Evolución de la Geotecnia de la Prehistoria a los Albores del Siglo XVIII - 5a Parte
Por: Santiago Osorio R.
Quinta Parte
Sobre el estudio de la historia de la ingeniería geotécnica hasta los albores del siglo XVIII (La Edad Moderna)
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La prehistoria
Influencia del clima en la Geotecnia durante la prehistoria
Se considera que los primeros grupos humanos (homo habilis) aparecieron en África alrededor de 2.500.000 de años a.C. y subsistían de la caza y recolección, única forma de subsistencia hasta aproximadamente el año 8.000 a.C. La prehistoria puede clasificarse entonces en tres periodos coincidentes con la evolución del ser humano:
- Paleolítico: c. 2.500.000 de años
- Neolítico: c. 10.000 años
- Edad de los metales: c. 5.000 años
Las variaciones del clima han influido en la evolución del ser humano y de su actividad sobre la superficie del planeta, incluyendo aquí a la geotecnia. El clima cambia debido principalmente a la inclinación de la Tierra respecto a su eje de rotación, los ciclos polares o los cambios de la órbita planetaria alrededor del Sol. El giro, la inclinación y la órbita de la Tierra afectan la cantidad de energía solar recibida por cualquier región particular del globo, según la latitud, la hora del día y la época del año.
Los cambios diarios de luz y temperatura son causados por la rotación de la Tierra, y los cambios estacionales son causados por su inclinación. A medida que la Tierra gira alrededor del Sol, es atraída por las fuerzas gravitatorias del Sol, la Luna y los grandes planetas del sistema solar, principalmente Júpiter y Saturno. Durante largos períodos de tiempo, la atracción gravitacional de otros miembros de nuestro sistema solar cambia lentamente el giro, la inclinación y la órbita de la Tierra. En ciclos de unos 100.000 a 400.000 años, las fuerzas gravitatorias cambian lentamente la órbita de la Tierra entre formas más circulares y elípticas, como lo indican los óvalos discontinuos azules y amarillos de la Figura 1. Cada 19.000 a 24.000 años cambia la inclinación de la Tierra (‘spin’ o giros); ciclos de unos 41.000 años marcan cambios en la inclinación del eje de la Tierra hacia o alejándose el Sol.
Figura 1. Variaciones en la órbita de la Tierra alrededor del sol
En un lapso de tiempo de 10.000 a 100.000 años, se producen ligeros cambios en el giro, el ángulo de inclinación y la órbita de la Tierra alrededor del sol, que conllevan a modificar la cantidad de radiación solar recibida (insolación absorbida y re irradiada) por el planeta. Los cambios en la insolación durante estos largos períodos de tiempo modifican los climas regionales y la duración e intensidad de las estaciones, y originaron los periodos glaciares en la época cuaternaria (iniciada hace 2,59 millones de años), periodos en los que las temperaturas medias eran de -12°C a -10°C, con unas condiciones climatológicas similares a las que actualmente se encuentran en Groenlandia o Siberia. Estas temperaturas y condiciones climatológicas correspondían a periodos que se alternaban con otros más cálidos, conocidos como periodos interglaciares. La alternancia de periodos fríos y periodos más cálidos, provocaron que la orografía cambiara constantemente, existiendo periodos en los que el nivel de agua en los océanos era menor, debido a la acumulación de hielos en el hemisferio norte, lo que provocaba que espacios o lenguas de tierra pudieran unir los continentes que en los periodos más cálidos quedaban bajo el agua. En consecuencia, el clima contribuyó a la dispersión de los primeros humanos hacia otros continentes.
Los primeros grupos de humanos surgieron al este de África y se extendieron luego al oeste. Más de 1 millón de años después, un pequeño grupo de estos hombres cazadores recolectores abandonó África y migró rumbo al sur de Asia. Desde allí se extendieron hacia el resto de Asia y a Europa. Otros grupos cruzaron el mar en balsas y se establecieron en Oceanía. Por último, el hombre cruzó desde el norte de Asia a Norteamérica y luego se extendió hacia el sur del continente americano. A través de estas diferentes migraciones que se dieron en distintos momentos, el hombre pobló todo el planeta y fue adaptándose a los diferentes entornos que encontró y desarrollando tecnología para mantenerse a salvo del clima, los depredadores y enemigos. Como se viene describiendo, inició entonces el ser humano, durante la Prehistoria, a practicar métodos para construir refugios utilizando los materiales más abundantes y perennes disponibles: suelos y rocas, además de madera. Algunas de las primeras operaciones de construcción involucraron la excavación de hoyos y el uso de barro para construir casas y refugios.
Esos primeros seres humanos se internaron en las entrañas de la Tierra para encontrar un refugio seguro y posteriormente para obtener minerales. El inicio de la Minería se pierde en la noche de los tiempos. El refugio subterráneo fue reemplazado por construcciones superficiales que se apoyaban sobre el terreno; y del mismo modo que el cuerpo humano dispone de pies con una superficie perfectamente diseñada para transmitir su peso al terreno sin hundirse, las construcciones necesitaban de unos elementos de apoyo superficiales (cimientos) sobre el terreno. Con el tiempo, el ser humano construyó obras civiles y militares sobre, excavando o utilizando el terreno; cada vez de mayor envergadura (Figura 2).
Figura 2. Evolución del ser humano durante la prehistoria
Hacia el año 10.000 a.C. nació la agricultura en el Creciente Fértil (Figura 3), una porción de terreno situada en Oriente Medio, y desde aquí se difundió gradualmente por Europa. Independientemente también se desarrolló en América, África y el Lejano Oriente. Esto permitió a las gentes controlar el suministro de alimentos. Por primera vez podían permanecer en un mismo lugar durante todo el año, y comenzaron a establecerse en aldeas y ciudades. Los primeros asentamientos se realizaron hacia el año 3.500 a.C., y pronto surgió la primera gran civilización, Sumer, entre los ríos Tigris y Éufrates, en el actual Irak. En el año 2180 a.C. ya se había perforado un túnel bajo el río Éufrates en Babilonia.
Figura 3. El Creciente Fértil y la expansión de la agricultura
El conocimiento del uso del suelo se extiende hasta tiempos prehistóricos, cuando el hombre comenzó a construir viviendas para habitar y caminos para comunicar. En las civilizaciones más primitivas, el ser humano utilizó el suelo como material de construcción para los cimientos de las estructuras y para ellas mismas. Los primeros geotécnicos se remontan al período Neolítico (edad de la piedra pulida: 5000 a 2000 años a.C.), cuando se formaron asentamientos junto al lago Pfäffiker sostenidos sobre pilotes, los palafitos (o zancos de madera); y se fundó la ciudad de Robenhausen, Suiza, cimentada sobre 100.000 pilotes en el lago. Estos pueblos disponían de pasarelas que permitían el tránsito de los habitantes entre las viviendas y tomaban contacto con tierra firme (Figura 4). Las pasarelas también tenían la función de defender el pueblo de enemigos y animales provenientes de tierra firme, ya que eran fácilmente destruidos. Mucho antes de la invención de la escritura o el uso de herramientas de metal, la invención de la agricultura y la construcción de grandes sistemas de irrigación; nuestros antepasados prehistóricos entraron en contacto y conflicto, con las complejidades del comportamiento de los suelos por primera vez. El conocimiento del terreno y sus propiedades se convirtió, y sigue siendo, una cuestión de necesidad práctica.
Figura 4. Viviendas lacustres prehistóricas suizas. Desde entonces, el hombre ha sabido superar el límite impuesto por el terreno a las proporciones de las estructuras si éstas transmitían sus cargas por simple apoyo directo; desarrollando técnicas especiales de cimentación
Este conocimiento de los suelos para la construcción de cimentaciones, terraplenes, caminos y galerías, se obtuvo mediante experiencias de ensayo y error. A lo largo de la antigüedad e incluso hasta los albores del siglo XVIII, prácticamente todas las mejoras fueron el resultado de una ampliación continua del conocimiento empírico. Es difícil ubicar el inicio de la Mecánica de Suelos, pues tan pronto como el hombre construyera algo, necesitaba puntos de apoyo seguros sobre el terreno. En el método científico se especifica que, para llegar a las ecuaciones de equilibrio o a las pilas de las primeras viviendas lacustres (probablemente 5000 a.C. en Suiza, Italia e Irlanda), o al criterio de rotura de los terraplenes y bloques de roca de las primeras pirámides, o a los cimientos de los primeros grandes monumentos de la antigüedad; se debe primero practicar (intentar) para luego establecer la teoría o una Ciencia Aplicada. Los primeros constructores practicaron la “mecánica de suelos sin saberlo” y sin reflexionar sobre el arte de construir sobre el suelo. Sobre todo, porque entre “construir sobre arena” y “el coloso con pies de barro”, el suelo nunca ha tenido muy buena reputación. En consecuencia, el estudio del suelo por parte del hombre es más antiguo que la civilización.
Al igual que otras Ciencias Aplicadas, la evolución de la Geotecnia comenzaría en las sociedades ancestrales por implicar actitudes religiosas o mágicas, reservadas a iniciados, sacerdotes o brujos. Y así puede verse, por ejemplo, en los rituales prescritos por el budismo tibetano durante la excavación de los terrenos a edificar.
Tipos de apoyo estructural primitivo superficial
Con base en la clasificación de los diferentes tipos de apoyo estructural superficial utilizados en la prehistoria, en la Tabla 2 de Evolución de la Geotecnia de la Prehistoria a los Albores del Siglo XVIII - 4a Parte, se continúan describiendo los principales sistemas de apoyo estructural prehistóricos.
Apoyo estructural puntual - Poste corto encajado en el terreno
Al parecer los apoyos puntuales primitivos solamente sostenían el techo de la edificación, colocados en el interior del recinto sin ningún orden geométrico y se encajaban en el terreno con una penetración variable y reducida. En los restos de las viviendas descubiertas en “Terra Amata” de hace más de 400.000 años, la presencia de numerosos agujeros en el suelo, de unos 30 cm. de diámetro, permite suponer que el techo estaba sostenido por dos postes de madera. En el centro de la cabaña había un brasero rodeado por un cerco de guijarros para proteger el fuego de las ráfagas de viento. El hecho de que la cabaña estuviera expuesta a corrientes de aire ha permitido a los investigadores establecer que estaba construida con ramas calzadas en su base por gruesas piedras.
Esta tipología constructiva fue, con ligeras variantes, la más característica de toda la Prehistoria (desde el período Paleolítico hasta la Edad del Hierro), en un gran número de culturas y zonas geográficas, tanto en los asentamientos temporales como en los permanentes. Los ejemplos son numerosos: en Ucrania y a lo largo del río Dniéper, en los yacimientos de Gontsy, Mezhirich, Mezin y Dobranichevka, han sido desenterradas varias viviendas (Figura 5), que corresponden a las construidas por los cazadores y recolectores paleolíticos (del 15.000 al 13.000 a.C.), y que eran ocupadas durante los nueve meses de la estación fría y constituían un asentamiento fijo que se prolongaba durante varios años. Su planta era circular, de unos 5 m de diámetro; en su interior, varios troncos de madera, encajados verticalmente en el terreno y dispuestos en planta sin ningún orden geométrico, sostenían un armazón de madera que permitía la construcción de un techo en cúpula, el cual, seguramente, se recubría con pieles, mantenidas en posición mediante huesos de mamut que actuaban como lastre.
Figura 5. Viviendas construidas por los cazadores y recolectores paleolíticos, a lo largo del río Dniéper (Ucrania) (15.000 a 13.000 a.C.)
Durante la estación calurosa, probablemente los cazadores paleolíticos alternaban las viviendas de osamenta con otras, de duración efímera y de construcción más simple, similares a las que han sido encontradas en los yacimientos de Ahrensburg, cerca de Hamburgo, en los de Gagarino y de Kostienki, ubicados en los territorios correspondientes a la antigua Unión Soviética, y en otros muchos yacimientos europeos que se datan en los períodos auriñaciense y solutrense (hacia el 12.000 a.C.). Estas viviendas consistían en unas excavaciones de planta circular, recintadas con una o dos hileras de piedras y, en cuyo interior, se encontraron agujeros poco profundos, en los que subsisten huellas de osamentas de mamuts o de postes de madera, encajados verticalmente en el terreno y destinados a sostener un techo. A partir del Neolítico, la colocación de estos apoyos estructurales comienza a efectuarse siguiendo un orden geométrico, en el interior y, a veces también, en el exterior de la edificación.
En Europa, los primeros ejemplos conocidos de postes encajados en el terreno según alineaciones paralelas datan del 6.000 a.C. En algún caso, como es el de las cimentaciones descubiertas en la región de Bohemia (Figura 6), los postes fueron colocados sobre una plataforma de rellenos, sobreelevada con respecto al terreno. La combinación de plataforma (o terraza) y apoyos puntuales fue muy utilizada en China y en el Nuevo Mundo.
Figura 6. Alineaciones de postes sobre plataforma de rellenos, en la región de Bohemia, (6.000 a.C.)
En Europa, Mongolia, China y en el Nuevo Mundo, los apoyos puntuales intervenían en la definición de una estructura mixta, en unión de un cerramiento exterior que rodeaba el recinto: un murete construido con piedras o con tierra, o una alineación de postes encajados en el terreno vertical u oblicuamente y muy próximos entre sí, que representa la primera forma de apoyo lineal sobre el terreno. En muchas construcciones primitivas norteamericanas, las columnas de madera eran colocadas en hoyos, de aproximadamente 1,0 m de profundidad, trasdosados con tierra para constituir una reacción lateral durante la construcción y un soporte vertical para las eventuales cargas.
En Europa, las edificaciones construidas en las colinas fortificadas (“castres”), a partir del 3.000 a.C., mantenían la misma técnica de techo sobre apoyos estructurales, combinada con muro exterior de cerramiento. En la Figura 7 se reflejan las líneas de hoyos para postes en una casa rectangular de la primera Edad del Hierro (hacia el 1.000 a.C.), ubicada en el asentamiento de Crickley Hill. Sus muros perimetrales rodeaban el conjunto de hoyos a una distancia de 2,0 m. Esta edificación se aleja muy poco de las construcciones neolíticas, salvo por sus dimensiones en planta que, en esta época, ya eran mucho mayores. Esta misma tipología fue, con escasas diferencias, la característica de todas las casas corrientes europeas, al menos hasta el 800 o el 700 a.C.
Figura 7. Crickley Hill Hillfort, Inglaterra (izquierda). Alineaciones de hoyos para postes, en una casa de Crickley Hill (1.000 a.C.) (derecha)
Apoyo estructural puntual - Bloque de piedra encajado
La construcción de grandes monumentos de piedra o megalitos se inició en Europa hacia el 4.000 a.C., asociada con los primeros cultos o actos religiosos. Numerosos ejemplos se encuentran hasta el 1.000 a.C. y están localizados, principalmente, en España, Portugal, norte de Francia, sur de Inglaterra, Escocia, norte de Alemania y Escandinavia (Figura 8 y Figura 9). Con estos monumentos, surgió la variante de apoyo puntual constituida por un bloque vertical de piedra, de grandes dimensiones, que se colocaba en un hoyo previamente excavado (menhir), donde se construye una verdadera cimentación. Para facilitar la colocación de los bloques de piedra en la posición vertical, los constructores de megalitos llevaron a cabo algo muy parecido a lo que, en función de la profundidad excavada, podría ser considerado como un pozo de cimentación o una zapata aislada.
Figura 8. Dolmen de Pembrokeshire
Figura 9. Círculo formado por menhires en Stonehenge (Crómlech de Piedra Caliza, localizado en el condado de Wiltshire en Inglaterra, c. 3100 a 2400 a.C.)
En la Figura 10 se presenta la erección de un menhir, cuyo procedimiento es, en términos general, el siguiente:
- Excavar los hoyos para las piedras, cuyas profundidades debían ajustarse cuidadosamente a sus longitudes variables para que cuando se levantaran, sus coronaciones se encontraran al nivel correcto. Estos hoyos eran de planta aproximadamente rectangular al igual que las piedras, pero de 9” a 1’ más anchos alrededor de todo el perímetro. En la excavación, tres lados eran escalonados pero el cuarto tenía forma de rampa que descendía desde la superficie a la base del hoyo, con un ángulo de aproximadamente 45°. En el lado contrario al de la rampa se colocaban hincados y formando una línea troncos de madera, de 4” a 6” de diámetro, para proteger la pared de la excavación de que fuera machacada por el movimiento de la piedra durante la elevación, lo que podía provocar en el fondo del hoyo la existencia de una masa suelta de cascotes que originaría una mala cimentación y también una modificación de los niveles. Esta medida de utilizar “estacas antifricción” se utilizó en el levantamiento de las piedras de Stonehenge, incluso en Hell Stone que corresponde al primer período y en los grandes círculos de piedra de Avebury.
- Para erigir la piedra, se colocaba ésta junto al hoyo, apoyada sobre unos rodillos de gran diámetro, para levantarla lo más posible de la superficie. Se arrastraba entonces hacia delante describiendo un círculo, de forma que el frente, la base de la piedra, comenzara a descender por la rampa. Por ensayo previo y error, los rodillos debieron colocarse en una determinada posición de manera que el centro de gravedad de la piedra pasara por el primer rodillo (lo que podía comprobarse mediante estaquillas hincadas en el terreno) el cual, por exceso de peso, volcaba la base de la losa limpiamente dentro del hoyo, quedando la parte superior de la cara externa descansando sobre la rampa. Esta maniobra levanta la piedra hacia su posición vertical solo mediante la fuerza de la gravedad y disminuye notablemente el esfuerzo requerido para pasar de la posición horizontal a la vertical.
- Atar cuerdas a la parte superior de la piedra y tirar hacia la posición vertical mediante la fuerza bruta. La dirección del empuje debía ser necesariamente un ángulo recto respecto de la longitud de la piedra, y por ello, poco eficaz.
- Rellenar el espacio entre la base y los lados del hoyo con piedras y cantos machacados, cuando la piedra está colocada.
Figura 10. Trabajos de elevación de los menhires. Luego de extraer de una cantera el bloque de piedra mediante picos de asta de ciervo, martillos de piedra y cuñas de madera (para agrietar las rocas y facilitar los cortes); se transportaba entre 200 y 300 personas, sobre raíles de madera con rodillos de madera. Sobre ellos se colocaba el bloque de piedra que arrastraban con cuerdas. Finalmente se deja caer el bloque vertical en un estrecho hoyo previamente excavado.
Esta solución, además de facilitar la colocación del bloque de piedra en posición vertical, permite conseguir un empotramiento en el terreno capaz de contrarrestar la resultante (a menudo inclinada), de las acciones del megalito. La eficacia de este empotramiento dependía de las dimensiones del monumento, de la profundidad excavada para el pozo y de la naturaleza del terreno de apoyo. La profundidad de excavación solamente estaba condicionada por la necesidad de conseguir un nivel general de coronación aproximadamente horizontal, aunque se utilizaran bloques de piedra con diferentes alturas. Una mejora sustancial sobre la estabilidad inicial de estos megalitos es el uso de bloques de piedra con base ensanchada; solución adoptada con la única intención de mejorar las condiciones de apoyo de los bloques de piedra en la posición vertical, pero la base ensanchada permitía, en el caso de menhires, reducir la excentricidad de la resultante de las acciones transmitidas al terreno y homogeneizar la distribución de presiones sobre el mismo.
La capacidad portante del terreno que constituía el plano de apoyo de los megalitos no debió causar muchos problemas de estabilidad. En efecto, las acciones de mayor importancia que estos monumentos transmitían sobre el terreno (a causa de su peso) casi siempre eran inferiores a los 400-500 KN/m2, por lo que podían ser fácilmente contrarrestadas por cualquier sustrato de naturaleza rocosa. Y debido a las dificultades obvias para su transporte, casi todos los megalitos fueron construidos con la piedra local, extraída de la misma roca que constituía el sustrato de apoyo. En la Figura 11 se presenta el proceso de construcción de un dolmen.
Figura 11. Secuencia de construcción de un dolmen
Referencias
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Osorio S. (2020). La Ingeniería Geotécnica antes del Siglo XVIII. Blog Relatos de la Geotecnia.
https://www.youtube.com/watch?v=WWvTPf-imuQ (Mysterious ancient structure made of mammoth bones)
Diseño: PatoMOP
2023
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