Bernard Forest de Belidor (1694-1761) publicó un libro de texto destinado a ingenieros militares y civiles en Francia. En este libro, propuso una teoría sobre la presión lateral del suelo contra muros de contención, siguiendo los pasos del estudio original de Gautier (1717). Además, presentó un sistema de clasificación de suelos.

En 1746, el ingeniero francés Francois Gadroy (1705-1759) presentó los primeros resultados de pruebas de laboratorio utilizando un modelo de muro de contención de 76 mm de altura, construido con relleno de arena. Gadroy identificó la presencia de planos de deslizamiento en el suelo como un tipo de falla. Este estudio fue más tarde resumido por J. J. Mayniel en 1808. Asimismo, durante este período, el ingeniero francés Jean Rodolphe Perronet (1708-1794) realizó una contribución significativa al estudiar la estabilidad de taludes alrededor del año 1769. En su trabajo, Perronet hizo una distinción entre el suelo natural y el saturado.

Durante este período, los avances principales en el campo de la ingeniería geotécnica fueron impulsados por ingenieros y científicos en Francia. En el período Preclásico, la mayoría de los enfoques teóricos utilizados para calcular la presión lateral del suelo sobre muros de contención se basaban en una superficie de falla colocada arbitrariamente en el suelo. En un influyente trabajo presentado en 1776, el científico francés Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) aplicó principios de cálculo de máximos y mínimos para determinar la verdadera posición de la superficie de deslizamiento en el suelo detrás de un muro de contención. Coulomb empleó las leyes de fricción y cohesión de sólidos en su análisis.

En 1790, el reconocido ingeniero civil francés Gaspard Marie Claire Riche de Brony (1755-1839) incluyó la teoría de Coulomb en su importante libro, Nouvelle Architecture Hydraulique (vol. 1). Más adelante, en 1820, los casos específicos de estudio de Coulomb fueron examinados por el ingeniero francés Jacques Frederic Francais (1775-1833) y por Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836), profesor de mecánica aplicada, abordando casos relacionados con rellenos y cargas inclinadas de apoyo.

En 1840, Jean Victor Poncelet (1788-1867), un ingeniero militar y profesor de mecánica, amplió la teoría de Coulomb y presentó un método gráfico para calcular la presión lateral del suelo en muros de retención verticales e inclinados con superficies poligonales de tierra. Poncelet también fue el primero en utilizar el símbolo "φ" para representar el ángulo de fricción del suelo y propuso la primera teoría sobre cojinetes de capacidad extrema en cimentaciones superficiales.

En 1846, el ingeniero Alexandre Collin (1808-1890) detalló deslizamientos profundos en laderas de arcilla, cortes y terraplenes. Collin planteó que, en todos los casos, la falla ocurre cuando la cohesión movilizada supera la cohesión existente del suelo. Además, observó que las superficies reales de falla podían aproximarse como arcos de cicloides.

El fin de la primera fase del período Clásico de la mecánica de suelos se considera generalmente en torno al año 1857, marcado por la primera publicación de William John Macquorn Rankine (1820-1872), profesor de ingeniería civil en la Universidad de Glasgow. Esta obra presenta una teoría destacada sobre el empuje y el equilibrio de las masas de tierra, una simplificación de la teoría de Coulomb.

Durante esta fase, varios resultados experimentales provenientes de pruebas de laboratorio en arena fueron publicados en la literatura especializada. Una de las contribuciones iniciales y más significativas proviene del ingeniero francés Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858). En 1856, Darcy presentó un estudio sobre la permeabilidad de los filtros de arena, lo que llevó a la definición del término "coeficiente de permeabilidad" (o conductividad hidráulica) del suelo, un parámetro fundamental y de gran utilidad en la ingeniería geotécnica que sigue vigente hasta la actualidad.

Sir George Howard Darwin (1845-1912), profesor de astronomía, realizó pruebas de laboratorio para determinar el momento de vuelco en una pared de arena con bisagras de retención, explorando las condiciones de compactación tanto sueltas como densas. Otra contribución destacada, publicada en 1885 por Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), consistió en el desarrollo de la teoría que abordaba la distribución de esfuerzos bajo áreas de apoyo cargadas en un medio homogéneo, semiinfinito, elástico e isotrópico.

En 1887, Osborne Reynolds (1842-1912) demostró el fenómeno de la dilatancia en la arena. Durante este período, también se llevaron a cabo estudios notables, como los realizados por John Clibborn (1847-1938) y John Stuart Beresford (1845-1925) en relación con el flujo de agua a través del lecho de arena y la presión de elevación.

El trabajo de Clibborn, publicado en el Tratado de Ingeniería Civil, Vol. 2: Trabajo de Riego en la India, Roorkee, 1901, así como en el Documento Técnico núm. 97 del Gobierno de la India en 1902, abordó el flujo de agua a través de lechos de arena. Por otro lado, el estudio de Beresford de 1898 sobre la elevación de la presión en el Narora Weir en el río Ganges se documentó también en el Documento Técnico núm. 97 del Gobierno de la India en 1902.

En esta etapa, se publicaron resultados de investigaciones sobre arcillas que establecieron propiedades y parámetros fundamentales de este tipo de suelo. Destacan las siguientes contribuciones:

Hacia 1908, el químico y científico sueco del suelo, Albert Mauritz Atterberg (1846-1916), definió las fracciones de arcilla de tamaño natural como el porcentaje en peso de partículas menores de 2 micras. Reconoció la importancia de las partículas de arcilla en el suelo y su influencia en la plasticidad del mismo. En 1911, explicó la consistencia de los suelos cohesivos al definir límites como el líquido, plástico y de contracción, además de establecer el índice de plasticidad como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico (ver Atterberg, 1911).

En octubre de 1909, la presa de tierra de 17 metros de altura en Charmes, Francia, colapsó. El ingeniero francés Jean Fontard (1884-1962) llevó a cabo investigaciones para determinar la causa del fallo. Realizó pruebas de doble corte en muestras de arcilla no drenadas para determinar sus parámetros de resistencia al corte (ver Frontard, 1914). Estas pruebas mostraron tiempos de falla entre 10 y 20 minutos.

Arthur Langley Bell (1874-1956), un ingeniero civil inglés, contribuyó al diseño y construcción del dique exterior en Rosyth Dockyard. Basándose en su trabajo, desarrolló relaciones de presión lateral, resistencia y capacidad de carga en cimentaciones superficiales de arcilla (ver Bell, 1915). Empleó pruebas de caja de corte para medir la resistencia al corte sin drenaje en muestras de arcilla inalteradas.

Wolmar Fellenius (1876-1957), un ingeniero sueco, desarrolló el análisis de la estabilidad de las pistas de arcilla saturadas, asumiendo que la superficie crítica de deslizamiento es el arco de una circunferencia. Sus trabajos, publicados en 1918 y 1926, proporcionaron soluciones numéricas precisas para las superficies de deslizamiento circulares que pasan por el pie del talud.

Karl Terzaghi (1883-1963) de Austria (Figura 2) formuló la teoría moderna de consolidación de las arcillas. Esta teoría, desarrollada durante su período como profesor en el American Robert College en Estambul, Turquía (1919-1924), abarcó el estudio de cinco tipos de suelos arcillosos con límites líquidos entre 36 y 67, e índices de plasticidad entre 18 y 38. La teoría de consolidación fue presentada en su influyente libro "Erdbaumechanik Terzaghi" en 1925.

La publicación de "Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage" por Karl Terzaghi en 1925 marcó el inicio de una nueva era en el desarrollo de la mecánica de suelos, estableciendo a Terzaghi como el padre de esta disciplina moderna. Nacido el 2 de octubre de 1883 en Praga, entonces capital de la provincia austriaca de Bohemia, Terzaghi obtuvo su licenciatura en ingeniería mecánica en 1904 en la Technische Hochschule de Graz, Austria.

Después de un año de servicio militar tras su graduación, Terzaghi se sumergió en estudios geológicos adicionales. En enero de 1912, recibió su doctorado en Ciencias Técnicas de la misma institución en Graz. En 1916, se desempeñó como profesor en la Escuela Imperial de Ingenieros en Estambul. Tras finalizar la Primera Guerra Mundial, enseñó en el American Robert College de Estambul (1918-1925), donde inició su destacada investigación sobre el comportamiento de los suelos, la compactación de arcillas y las fallas causadas por conductos en la arena bajo presas, que culminó en la publicación de "Erdbaumechanik".

En 1925, Terzaghi aceptó una cátedra visitante en el Massachusetts Institute of Technology, siendo reconocido como el líder en la nueva rama de ingeniería civil conocida como mecánica de suelos. Posteriormente, en octubre de 1929, regresó a Europa y asumió una cátedra en la Universidad Técnica de Viena, convirtiéndola en un epicentro para ingenieros civiles interesados en este campo. En 1939, Terzaghi retornó a los Estados Unidos como profesor en la Universidad de Harvard, consolidando aún más su legado en el campo de la mecánica de suelos.

La primera conferencia de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones (ISSMFE) tuvo lugar en la Universidad de Harvard en 1936, bajo la presidencia de Karl Terzaghi. Esta reunión fue posible gracias a la convicción y dedicación del profesor Arthur Casagrande, también de la Universidad de Harvard. La conferencia contó con la participación de alrededor de 200 personas provenientes de 21 países. Terzaghi, a lo largo de un cuarto de siglo anterior, inspiró y guió el desarrollo de la mecánica de suelos e ingeniería geotécnica en todo el mundo.

En 1939, Terzaghi impartió la Conferencia James Forrest 45 en el Instituto de Ingenieros Civiles de Londres. Su conferencia llevaba el título de "Mecánica de suelos: Una nueva etapa en las ciencias de la ingeniería". En ella, afirmó que la mayoría de las fallas en cimentaciones no fueron "actos de Dios".

Entre 1948 y 1960, dos eventos destacados marcaron un antes y un después: en primer lugar, la publicación del artículo de A. W. Skempton sobre los coeficientes de presión aplicables a diversas obras de ingeniería; y en segundo lugar, la llegada del libro titulado "The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Test", escrito por A. W. Bishop y B. J. Henkel (Arnold, Londres) en 1957.

A principios de la década de 1950, el empleo de soluciones a través de diferencias finitas y elementos finitos con la ayuda de computadoras se aplicaba a una variedad de problemas en ingeniería geotécnica. Estas herramientas han perdurado como recursos de cálculo fundamentales y valiosos en nuestra disciplina profesional.

La ingeniería geotécnica ha recorrido un extenso camino desde sus primeros días y ha alcanzado un nivel de madurez significativo. Ahora se establece como una rama consolidada dentro de la ingeniería civil, siendo la especialización preferida de numerosos ingenieros civiles.

En 1997, la ISSMFE pasó a llamarse ISSMGE (Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica) para reflejar con mayor precisión su alcance real. Estas conferencias internacionales han desempeñado un papel vital en el intercambio de información sobre nuevos avances y proyectos de investigación en curso en el ámbito de la ingeniería geotécnica.

En 1960, Bishop, Alpan, Tizón y Donald proporcionaron directrices iniciales y resultados experimentales sobre los factores que influyen en la resistencia de los suelos cohesivos parcialmente saturados. Desde entonces, se han realizado progresos significativos en el estudio del comportamiento de los suelos insaturados, abordando aspectos como la fuerza, la compresibilidad y otros factores relevantes para la construcción de cimentaciones y estructuras de retención de tierra.