Unefm Tecnología Ingeniería Civil - Mecánica de Suelos

1. Perspectiva histórica de la Ingeniería Geotécnica
Tomado de Braja M., Das, «Principles of Geotechnical Engineering», 6th Edition. Thomson
Eds. 2006.
Traducido por Freddy J. Sánchez-Leal
Ingeniería Geotécnica previa al siglo XVIII
El registro de la primero persona que utilizó el suelo como un material de construcción
está perdido en la antigüedad. En verdaderos términos ingenieriles, el entendimiento de
la ingeniería geotécnica como se conoce hoy comenzó a comienzos del siglo XVIII
(Skempton, 1985). Por años, el arte de la ingeniería geotécnica estuvo basado sólo en
las pasadas experiencias a través de una sucesión de experimentación sin ningún
carácter científico. Basados en esa experimentación, se construyeron muchas
estructuras, algunas de las cuales se han caído, mientras otras todavía están de pie.
La historia nos dice que las civilizaciones antiguas florecieron a lo largo de bancos de
los ríos, tales como el Nilo (Egipto), el Tigris y el Éufrates (Mesopotamia), el Huang
Ho (Río Amarillo, China), y el Indio (India). Diques del año 2000 A.C. se construyeron
en el lecho del Indio para proteger el pueblo de Mohenjo Dara (que se convirtió en
Pakistán después de 1947). Durante la dinastía Chan en China (1120 a 249 A.C.) se
construyeron muchos diques con propósitos de irrigación. No existe evidencia de que se
hubieran tomado medidas para estabilizar la fundación o verificar la erosión causada por
las inundaciones. (Kerisel, 1985). La civilización de la antigua Grecia utilizó
fundaciones de tipo zapata aislada y de tira para fundar estructuras. A comienzos del
2750 A.C., se construyeron las cinco pirámides más importantes en Egipto en un
periodo de menos de un siglo (Saqqarah, Meidium, Dahshur Sur y Norte, y Keops).
Esto representó un formidable reto con respecto a las fundaciones, estabilidad de
taludes, y construcción de cámaras subterráneas o galerías. Con la llegada del Budismo
en China durante la dinastía oriental Han en 68 D.C., se construyeron miles de pagodas.
Muchas de estas estructuras se construyeron sobre estratos blandos de limo y arcilla. En
algunos casos la presión de la fundación excedió la capacidad de carga del suelo y, en
consecuencia, se causó un daño estructural extensivo.
Uno de los más famosos ejemplos de problemas relacionados con la capacidad de carga
del suelo en la construcción de estructuras previas al siglo XVIII es la Torre Inclinada
de Pisa en Italia (ver Figura 1.1). La construcción de la torre comenzó en 1774 D.C.
cuando la República de Pisa era floreciente y continuó en varias etapas por más de 200
años. La estructura pesa aproximadamente 15,700 toneladas métricas y está soportada
por una base circular de 20 metros de diámetro. La torre se ha inclinado en el pasado
hacia el este, norte, oeste y, finalmente, hacia el sur. Investigaciones recientes
demostraron que un estrato de arcilla débil existe a una profundidad de cerca de 11
metros debajo de la superficie de compresión, lo cual causó la inclinación de la torre.
Dicha inclinación fue de más de 5 metros fuera de plomada con respecto a su altura de
54 m. La torre se cerró en 1990 porque se temía que o bien se cayera o colapsara. La
misma se ha estabilizado recientemente por medio de la excavación del suelo debajo del
lado norte. Se removieron cerca de 70 toneladas métricas en 41 extracciones separadas
en toda la extensión del ancho de la torre. Mientras que el terreno se asentaba

2. gradualmente para llenar el espacio resultante, la inclinación de la torre cesó. Ahora la
torre se inclina 5 grados. Un cambio de medio grado es inapreciable, pero hace la
estructura considerablemente más estable. La Figura 1.2 es un ejemplo de un problema
similar. Las torres mostradas en esa figura están localizadas en Boloña, Italia, y fueron
construidas en el siglo XII. La torre de la izquierda es referida usualmente como la
Torre Garisenda. Tiene 48 metros de altura y se ha inclinado severamente.
Figura 1.1 Torre Inclinada de Pisa.
Luego de encontrar varios problemas relacionados con la fundación durante la
construcción en siglos anteriores, los ingenieros y científicos comenzaron a medir las
propiedades y comportamientos de suelos en una manera más metódica desde la primera
parte del siglo XVIII. Basado en el énfasis y la naturaleza de estudio en el área de la
ingeniería geotécnica, el período de tiempo entre 1700 y 1927 se puede dividir en cuatro
periodos mayores (Skempton, 1985):
• Preclásico (1700 a 1776 D.C.)
• Mecánica de suelos clásica –Fase I (1776 a 1856 D.C.)
• Mecánica de suelos clásica –Fase II (1856 a 1910 D.C.)
• Mecánica de suelos moderna (1910 a 1927 D.C.)
Una breve descripción de algunos desarrollos significativos durante cada uno de estos
cuatro periodos se discute a continuación:

3. Figura 1.2 Torre Garisenda.
Periodo Preclásico de la Mecánica de Suelos (1700-1776)
Este periodo se concentró en estudios relacionados con taludes naturales y peso
unitarios de varios tipos de suelos, al igual que teorías semi-empíricas de presión de
tierras. En 1777 un ingeniero de la corona francesa, Henry Gautier (1660-1737), estudió
los taludes naturales de suelos cuando son descargados en un camellón con la finalidad
de formular procedimientos de diseño para muros de retención. El talud natural es lo
que actualmente referimos como el ángulo de reposo. De acuerdo con este estudio, el
talud natural de una arena seca y limpia y de tierra ordinaria fue de 31º y 45º,
respectivamente. También, el peso unitario de arena limpia y seca y de tierra ordinaria
se recomendó en 18.1 kN/m3
y 13.4 kN/m3
, respectivamente. No se reportaron
resultados en arcilla. En 1729, Bernard Forest de Belidor (1671-1761) publicó un libro
de texto para ingenieros civiles y militares en Francia. En dicho libro, él proponía una
teoría para presión lateral de tierra sobre muros de retención, que resultó ser una
continuación del trabajo original de Gautier (1717). Él también especificó un sistema de
clasificación de suelos de la manera mostrada en la tabla siguiente.
Peso unitario
Clasificación kN/m3
lb/pie3
Roca - -
Arena firme o dura 16.7 106
Arena compresible 18.4 117
Tierra ordinaria (tal como la encontrada en locaciones secas) 13.4 85
Tierra blanda (primariamente limo) 16.0 102
Arcilla 18.9 120
Turba - -

4. Los primeros resultados de modelos de laboratorio sobre muros de retención de 76 mm
de altura construidos con relleno de arena en 1746 fueron reportados por un ingeniero
francés de nombre François Gadroy. El estudio de Gadroy fue más tarde resumido por
J.J. Mayniel en 1808.
Mecánica de Suelos Clásica—Fase I (1776-1856)
Durante este periodo, la mayoría de los desarrollos en el área de la ingeniería geotécnica
vinieron de ingenieros y científicos en Francia. En el periodo preclásico, prácticamente
todas las consideraciones teóricas usadas en el cálculo de presiones laterales de tierra
sobre muros de contención se basaban en una superficie de falla en el suelo escogida de
forma arbitraria. En su famoso artículo presentado en 1776, el científico francés Charles
Augustin Coulomb (1736-1806) usó los principios del cálculo de máximos y mínimos
para determinar la verdadera posición de la superficie de deslizamiento del suelo detrás
de un muro de retención. En este análisis, Coulomb usó las leyes de la fricción y
cohesión para cuerpos sólidos. En 1820, se estudiaron casos especiales del trabajo de
Coulomb por el ingeniero francés Jacques Frederic Français (1775-1833) y por el
profesor francés de mecánica aplicada Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836).
Estos casos especiales estaban relacionados con rellenos inclinados y rellenos que
soportan sobrecargas. En 1840, Jean Victor Poncelet (1788-1867), un ingeniero del
ejército y profesor de mecánica, extendió la teoría de Coulomb proveyendo un método
gráfico para determinar la magnitud de la presión de tierra lateral sobre muros de
contención verticales o inclinados con superficies de terreno poligonales arbitrariamente
discontinuas. Poncelet fue también el primero en usar el símbolo φ para expresar el
ángulo de fricción del suelo. Él también produjo la primera teoría para estimar la
capacidad de carga última de fundaciones superficiales. En 1846 Alexandre Collin
(1808-1890), un ingeniero, proveyó los detalles para dovelas profundas en taludes de
arcilla, cortes y terraplenes. Collin teorizó que en todos los casos las fallas toman lugar
cuando la cohesión movilizada excede la cohesión existente del suelo. Él también
observó que la superficie de falla real podría aproximarse mediante arcos de cicloides.
El final de la Fase I del periodo de la mecánica de suelos clásica está marcado
generalmente por el año (1857) de la primera publicación de William John Macquorn
Rankine (1820-1872), un profesor de ingeniería civil en la Universidad de Glasgow.
Este estudio proveyó una notable teoría de presión de tierras y equilibrio de masas de
tierra. La teoría de Rankine es una simplificación de la teoría de Coulomb.
Mecánica de Suelos Clásica—Fase II (1856-1910)
Varios resultados experimentales de ensayos de laboratorio en arenas aparecieron en la
literatura en esta fase. Una de las más remotas y más importantes publicaciones es una
del ingeniero Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858). En 1856, él publicó un
estudio sobre la permeabilidad de filtros de arena. Basado en estos ensayos, Darcy
definió el término coeficiente de permeabilidad (o conductividad hidráulica) del suelo,
un parámetro muy útil en la ingeniería geotécnica a la fecha.
Sir George Howard Darwin (1845-1912), un profesor de astronomía, condujo ensayos
de laboratorio para determinar el momento de volteo sobre un muro abisagrado que
retenía arena en estados de compactación suelto a denso. Otra notoria contribución, que
fue publicada en 1885 por Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), fue el desarrollo de

5. la teoría de distribución de esfuerzos bajo áreas cargadas en un medio homogéneo,
semiinfinito, elástico e isotrópico. En 1887, Osborne Raynolds (1842-1912) demostró el
fenómeno de dilatancia en arenas.
Mecánica de Suelos Moderna (1910-1927)
En este periodo, se publicaron resultados investigaciones conducidas en arcillas en los
cuales se establecieron las propiedades fundamentales y parámetros para estos
materiales. Las publicaciones más notables se dan en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1 Estudios importantes en arcillas (1910-1927)
Investigador Año Tópico
Albert Mauritz Atterberg
(1846-1916), Suecia
1911 Consistencia del suelo, esto
es, propiedades líquidas,
plásticas y de contracción
Jean Frontard (1884-1962),
Francia
1914 Ensayo de corte doble (no
drenado) en arcilla bajo
carga vertical constante
Arthur Langtry Bell (1874-
1956), Inglaterra
1915 Presión lateral y resistencia
de la arcilla; capacidad de
carga de arcillas; y ensayo
de caja de corte utilizando
especimenes imperturbados
Wolmar Fellenius (1876-
1957), Suecia
1918, 1926 Análisis de dovelas en
taludes de arcilla saturada
Karl Terzaghi (1883-1963),
Austria
1925 Teoría de consolidación
para arcillas
Ingeniería geotécnica luego de 1927
La publicación de Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage por Karl
Terzaghi en 1925 le dio el nacimiento a una nueva era en el desarrollo de la mecánica
de suelos. Karl Terzaghi es reconocido como el padre de la mecánica de suelos
moderna, y con todos los derechos. Terzaghi nació el 2 de octubre de 1883 en Praga,
que era entonces la capital de la provincia Austriaca de Bohemia. En 1904 se graduó del
Technische Hochschule en Graz, Austria, con un título de pregrado en ingeniería
mecánica. Luego de su graduación, trabajó un año en el ejército Austriaco.
Continuando su servicio militar, Terzaghi estudió un año más concentrándose en temas
geológicos. En enero de 1912 recibió el título de Doctor en Ciencias Técnicas de su
alma mater en Graz. En 1916, aceptó una posición como profesor en la Imperial School
of Engineers en Estambul (Turquía). Luego del final de la Primera Guerra Mundial,
aceptó el puesto de «Lecturer» (en español: Conferencista Especial, uno de los títulos
más elevados para profesores universitarios) en el American Robert College en
Estambul (1918-1925). Desde allí comenzó su trabajo de investigación en el
comportamiento de suelos y asentamiento de arcillas, y en las fallas debidas a la
tubificación de arenas debajo de presas. La publicación de Erdbaumechanik es
primariamente el resultado de su trabajo de investigación.

6. Figura 1.3 Karl von Terzaghi
Figura 1.4 Ralph B. Peck
En 1925, Terzaghi aceptó ser Conferencista Especial visitante en el Massachussets
Institute of Technology (el muy renombrado MIT), donde trabajó hasta 1929. Durante
ese tiempo ganó mucho reconocimiento como líder de una nueva rama de la ingeniería
civil llamada mecánica de suelos. En octubre de 1929 regresó a Europa aceptando un
puesto como profesor en Viena, la cual pronto se convirtió en el núcleo de los
ingenieros civiles interesados en la mecánica de suelos. En 1939 regresó a los Estados
Unidos para convertirse en profesor de la Universidad de Harvard.
La primera conferencia de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería
de Fundaciones (ISSMFE, por sus siglas en inglés) se llevó a cabo en la Universidad de
Harvard en 1936 con Karl Terzaghi como presidente. Fue a través de la inspiración y la
guía de Terzaghi durante el precedente cuarto de siglo que se llevaron múltiples
artículos técnicos (llamados coloquialmente «papers») a esa conferencia cubriendo un
amplio rango de tópicos, tales como la resistencia al esfuerzo cortante, el esfuerzo
efectivo, ensayos «in situ» (en sitio), cono holandés, ensayos con centrífuga,
asentamientos por consolidación, distribución de esfuerzos en un medio elástico, técnica
de precarga para mejoramiento de suelos, acción de las heladas en el suelo, arcillas
expansivas, teoría de arcos para presión de tierras, dinámica de suelos y sismos. Para el
siguiente cuarto de siglo, Terzaghi fue el espíritu guía en el desarrollo de la mecánica de
suelos y la ingeniería geotécnica en todo el mundo. Como muestra de esto, en 1985,
Ralph Peck escribió que «poca gente, durante la vida de Terzaghi podría haber estado

7. en desacuerdo que él no sólo fue el espíritu guía en la mecánica de suelos, pero también
fue la palanca para la investigación y las aplicaciones en todo el mundo. En los
siguientes años él se incorporaría a proyectos en cada continente, menos Australia y
Antártica.». Peck sigue con «Desde allí, incluso hoy, uno podría difícilmente mejorar su
explicación contemporánea de la mecánica de suelos, tal como lo expresó en su resumen
de artículos y en su relatoría presidencial». En 1939, Terzaghi dictó la 45ª Conferencia
James Forrest en la Institution of Civil Engineers de Londres. Su conferencia se tituló
«Mecánica de Suelos—Un Nuevo Capítulo en la Ciencia de la Ingeniería». En ella, él
proclamó que la mayoría de las fallas de fundación ya no serían más «actos de Dios».
Los siguientes son algunos hechos resaltantes en el desarrollo de la mecánica de suelos
y en ingeniería geotécnica que han evolucionado desde la primera conferencia de la
ISSMFE en 1936:
• Publicación del libro Mecánica de Suelos Teórica por Karl Terzaghi en 1943
(Wiley, New York);
• Publicación del libro Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica, por Karl
Terzaghi y Ralph Peck en 1948 (Wiley, New York);
• Publicación del libro Fundamentos de Mecánica de Suelos por Donald W.
Taylor en 1948 (Wiley, New York);
• Comienzo de la publicación de Geotechnique, el journal internacional de
mecánica de suelos en 1948 en Inglaterra;
• Presentación del artículo técnico sobre el concepto de φ=0 para arcillas por A.W.
Skempton en 1948;
• Publicación del artículo de A.W, Skempton sobre los parámetros A y B de la
presión de poros de agua en 1954;
• Publicación del libro La Medición de las Propiedades del Suelo en el Ensayo
Triaxial por A.W. Bishop y B.J. Henkel en 1957 (Arnold, Londres);
• Conferencia auspiciada por la ASCE (Sociedad Norteamericana de Ingenieros
Civiles, por sus siglas en inglés) sobre la Resistencia al Esfuerzo Cortante de
Suelos Cohesivos, llevada a cabo en Boulder, Colorado (EEUU), en 1960.
Desde los primeros días, la profesión de la ingeniería geotécnica ha transitado un largo
camino y ha madurado. Es ahora una rama establecida de la ingeniería civil, y miles de
ingenieros civiles declaran que la ingeniería geotécnica es su área preferida de
especialidad.
Desde la primera conferencia en 1936, excepto por una breve interrupción debido a la
Segunda Guerra Mundial, las conferencias ISSMFE se han llevado a cabo cada cuatro
años. En 1997, la ISSMFE se cambió a ISSMGE (Sociedad Internacional de Mecánica
de Suelos e Ingeniería Geotécnica, por sus siglas en inglés) a fin de reflejar su verdadero
alcance. Estas conferencias internacionales han sido el instrumento de intercambio de
información sobre nuevos desarrollos y proyectos de investigación en ejecución en la
ingeniería geotécnica. La Tabla 1.2 muestra la localidad y el año en el cual cada
conferencia ISSMFE/ISSMGE se ha llevado a cabo, y la Tabla 1.3 muestra una lista de
los presidentes de la sociedad. En 1997, existían un total de 30 comités técnicos de la
ISSMGE. Los nombres de dichos comités se dan en la Tabla 1.4.

8. Tabla 1.2 Detalles de las conferencias ISSMFE (1936-1997) e ISSMGE (1997-presente)
Conferencia Localidad Año
I Harvard University, Boston 1936
II Rótterdam, Holanda 1948
III Zurich, Suiza 1953
IV Londres, Inglaterra 1957
V París, Francia 1961
VI Montreal, Canadá 1965
VII Ciudad de México, México 1969
VIII Moscú, U.R.S.S. 1973
IX Tokio, Japón 1977
X Estocolmo, Suecia 1981
XI San Francisco, U.S.A. 1985
XII Río de Janeiro, Brasil 1989
XIII Nueva Delhi, India 1994
XIV Hamburgo, Alemania 1997
XV Estambul, Turquía 2001
XVI Osaka, Japón 2005
Tabla 1.3 Presidentes de la ISSMFE (1936-1997) e ISSMGE (1997-presente)
Año Presidente
1936-1957 K. Terzaghi (USA)
1957-1961 A.W. Skempton (U.K.)
1961-1965 A. Casagrande (USA)
1965-1969 L. Bjerrum (Noruega)
1969-1973 R.B. Peck (USA)
1973-1977 J. Kerisel (Francia)
1977-1981 M. Fukuoka (Japón)
1981-1985 V.F.B. deMello (Brasil)
1985-1989 B.B. Broms (Singapur)
1989-1994 N.R. Morgenstern (Canadá)
1994-1997 M. Jamiolkowski (Italia)
1997-2001 K. Ishihara (Japón)
2001-2005 W.F. Van Impe (Bélgica)

9. Tabla 1.4 Comités Técnicos de la ISSMGE para 1997-2001 (según Ishihara, 1999).
Número de
comité
Nombre del comité
TC-1 Instrumentación para el Monitoreo Geotécnico
TC-2 Ensayos con Centrífuga
TC-3 Geotécnia para Pavimentos y Vías Férreas
TC-4 Ingeniería Geotécnica Sísmica
TC-5 Geotecnia Ambiental
TC-6 Suelos No Saturados
TC-7 Presas de jales
TC-8 Acción de heladas
TC-9 Geosintéticos y Refuerzos de Tierra
TC-10 Caracterización Geofísica de Sitio
TC-11 Deslizamientos de Tierra
TC-12 Validación de Simulación por Computadora
TC-14 Ingeniería Geotécnica Costa Afuera
TC-15 Suelos Orgánicos y Turba
TC-16 Caracterización de Propiedades del Subsuelo a partir de Ensayos de
Campo
TC-17 Mejoramiento del Terreno
TC-18 Fundación con Pilotes
TC-19 Preservación de Sitios Históricos
TC-20 Práctica Profesional
TC-22 Suelos y Rocas Meteorizadas
TC-23 Ingeniería Geotécnica del Diseño en el Estado Límite
TC-24 Muestreo de Suelo, Evaluación e Interpretación
TC-25 Suelos Tropicales y Residuales
TC-26 Sedimentos Calcáreos
TC-28 Construcción Subterránea en Suelo Blando
TC-29 Ensayo Esfuerzo-Deformación de Geomateriales en el Laboratorio
TC-30 Ingeniería Geotécnica Costera
TC-31 Educación en Ingeniería Geotécnica
TC-32 Gerencia y Evaluación de Riesgo
TC-33 Deterioro de Fundaciones
TC-34 Deformación de Materiales de Tierra