Comunicación corta:
(Qué) Enseñar o no enseñar Ahí está el detalle*
En este artículo se hace una profunda reflexión sobre cómo enseñar ingeniería geotécnica para adaptarla a las condiciones que se viven actualmente en la práctica. Se destaca la importancia del aprendizaje de los conceptos básicos para explicar, lo mejor posible, el comportamiento del suelo en las diferentes condiciones a las que una obra de ingeniería lo somete. No es posible abarcar en un programa de ingeniería geotécnica todo el conocimiento que existe sobre esta ciencia; por ello, el egresado deberá seguir formándose en la práctica, al cobijo de las empresas líderes del sector que les permitan un continuo aprendizaje.
Juan Carlos Santamarina
Profesor, King Abdullah University of Science and Technology, Thuwal, Reino de Arabia Saudita.
Ha habido una explosión de conocimiento en ingeniería geotécnica; sin embargo, el paradigma del arte y la ciencia permanece profundamente arraigado en el campo. Los estudiantes de ingeniería geotécnica se enfrentarán a las dificultades imperantes en la actualidad, así como a nuevos y exigentes desafíos geotécnicos, como los asociados con la energía y con el medio ambiente. Hacer frente a estas situaciones y necesidades requiere una base sólida e ingeniosa. Por lo tanto, los profesores de ingeniería geotécnica deben revisar sus programas educativos a) para reconsiderar el papel del empirismo, b) para podar conceptos y sesgos incorrectos (por ejemplo, nombres inapropiados duraderos, explicaciones incorrectas, enfoques gráficos obsoletos, trucos poco sólidos y correlaciones frágiles, y una educación basada en extremos [seco-saturado, arcillo-arenoso, drenado-no drenado]), y c) promover una comprensión cuidadosa de los fundamentos (por ejemplo, la naturaleza particulada de los suelos y de las rocas fracturadas, la historia de la formación, la importancia esencial del esfuerzo efectivo, los procesos acoplados termo-hidro-químico-mecánicos, las cargas repetitivas y las localizaciones ubicuas [que están en todas partes]). Por último, deben seguir reflexionando sobre el papel del ingeniero en la sociedad, dentro de un mundo en constante evolución, como motor de la innovación.
Introducción
El primer siglo de la geotecnología moderna está llegando a su fin. Ha habido una explosión de conocimiento en el campo, y se ha logrado una gran comprensión del comportamiento del suelo y de las rocas a través de capacidades experimentales y numéricas excepcionales. Hoy en día, el campo es más amplio de lo que cualquier persona puede dominar, y los ingenieros geotécnicos publican en más revistas de las que cualquiera puede seguir (probablemente más de 30 revistas, complementadas por un número similar de publicaciones comerciales). El acceso a la información es ilimitado y se dispone de sistemas de medición eficaces y de potentes herramientas de análisis y diseño.
El primer siglo también ha puesto de relieve las dificultades en el diseño geotécnico, hasta el punto de que los ingenieros geotécnicos han aceptado ampliamente que el campo es una combinación de arte y ciencia. ¿Podría ser esta la razón de los ejercicios de predicción a ciegas consistentemente decepcionantes? Es necesario reevaluar el papel del empirismo, cuestionar los sesgos a menudo invisibles y los conceptos o enfoques incorrectos que se han infiltrado en la enseñanza y la práctica, y volver a poner énfasis en la profundización de la comprensión unida a la fluidez multidisciplinaria.
La investigación y la educación están justificadas por las dificultades y desafíos en la práctica de la ingeniería geotécnica. Los estudiantes actuales de la especialidad alcanzarán el tope de sus carreras profesionales en el momento en que los desafíos de la ingeniería geotécnica que están brotando hoy dominen sus vidas profesionales, por ejemplo, los problemas relacionados con el cambio climático, el aumento del nivel del mar, las necesidades energéticas y la sostenibilidad. Para hacer frente a esas necesidades se requerirá una base científica sólida e ingeniosa. En este contexto, los profesores de ingeniería geotécnica deben hacer una pausa para reflexionar sobre sus programas educativos.
Núcleo básico: los fundamentos
Si bien el conocimiento se ha ampliado, el tiempo de enseñanza sigue siendo limitado y solo se puede cubrir en el plan de estudios un subconjunto muy pequeño de conceptos. El autor a menudo se pregunta acerca de los conceptos fundamentales clave que los estudiantes deberían comprender profundamente si los programas académicos se vieran obligados a reducir los contenidos de los cursos a un mínimo –digamos, unas pocas páginas– y al mismo tiempo satisfacer la fluidez multidisciplinaria. La suposición subyacente es que los ingenieros jóvenes serán capaces de añadir fácilmente procedimientos pragmáticos a una estructura de conocimiento bien cimentada, al tiempo que conservan la versatilidad de la ingeniería que proporciona los fundamentos.
Es obvio que los ingenieros jóvenes necesitarán fundamentos de mecánica (por ejemplo, equilibrio y plasticidad), física (por ejemplo, conservación), química (por ejemplo, agua y minerales), biología (por ejemplo, factores limitantes para la vida y procesos biomediados), ciencias de la Tierra/geología (por ejemplo, historia de las formaciones) y ciencia de los materiales (por ejemplo, materia particulada).
En aras de esta exposición, el autor abordará el último de ellos. El curso sobre los suelos comienza con la comprensión fundamental de que los suelos son materiales particulados. Entonces, todas las observaciones resumidas en la tabla 1 son verdaderas y están relacionadas causalmente. La naturaleza particulada de los suelos se reconoce en las primeras etapas de la mecánica de suelos, pero rara vez se enfatiza en clase. Las observaciones de la tabla se aplican a todos los suelos y a rocas fracturadas.
No enseñar (podar)
Hay nombres inapropiados perdurables, prácticas obsoletas y recetas restrictivas en la especialidad. Todos los miembros de la comunidad de ingeniería geotécnica comparten la responsabilidad de podarlos; en particular, los educadores, los editores de revistas y los organizadores de conferencias pueden desempeñar un papel eficaz con este fin. Los siguientes son ejemplos.
Términos con múltiples semánticas. El término “arcilla” se utiliza para indicar el tamaño, el mineral (cristalino o amorfo) o cualquier suelo que caiga por encima de la línea A en la tabla de plasticidad. Utilice el término “arcilla” para indicar los minerales arcillosos y clasifique los suelos de grano fino según su sensibilidad a los cambios en la química de los fluidos que llenan los poros.
Nombres inapropiados. El ejemplo más destacado es el “suelo cohesivo”, que es de hecho un oxímoron peligroso. Abandonar el clasificatorio “cohesión”, y expresiones conexas, como “suelo cohesivo” y “suelo sin cohesión”.
Conceptos incorrectos. El término “lubricación” a menudo se usa incorrectamente en las discusiones sobre la fricción y en las explicaciones de la rama seca de la curva de compactación. Las consolidaciones primaria y secundaria se imaginan como procesos secuenciales en lugar de concurrentes. La resistencia máxima y la relación de vacíos en estado crítico se infieren incluso cuando las muestras han experimentado una falla progresiva y una localización por esfuerzo cortante. La resistencia a la tensión se invoca para explicar la formación de grietas por desecación. Y el término “tixotropía” se utiliza indiscriminadamente en relación con los cambios dependientes del tiempo en los sedimentos de grano fino.
Obsolescencia. Todavía se enseñan enfoques gráficos que se han separado de su base fisicomatemática (por ejemplo, la determinación del coeficiente de consolidación utilizando métodos square-root of time o e–log σ’: una simple expresión en una hoja de cálculo puede ajustar fácilmente la ecuación de difusión a los datos e incorporar otros efectos como el cambio de permeabilidad con la relación de vacíos). Los profesores mantienen los conceptos desarrollados para el trazado y los cálculos manuales (por ejemplo, el significado de la presión de preconsolidación y su determinación), y preservan el uso de parámetros que agregan información limitada (por ejemplo, el límite plástico (PL) está altamente correlacionado con el límite líquido para suelos predominantemente arcillosos; luego, necesitamos reevaluar su magnitud y la adecuación de las correlaciones basadas en el índice de plasticidad).
Trucos restrictivos/simplistas que no tienen una base sólida. Desde el “peso volumétrico sumergido” y las pruebas no consolidadas-no drenadas hasta los análisis de esfuerzos totales; parafraseando a J. Atkinson, ¿aún no estamos preparados para una separación limpia del criterio de esfuerzos totales?
Correlaciones frágiles y ecuaciones con validez local. Los síntomas diagnósticos incluyen expresiones y ecuaciones dimensionalmente no homogéneas que violan las tendencias asintóticas para valores extremos de la variable (por ejemplo, la ecuación lineal e–log σ’ ). En su lugar, concéntrese en las correlaciones inspiradas en la física para lograr ecuaciones más robustas que satisfagan las condiciones asintóticas.
Para ajustar y reenfocar
En un intento por aportar claridad, las condiciones del suelo se han polarizado y se ha desarrollado un plan de estudios en torno a los extremos. Consideremos dos casos. En primer lugar, los suelos se enseñan como si estuvieran secos o saturados de agua, mientras que la realidad implica estos dos extremos y todas las condiciones no saturadas intermedias. En segundo lugar, se cubren los análisis drenados y no drenados; sin embargo, estos son dos extremos en los que la tasa de disipación de la presión de poro es mucho más rápida (drenada) o mucho más lenta (no drenada) que la tasa de aplicación de carga.
Hay algunos conceptos que suenan antiguos, pero muy elegantes, que al autor le gusta cubrir en clase, pero con un énfasis renovado en la comprensión, en lugar de dedicarse por completo al desarrollo de soluciones de ingeniería. Los ejemplos incluyen la “sensación” del equilibrio con el círculo de Mohr, la combinación de condiciones de equilibrio y falla en un análisis de Mohr-Coulomb para mostrar la anisotropía de esfuerzos límite en los suelos, la elegancia de las soluciones elásticas, la “naturaleza esencial de ingeniería” de los límites superior e inferior (es decir, lo que se necesita no es la solución exacta, sino límites confiables y estrechos), e incluso las redes de flujo (es decir, para destacar la identificación de las condiciones de frontera y para experimentar patrones de flujo y fuerzas de filtración).
Enseñar (énfasis evolutivo)
Poco a poco, las conferencias del autor van evolucionando al cambiar el énfasis e incorporar otros temas que, en su opinión, los estudiantes necesitarán para mantenerse actualizados e intelectualmente ágiles en un mundo cambiante.
¡Ponga énfasis continuo en la naturaleza particulada de los suelos y de las rocas fracturadas, y en la relevancia crítica del esfuerzo efectivo! Amplíe la cobertura de otros fundamentos científicos necesarios (Nota: los primeros revisores de este informe sugirieron una doble vía: una que enfatiza las habilidades que serán inmediatamente útiles en la práctica –con exposición a los fundamentos científicos– y ot ra que enfatiza los fundamentos científicos y proporciona menos de las habilidades orientadas a la práctica.)
Presentar una discusión actualizada de la historia de la formación y de la diagénesis (con una cobertura adecuada de los suelos residuales), la cementación y los suelos estructurados (es decir, las desviaciones más destacadas de las observaciones realizadas en la tabla 1), los suelos naturales y artificiales (por ejemplo, relaves mineros y cenizas volantes), la estratigrafía y la variabilidad espacial (a todas las escalas).
Aumentar el énfasis en las pruebas de campo bien diseñadas para medir las propiedades para el diseño de ingeniería. Principalmente, la rigidez/compresibilidad medida en laboratorio se ve afectada críticamente por los efectos del muestreo y agravada por los efectos del asiento. En particular, los ensayes odométricos deben limitarse a situaciones en las que el acortamiento vertical previsto sea una fracción significativa de la altura inicial de la muestra.
Ampliar los ejemplos didácticos a una amplia gama de fluidos, presión, tensión efectiva y condiciones de temperatura que impondrán los próximos problemas geotécnicos (incluidos los efectos de trituración de granos).
Hacer hincapié en el seguimiento del comportamiento a corto y a largo plazo, centrándose en la realización de predicciones y en la evaluación de las interpretaciones (teniendo en cuenta que existen limitaciones innatas en el seguimiento, como la aceleración de las bifurcaciones).
Aumentar la concienciación sobre la tendencia generalizada a localizaciones de todo tipo que rompen con la hipótesis común de homogeneidad (desde bandas de cortante y bandas de compactación hasta tubos de disolución, localización de flujo, digitación y una amplia gama de discontinuidades o fracturas en modo de apertura).
Aplicación de cargas repetitivas (mecánicas, térmicas, químicas, humedad): pueden determinar el comportamiento a largo plazo.
Seguir reflexionando sobre el papel del ingeniero en la sociedad, dentro de un mundo en constante cambio como motor de la innovación.
Conclusiones
La ingeniería geotécnica ha evolucionado y continúa desarrollándose como resultado de la interacción sinérgica entre la educación, la investigación y la práctica. Esta sinergia es necesaria hoy más que nunca a medida que la especialidad adquiere un papel preeminente en los problemas más desafiantes a los que se ha enfrentado la humanidad. Se debe alentar a los estudiantes a aceptar estos desafíos para que prosperen en las nuevas oportunidades que presenta la especialidad y dejar que esta emoción penetre en el aula.
La educación geotécnica ha minimizado la importancia de los principios básicos al tratar de enfocarse en las soluciones prescriptivas que necesitan los profesionales para resolver los problemas actuales. Si se permite que el péndulo oscile aún más hacia el extremo de la “práctica”, los avances necesarios para mejorar la solución de los problemas actuales se retrasarán y las futuras generaciones de estudiantes estarán mal preparadas para abordar los desafíos que enfrentará la profesión.
Los profesores de ingeniería geotécnica se enfrentan al reto de tomar decisiones difíciles sobre su plan de estudios. Además, están limitados por la evolución de los programas de ingeniería civil que los contienen. Deben liderar el cambio y definir su rol.
Agradecimientos
Este trabajo informativo se benefició de los escritos, conversaciones y comentarios de muchos colegas, en particular E. Alonso, C. Arson, J. Atkinson, R. Bachus, R. Bonaparte, S. Chong, M. Dusseault, D. Frost, A. García, A. Gens, G. Gudehus, J. Jang, P. Mayne, J. Mitchell, M. Pantazidou, S. Roshankhah, A. Schofield y R. Sullivan.
Apéndice: Recopilación de las respuestas publicadas en el blog
Varios colegas participaron en la discusión que siguió a la publicación de este ensayo. El autor se toma la libertad de resumir las observaciones más destacadas extrayéndolas directamente de sus escritos. La minuciosa contribución de L. Wesley se reproduce íntegramente como manuscrito complementario.
Geotecnia: parte del programa más amplio de ingeniería civil. Un colega recordó a los profesores que la ingeniería geotécnica forma parte del programa de ingeniería civil. Por lo tanto, tiene que encajar dentro del plan de estudios más amplio y en el desarrollo de habilidades, capacitación y educación. Estos proporcionan restricciones sobre lo que pueden cubrir de manera realista. En este contexto, el curso de ingeniería geotécnica desempeña un papel fundamental en la formación para la resolución de problemas, el manejo de la incertidumbre, la comprensión de las limitaciones de los supuestos y la importancia de la experiencia.
¿Cómo contra qué? Mientras que B. Anderson afirmó que los profesores se están centrando en el material equivocado, especialmente en los casos en los que solo se requiere un curso de geotecnia para el título, V. Diyaljee hizo hincapié en “cómo enseñar qué enseñar”, y señaló que muchos profesores carecen de exposición de campo y de la experiencia de la observación para apreciar el significado y la corrección de los resultados (discutido extensamente en la contribución de L. Wesley). En la misma línea, B. Jeffcoat-Sacco señaló el valor del “trabajo real” cuando es guiado por grandes mentores y sugirió que debería ponerse énfasis en “cómo pensar, en lugar de qué pensar”. Observaciones similares fueron hechas por otros colegas; estos conceptos resurgieron en una publicación posterior de E. Alonso en el mismo blog (grupo de LinkedIn para Géotechnique Letters), quien destacó el papel central del pensamiento abstracto nutrido por la experiencia en la resolución creativa de problemas.
J. Endicott nos ha recordado que el profesor Andrew Schofield se ha pronunciado ampliamente contra el mal uso del término “cohesión” en las arcillas (Nota: escuché un argumento similar por primera vez por parte de T.W. Lambe en 1983, el cual finalmente condujo al ensayo “Suelo cohesivo: un oxímoron peligroso”, que circuló en EUA años más tarde [Santamarina, 1997]). B. Kutter y U. Cilingir estuvieron de acuerdo en que enseñar la cohesión como una propiedad intrínseca del suelo es falso y puede conducir a conceptos erróneos peligrosos. B. Kutter sugirió que un mejor descriptor sería “suelos con límite plástico (PL) medible”.
La transición contracción-dilatación es una terminología más clara que “transformación de fase” o “estado característico” (B. Kutter).
Mecánica de suelos de estado crítico (CSSM). En varias respuestas se reflexionó sobre el valor de la mecánica de suelos de estado crítico como marco para la comprensión del comportamiento del suelo (U. Cilingir). Sin embargo, los inconvenientes de la CSSM deben reconocerse debidamente, por ejemplo, en el modelado de suelos mixtos (J. Endicott).
Experimentos. Un colega impulsó un debate sobre el papel de los experimentos y de los modelos físicos para comprender los conceptos básicos y anclar los modelos numéricos, a menudo mal utilizados, en la realidad física.
Modelos. V. Barvashov parafraseó al matemático británico George Box, quien escribió: “Todos los modelos son erróneos, pero algunos son útiles”, para resaltar la necesidad de aprender la toma de decisiones en condiciones de gran dispersión en los escasos datos de pruebas de suelos. J. Endicott sugirió que la especialización requiere un segundo título y que no se debe esperar que un recién graduado sea capaz de realizar modelos avanzados desde el primer día.
Cambio sin fin. E. C. Leong recordó a los maestros que el conocimiento siempre está evolucionando; por lo tanto, existe una tensión continua entre lo que se enseña y lo que se requiere en la práctica. J. Endicott dijo que la enseñanza debe ser fundamental y estar en consonancia con los conceptos actualmente aceptados, y no ser anticuada o excesivamente elaborada. Por último, un colega advirtió que, en esta época de información fácilmente disponible, los estudiantes a menudo se ven envueltos en la recopilación de información y no logran adquirir conocimientos.
Referencia
Santamarina, J. C. (1997). “Cohesive soil”: a dangerous oxymoron. The Internet Geotechnical Engineering Magazine. Georgia Institute of Technology, Atlanta. http:// www.ejge.com/iGEM/Oxymoron/Dangeoxi.htm (consultado el 28/11/2015).
Traducido del inglés por Raúl Esquivel Díaz.
* Una versión abreviada de este artículo apareció como un ensayo en el blog de LinkedIn de Géotechnique Letters. Varios colegas participaron en el debate que siguió; las observaciones más destacadas, extraídas directamente del blog, se resumen en el Apéndice al final de este informe. La minuciosa contribución de L. Wesley se reproduce íntegramente como manuscrito complementario.
