Evolución de la Geotecnia de la Prehistoria a los Albores del Siglo XVIII - 16a Parte
Por: Santiago Osorio R.
Décimo Sexta Parte
Sobre el estudio de la historia de la ingeniería geotécnica hasta los albores del siglo XVIII (La Edad Moderna)
La geotecnia de la prehistoria a la etapa antigua
Más sensible al clima que otros animales del Paleolítico, el ser humano, buscó primero refugio en grutas y cavernas y donde no existían, intentó improvisar protecciones imitándolas, ya que algunos tenían sus pisos a más de 2 m por debajo del nivel de los terrenos adyacentes, mientras que otras fueron excavaciones verticales como pozos poco profundos. Probablemente en el Neolítico, cuando el hombre ya sabía picar piedra y se convirtió en sedentario, construyó sus primeras chozas, contando con alguna noción empírica sobre la resistencia y estabilidad de los materiales de la superficie terrestre.
Las ligeras cabañas de madera, al ser construidas junto a los lagos, sobre postes altos (pilotes), debieron proporcionar información adicional sobre la resistencia del suelo. Las cabañas de piedra eran más raras, solo donde no había madera o en lugares azotados por vientos intensos. Nuevas experiencias deben haber proporcionado las construcciones megalíticas de la Edad del Bronce, como las de Stonehenge, pero principalmente en los zigurats de los sumerios y sus sucesores en Mesopotamia. Ya antes, en el Neolítico, el hombre había utilizado el suelo para construir pequeños montículos planos, generalmente para cementerios, conocidos en Europa como túmulos, pero también encontrados en las Américas prehistóricas, como los sambaquis o casqueiros (grandes montículos costeros de conchas y huesos de animales), en Brasil.
Hace unos 15.000 años en el Paleolítico superior, se construyeron “viviendas en pozos”, que dependían de un área excavada en el suelo rodeada por una estructura de madera, piel de animal o incluso hueso. No está definido si estas estructuras en pozo se utilizaron como viviendas o como fosos de almacenamiento. Posteriormente, se agregaron agujeros para postes en las viviendas para brindar soporte adicional al techo; este es el primer ejemplo temprano de construcción con postes enterrados. Los primeros hoyos para postes se cavaban para sostener la madera o la piedra que sobresalía del suelo. Este es el primer tipo de “cimiento” utilizado. El proceso implicó excavar en el suelo o simplemente colocar un poste dentro del suelo para estabilizar la estructura.
A inicios de la Edad de Hierro (siglo XII a.C.), las construcciones de madera eran comunes, pero el hecho importante de la edad de los metales era que estos proporcionaban las herramientas para el manejo de los materiales y para perforar el terreno (también encontrado en los incas), facilitando la introducción de los pilotes (postes o estacas).
Los primeros geotécnicos se remontan al período Neolítico (edad de la piedra pulida, c. 5.000 a.C.-2.000 a.C.) cuando se dieron asentamientos junto a lagos, ocupados por estructuras sostenidas sobre pilotes o palafitos (zancos). Estos poblados disponían de pasarelas que permitían el tránsito de personas entre las viviendas y tomaban contacto con tierra firme. Las pasarelas también tenían la función de defender el pueblo de enemigos y animales provenientes de la tierra, ya que eran fácilmente destruidas.
Los palafitos reposaban sobre zancos (patas de madera) en las orillas de los lagos, dispuestos en plataformas superpuestas, derivado de reconstrucciones posteriores a la rotura o pudrición de las patas de soporte. Esta práctica de superposición (Evolución de la Geotecnia de la Prehistoria a los Albores del Siglo XVIII - 9a Parte), se extendió ampliamente a los cimientos de las obras de la Antigüedad.
El suelo como material de construcción, desde la Prehistoria
En los palacios de Babilonia, las pirámides de Egipto, los acueductos romanos o la muralla china, el suelo jugó un papel fundamental. Durante muchos siglos, sin embargo, el uso del suelo, como elemento de cimentación y material de construcción, siguió dentro del empirismo racional, y la observación de métodos utilizados con éxito en obras similares.
El arte y la ciencia del uso y manejo del suelo como material de construcción tienen sus inicios en tiempos prehistóricos. Hace unos 10.000 años, el hombre neolítico construyó enormes montículos de tierra para marcar los lugares de enterramiento o por otras razones conmemorativas o posiblemente útiles. La construcción de montículos fue continuada por los primeros griegos, los primeros sajones e incluso los indios americanos prehistóricos, y aún hoy es un problema importante en la mecánica de suelos aplicada a terraplenes y presas de tierra. Cerca de Silbury, Inglaterra, el hombre megalítico construyó no solo un enorme montículo sino también una zanja circular para rodear su proyecto de construcción de piedra (Figura 1). Posiblemente antes de cualquiera de estas obras de tierra fueron los cimientos de pilotes erigidos para soportar los refugios del hombre neolítico a lo largo de las orillas de lagos.
Figura 1. Bryn Celli Ddu en Anglesey, Gales, es uno de los 20.000 túmulos o túmulos funerarios de Gran Bretaña
El primer uso conocido del concreto primitivo apareció en el año 6.500 a.C. Estas sólidas estructuras fueron popularizadas por los comerciantes de Nabatea en la antigua Siria y Jordania. Pudieron construir cimientos y pisos de concreto simples, así como casas de escombros. Algunas de estas estructuras todavía existen hoy.
El papiro de Turín, el mapa geológico más antiguo conocido
Los primeros estudios geológicos se remontan a más de 2.500 años y fueron llevados a cabo por el pensador griego Anaximandro de Mileto (c. principios del siglo VI a.C.) y sus “estudiantes”: Jenófanes de Colofón (c. 570-475 a.C.) y Heródoto (c. 484-425 a.C.) en Asia Menor. La geología debió haber fascinado a las civilizaciones antiguas incluso mucho antes, como lo ilustra el mapa geológico más antiguo que se conserva del mundo, de aproximadamente 1.150 a.C. (Figura 6). Se trata de un papel de papiro de 41 cm de ancho y 2,10 m de largo, muy fragmentado, de la época del reinado del faraón Ramsés IV (1.156 a.C.-1.150 a.C.) que representa la topografía y geología de Wadi Hammamat en el desierto central oriental de Egipto. Esos estudios reflejan la necesidad de comprender la faz cambiante de nuestro planeta.
Después de breves estallidos durante el Renacimiento, se destaca el libro publicado en 1.546 “De ortu et causis subterraneorum” (el primer libro sobre geología física) (Figura 2) y el libro publicado póstumamente en 1.556 “De re Metallica” (el primer libro sobre minería y metalurgia), ambos de Georgius Agricola (1.494-1.555), considerado el fundador de tres disciplinas científicas: la geología, la mineralogía y las ciencias mineras; la geología volvió a ser tema de discusión a partir del siglo XVIII en adelante.
Figura 2. De ortu & causis subterraneorum lib. V. Agricola, Georgius. Editorial: Froben & Episcopius, Basel, 1.546
Estimulada por la creciente demanda de materias primas minerales relacionada con los inicios de la Revolución Industrial, la geología surgió como una disciplina científica independiente, acompañada por la necesidad de un “lenguaje visual para la ciencia”, que se refleja en una gama cada vez más amplia de tipos de ilustración incluyendo mapas geológicos y en un gran aumento en su cantidad. En 1.761, Georg Christian Füchsel (1.722-1.773), un geólogo y médico alemán, dibujó el primer mapa geológico de una zona más amplia de Alemania, más precisamente de una parte de la región de Turingia (Figura 3).
Figura 3. Mapa geológico de Füchsel (1.761). El mapa en blanco y negro muestra un área dentro de un radio de aproximadamente 30 km desde la ciudad de Rudolstadt (aproximadamente en el centro del mapa) y está dibujado a vista de pájaro mirando desde el sureste. Lo que es único en este mapa es el intento de Füchsel de utilizar números para proyectar el tiempo geológico en una representación espacial del terreno. Por ejemplo, el número 10 se refiere al “Muschelkalk” del Triásico Medio, que forma acantilados escarpados al norte de Rudolstadt
Nicholas Desmarest publicó en 1.771 un mapa anterior de un área más pequeña como parte de un estudio sobre los flujos de basalto en la región francesa de Auvernia. Este es el mapa geológico más antiguo conocido de Europa (Figura 4), en: Desmarest, N. (1.771): Mémoire sur l’origine et la nature du basalte à grandes colonnes polygones, determinées par l’histoire naturelle de cette pierre, observée en Avergne In: Mémoires de l’Académie Royale des Sciences à Paris pour 1.771.
Figura 4. En 1.771, el geólogo aficionado Nicholas Desmarest estudió y publicó un mapa que representaba los volcanes de “Le Puy”
En 1.778, Johann Friedrich Wilhelm Charpentier (1.738-1.805), geólogo sajón y ‘Berghauptmann’ (presidente de una inspección regional de minas), publicó su libro “Mineralogische Geographie der Chursächsischen Lande” (traducido al inglés como “Geografía mineralógica de la Tierras Sajonas”) que incluye el primer mapa geológico en color de un área más grande de Alemania que muestra la distribución de 12 tipos principales de rocas.
El primer mapa geológico de un país, Gran Bretaña, fue elaborado a comienzos del siglo XIX años por el geólogo inglés William Smith y publicado en 1.815 (Figura 5). Su historia quedó conmemorada en el libro ‘The Map that Changed the World’ (El mapa que cambió el mundo), una biografía de Smith escrita por Simon Winchester.
Figura 5. Un nuevo mapa geológico de Inglaterra y Gales de William Smith (1.820)
Los anteriores mapas geológicos fueron elaborados más de 29 siglos después del mapa de Turín encontrado cerca de la antigua ciudad de Tebas (ahora Luxor) en Egipto. No se han encontrado mapas geológicos de los siglos intermedios en todo el mundo, lo que ha resultado en una brecha arqueológica de casi 3.000 años.
En algún momento entre 1.814 y 1.821, un rollo de papiro fue descubierto por agentes de Bernardino Drovetti, el cónsul general francés en Egipto durante la época de Napoleón (1.820 a 1.829). Los registros muestran que el mapa (Figura 6) fue descubierto en una tumba privada en la aldea egipcia de Deir el-Medina, cerca de Luxor, hogar de artesanos que trabajaron en tumbas reales tanto en el Valle de los Reyes como en el Valle de las Reinas durante las dinastías XVIII a XX del Nuevo Reino de Egipto (1.550-1.080 a.C.).
En 1.824, Drovetti vendió el mapa en papiro y otras antigüedades al rey Carlos Félix, regente de Cerdeña y Piamonte en el norte de Italia, y estos artículos antiguos se convirtieron en las principales exhibiciones del Museo Egizio (Museo Egipcio) de Turín.
Figura 6. Papiro del mapa de Turín (c. 1.150 a.C.)
El Papiro del mapa (9’ de longitud x 1.3’ de ancho) reposa actualmente en el Museo Egipcio de Turín (Italia) y se conoce como el ‘mapa de Turín’; por lo anteriormente descrito, se considera el mapa geológico más antiguo (Figura 6). Fue dibujado por el escriba de Deir el-Medina, Amennakhte (escriba principal de la necrópolis real, o “Escriba de la Tumba”), hijo de Ipuy, alrededor del año 1.150 a.C. para la expedición de extracción de canteras del faraón Ramsés IV a la región de Wadi Hammamat en el desierto oriental, donde afloran las rocas precámbricas del escudo Árabe-Nubio. Ramsés IV dejó una inscripción en el muro de la cantera que decía que la expedición se produjo en el tercer año de su reinado e incluyó a 8.362 hombres, lo que la convierte en la expedición de canteras más grande registrada a Wadi Hammamat después de una realizada unos 800 años antes, durante la XII Dinastía del Reino Medio. El objetivo de la expedición era obtener bloques de piedra bekhen (arenisca metagrauvaca) para utilizarlos en la talla de estatuas del dios-rey (Figura 7).
Figura 7. Estatua de Ramsés IV en piedra bekhen, con cartuchos de nomen y prenomen (nombre de nacimiento y nombre del trono) sobre sus hombros. Actualmente se encuentra en el Museo Británico de Londres
Los mapas geológicos son representaciones espaciales sobre un plano topográfico, que ilustran las características geológicas que afloran en la superficie terrestre. Muestra las diferentes unidades de roca o formaciones geológicas y sus edades, en diferentes colores o símbolos (Figura 8). También presentan las deformaciones sufridas por las estructuras geológicas tales como: fallas, pliegues o foliaciones. Los contactos entre unidades de roca se muestran como líneas. A veces se trata de superficies litológicas, pero también pueden ser fallas o discordancias (líneas onduladas). El relieve también se puede mostrar en mapas mediante sombreado o contornos topográficos. El rumbo y la inclinación de la estratificación y las fallas o la tendencia (trend) y el ángulo de inclinación de los pliegues (plunge), proporcionan información tridimensional. La información geofísica y tectónica, se representan en el mapa con diferentes símbolos que junto con la trama de colores son explicados en la leyenda.
Figura 8. Ejemplo de mapa geológico y bloque diagrama en la ciudad de Manizales y sus alrededores (Moreno et al., 2.016)
En el mapa Amennakhte había inventado un lenguaje gráfico para representar capas de estratos, tipos de rocas, líneas topográficas, fallas y otras características, muy similar a los mapas geológicos elaborados en la actualidad. Las colinas están ilustradas en relieve y las diferentes unidades geológicas se muestran en diferentes colores y patrones.
Según los historiadores antiguos, el oro era tan común como la arena en el reino de Egipto. Hacia el 3.200 a.C., los funcionarios públicos, llamados “sementi”, exploraban depósitos y vetas de oro para satisfacer la demanda del divino faraón; la tumba de Tutankamón contenía más de 500 objetos hechos de oro puro, sin embargo, el origen de todo ese oro permaneció desconocido durante mucho tiempo.
El mapa de Turín muestra el paisaje a lo largo de un wadi (nombre árabe para un valle seco en el desierto) en el área de Wadi Hammamat, aproximadamente a medio camino entre la moderna ciudad de Qift (antigua Koptos) en el valle del río Nilo y El Quseir en la costa del Mar Rojo. El perfil de las montañas se proyecta a ambos lados del valle (Figura 9). Las inscripciones describen la “Montaña del Oro”, la “Montaña de la Plata”, y la ubicación de la “Aldea de los Mineros”, la “Montaña o Templo de Amón”, las calles hacia el Mar (¿Rojo?) y una calle hacia la (hoy perdida) ciudad de Ta-menti. Los diferentes colores que se muestran en el mapa están inspirados en los colores reales de las rocas, rosa rojizo para el feldespato-granito (Granito de Fawakhir), oscuro para la Serpentinita de Atalla, azul verdoso para la Arenisca de Hammamat, y amarillo para la arena del desierto.
Figura 9. Extractos del Papiro de Turín que muestran anotaciones (escritas en escritura hierática) e identificación de las diversas características topográficas y geológicas
El Papiro de Turín representa un tramo de 15 km de Wadi Hammamat (“Valle de los Numerosos Baños”) y muestra la confluencia de este wadi con Wadi Atalla y Wadi El-Sid, las colinas circundantes, la cantera de piedra bekhen y la mina de oro y el asentamiento en Bir Umm Fawakhir (Figura 10). La cantera se utilizó desde el período dinástico temprano hasta la época romana (c. 3.000 a.C. al 400 d.C.). La mina de oro estuvo activa durante el Imperio Nuevo y desde el período ptolemaico hasta el bizantino temprano (c. 1.500 a.C. al 600 d.C.).
El color negro se refiere a las rocas siliciclásticas neoproterozoicas del Grupo Hammamat (formado por rocas precámbricas de la placa etíope), mientras que el color rosa describe las apariciones de la serpentinita Atalla, las rocas volcánicas Dokhan y el granito Fawakhir. El río sigue todo el valle, erosionando y transportando las rocas, como lo demuestran los guijarros de diferentes colores en el lecho del río. Muestra también, una cantera de piedra bekhen, la arenisca utilizada para la talla de las estatuas, así como muchas vetas de oro.
Figura 10. Imagen de Google Earth de Wadi Hammamat, mirando al SO. La flecha roja apunta al sur. Se muestran el granito Fawakhir de color rosa y las grauvacas del grupo Hammamat de color oscuro
La indicación más importante fue la ubicación de un pozo cerca del pueblo. Gracias a este pozo, los arqueólogos identificaron el área que se muestra en el mapa. Las antiguas montañas de oro y plata están situadas a lo largo del Wadi Hammamat, cerca de Bir-Um-Fawakhir, un antiguo asentamiento minero, a casi 62 millas al este de Luxor. Siguiendo las indicaciones del mapa en el campo, los arqueólogos descubrieron signos antiguos de minería, como túneles de 160 pies de profundidad que seguían enormes vetas de cuarzo. Las vetas más importantes también se muestran como líneas onduladas en el mapa de Turín (Figura 6). El oro rara vez se encuentra en forma de grandes cristales de metal nativo; es bastante más común encontrarlo en forma de pequeños fragmentos distribuidos aleatoriamente en la enorme roca de cuarzo, casi invisibles a simple vista. Siguiendo las vetas hacia la montaña, los mineros extrajeron la roca, la trituraron y lavaron las partículas de oro. Grandes montones de arena de cuarzo, restos de rocas trituradas, todavía son visibles hoy en el desierto, como testimonio del duro trabajo realizado por los antiguos mineros en Wadi Hammamat.
La parte superior del mapa está hacia el sur y muestra con precisión, con numerosas anotaciones, la distribución espacial de diferentes tipos de rocas (colinas negras con siliciclásticos y colinas rosadas con volcánicas, serpentinita y granito) y la grava de wadi litológicamente diversa (los puntos marrones, verdes y blancos dentro del valle principal que representan diferentes tipos de rocas), y también contiene información sobre canteras y minería (Figura 6).
El papiro del mapa de Turín se considera el mapa geológico y topográfico más antiguo conocido del mundo y el único conocido del antiguo Egipto; puede ser considerado como el primer Sistema de Información Geográfica. Tardaron otros 2.900 años antes de que se dibujara el siguiente mapa geológico en Francia en el siglo XVIII. El escriba hizo anotaciones explicando las características y los colores utilizados en el mapa, identificando los destinos de las rutas en el wadi y las ubicaciones de los depósitos de oro, marcando la distancia entre el asentamiento minero de oro y la cantera de piedra bekhen, e inventariando los tamaños de los bloques de la piedra bekhen que fueron extraídos, tal como lo haría un geólogo moderno. Amennakhte su autor, también se desempeñó como juez civil y mantuvo registros de eventos naturales como inundaciones. Su casa fue identificada por una inscripción en la jamba de una puerta en Deir el-Medina, y se ha confirmado que el mapa fue tomado junto con otros documentos de su tumba familiar. La parte posterior del papiro se reutilizó como papel de reciclaje para registrar eventos posteriores al mapa.
El papiro se encuentra en un estado fragmentario y consta de 16 piezas etiquetadas A-P (Figura 6). El fragmento A es el más grande y muestra wadis, que parecen caminos, pasando a través de rocas rosadas que describen formas de colinas, vistas a derecha e izquierda por un viajero que pasa por el camino. Muestra un templo de Amón, una estela del rey Seti I, un asentamiento y un pozo. El texto jeroglífico identifica minas de oro y plata(?), y también indica la dirección hacia el Mar Rojo. Esto permite determinar la orientación del mapa desde el sur hacia arriba. Los fragmentos restantes del mapa son bastante distintos del Fragmento A y han sido objeto de algunas conjeturas.
Muestran colinas oscuras a ambos lados de los wadis y también identifican una gran cantera de piedra “bekhen” (arenisca metagrauvaca y limolita fina de color verdoso y negruzco) (Figura 7). Esta preciada piedra se utilizó para la famosa paleta Narmer de la primera dinastía (c. 3.000 a.C.), lo que demuestra la larga historia de explotación de canteras en Wadi Hammamat.
Según la orientación del mapa hacia el sur, es probable que las minas de oro representadas en él simbolicen las antiguas explotaciones en el área de Bir Umm Fawakhir (‘Pozo de la Madre de la Cerámica’), y las áreas rosadas del mapa probablemente representen el granito de Fawakhir. Las rocas oscuras que se muestran en el mapa, que conducen a las canteras de grauvaca, se encuentran más al oeste a lo largo de Wadi Hammamat hacia Qift y representan las grauvacas y conglomerados del Grupo Hammamat.
El papiro registra la mayor expedición de extracción de piedra del rey durante el tercer año de su reinado y el transporte de una estatua de Ramsés IV desde la cantera a una necrópolis y, por tanto, puede haber sido una conmemoración de estos acontecimientos. La parte superior está orientada hacia el sur y el nacimiento del río Nilo con el oeste en el lado derecho y el este en el lado izquierdo. No se utiliza una escala constante en el mapa, pero en comparación con las distancias reales en Wadi Hamamat es evidente que la escala varía entre 50 y 100 m por cada cm en el mapa. Lo más probable es que se dibujó como un registro visual de la expedición para que lo viera Ramsés IV o Ramessenakhte, el Sumo Sacerdote de Amón en Tebas, quien organizó la expedición para el rey. Aunque Amennakhte no firmó su nombre en el mapa, está claro que él es su autor, pues está escrito con su letra distintiva.
La etapa de las primeras grandes construcciones de la antigüedad: Cimentaciones superficiales
La ingeniería de cimentaciones es tan antigua como el arte de la construcción y, al igual que la construcción, se desarrolló en gran medida sobre la base de la experiencia acumulada y los procedimientos empíricos. Debido a que las condiciones del terreno varían mucho de una localidad a otra, la práctica de las cimentaciones varía ampliamente. Además, la extrapolación de la experiencia de una localidad a otra estaba cargada de incertidumbre.
Los cimientos brindan soporte a las estructuras transfiriendo su carga a capas de suelo o roca debajo de ellas. En el Neolítico (Nueva Edad de Piedra), los seres humanos desarrollaron la agricultura y comenzaron a cultivar plantas y domesticar animales. Este cambio del estilo de vida nómada significó que los humanos comenzaron a construir muros y formar ciudades. Además de vivir en cuevas y utilizar refugios rocosos, las primeras construcciones fueron simples tiendas de campaña, como los tupiq de los inuit (Figura 11), y cabañas que se construyeron como protección contra los elementos, como casas pozo, y como fortificaciones para la seguridad, como los crannog. Los refugios fueron construidos de forma autosuficiente por sus habitantes y no por constructores especializados, utilizando materiales disponibles localmente y diseños y métodos tradicionales, basados en arquitectura vernácula.
Figura 11. Refugios Inuit
De Mesopotamia y Egipto, entre 3.000 a.C. y 600 a.C. se tienen noticias que existía una clase de individuos que tenían a su cargo la construcción de caminos, de canales, puentes, edificios y que desarrollaban planificación urbana y que estaban familiarizados con la aritmética básica y medían ángulos y el tiempo. El ejemplo más ilustrativo de todo esto son las pirámides de Egipto. A partir del año 600 a.C. hasta el año 400 d.C., aproximadamente, las civilizaciones se centran en Grecia y luego en Roma. La construcción de pirámides en Egipto (c. 2.700-2.500 a.C.) fue uno de los primeros ejemplos de construcciones de grandes estructuras.
Una cimentación superficial es aquella que se apoya en las capas superficiales del suelo, soportando las cargas a través de la ampliación de base y constituye una solución de cimentación para estructuras de poca altura o localizadas en suelos de fundación con capacidad portante aceptable (Figura 12). Las cimentaciones superficiales se utilizan en terrenos rocosos (apoyo sobre roca) o de muy buena resistencia, y se caracterizan por:
- Estar conformadas por elementos estructurales,
- Tener un ancho de base mayor que su profundidad,
- Tener una profundidad del plano de apoyo inferior al ancho de la cimentación, y
- Tener una relación profundidad/ancho (Df/B) menor o igual a cinco (5), siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma.
La palabra “fundación” proviene de la palabra latina fundatio o fundare, que significa “poner una base para”, “confirmar” o “establecer”. Fundare también puede significar fondo o base. Fonder y fondation surgieron como palabras en francés antiguo y se fusionaron con la palabra inglesa “found” para crear “foundation” en el inglés medio tardío. La palabra “fundación” ha perdido uso desde la década de 1.760.
Los esfuerzos de contacto, la presión admisible del terreno y el apoyo sobre roca
Alrededor de la Edad de Bronce Temprana, hacia el siglo XXI a.C. comenzaron a aparecer los primeros edificios a gran escala, construidos con técnicas aún más avanzadas que incluían piedra y ladrillo. Los edificios y templos más grandes se construyeron con cimientos de piedra. A partir de ese momento, las cimentaciones o fundaciones se dividieron en múltiples técnicas en todo el mundo (Figura 12).
Hace más de 12.000 años, los habitantes neolíticos de Suiza construyeron casas sobre largos pilotes de madera que se clavaban en los lechos blandos de lagos poco profundos, manteniendo a las personas muy por encima de animales peligrosos y vecinos hostiles. Unos miles de años más tarde, los babilonios sólo encontraron profundos aluviones en sus llanuras aluviales entre el Tigris y el Éufrates, que se asentaron bajo el peso de sus construcciones; por ello levantaron sus grandes monumentos sobre esteras hechas de caña, lo que permitió manejar asentamientos importantes. Los antiguos egipcios sostenían las pirámides sobre bloques de piedra que descansaban sobre el lecho de roca caliza. Además, los antiguos griegos fundaron sus edificios principalmente sobre piedras, incluso si las condiciones del suelo no eran favorables. El mayor desarrollo en la ingeniería de cimentaciones tuvo lugar en la antigua Roma, donde se establecieron las normas adecuadas y se utilizó concreto puzolánico. Los principios establecidos en el antiguo tratado de Vitruvio se estuvieron aplicando en Europa hasta el siglo XVIII, hasta que los nuevos, adquiridos a partir del conocimiento basado en la experiencia práctica, los reemplazaron.
Figura 12. Tipos de cimentación superficial (arriba). Distribución de esfuerzos o tensiones de contacto bajo una cimentación superficial (abajo)
El desarrollo de la primera etapa de grandes construcciones (c. 3.000 a.C. a 1.000 a.C.) originó una mayor importancia a la consideración del factor geotécnico en el proceso de aprendizaje, y fue en esta época, cuando se comprobó la conveniencia del apoyo de cimientos sobre roca, como consecuencia de los indeseables efectos del terreno sobre algunas de estas edificaciones, que implicó conocer acerca de la relación entre la concentración de esfuerzos en la base de apoyo del cimiento, y las características geotécnicas de éste, que fueron adquiridos a partir de numerosos intentos de edificar las construcciones representativas con el mayor tamaño posible (por ejemplo, los zigurats en Mesopotamia, y las pirámides en Egipto).
De acuerdo con los materiales utilizados para la construcción de los edificios, es evidente que los requisitos para la superestructura y la subestructura estaban estrechamente relacionados, ya que la deformabilidad de la primera conducía a fuerzas tangenciales que actuaban a lo largo de la base, o a momentos de vuelco, y es necesario entonces, considerar el diseño de cada uno.
La presión o esfuerzo de contacto se distribuye uniformemente bajo la cimentación y se obtiene al dividir la sumatoria de las cargas aplicadas (carga viva + carga muerta) entre el área de contacto con el terreno (Figura 13).
Figura 13. Presión o esfuerzo de contacto qa en zapatas
La presión o esfuerzo admisible (o de trabajo) de un terreno se refiere a la carga máxima que el suelo puede soportar bajo un asentamiento controlado y aceptable. Es la máxima presión que se puede transmitir al terreno sin que la estructura sustentada sufra daños. Se refiere a la capacidad que tiene un suelo de soportar una estructura y las presiones que ésta genere.
La capacidad admisible se determina eligiendo la menor capacidad entre la capacidad portante del suelo y la capacidad admisible por asentamiento para una determinada geometría de cimentación y una profundidad dada. Es un elemento esencial a considerar al diseñar cimentaciones, ya que, si la presión admisible se excede, el suelo puede colapsar y comprometer la estabilidad de la estructura a soportar (Figura 14). El cálculo del esfuerzo admisible del suelo implica considerar varios factores, entre ellos:
- Resistencia del suelo: Se determina mediante ensayos de campo, como el de penetración estándar (SPT) o el ensayo presiométrico (CPTU). Estos ensayos de campo combinados con otros ensayos geotécnicos realizados en el laboratorio proporcionan información sobre las propiedades mecánicas del suelo, para posteriormente apoyarse en las formulaciones clásicas y correlaciones establecidas por diversos autores y así determinar la capacidad portante obtenida para las condiciones de carga y profundidad de asentamiento.
- Factor de seguridad: Se utiliza para reducir el esfuerzo último del suelo que ha sido obtenido a través de los ensayos, hasta garantizar que el asentamiento esté dentro de parámetros aceptables para la estructura analizada. Este coeficiente considera incertidumbres en la determinación de la resistencia última del suelo y en las cargas aplicadas a la estructura.
- Tipo de la cimentación para la carga prevista: Las características de la cimentación, la magnitud de carga aportada por la estructura, el área de contacto del cimiento con el suelo y su profundidad de asentamiento, también influyen en la determinación de la presión admisible del terreno.
Figura 14. Distribución de presión del suelo bajo una zapata aislada en un suelo sin cohesión y con cohesión (izquierda). Parámetros para el cálculo de la capacidad admisible (derecha)
Las cimentaciones en roca no suelen presentar muchos problemas derivados de la capacidad portante puesto que, en general, suelen soportar elevadas cargas con deformaciones mínimas o nulas, pero no todos los tipos de rocas presentan características igualmente favorables. En algunos casos pueden presentarse problemas asociados a la capacidad portante debido a debilidades de las rocas. Requieren un estudio especial todas aquellas rocas con problemas de karstificación o presencia de cavidades, rocas solubles (evaporitas), rocas que pueden experimentar cambios de volumen, zonas falladas o rocas volcánicas, entre otras.
Una cimentación en roca puede suponer problemas de excavación importantes ya que al ser materiales muy resistentes requieren el uso de martillos-taladros o de voladuras para conformar los cimientos. Casi todas las rocas suelen soportar esfuerzos admisibles superiores a los 3 kp/cm2, pero para grandes cargas como grandes puentes, o edificios altos hay que estudiar en detalle la resistencia y deformabilidad de la roca (roca matriz, macizo rocoso y la red de diaclasado).
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Referencias
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