Engenharia geotécnica

O Big Dig, em Boston, apresentou desafios geotécnicos em um ambiente urbano.

Muro de arrimo de concreto pré-moldado

Seção transversal típica de um talude usada em análises bidimensionais.

Engenharia geotécnica, também chamada de geotecnia, é o ramo da engenharia civil que estuda o comportamento dos materiais terrestres em problemas de engenharia. Usa princípios da mecânica dos solos e da mecânica das rochas para resolver esses problemas. Também emprega conhecimentos de geologia, hidrologia, geofísica e outras ciências relacionadas.

A engenharia geotécnica tem aplicações na engenharia militar, engenharia de minas, engenharia de petróleo, engenharia costeira e construção offshore. A engenharia geotécnica e a geologia de engenharia têm áreas de conhecimento que se sobrepõem. A primeira é uma especialidade da engenharia civil, enquanto a geologia de engenharia é uma especialidade da geologia.

História

Os seres humanos usam o solo há muito tempo como material para controle de enchentes, irrigação, sepultamentos, fundações e construção de edifícios. Diques, barragens e canais datados de pelo menos 2000 a.C., encontrados em partes do Egito Antigo, da antiga Mesopotâmia, do Crescente Fértil e dos primeiros assentamentos de Moenjodaro e Harappa, no vale do Indo, mostram atividades antigas de irrigação e controle de enchentes. Com o crescimento das cidades, estruturas passaram a ser erguidas sobre fundações planejadas. Os gregos antigos construíam sapatas isoladas, sapatas corridas e radiers. Até o século XVIII, porém, não havia uma base teórica para o projeto em solos, e esse trabalho dependia mais da experiência do que de uma ciência estabelecida.

Problemas de engenharia relacionados a fundações, entre eles os da Torre de Pisa, levaram cientistas a examinar o subsolo de modo mais sistemático. Os primeiros avanços ocorreram nas teorias de pressão de terra para a construção de muros de arrimo. Henri Gautier, engenheiro real francês, reconheceu em 1717 a "inclinação natural" de diferentes solos, ideia que mais tarde recebeu o nome de ângulo de repouso. Na mesma época, foi criado um sistema rudimentar de classificação dos solos com base no peso específico do material, que não é um bom indicador do tipo de solo.

A aplicação de princípios da mecânica aos solos já estava documentada em 1773, quando o físico e engenheiro Charles Coulomb desenvolveu métodos melhores para determinar as pressões de terra contra fortificações militares. Coulomb observou que, na ruptura, formava-se um plano de deslizamento definido atrás de um muro de arrimo em movimento. Para fins de projeto, propôs que a tensão de cisalhamento máxima nesse plano podia ser expressa em função da coesão do solo, $c$, e do termo de atrito $\sigma \,\tan(\phi )$, em que $\sigma$ é a tensão normal e $\phi$ é o ângulo de atrito. Com a combinação da teoria de Coulomb e da representação de tensões desenvolvida por Christian Otto Mohr, surgiu a teoria de Mohr-Coulomb. Na aplicação moderna, $c$ e $\phi$ são parâmetros de uma envoltória de resistência adotada para representar o comportamento do material. Em solos cuja relação entre resistência ao cisalhamento e tensão normal efetiva é não linear, um intercepto de coesão diferente de zero pode resultar da aproximação linear de apenas uma parte dessa relação.

No século XIX, Henry Darcy desenvolveu o que se tornou conhecido como lei de Darcy, que trata do escoamento de fluidos em um meio poroso. O matemático e físico Joseph Boussinesq formulou teorias sobre a distribuição de tensões em sólidos elásticos, úteis para estimar tensões em profundidade no terreno. O engenheiro e físico William Rankine criou uma alternativa à teoria de Coulomb para a pressão de terra. Albert Atterberg desenvolveu os índices de consistência das argilas, os limites de Atterberg, ainda usados na classificação dos solos. Em 1885, Osborne Reynolds reconheceu que o cisalhamento provoca dilatação volumétrica em materiais granulares densos e contração em materiais granulares soltos.

O termo "geotecnia", do sueco geoteknik, foi cunhado pela Comissão Geotécnica das Ferrovias Estatais Suecas, criada em 1913 depois de repetidos deslizamentos ao longo das ferrovias do país. Sob a direção de Wolmar Fellenius, a comissão investigou mais de 300 rupturas de aterros e deslizamentos, trabalhou com métodos de investigação de campo e laboratório e publicou seu relatório final em 1922.

A publicação de Erdbaumechanik, de Karl von Terzaghi, em 1925 é um dos pontos de referência para o desenvolvimento da moderna mecânica dos solos. Terzaghi desenvolveu o princípio da tensão efetiva e mostrou a relação entre tensão efetiva e comportamento mecânico dos solos. Também formulou teorias de capacidade de carga de fundações e o modelo unidimensional usado para prever o recalque de camadas de argila devido ao adensamento.

Em 1941, Maurice Biot publicou uma teoria tridimensional de adensamento para meios porosos elásticos saturados, generalizando o tratamento unidimensional do problema e formulando equações para tensões e recalques em três dimensões. Esse trabalho tornou-se uma das bases da poroelasticidade.

Em seu livro de 1948, Donald W. Taylor relacionou o entrelaçamento e a dilatação de partículas densamente compactadas à resistência máxima observada nos solos. K. H. Roscoe, A. N. Schofield e C. P. Wroth desenvolveram em 1958 uma representação do comportamento dos solos em termos de tensão efetiva, índice de vazios e tensão de cisalhamento, incluindo uma linha de estado crítico na qual grandes deformações podem ocorrer sem mudança dessas grandezas. Esses conceitos deram origem à mecânica dos solos no estado crítico, usada no desenvolvimento de muitos modelos constitutivos para solos.

Em 1961, Alec Skempton publicou uma revisão das formulações de tensão efetiva para solos, concreto e rochas. Para solos saturados, examinou a equação de Terzaghi como aproximação da tensão que controla resistência e variação de volume. Também discutiu formulações destinadas a materiais parcialmente saturados e mostrou que as mesmas relações não podem ser aplicadas sem qualificação a concreto e rocha saturados.

Atuação

Investigação geotécnica

Ver artigo principal: Investigação geotécnica

Perfuração durante uma investigação geotécnica.

Engenheiros geotécnicos investigam as condições do subsolo e determinam as propriedades dos materiais encontrados. Também projetam obras de terra, estruturas de contenção, túneis e fundações, e podem supervisionar e avaliar terrenos. Esse trabalho pode envolver monitoramento do local, avaliação de riscos e medidas para reduzir riscos naturais.

Engenheiros geotécnicos e profissionais de geologia de engenharia fazem investigações geotécnicas para obter informações sobre as propriedades físicas do solo e da rocha sob e ao redor de um local. Esses dados são usados no projeto de obras de terra e fundações e no reparo de danos em obras e estruturas causados por condições do subsolo. As investigações geotécnicas abrangem a exploração da superfície e do subsolo, muitas vezes com amostragem e ensaios de laboratório. Métodos de geofísica de exploração também podem ser empregados, entre eles medições de ondas sísmicas de compressão, cisalhamento e Rayleigh, métodos de ondas superficiais e métodos em furos de sondagem. Também são usados levantamentos eletromagnéticos, magnetômetros, medições de resistividade elétrica e radar de penetração no solo. A tomografia de resistividade elétrica pode ser empregada para investigar propriedades do terreno e localizar estruturas subterrâneas.

A exploração de superfície pode abranger inspeções a pé, mapeamento geológico, métodos geofísicos e fotogrametria. O mapeamento geológico e a interpretação da geomorfologia costumam ser feitos em consulta com um geólogo ou profissional de geologia de engenharia. A exploração do subsolo normalmente envolve ensaios in situ, como a sondagem SPT e o ensaio de penetração de cone. Também podem ser usados ensaios de palheta, dilatométricos e pressiométricos. A escolha depende do tipo de solo ou rocha, das condições locais e dos parâmetros necessários ao projeto. Poços de inspeção e trincheiras, sobretudo para localizar falhas e planos de deslizamento, também podem ser usados para examinar diretamente as condições do terreno. Sondagens de grande diâmetro são raras por causa do custo e dos riscos à segurança, mas às vezes permitem a inspeção visual e manual da estratigrafia do solo e da rocha.

Há diferentes tipos de amostradores de solo para atender às necessidades de cada projeto. A sondagem SPT, que usa um amostrador bipartido de parede espessa, é um método comum de coleta de amostras deformadas. Amostradores de pistão e tubos de parede fina podem ser usados para obter amostras menos perturbadas de solos coesivos. Métodos especializados, como o amostrador de bloco Sherbrooke, permitem obter amostras de qualidade elevada, mas têm custo maior. A extração de testemunhos com congelamento do terreno pode produzir amostras indeformadas em materiais difíceis de amostrar pelos métodos convencionais, entre eles areia, aterros e zonas fraturadas.

A instrumentação geotécnica permite acompanhar o comportamento do terreno e das estruturas durante a construção ou a operação. Entre os instrumentos empregados estão piezômetros, usados para medir pressões da água nos poros, e inclinômetros, usados para medir deslocamentos laterais. Medidores de recalque, extensômetros e outros instrumentos podem ser escolhidos conforme a grandeza a acompanhar.

A modelagem em centrífuga geotécnica permite testar modelos físicos reduzidos de problemas geotécnicos. Como o comportamento mecânico dos solos depende do nível de tensões, um modelo pequeno sob a gravidade terrestre não reproduz automaticamente o estado de tensões do protótipo. A centrífuga aumenta a aceleração aplicada ao modelo, permitindo reproduzir, em escala reduzida e sob relações de semelhança apropriadas, níveis de tensão comparáveis aos do protótipo.

Projeto de fundações

Ver artigo principal: Fundação (construção)

A fundação de uma estrutura transmite suas cargas ao terreno. Engenheiros geotécnicos projetam fundações com base nas características dessas cargas e nas propriedades dos solos e da rocha matriz no local. Em geral, estimam primeiro a magnitude e a posição das cargas a sustentar. Depois elaboram um plano de investigação do subsolo e determinam os parâmetros necessários por meio de ensaios de campo e laboratório. Com esses dados, podem iniciar o projeto da fundação. Entre as principais verificações estão a capacidade de carga, o recalque e os movimentos do terreno sob as fundações.

Terraplenagem

Ver também: Terraplenagem

Um compactador/rolo compressor operado por Seabees da Marinha dos Estados Unidos.

Engenheiros geotécnicos também participam do planejamento e da execução de terraplenagens, que abrangem melhoramento do solo, estabilização de taludes e análise de estabilidade.

Melhoramento do solo

O melhoramento do solo abrange métodos destinados a modificar propriedades do terreno para atender às exigências de uma obra. Entre eles estão compactação, drenos verticais, colunas de brita, injeções, substituição de materiais e mistura profunda do solo. A escolha depende do tipo de terreno, das cargas, do mecanismo de deformação ou ruptura que se pretende controlar e das condições de execução.

Também podem ser usados geossintéticos de reforço, como geocélulas e geogrelhas. Em ensaios de subleitos submetidos a carregamentos repetidos de veículos, reforços desse tipo reduziram recalques e aumentaram o número de ciclos suportados em comparação com condições não reforçadas.

Estabilização de taludes

Ver artigo principal: Estabilidade de taludes

Seção simples de escorregamento de talude.

Engenheiros geotécnicos podem analisar e melhorar a estabilidade de taludes por métodos de engenharia. A estabilidade depende da relação entre as tensões de cisalhamento mobilizadas e a resistência ao cisalhamento disponível ao longo de possíveis superfícies de ruptura. Mudanças na geometria, nas pressões de água, no carregamento ou nas propriedades dos materiais podem reduzir a estabilidade.

Entre as medidas de estabilização estão alterações da geometria do talude, drenagem superficial e subterrânea, reforço do maciço, estruturas de contenção e ancoragens. A escolha depende da geologia, das condições de água subterrânea, do mecanismo provável de ruptura e das restrições da obra.

Análise de estabilidade de taludes

Ver artigo principal: Análise de estabilidade de declive

A análise de estabilidade procura identificar possíveis mecanismos de ruptura e avaliar a relação entre as forças ou momentos resistentes e os que tendem a produzir movimento. Métodos de equilíbrio limite são usados com frequência em análises bidimensionais. Métodos numéricos, como os de elementos finitos e diferenças finitas, também podem ser empregados quando é necessário representar relações tensão-deformação, geometrias ou condições de contorno mais detalhadas. Análises tridimensionais podem ser apropriadas quando a geometria da ruptura ou do terreno varia de modo relevante fora da seção analisada.

A aproximação de talude infinito é aplicável a situações em que o talude se estende por uma distância grande em comparação com a profundidade da possível superfície de ruptura e onde essa superfície é aproximadamente paralela à face do talude. Ela é especialmente útil para rupturas rasas em encostas relativamente uniformes e não deve ser tomada como modelo geral para qualquer talude.

Subdisciplinas

Geossintéticos

Ver artigo principal: Geossintético

Conjunto de produtos geossintéticos.

Geossintéticos são produtos poliméricos usados em contato com solo, rocha ou outros materiais geotécnicos. Entre eles estão geotêxteis, geogrelhas, geomembranas, geocélulas e geocompostos. Dependendo do produto e da aplicação, suas funções podem abranger separação, filtração, drenagem, reforço, proteção e barreira ou contenção.

Os geossintéticos são produzidos em diferentes formas e materiais e muitas vezes são empregados em conjunto. São usados em estradas, aeroportos, ferrovias, aterros, estruturas de contenção, reservatórios, canais, barragens, aterros sanitários, proteção de margens e obras costeiras.

Geotecnia ambiental

A geotecnia ambiental aplica conhecimentos da mecânica dos solos, hidrogeologia e engenharia geotécnica a problemas que envolvem resíduos, solos contaminados, águas subterrâneas e materiais de contenção. Entre seus temas estão barreiras de baixa permeabilidade, sistemas de disposição de resíduos, transporte de contaminantes, remediação de terrenos contaminados e aspectos geotécnicos de barragens de rejeitos. A área começou a se organizar como especialidade própria no fim da década de 1970 e no início da década de 1980.

Engenharia geotécnica sísmica

A engenharia geotécnica sísmica estuda a resposta de solos, fundações e sistemas de interação solo-estrutura a carregamentos sísmicos. O campo abrange propagação de ondas, propriedades dinâmicas dos solos, resposta local do terreno, liquefação do solo, estabilidade sísmica de taludes e comportamento de fundações e estruturas de contenção sob terremotos.

Offshore

Ver artigo principal: Engenharia geotécnica offshore

Plataformas offshore no México.

A engenharia geotécnica offshore, ou marinha, trata do projeto de fundações e sistemas de ancoragem para estruturas instaladas no mar, afastadas da costa. Plataformas petrolíferas, ilhas artificiais, turbinas eólicas e dutos submarinos estão entre suas aplicações.

A engenharia geotécnica offshore apresenta condições diferentes das encontradas em terra. A investigação e o melhoramento do terreno no fundo do mar são mais difíceis e caros, e as estruturas podem ficar expostas a riscos geológicos e a carregamentos produzidos por vento, ondas e correntes. Esses efeitos precisam ser considerados juntamente com o comportamento da fundação durante a vida útil da estrutura.

Em análises geotécnicas de sedimentos marinhos saturados, o material pode ser modelado como um meio formado por uma fase sólida, constituída por partículas minerais, e uma fase fluida constituída pela água dos poros. Estruturas offshore podem ser apoiadas diretamente no fundo do mar ou flutuar e permanecer aproximadamente na mesma posição por meio de sistemas de ancoragem. Entre os sistemas usados em estruturas flutuantes estão as pernas atirantadas e linhas de amarração em catenária.

Método observacional

O método observacional foi usado por Karl von Terzaghi em problemas de mecânica dos solos e foi sistematizado por Ralph B. Peck em sua Rankine Lecture de 1969. O método combina projeto, observação do comportamento da obra e possibilidade de modificar o projeto durante a construção. Peck propôs que se definissem previamente as condições mais prováveis, os desvios desfavoráveis concebíveis, as grandezas a observar e as medidas a tomar caso o comportamento observado se afastasse do previsto.

Uma formulação posterior do método manteve esses princípios e enfatizou seu uso quando o projeto pode ser revisto à medida que novas informações surgem durante a obra.

O método observacional pode ser resumido nas seguintes etapas:

1. Exploração suficiente para estabelecer a natureza geral, a distribuição e as propriedades dos depósitos.
2. Avaliação das condições mais prováveis e dos desvios desfavoráveis concebíveis.
3. Elaboração do projeto com base em uma hipótese de trabalho sobre o comportamento esperado nas condições mais prováveis.
4. Seleção das grandezas a observar durante a construção e cálculo dos valores esperados sob as hipóteses estabelecidas.
5. Definição antecipada das medidas ou modificações de projeto a aplicar caso os resultados observados se afastem dos previstos.
6. Medição das grandezas escolhidas e avaliação das condições reais.
7. Modificação do projeto quando as observações mostrarem que isso é necessário.

O método depende da possibilidade real de observar o comportamento da obra e modificar o projeto ou a execução em tempo hábil. Por isso, não é adequado quando as alterações necessárias não podem ser implementadas antes que condições perigosas se desenvolvam.

Publicação em língua portuguesa

A revista Geotecnia foi publicada pela primeira vez em junho de 1971. É editada em conjunto pela Sociedade Portuguesa de Geotecnia (SPG), pela Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica (ABMS) e pela Sociedad Española de Mecánica del Suelo e Ingeniería Geotécnica (SEMSIG). Publica trabalhos em português ou espanhol sobre mecânica dos solos, mecânica das rochas, geossintéticos, geotecnia ambiental e geologia de engenharia.

Ver também

• Aterramento marítimo, criação ou recuperação de terrenos sobre áreas aquáticas
• Engenharia sísmica, projeto e análise de estruturas sujeitas a ações sísmicas
• Geologia de engenharia, aplicação da geologia a problemas de engenharia
• Hidrogeologia, estudo geológico das águas subterrâneas
• Mecânica dos solos, estudo do comportamento mecânico dos solos
• Mecânica das rochas, aplicação da mecânica a rochas e maciços rochosos
• Física do solo, estudo das propriedades e dos processos físicos do solo
• Ciências do solo, conjunto de disciplinas dedicadas ao estudo dos solos

Bibliografia

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• Ventura, Pierfranco. Fondazioni. Vol. 2: Applicazioni. Verifiche statiche e sismiche - strutture - terreni. 2.ª ed. Milano: Hoepli, 2019, 726 p. ISBN 978-88-203-8645-0.

Ligações externas

• Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica
• Associação Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental
• Sociedade Portuguesa de Geotecnia
• Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica
• Comitê Brasileiro de Barragens
• Comitê Brasileiro de Túneis e Espaços Subterrâneos