Reflexiones personales sobre la enseñanza de la mecánica de suelos
JBBurland Imperial College de Londres, Reino Unido
RESUMEN: Mecánica del suelo Triángulo fue desarrollado por el autor en 1987 como medio de enseñanza, pero ahora está claro que tiene gran relevancia en la práctica también. Para reflejar su aplicación más amplia que se ha modificado ligeramente y re-titulado el Triángulo geotécnico. Una de sus principales atributos es que establece claramente las actividades y disciplinas que intervienen en el modelado geotécnico y se hace una comparación con el modelado estructural. Muchos de los mecanismos de comportamiento exhibido por el suelo se puede ilustrar mediante modelos físicos simples y el uso de éstos es muy recomendable. No sólo son susceptibles de ser entendido y recordado por los estudiantes, pero su uso se puede ahorrar tiempo. Dos de los modelos físicos más llamativos usados por el autor se describen. Cuatro de las características más importantes que necesitan ser inculcado en los estudiantes se examinan: el rigor; la capacidad de simplificar; creatividad; la claridad de expresión.
1 INTRODUCCIÓN En 1987 tuve el honor de pronunciar la conferencia Nash en la Novena Conferencia Europea de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones, Cimentaciones, Dublín (Burland, 1987). Elegí la enseñanza de la mecánica del suelo por dos razones: en primer lugar el profesor Kevin Nash era un maestro dedicado y altamente respetada con un interés de por vida en la educación de los ingenieros civiles; en segundo lugar, que había convertido recientemente en un académico. Esto me dio la oportunidad de reflexionar sobre lo que considero mi tarea principal - la educación. En el presente trabajo vuelva a visitar algunos aspectos del documento 1987 destacando mis propias opiniones personales sobre lo que creo que las cuestiones clave y también describen cómo se han desarrollado mis puntos de vista.
Justo desde el principio, es esencial que se establezca una distinción entre “educación” y “formación”. Sir Charles Inglis, quien fue Jefe de Ingeniería de la Universidad de Cambridge, mantenido (Inglis, 1941): “... que el alma y el espíritu de la educación es que el hábito de la mente que permanece cuando un estudiante ha olvidado por completo todo lo que como siempre ha enseñado. ”
En estos tiempos de rápidos cambios tecnológicos que esto podría ser reemplazado por “... cuando todo lo que un estudiante ha sido enseñado ha cambiado”.
Sir Charles no discutió que no debe haber ningún elemento de preparación o formación en una enseñanza de la ingeniería. Se reconoció que la formación es un elemento importante de la educación - pero abogó por un equilibrio adecuado entre ellos.
Este equilibrio entre la educación y la instrucción (o formación) tiene que ser decidido con cuidado sobre la base de una serie de factores, entre ellos los objetivos del curso, el destino de la mayoría de los estudiantes, su nivel de logro y el tiempo disponible - hay puede haber una “talla única”. Creo que la diversidad de programas de estudio y enfoques debe fomentarse.
Me he dado cuenta de tres cuestiones clave que puede, a menos que estemos continuamente vigilantes, devalúan la enseñanza de la mecánica de suelos. La primera es que es muy fácil dar por sentado que tanto se ha convertido en una “segunda naturaleza” a un ingeniero geotécnico experimentado o investigador y por lo tanto dejar a los estudiantes desconcertado. Por razones que discutiremos más adelante, los estudiantes encuentran la mecánica del suelo un tema difícil. Se está identificando e inculcar lo que debería convertirse que el hábito de la mente q ue es un desafío. En segundo lugar, es demasiado fácil sucumbir a la presión de los profesionales y otros que un tema en particular “es esencial para el plan de estudios”. Esta es una receta segura para el “ el hacinamiento, la sobrecarga y la forma de excesiva ” Que conduce a la tercera cuestión: no importa cuánto nos esforcemos, nunca parece ser suficiente tiempo! Tal vez podamos aprender del profesor de griego en la universidad de Owen, Reino Unido, que en 1873 declaró: “ El objeto de los estudios seleccionados es, de hecho, de menor importancia que la disciplina impartida. Pero una selección que se ha hecho que atraerá a cabo y fortalecer los poderes de la mente y permitir una amplia base sobre la cual construir una carrera profesional posterior ”.
Por todas las razones anteriores Voy a evitar la discusión de los contenidos de los planes de estudio. Sin embargo yo creo que un objetivo clave de la enseñanza es dar a los 'puntos de anclaje' hoja estudiante cuya seguridad y limitaciones se han establecido claramente ya sea experimental, empírica o teórica. No hace falta decir que una clave 'punto de anclaje de la hoja' en mecánica de suelos saturados es el principio de la tensión efectiva. El tiempo dedicado a esto es una buena inversión. He tenido conocimiento recientemente de que los estudiantes aprecian saber un poco sobre el contexto histórico de un sujeto y algo acerca de las personalidades involucradas. Esto no tiene por qué ser un discurso
confianza que diga lo factor de seguridad que posee ”. En 1928 Moncrieff publicó un trabajo importante en la estructural Ingeniero en las teorías de presión de tierra en relación con la práctica de la ingeniería. Él resume los diversos enfoques para el cálculo de las presiones del terreno de Coulomb (1773) a través de Langtry Bell (1915). En ese momento el ángulo de fricción en general se equipara con el ángulo de reposo y Moncrieff se refiere a la dificultad de determinar este ángulo para suelos arcillosos. Él cita un corte en la arcilla en la que los taludes laterales variaron de vertical a 1 vertical en 1½ mientras horizontal en las partes de la arcilla se “Ejecución de abajo como gachas”.
histórico, sino más bien unos apartes que puede condimentar en marcha la conferencia. Las dos secciones siguientes pueden ser útiles a este respecto.
2 CONTEXTO HISTÓRICO No es muy apreciado lo que es un estado lamentable el tema de la ingeniería del terreno se encontraba, antes de las contribuciones de Terzaghi. Recientemente, como parte de las celebraciones de su centenario, se me dio la interesante tarea de trazar el desarrollo de técnicas de cimentación en los últimos 100 años a través de los artículos publicados en El ingeniero estructural ( B urland, 2008). Muchos de los primeros trabajos describen diversas técnicas de construcción de los cimientos tales como tipos de pelo, secciones de pared de tablestacas, ataguías y cajones. Sin embargo, estos documentos hacen poca referencia a las propiedades mecánicas del suelo y cómo su respuesta puede ser evaluada. Por ejemplo BrookeBradley (1932-1934) establece que:
“ Si la fuente de rodamiento de la sub-suelo debe resultar insuficiente para soportar las cargas propuestas, se debe fortalecer artificialmente ”. Métodos de hacer esto se describen entonces junto con los diversos tipos de pilas disponibles para este propósito. No se dónde encuentra uno cómo el “ teniendo el poder ”De la planta puede ser evaluado en el primer lugar. También se afirma que “ todos los asentamientos se debe evitar si es posible ” , Se dan ejemplos de la colonización perjudicial, pero no se da orientación sobre cómo se podría estimar. En los primeros números de El ingeniero estructural un poco de espacio se le da al diseño y construcción de muros de contención. En 1915 Wentworth-Escudos leer un documento sobre “La estabilidad de las paredes Quay en fundaciones de la Tierra”. Se abre con la siguiente frase memorable:
todo lo que es demasiado claro a partir de estos primeros trabajos que, a pesar de los significativos incluso heroicos, logros de ingeniería en la construcción de grandes fundaciones, estructuras de contención, túneles y presas, había poca comprensión de los factores que controlan el comportamiento mecánico del suelo en términos de su resistencia y rigidez. Por otra parte no hay casi ninguna referencia a la influencia de las aguas subterráneas en las presiones resistencia, estabilidad o tierra. No es de extrañar que hubo fallos frecuentes, sobre todo de taludes y muros de contención. Esta fue la confusión que Terzaghi encontró cuando empezó a ejercer como ingeniero civil.
3 TERZAGHI, padre de GEOTÉCNICO INGENIERIA Debido a su trabajo en el desarrollo del marco científico y teórico de la mecánica de suelos y técnicas de cimentación, Terzaghi es a menudo considerado como esencialmente un teórico. En la enseñanza de la Mecánica de Suelos todo es demasiado fácil dejar al estudiante con la impresión de que el tema es ahora una ciencia exacta y que todo lo que se puede calcular, emulando la disciplina más antigua de la ingeniería estructural. Nada podría estar más lejos de la verdad (y de hecho no es cierto para estructuras tampoco). Es, por tanto, vale la pena reflexionar sobre las luchas de Terzaghi para desarrollar el arte y la ciencia de la ingeniería del terreno porque no tienen relevancia, tanto en la enseñanza y la práctica de la disciplina.
Goodman (1999) ha escrito una más esclarecedor e investigado a fondo la narración de la vida de Terzaghi “ Ingeniero como artista ”. Nació en Praga en 1883. Mostró un temprano interés en la geografía, especialmente exploración de campo, y más tarde la astronomía, que se convirtió en una
“ A pesar de la gran cantidad de experiencia que se ha adquirido en la construcción de muros de muelle, sigue siendo uno de los problemas más difíciles de la ingeniería para diseñar una pared en una base de l a explanación con la confianza de que será estable cuando esté terminado. . . . Incluso si el diseñador de una pared de este tipo se aseguró que se mantendrá, no con cualquier posible
pasión por las matemáticas. Más tarde en la escuela que se inspiró en las ciencias naturales y se desempeñó brillantemente.
3.1 la educación de Terzaghi
Luego pasó a leer Ingeniería Mecánica en la Universidad Técnica de Graz. Durante un tiempo perdió su
Así, la participación en la bebida y los duelos. Encontró las conferencias eran simplemente un conjunto de prescripciones que afirmó que podía leer por sí mismo. Fernando Wittenbauer, un maestro sabio, desafió Terzaghi para hacerlo mejor y volver a las fuentes originales - en particular de Lagrange Mecánica analítica. Así Wittenbauer condujo suavemente en Terzaghi; guiándolo, no sólo en la emoción de la creatividad científica, sino también los aspectos sociales y culturales muy reales del día. Fue Wittenbauer que salvó Terzaghi sea expulsado después de una travesura más exuberante de los estudiantes. Wittenbauer señaló a las autoridades que en la historia de la Universidad se había producido sólo tres expulsiones: Tesla, que llegó a revolucionar la tecnología eléctrica; Riegler, que creó la turbina de vapor y un tercero que se convirtió en un destacado arquitecto de la iglesia. Luego pasó a señalar que la Universidad no era bueno en la elección de candidatos para la expulsión. Terzaghi reprieved!
Aunque lectura mecánica Ingenieria, Terzaghi asistió a cursos en geología. Él estaba interesado en la escalada y se cuenta que hizo todas las expediciones de escalada en una divertida aventura en la geología de campo. Durante su obligatoria año de servicio militar tradujo el Manual de geología de campo por Archibold Geckie (Director del British Geological Survey) al alemán. En una segunda edición que en realidad lo extendió a una cobertura más completa de características kársticas y la geomorfología del país glaciar, en sustitución de los ejemplos ingleses con los austriacos.
3.2 El cambio a la ingeniería civil El interés de Terzaghi en geología lo convenció de que la ingeniería mecánica no era para él. Pasó a la ingeniería civil y volvió a Graz por un año adicional. Se fue a trabajar para una empresa especializada en la generación de energía hidroeléctrica. Aunque su principal actividad era en el diseño de hormigón armado, la planificación de las estructuras era, por supuesto, íntimamente involucrado con la geología. Pero con frecuencia se encontró con la orientación de expertos geólogos inútil. Se encontró con muchos casos de fracaso. Es significativo que éstos se debieron principalmente a la falta de capacidad de predecir y subterráneas de control - se escape eran abundantes. También se encontró con muchos problemas de laderas, fallos de capacidad de carga y estructuras sometidos a los asentamientos excesivos.
Figura 1. Karl von Terzaghi (con permiso de NGI)
Estados Unidos observación y registro. Dos años que terminaron en desilusión y depresión. La siguiente cita de su discurso presidencial a la 4 º C onferencia Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones resume su estado de ánimo en ese momento (Terzaghi, 1957): “ Al final de los dos años tomé mi voluminosa colección de datos de vuelta a Europa, pero cuando empecé a separar el grano de la paja me di cuenta con consternación que prácticamente no había trigo. El resultado neto de dos años de trabajos forzados fue tan decepcionante que no era siquiera vale la pena publicarla ”.
Esto en cuanto a la geología en su propio! Esto en cuanto a los precedentes y las historias de caso por su cuenta!
Para citar Goodman (1999), el problema radica en el hecho de que: “. . . . los geólogos dan nombres diferentes a las rocas y los sedimentos
se han desarrollado principalmente a partir de una curiosidad científica sobre el origen geológico de estos materiales, mientras que Terzaghi estaba apuntando hacia discernir las diferencias en sus propiedades de ingeniería.
3.4 El nacimiento de la ciencia de la mecánica de suelos
3.3 Geología en su propia
Reconociendo las dificultades que los ingenieros civiles con experiencia en el trato con el suelo y también la influencia evidente de factores geológicos, se llegó a la conclusión de que era necesario recoger la mayor cantidad posible de registros de casos con el fin de correlacionar los fracasos con las condiciones geológicas. Es bien sabido que luego pasó dos años intensos (1912 - 1914) en el oeste
Poco después de su nombramiento a la Real Universidad de Ingeniería otomana de Constantinopla en 1916 Terzaghi comenzó a buscar la literatura para penetraciones en el comportamiento mecánico del suelo. Se hizo cada vez más frustrado. Lo que presenció fue una disminución constante desde 1880 en observaciones y descripciones del comportamiento grabados. Este fue reemplazado por miríadas de teorías postuladas y publicadas sin evidencia de apoyo adecuada. Esta experiencia debe
han sido más superior en su mente cuando, en su discurso presidencial a la Primera Conferencia Internacional declaró lo siguiente (Terzaghi, 1936): “ En la ciencia pura una distinción muy afilado se hace entre hipótesis, teorías y leyes. La diferencia entre estas tres categorías reside exclusivamente en el peso de sostener pruebas. Por otro lado, en la fundación y la ingeniería de movimiento de tierra, todo lo que se llama una teoría después de que aparece en la impresión, y si la teoría encuentra su camino en un libro de texto, muchos lectores se inclinan a considerar que una ley ”. Por lo tanto Terzaghi estaba enfatizando la enorme importancia de reunir y examinar pruebas fehacientes de procedimientos empíricos. Él también está llevando a cabo la importancia de inculcar el rigor. Esto a menudo se equipara con las matemáticas, pero hay por lo menos tanto rigor en la observación y registro de los fenómenos físicos, el desarrollo de la argumentación lógica y disposiciones al respecto en el papel de forma clara y precisa. Terzaghi en 1918 comenzó a realizar experimentos en contra de las fuerzas de muros de contención. Luego pasó a fenómenos de tubería y el flujo por debajo de diques de contención. Utilizó Forchheimers FlowNet construcción para analizar sus observaciones y aplicarlas en la práctica - que por sí mismos métodos fueron adaptados a partir del flujo de electricidad. Vemos aquí la interacción entre el experimento y el modelado analítico. Durante este período Terzaghi se dio cuenta de que la geología no podría convertirse en una herramienta fiable y útil para los ingenieros a menos que el comportamiento mecánico de la planta se podría cuantificar - esta experimentación sistemática requerida. En un día de marzo
que es establecer el perfil del suelo con la profundidad y toda la zona del plano del edificio. Aun así, se demostró que las variaciones locales de las propiedades del suelo y la estratificación hacen que sea imposible predecir los patrones de asentamiento con precisión. Sin usar el término, llamó la atención sobre el importante concepto de la interacción suelo-estructura señalando que la estructura de un edificio no debe ser tratado separadamente de sus fundamentos. Incluso llamó la atención sobre el hecho de que las vigas de hormigón reforzado puede producir plásticamente sin perjudicar la estabilidad o la aparición de un edificio de marco proporciona el agrietamiento no es excesiva. Es de interés señalar que, en su artículo seminal sobre el asentamiento permisible de edificios, Skempton y MacDonald (1956) tenían muy en cuenta las historias de casos proporcionados por Terzaghi en esta conferencia.
Hacia el final de su conferencia hizo la siguiente afirmación importante: “ Sólo la experiencia conduce a una masa de hechos incoherentes. Pero la teoría por sí sola es igualmente inútil en el campo de la ingeniería de cimentaciones, porque hay demasiados factores cuya importancia relativa que se puede aprender sólo de la experiencia ”. En 2D akota del Norte T erzaghi mayo de 1939 entregó el 45o James Forrest Conferencia en el Instituto de Ingenieros Civiles, Londres con el título “Mecánica de Suelos - Un nuevo capítulo en Ciencias de la Ingeniería”. La conferencia se resumen en términos sencillos los elementos básicos de la disciplina de la mecánica de suelos y su aplicación a una serie de problemas de ingeniería que van desde la presión de la tierra contra los muros de contención, el fracaso de las presas de tierra debido a las tuberías a través del fenómeno de la consolidación y la solución de cimientos. Al principio de la conferencia Terzaghi hizo la declaración memorable que:
1919, y en una sola hoja de papel, se anotó una lista de experimentos que tendrían que realizar. Terzaghi después entró en un período intenso de trabajo experimental en el que se lleva a cabo edómetros pruebas y ensayos de corte en arcillas y arenas, desarrollando así su comprensión física del principio de la tensión efectiva, el exceso de presiones de agua de los poros y la tasa momento de la consolidación. Para avanzar con la modelización del fenómeno de la concentración analítica se volvió a las matemáticas de la conducción de calor. De nuevo vemos aquí la interacción entre el experimento y el modelado analítico.
3.5 El impacto de la mecánica de suelos en la ingeniería civil y de estructuras el 6 de º D e diciembre de 1934 Terzaghi dio una conferencia ante la Institución de Ingenieros Estructurales en Londres con el título “El factor real de la seguridad en las fundaciones”, ilustró su conferencia con un gran número de historias de casos de distribuciones medidas de asentamiento a través de los edificios y su variación con el tiempo . Él fue capaz de explicar las características generales de comportamiento utilizando los principios básicos de la mecánica de suelos y análisis de bases que demuestra la importancia vital
“. . , en la práctica las dificultades de ingeniería de suelos son casi exclusivamente debido, no a los mismos suelos, pero que el agua contenida en sus huecos. En un planeta sin agua no habría necesidad de la mecánica de suelos ”.
Fue una figura enérgica y carismática y esta conferencia hizo una muy profundo impacto en los ingenieros estructurales y civiles en el Reino Unido. Muchos ingenieros geotécnicos líderes, como el difunto Sir Alec Skempton, el estrés lo que jugó un papel fundamental en esta conferencia el desarrollo de la mecánica de suelos en el Reino Unido. Al igual que con su conferencia anterior a la Institución de Ingenieros Estructurales, Terzaghi enfatizó fuertemente la importancia de mantener un equilibrio entre la teoría y la práctica de la mecánica de suelos. Destacó más fuertemente que la precisión de la predicción no fue posible debido a la variabilidad inherente de los procesos del suelo y de la construcción. Está claro de lo anterior que Terzaghi es mucho más que el padre de la ciencia de la mecánica de suelos.
el marco científico para la comprensión de la respuesta mecánica del suelo. Él es el padre de Ingeniería del Terreno, que abarca la geología de ingeniería, mecánica de suelos y podría decirse que la mecánica de rocas también.
véase la Figura 2. Asociado con cada uno de los aspectos anteriores es
Se espera que las dos secciones anteriores proporcionarán un resumen útil que pone en luchas contexto de Terzaghi para proporcionar una base científica para la ingeniería geotécnica.
Establecer el perfil del suelo es el resultado clave de la investigación del sitio. Por el perfil del suelo, me refiero a la descripción de los sucesivos estratos en términos de ingeniería simples junto con las condiciones del agua subterránea y las variaciones en todo el sitio. También es vital para entender los procesos geológicos y actividades artificiales que formaban el perfil del terreno
Demuestra su de puesta a tierra en la geología; la importancia de profundizar en el conocimiento del comportamiento mecánico del suelo y las aguas subterráneas por medio de experimentos y pruebas; la necesidad de desarrollar un marco analítico para fines de predicción y, muy importante, el papel clave que la experiencia juega y la importancia de las historias clínicas. Una y otra vez que insisten en que la mecánica del suelo no es una ciencia exacta debido a la variabilidad inherente de la tierra y la incertidumbre de muchos factores asociados con la construcción.
una actividad distinta y riguroso.
4.1 El perfil del terreno y su génesis:
es decir, su génesis. Estoy convencido de que 9 veces de 10, las principales decisiones de diseño se pueden hacer sobre la base de un buen perfil de suelo. Del mismo modo, 9 de cada 10 fracasos resultado de una falta de conocimiento sobre el perfil del terreno - a menudo las condiciones de agua subterránea. Peck (1962) argumentó que la metodología de la geólogo consiste en hacer observaciones, la organización y montaje de éstas, la formulación de una hipótesis y luego probar críticamente la hipótesis. Sin embargo, el ingeniero civil, y en particular el ingeniero estructural, no se entrenó en esta metodología, que está en el corazón de mucha ingeniería geotécnica.
4 EL TRIÁNGULO GEOTÉCNICO Geotécnica es un tema difícil y es considerado por muchos estudiantes e ingenieros como un tipo de arte negro. Yo solía pensar que esto era debido a la naturaleza del terreno y el hecho de que es un material de dos o incluso tres fases. Es mucho más complejo que los materiales estructurales más clásicas de acero, hormigón y madera, incluso con los que están familiarizados los estudiantes. En 1987, después de un cuidadoso estudio de las opiniones expresadas por Terzaghi y otros, y desde mi propia experiencia, llegué a la opinión de que el principal problema es debido a una falta de apreciación de la serie de aspectos que deben tenerse en cuenta en la lucha contra una problema de ingeniería del terreno. Desde ese momento mi punto de vista se ha reforzado.
4.2 El comportamiento observado o medido de la
suelo Esta actividad implica la observación y medición. Incluye las pruebas de laboratorio y de campo, las observaciones de campo de la conducta incluidos los movimientos y el flujo de agua subterránea. metodologías rigurosas e instrumentación avanzada a menudo se requieren para este trabajo. Las mediciones requieren interpretación y para ello se requiere un marco analítico apropiado. Esto nos lleva a la actividad de modelado.
El examen de las luchas de Terzaghi hacia el establecimiento de la materia que vemos que hay cuatro aspectos distintos, pero relacionados entre sí:
•
El perfil del terreno incluyendo condiciones del agua subterránea.
•
El comportamiento medido u observado de la tierra.
• •
predicción analítica usando los modelos apropiados.
procedimientos empíricos, el juicio basado en precedentes y lo que han denominado “experiencia bien aventado”.
Los límites entre estos cuatro aspectos a menudo se confunden y uno o más de ellos es con frecuencia completamente descuidado. Los tres primeros se puede representar como la formación de los vértices de un triángulo con el empirismo y la experiencia ocupando el centro (Burland, 1987). Llamé a este la mecánica de suelos triángulo ya que se desarrolló en torno a la enseñanza de la mecánica de suelos. Desde entonces, he llegado a apreciar que se aplica igualmente bien a la práctica y, por tanto, he cambiado de nombre que la geotécnico Triángulo -
Figura 2. El Geotechnical Triángulo
4.3 modelización adecuada Cuando por primera vez planteó la mecánica de suelos Triángulo en 1987 utilizo el término 'Mecánica Aplicada' de la esquina inferior derecha del triángulo. Sin embargo, yo creo que ahora 'modelización adecuada' el término es mucho más representativo de lo que está pasando. El término modelado se está utilizando cada vez más y el geólogo de ingeniería está muy familiarizado con el proceso de desarrollo de modelos geológicos.
•
Al modelar me refiero al proceso de idealizar o simplificar nuestro conocimiento del mundo real ... ..
•
montaje de estos idealizaciones apropiadamente en un modelo que es entonces. . .
•
susceptibles de análisis y por lo tanto la predicción de la r espuesta. A menudo digo a los estudiantes que " para analizar es el primero en idealizar '.
•
El proceso de modelado no se ha completado hasta que la respuesta ha sido validado y evaluado.
•
El procedimiento puede implicar un número de iteraciones.
•
Así, el proceso de modelado es mucho más que simplemente la realización de un análisis.
•
Un modelo puede ser muy simple conceptual, puede ser un modelo 1g físico o un modelo de centrífuga, que puede ser un modelo numérico muy sofisticado.
•
Al utilizar el término “modelo” estamos haciendo hincapié en el proceso de idealización y desmitificar el proceso analítico. El Triángulo geotécnico ayuda en esto.
4.4 procedimientos empíricos y la experiencia
Con materiales tan complejos y variados como el suelo, el empirismo es inevitable y que es (y será siempre) un aspecto esencial de la ingeniería geotécnica. Muchos de nuestros procedimientos de diseño y construcción son el producto de lo que he denominado “la experiencia wellwinnowed”. Es decir, la experiencia que resulta de una criba rigurosa de todos los hechos que se refieren a un procedimiento o caso empírico historia particular. Elegí el término después de haber leído la descripción de Terzaghi de sus intentos de " separar el grano de la paja » tras dos años en los EE.UU. recogida de registros de casos.
5 GEOTÉCNICO de triángulo en ENSEÑANZA En el documento de 1987 I mostró cómo el Geotechnical Triángulo podría utilizarse para desarrollar un curso de mecánica de suelos coherente y equilibrada. El número de temas cubiertos hay probablemente mayor de lo que normalmente se tratarán en un curso de graduación. Sin embargo, cualquiera que sea el tipo de curso que se preveía, el Triángulo ofrece un valioso marco de referencia a la hora de considerar su contenido. En el tiempo transcurrido desde que presentó por primera vez en el Triángulo
1987, yo y otros han encontrado que es útil como medio de enseñanza. Los estudiantes les resulta particularmente difícil de desenredar en sus mentes las diferencias entre los resultados que se basan en un análisis riguroso, los que son experimentales y los que han sido desarrollados a partir de reglas empíricas. Es útil durante una conferencia que sea capaz de señalar que se está discutiendo aspecto del triángulo y cómo se relaciona con los otros aspectos. Algunos ejemplos se dan en la siguiente.
5.1 la naturaleza de partículas de suciedad
Muy temprano en el curso los estudiantes aprenden que el suelo es esencialmente partículas. Sin embargo, tenemos que idealizar como un continuo con el fin de hacer uso de los métodos actuales de la mecánica aplicada, como el análisis de equilibrio límite o análisis de la deformación. El principio tensión efectiva en sí surge de la naturaleza de partículas del suelo y que luego se incorpora en nuestros análisis continuo. Esto puede explicarse por partiendo en la esquina inferior izquierda del triángulo con el comportamiento medido de un material en partículas y se mueve a través de la esquina inferior derecha haciendo una idealización más o menos apropiados. Es importante entender a fondo las propiedades del modelo idealizado y apreciar sus similitudes y diferencias del comportamiento real del material particulado que representa.
5.2 Estrés y tensión
4.5 Resumen En resumen, vemos dentro de los geotécnico Triángulo de cuatro aspectos fundamentales, cada uno asociado a distintos tipos de actividad con diferentes salidas. Cada actividad tiene una metodología distinta, cada uno tiene su propio rigor, cada uno está interrelacionado con el otro. El enfoque de Terzaghi a la ingeniería del terreno revela una coherencia e integración que se refleja en una equilibrada geotécnico Triángulo.
Conceptos de estrés y, en menor medida, la tensión continua se relacionan con idealizado y por lo tanto se tratan explícitamente en la esquina inferior derecha del triángulo. círculo de la tensión de Mohr ocupa un papel central en la mecánica de suelos y es útil para el estudiante para comprender en qué parte del marco general del triángulo de esta herramienta reside. Dicho sea de paso, es importante que las diferencias en convención de signos se entienden entre las ecuaciones de equilibrio estrés y representación gráfica círculo de Mohr. A nivel de post-grado que pasan mucho tiempo en los conceptos de tensión ya que esto es fundamental para el desarrollo de la teoría de la plasticidad. Sin embargo es poco probable que sea el
tiempo disponible a nivel de grado para hacer la justicia plena tema. La
elástica, homogénea isotrópica o así que ¿cómo puede el enfoque de ser
enseñanza de los conceptos de la cepa se discuten más completamente en el
tomado en serio cuando las idealizaciones están tan lejos de la realidad?
documento de 1987.
Desde hace veinte años o más, la respuesta ha sido clara. Sin embargo, la mayoría de los libros de texto todavía bien ignoran el problema o encogen de
5.3 fortalezas Mohr-Coulomb El criterio de fallo de Mohr-Coulomb es un modelo idealizado de la realidad y, por tanto, pertenece en la esquina inferior derecha del triángulo. Sin embargo, su aplicación práctica requiere que tiene que ser adaptado para adaptarse a diferentes circunstancias. Los estudiantes pueden beneficiarse del estudio de los resultados experimentales de pruebas de caja de corte y ensayos triaxiales. Para arenas, los fenómenos de la dilatancia y contractancy pueden estudiarse junto con la curvatura de la envolvente de rotura y la dependencia de la fuerza pico en la densidad inicial. Ideas de post-pico ablandamiento por deformación, resistencia estado crítico y resistencia residual pueden ser desarrollados. Vemos aquí la interacción entre la esquina experimental del triángulo y la esquina de modelado.
5.4 Ideal poroso sólido elástico soluciones analíticas y numéricas para continua elásticas porosas ideales juegan una parte muy importante de la modelación geotécnica. He encontrado por experiencia que paga dividendos a explorar con los estudiantes las propiedades de un material elástico poroso isotrópico ideal. Comienzo dándoles una imagen física de un material tal como que consiste en una aglomeración aleatoria de partículas de metal muy finas soldada por puntos entre sí en sus puntos de contacto. Las propiedades de rigidez de este esqueleto están dadas por los parámetros elásticos drenados
mi y υ . Usando las ecuaciones simples relativas incrementos en la tensión efectiva principal a los incrementos de deformación equivalente es posible derivar las expresiones para módulo de volumen eficaz K y módulo de cizallamiento GRAMO e n términos de la eficaz módulo de Young mi y la relación efectiva de Poisson υ . De ello se desprende que los efectos del cambio en la tensión normal efectiva media pag y el esfuerzo cortante se desacoplan y la relación entre mi y mi u p uede ser evaluado. Muy importante, es fácil demostrar que durante la carga sin escurrir el valor de pag p ermanece constante para este material ideal.
Estos, y otros, las propiedades de la sencilla material ideal se pueden comparar con el comportamiento medido de los suelos reales. Estas discusiones son importantes porque, sin el marco ofrecido por el triángulo, los estudiantes a menudo se confunden entre los resultados de los modelos ideales y el comportamiento medido. 5.5 El uso de la teoría elástica en el análisis de asentamiento
hombros como una de las aproximaciones que se tienen que hacer. La modelización numérica usando la 'parecido a la tierra' propiedades tales como la no linealidad, la falta de homogeneidad y anisotropía ha hecho posible para evaluar la exactitud de tensión elástica cambios áreas debajo cargados. Estos estudios han demostrado que los cambios reales de estrés verticales son razonablemente cerca de las dadas por Boussinesq para la mayoría de las condiciones de los suelos similares. Algunos ejemplos se dan en Burland et al ( 1 977) y también en el documento de 1987.
Por el contrario, el mismo no puede decirse de los cambios de esfuerzos horizontales y de corte que resultan ser muy sensibles a muchos parámetros.
Estos resultados son de profunda importancia en la enseñanza de análisis de asientos y también en la práctica. Debido a que puede demostrarse que la tensión vertical cambia, debido a una presión de superficie conocida, son insensibles a una amplia gama de propiedades, que son capaces de hacer uso de soluciones de Boussinesq porque son simples y están fácilmente disponibles para muchos problemas de contorno. Ya no necesitamos estar avergonzado e incómodo acerca de la aplicación de elasticidad para este fin! Exi sten importantes limitaciones a la utilización de los cambios verticales de estrés Boussineq. Para el caso de una capa rígida que recubre una capa suave los cambios de estrés verticales son significativamente menores que las dadas por Boussinesq y como consecuencia tienen una propagación lateral más amplio - el beneficio de un pavimento de la carretera rígido en la reducción de las tensiones en la sub-base es inmediatamente obvio. También Boussinesq no se puede utilizar con tal confianza para zapatas rígidas como aquí las distribuciones de presión de contacto se afecta significativamente por las propiedades detalladas materiales. Este tema es útil para ilustrar los conceptos de anisotropía y la falta de homogeneidad. También es un claro ejemplo de proporcionar a los estudiantes y profesionales con una valiosa 'hoja de puntos de ancla', la seguridad y las limitaciones de los cuales puedan demostrarse claramente.
5.6 Resultados empíricos
Hay muchos resultados útiles en la mecánica del suelo que se basan esencialmente en las mediciones de l aboratorio o pruebas de campo. Dos de las más típicas son el coeficiente de empuje en reposo K 0 y la relación de fuerza sin escurrir S u / σ v.S e ha encontrado que, durante los suelos normalmente consolidados, la expresión Jaky
K 0 = 1 - pecado φ
(1)
Mientras que en el tema de elasticidad vale la pena repetir lo que he dicho en 1987 en relación con el uso de distribuciones de tensiones elásticas para el
funciona razonablemente bien para una amplia gama de suelos, donde φ e s el
cálculo de la liquidación. Es a todas luces evidente para los estudiantes que el
ángulo crítico estado de resistencia al cizallamiento. Para los suelos
suelo es rara vez
sometidos a uno sobreconsolidadas
dimensional hinchazón esto se ha extendido empíricamente por Mayne y Kulhawy (1982) a
(2)
K o = ( 1 - pecado φ) x ocr pecado φ
Numerosos estudios de laboratorio y de campo muestran que para arcillas normalmente consolidadas la relación S u / σ v e stá bien definido y se encuentra entre aproximadamente 0,28 y 0,32. S u e s la fuerza no drenada en compresión triaxial y
σ v e s la presión de sobrecarga eficaz. Para suelos unidos o suelos ligeramente sobreconsolidados la presión de sobrecarga efectiva puede ser sustituido por σ vy,l a tensión de fluencia vertical (Burland, 1990). Para la extensión triaxial y deformación plana la fuerza sin drenaje es generalmente más bajo
que para
compresión triaxial. los
expresiones para S u / σ v l uego son diferentes y no son tan definida de forma única, siendo funciones de la plasticidad del suelo. Siempre que la base empírica de estas fórmulas se entiende claramente estos, y similares, los resultados pueden ser más valioso. Tal vez mi ejemplo favorito de la necesidad de comprender claramente la base de una expresión empírica es que para la resistencia del eje de una pila. Con frecuencia, el medio de rozamiento eje τ sf s e relaciona con la fuerza sin escurrir media de la profundidad de la pila
Ŝ u p or la expresión τ = sf α Ŝ u
Cuaternario. Es dentro de estos depósitos que la mayoría de los estudiantes va a trabajar en la práctica. Me parece que el interés es estimulada por dar a los estudiantes una presentación de historias de casos que ilustran brevemente el papel clave que una descripción clara del perfil de suelo puede desempeñar en la toma de decisiones de diseño o en los fallos que investigan. Un ejemplo clásico es el de la concepción del aparcamiento subterráneo en el palacio de Westminster en Londres (Burland y Hancock, 1977), donde el hallazgo de limo y arena despedidas en la arcilla de Londres dictó el diseño de los cimientos y muros de contención. Hay innumerables ejemplos en la literatura donde características estructurales menores, tales como aviones delgadas de debilidad, superficies de cizallamiento preexistentes o capas permeables, han determinado el diseño o dado lugar al fracaso.
Una parte importante de la educación y la formación de los ingenieros geólogos se relaciona con el desarrollo de modelos geológicos e hidrogeológicos tridimensionales. Estos forman un aporte clave en el modelado geotécnico asociado con la ingeniería civil importante funciona como presas y túneles, y es abrazado por el marco de la geotécnica Triángulo.
(3)
dónde α s e determina empíricamente a partir de ensayos de la pila. El uso de una expresión tal empírica requiere una comprensión clara, no sólo del tipo de la pila para el cual α s e deriva, sino también con precisión cómo Ŝ u s e derivó. Por ejemplo, el valor de α = 0 ,45 se utiliza frecuentemente para pilotes en arcillas fisuradas rígidos basados en el trabajo de Skempton (1959). Para este trabajo los valores de Ŝ u se obtiene tomando el promedio de la dispersión de los resultados de la resistencia de compresión triaxial no drenados a partir de muestras de 35 mm de diámetro sobre la profundidad de los pilotes. Ahora se sabe que el uso de muestras de 100 mm de diámetro da fortalezas promedio más bajos. Por tanto, si α = 0 ,45 se adopta para dichas pruebas la estimación de la resistencia del eje será conservador. El uso del mismo valor de α p ara otros métodos de medición de Ŝ u p uede conducir a resultados igualmente engañosas. Es esencial para el estrés a los estudiantes que la base de cualquier expresión empírica debe ser entendido completamente. Hay un rigor sobre el empirismo!
5.7 El perfil del terreno
5.8 análisis límite En mi opinión, el enfoque de análisis de estabilidad usando los teoremas de límites de materiales perfectamente plástico da una valiosa información sobre los mecanismos de comportamiento y la forma en que los problemas pueden ser limitadas. Por lo tanto, además de tener un valor práctico, tiene muy considerable mérito educativo. El teorema del límite superior establece que: “ Si una estimación de la carga de colapso se hace mediante el análisis de un mecanismo cinemáticamente admisible de la deformación, la estimación será igual o mayor que la solución exacta ” . El teorema del límite inferior establece que:
“ Si alguna distribución de la tensión se puede encontrar lo que está en todas partes en equilibrio interno y equilibra las cargas externas y al mismo tiempo no viola la condición de falla, entonces las cargas o bien van a ser menor o igual a la solución exacta ”. En el documento de 1987 di un ejemplo del refinamiento progresivo de soluciones superior e inferior con destino a la capacidad de carga de una carga de tira de superficie en un material rígido-perfectamente plástico que tiene una cohesión k.
En el documento de 1987 he dedicado mucho espacio a la descripción de
Estas soluciones se reproducen en las figuras 3 y 4. La Figura 3 ilustra el
ingeniería de la planta incluyendo un apéndice de cinco páginas. Esto refleja
análisis utilizando progresivamente mecanismos cinemáticos más refinados.
la importancia que concedo a la materia. No es mi intención repetir las cosas
Estos mecanismos de bloques deslizantes son muy adecuadas para ayudas
en este documento, excepto al estrés que los estudiantes de ingeniería civil
visuales que hacen uso de Perspex bloques en un proyector oído por
se les debe enseñar los elementos clave de la descripción del suelo y la
casualidad. Se puede observar que a medida que se refina el mecanismo de
geología, particularmente en relación con la génesis de los depósitos
la carga de rotura estimado Q disminuye.
superficiales formadas, por ejemplo, durante el
tensión uniforme separados por discontinuidades de estrés a través del cual se debe mantener el equilibrio. Los estudiantes encuentran este tipo de análisis más difícil ya que requiere el dominio del círculo de Mohr. De hecho el caso de tres región es un problema ideal para el desarrollo de competencias con los círculos y los estudiantes de Mohr se debe pedir a derivar las tensiones principales y sus orientaciones en cada región. Se puede observar a partir de la Figura 4 que a medida que el número de regiones se aumenta el fracaso incrementos estimados de carga Q. La Figura 5 muestra un gráfico del factor de capacidad de soporte norte k en comparación con el número de bloques o regiones cinemáticas de estrés para los dos enfoques. Se puede observar que los resultados convergen rápidamente hacia la solución de Prandtl de norte k = 5 .14. La Figura 6 muestra la solución óptima mediante círculos de falla que dan norte k = 5 .52, que es un poco de 7 por ciento mayor que la solución exacta Prandtl. Este problema que se encuentra dentro del alcance de la mayoría de los estudiantes.
Figura 4. Límite inferior cálculos capacidad de soporte sin escurrir
Figura 3. Límite superior cálculos capacidad de soporte sin escurrir
Figura 4 establece el análisis utilizando el enfoque de límite inferior de dividir el material en las regiones de
Un enfoque similar se puede utilizar para un material sin peso ideales satisfacer el criterio de fallo de Mohr-Coulomb. Estrictamente los teoremas de límites formales ya no se aplican a un material de este tipo. Por lo tanto los términos 'cinemáticamente admisible' y soluciones 'estáticamente admisibles' deben usarse en lugar de 'superior' y 'límite inferior' respectivamente. Una vez más, se pueden hacer comparaciones con el Prandtl y otras soluciones. El enfoque de análisis de estabilidad utilizando enfoques cinemáticas y estáticas proporciona una valiosa visión general de los diferentes métodos y su precisión. A través de ellos el estudiante gana un valioso 'sentir' tanto para los mecanismos de fallo, para campos de esfuerzos y de equilibrio de características de tensión.
6 GEOTÉCNICO TRIÁNGULO EN LA PRÁCTICA El Triángulo geotécnica se ha desarrollado teniendo en cuenta las actividades clave descritos por Terzaghi, Peck y otros en la práctica de la ingeniería del terreno. Ha habido muchas ocasiones en las que he tanto presenciado y experimentado dificultades en la com
Figura 5. Relación entre N k y el número de bloques o regiones cinemáticas de estrés
nicaciones entre los ingenieros estructurales y geotécnicos. Durante muchos años he estado interesado en saber por qué esto debería ser así. Es una cuestión de gran importancia debido a la falta de comunicación y la falta de entendimiento puede conducir a una mala ingeniería e incluso fracasos. Es significativo que las áreas de mayor dificultad parecen estar al considerar los impactos de los movimientos de tierra (por ejemplo, debido a la construcción de túneles y excavaciones) en los edificios existentes. Recientemente fui invitado a dar una charla a una reunión conjunta de las instituciones de Estructural e ingenieros civiles en Londres y tuve la oportunidad de abordar la cuestión de la interacción entre los ingenieros estructurales y geotécnicos (Burland, 2006).
6.1 modelado estructural He llegado a la conclusión de que, en el corazón del problema de la comunicación entre los ingenieros estructurales y geotécnicos, hay una diferencia en el enfoque para modelar el comportamiento estructural y geotécnica. Este tema es relevante a este documento como las raíces del problema se remontan a la enseñanza de pregrado. Para el ingeniero estructural de la geometría de la mayoría de las estructuras está bien definido y razonablemente fácil de idealizar. comportamiento del material elástico lineal más bien simple se suele suponer con una tensión límite impuesta. En muy raras ocasiones es un análisis de plástico llena llevado a cabo. Los principales idealizaciones en el proceso de modelado están en las cargas, pero por lo general son especificados en los códigos de prácticas. Por tanto, es evidente que el proceso de modelado estructural rutina consiste principalmente en idealizar la forma estructural, especificando las propiedades del material y la realización de análisis hoy en día por lo general en el equipo. A pesar del trabajo pionero sobre la plasticidad, ingenieros estructurales todavía tienden piensan en términos de tensiones limitantes y muy poco sobre el comportamiento post-producción.
la enseñanza actual de la ingeniería estructural tiende a dar la impresión de que el modelado estructural es un proceso preciso. estudios aún más experimentales
en su diseño. De esta manera el teorema límite inferior (o seguro) de la plasticidad entra en funcionamiento y cualesquiera fuerzas que causan sobreesfuerzo localmente se redistribuyen a través de la estructura. Este importante tema se ha discutido en detalle por Heyman (1996 y 2005), Mann (2005) y Burland (2006), pero no se enseña a nivel de grado o incluso a nivel de maestría. Por lo tanto, los estudiantes se quedan con la firme creencia, reforzada por el uso frecuente ahora de paquetes informáticos, que los cálculos estructurales representan las fuerzas 'vida real' y las tensiones con un alto grado de precisión - la creencia de que se traspasan a la práctica. El enfoque del ingeniero estructural para el modelado puede ser contrastado con el de la ingeniería geotécnica como se transmiten por el Triángulo geotécnico - véase la sección 3.3. Es obvio que el modelado geotécnico implica mucho mayores incertidumbres y complejidades explícitas al idealizar tanto la geometría y las propiedades del material que en ingeniería estructural. Sin embargo, este proceso de modelado no se enseña fácilmente a nivel de pregrado. Enseñanza tiende a seguir el camino muy gastado de análisis estructural en la que se especifican la geometría (incluyendo las condiciones del agua del suelo) y las propiedades mecánicas y el foco se coloca en el proceso analítico.
6.2 La analogía con los edificios antiguos Una forma útil para explicar el enfoque geotécnico al modelado es considerar las actividades que un ingeniero estructural tiene que realizar cuando se trabaja en (tal vez la estabilización o modificación) de un edificio existente, en particular un año histórico. Resulta que estas actividades en el mapa geotécnico triángulo casi exactamente (Burland, 2006). Para el 'perfil del terreno' en la parte superior del triángulo podemos insertar la estructura y materiales '. Es vital primero en descubrir cómo se construyó el edificio y los cambios que han tenido lugar históricamente, es decir, la génesis del edificio tiene que ser establecido y esto es análogo a la comprensión de los procesos geológicos que formaron el perfil del terreno. Al igual que con el suelo, las pequeñas discontinuidades y debilidades pueden desempeñar un papel importante en la determinación de la respuesta global. Estas actividades requieren el examen más cuidadoso y la investigación junto con las búsquedas de archivos (denominados '' estudios teóricos en ingeniería del terreno). experiencia aventado bien y el conocimiento de las prácticas de construcción adecuadas juega un papel importante en este tipo de investigaciones.
Figura soluciones círculo 6. deslizante para escurrir problema capacidad de soporte
Las estructuras completas reales muestran que las cepas y los desplazamientos medidos tienen poca semejanza con los valores calculados debido a factores tales como la falta de ajuste, los efectos térmicos y de contracción y movimientos diferencial de cimentación. Esto es bien conocido (por ejemplo, Walley, 2001), pero se olvida fácilmente. Nuestras estructuras funcionan, no porque las distribuciones de tensiones se han calculado con precisión, pero debido a que los códigos de prácticas que aseguran un adecuado nivel de ductilidad se incorpora
Las propiedades mecánicas de los diversos materiales de construcción a continuación, tienen que ser estudiados. Esto implica la selección cuidadosa de partes representativas del edificio, el muestreo de ellos y pruebas de laboratorio. Muy a menudo es útil para observar los movimientos relativos de las partes del edificio con el fin de comprender los mecanismos de comportamiento. Todas estas actividades mapa en la esquina inferior izquierda del triángulo geotécnico e implican las actividades de prueba, medi-
urements y la observación. Una vez más, la experiencia juega un papel vital en
la enseñanza de la mecánica de suelos como el papel contiene una serie de
estas actividades.
ejemplos.
Por último, existe la necesidad de desarrollar modelos predictivos apropiados del edificio que tener en cuenta su forma y estructura, su historia de la construcción, las propiedades del material medido y el comportamiento conocido. Hay toda una gama de modelos que se pueden desarrollar desde la derecha intuitivo y conceptual hasta los más sofisticados. El requisito clave es que el modelo debe captar los mecanismos importantes de la conducta. Esto se puede hacer mejor la conducta exploratoria con modelos simples de tratar de ir en un solo paso a una muy complicada. La interpretación de la respuesta del modelo debe tener en cuenta las idealizaciones inevitables que han tenido que ser hecho y las limitaciones en la precisión que imponen.
Al igual que el modelado implica un proceso de simplificación e idealización también lo hace un modelo de demostración y esto necesita ser explicado. Su propósito es demostrar uno o más mecanismos de comportamiento. El mecanismo podría ser muy simple y capaz de análisis recta hacia adelante o podría ser muy complejo y no fácilmente susceptibles de análisis riguroso. He subrayado deliberadamente el uso de modelos físicos en lugar de modelos informáticos como los estudiantes pueden relacionarse con la física del mundo real con más facilidad que a la salida de un cuadro negro! En esta sección final del papel Me refiero a dos modelos físicos, en particular, que he encontrado tanto instructiva y memorable. Uno describe un comportamiento muy complejo y el otro comportamiento muy simple que puede formar la base de un proyecto de los estudiantes.
Las actividades y el enfoque para la modelización adecuada de un edificio antiguo son casi idénticos a los del día a día se acercan del practicante geotécnica. He encontrado esta analogía más útil para explicar a los ingenieros estructurales y para los estudiantes lo que implica el modelado geotécnico junto con sus limitaciones. Desde un punto de vista educativo se hace evidente que muy poco de nuestro tiempo se dedica a explorar el proceso de modelado. Sin embargo, es fundamental para las actividades de la práctica de los ingenieros geotécnicos. Pantazidou y Steif (2008) describen un proyecto más interesante en curso cuyo objetivo es introducir a los estudiantes a los procesos de modelado en geotecnia ambiental. Hasta la fecha, los resultados son muy prometedores, pero los autores reconocen las dificultades de introducir el tema en un curso de grado.
7.1 modelo de fricción Base de suelo granular
El comportamiento mecánico de los suelos se rige en gran medida por el hecho de que son materiales en partículas y es esencial que los estudiantes entienden esto y que se refuerza una y otra vez durante el curso, especialmente cuando se están describiendo modelos continuos. Durante muchos años he utilizado un modelo de fricción de base para ilustrar muchos de los mecanismos importantes de comportamiento de los materiales granulares. El aparato se muestra en la Figura 7 y consiste en una base Perspex través de la cual una tira de rodillo de etilo estándar es de
Como ya he mencionado al principio del documento, existe un peligro siempre presente de sobrecargar un curso con demasiado material. Los lectores pueden ser perdonados por una mueca de dolor ante la idea de introducir más material relacionado con el proceso de modelación geotécnica. En mi opinión, es un tema que se puede introducir de forma incremental como el Triángulo geotécnico se conoce en varias etapas durante el curso. De esta manera, los procesos pueden ser reforzadas para convertirse en un 'hábito de la mente' importante.
dibujado por medio de una pequeña velocidad variable batería-
7 El uso de modelos EN ENSEÑANZA Figura modelo de fricción 7. Base para material granular
“ Una imagen vale mas que mil palabras ” Es un proverbio que se refiere a la idea de que las ideas complejas se pueden explicar con sólo una imagen bien escogida única. Estoy firmemente convencido de que un modelo físico adecuado es no sólo vale más que mil palabras, pero numerosas ecuaciones así! Aún más importante, el estudiante recordará un modelo llamativo mucho después de las ecuaciones se han olvidado. Cualquiera que haya leído el documento de 1987 se quedará con ninguna duda acerca de mi opinión sobre el valor de los modelos físicos en
motor eléctrico alimentado. Las partículas de modelo consisten en longitudes cortas de tubo de cobre de tres diámetros diferentes. Están contenidos en una caja de poca profundidad que tiene lados de madera que están articuladas en la base. El aparato se coloca en un retroproyector de manera que los movimientos y el desarrollo de diversos mecanismos pueden ser proyectadas en una pantalla. La Figura 8 es una fotografía del proceso de deposición de una suspensión inicialmente dispersa de partículas. Proyectada en una pantalla de este proceso de deposición es dra-
matic y hace una impresión profunda! Cuando la deposición se completa el motor eléctrico (es decir, 'gravedad') está apagado. La estructura de grano resultante puede ser discutido con cierto detalle. Se observará que hay una serie de huecos largish alrededor de la cual se arquean las partículas. Por otra parte, si una placa superior se coloca en la superficie del depósito y todo el conjunto se mueve suavemente hacia arriba y hacia abajo se hace inmediatamente evidente que hay una serie de partículas sueltas que no transporten carga. Por lo tanto hay muchos más arcos que es al principio aparente. Por lo general es posible rastrear numerosos vertical y sub-verticales
ing una pila. Observación de los movimientos de las partículas alrededor de la punta y contra el eje como la pila penetra es particularmente instructivo.
Figura 8. La deposición de material granular
Figura fracaso capacidad 9. Teniendo
columnas de partículas que muestran una tela preferida bien definido. Dos conclusiones principales se pueden extraer de esta parte de la manifestación. La primera es que el depósito es muy suelta y por lo tanto capaz de contraerse cuando esquilada. La segunda es que las presiones verticales creados durante la deposición dan lugar a una disposición anisotrópica de los granos que implican que el depósito será más rígido (y más fuerte) en la dirección vertical que en la dirección horizontal. El aparato se puede convertir en una caja de corte simple con una placa de latón superior. Cuando el motor eléctrico se vuelve a encender el conjunto suelta se somete a cizalla simple. Las partículas se ven a asumir un paquete más cerca y el fenómeno de contractancy se demuestra. Del mismo modo, después de que el depósito se compacta tocando la placa superior, el fenómeno de la dilatancia se demuestra. Estos dos fenómenos son de importancia fundamental en la mecánica de suelos y cuando demostrado de esta manera que es poco probable que se olvide por los estudiantes. A continuación, el aparato se puede usar para demostrar una serie de problemas de mecánica de suelos común. El asentamiento debajo y alrededor de una base cargada puede ser observado y genera un fallo de capacidad de soporte
- véase la Figura 9. A pie estrecho se pueden hacer penetrar en el depósito que ilustra el proceso de DRI-
Figura 10. Las condiciones de presión activa de la tierra
El desarrollo de las regiones activas y pasivas detrás y delante de los muros
fracasos anteriores al descubrimiento del principal de tensión efectiva.
de contención se demuestra fácilmente mediante la rotación de uno de los
Todavía es ampliamente utilizado en los medios de comunicación. El hecho
lados del recipiente alrededor de su base como se muestra en las figuras
de que la pendiente es húmedo elimina una reducción en el coeficiente de
10 y 11. Las cuñas de activos y pasivos pueden ser vistas a desarrollar.
fricción como la explicación. Luego, los estudiantes se les da el problema de
Recientemente he utilizado el modelo para ilustrar la subsidencia
un vaso de precipitados de lados paralelos de peso conocido llena de agua
anteriormente túneles y la acción arqueando alrededor de ellos. También
a una altura conocida y de pie sobre una pendiente de θ inclinación. Debajo
es posible demostrar los mecanismos de movimiento de tierra
de la parte inferior del vaso de precipitados es una cavidad formada por una
profundamente arraigada excavaciones alrededor apoyados.
pequeña down-stand (Ridge) alrededor de la circunferencia de la base. Teniendo en cuenta el coeficiente de fricción mu se les pide a los estudiantes que calculen el valor límite de θ dando lugar al deslizamiento.
El modelo de fricción de base es un medio de enseñanza más potente y sorprendente. Me parece que se puede utilizar muy pronto, incluso la primera conferencia en un curso, y luego se refirió a varias veces durante el curso. Se podría argumentar que, lejos de tomar tiempo adicional, que en realidad lo guarda! Además, los estudiantes no lo olviden.
Luego se les pide que repetir el ejercicio, pero con un pequeño agujero en la base, de manera que la cavidad debajo de la base está llena de agua en equilibrio con el agua en el vaso de precipitados. El coeficiente de fricción es el mismo que anteriormente. Me parece que los estudiantes luchan con los diagramas de fuerza cuando se dejan caer directamente en este problema. Es útil para el primero analizar las magnitudes de las fuerzas horizontales necesarias para causar deslizamiento cuando los vasos están descansando sobre una superficie horizontal. La segunda parte de la pregunta que implica
7.2 eficaz de la tensión y el vaso de deslizamiento
la evaluación de los valores límite de inclinación θ se vuelve más sencillo.
La demostración consiste en colocar un vaso de precipitados de plástico en una pendiente húmedo. Es estable y no se mueve. Un segundo vaso de precipitados se coloca entonces junto a él y se llena con agua hasta el mismo nivel que la primera, con lo cual se desliza rápidamente por la pendiente. Se explica a la clase que la única diferencia es que el segundo vaso tiene un pequeño agujero de alfiler en su base.
Esta es una demostración simple pero dramático de la importancia de las presiones de agua que actúan dentro de una superficie de deslizamiento. Esto causa una considerable cantidad de pensamiento, proporciona una actualización
Cuando se le preguntó a explicar lo que está pasando, la respuesta es
sobre el uso de diagramas de fuerza y es una buena introducción al análisis de
casi invariablemente que el agua es “lubricante” de la base del vaso de
estabilidad de la pendiente. El ejercicio puede ser utilizado para introducir el
precipitados que reduce su coeficiente de fricción. Es interesante que esta es
principio tensión efectiva o para reforzarla.
precisamente la explicación que dieron los ingenieros para muchos pendiente
8 OBSERVACIONES FINALES definición de la educación Sir Charles Inglis como inculcar “ que el hábito de la mente que permanece ” Plantea la pregunta: ¿ qué características de que el hábito de la mente
debe uno tratar de inculcar? La siguiente es mi lista:
8.1 Rigor Como ingenieros, en la planificación y diseño de los proyectos que realizamos enormes responsabilidades sociales para la seguridad pública, para la economía de la construcción, para elevar el nivel de vida y para preservar y restaurar el frágil equilibrio de la naturaleza. No hay espacio para el pensamiento descuidado. Como dijo Sir Alec Skempton durante su discurso presidencial a la 5 º C onferencia Internacional de París (Skempton, 1961):
“ El optimismo y el exceso de confianza pueden impresionar a los clientes de
uno, pero no tienen ninguna influencia sobre las grandes fuerzas de la naturaleza ”.
8.2 La capacidad de simplificar y para idealizar
Figura 11. condiciones de presión pasiva de la tierra
El ingeniero tiene que simplificar y para idealizar el mundo real con el fin de llevar a cabo un análisis adecuado de
la seguridad y la eficacia de su diseño. “ Para analizar es el primero en idealizar ” . Esta característica utiliza los métodos científicos de observación, medición y modelado para obtener el entendimiento esencial que se necesita.
8.3 Creatividad
En el corazón de la ingeniería se encuentra el diseño creativo e innovador. Como maestro Creo que la emoción de la creatividad es algo que es mejor Caught que enseñó. Enseñar a alguien para diseñar es como enseñar a alguien a nadar: no se puede hacer por la teoría sola, o copiar, o sin confianza. Sólo se puede hacer de verdad. En mi experiencia como maestro, estoy de acuerdo con pasión con mi colega y amigo, el fallecido Edmund Hambly que fue uno de los ingenieros más creativos con los que nunca he trabajado. Hambly enseñó diseño en varias universidades y una vez declaró:
“ Mi experiencia me ha recordado enérgicamente cuánto más creativa nuestros jóvenes ingenieros pueden ser de lo que se les anima a ser ”. Esto sin duda da que pensar!
8.4 La claridad de expresión “ Para expresarse con claridad es pensar con claridad ” . Es por eso que es tan importante para lograr que los estudiantes se establece en el papel, y verbalmente, su comprensión de un problema o asunto.
Dentro de unos pocos años de graduación, los estudiantes serán interactuar con una amplia variedad de personas sin conocimientos técnicos: clientes, funcionarios, políticos, abogados y público en general. El éxito en la interacción con estas personas, y con sus propios colegas, dependerá de la capacidad de explicar con sencillez y claridad qué es lo que el diseño o proyecto es la entrega, por lo que es seguro, cómo las cuestiones han sido consideradas desde el punto de la opinión pública de vista etc.
8.5 El Triángulo geotécnica Confío en que he demostrado que la referencia frecuente a la geotécnica Triángulo asegura que el maestro, el estudiante y el profesional se desarrollan y retienen estas cuatro características de “ que el hábito de la mente ”.
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