miniatura|upright=1.15|O Big Dig, em Boston, apresentou desafios geotécnicos em um ambiente urbano. miniatura|Muro de arrimo de concreto pré-moldado miniatura|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, , e do termo de atrito , em que é a tensão normal e 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, e 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.A. W. Skempton, "Effective Stress in Soils, Concrete and Rocks", Pore Pressure and Suction in Soils, Butterworths, Londres, 1961, pp. 4-16.
Atuação
Investigação geotécnica
miniatura|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
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
miniatura|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
miniatura|upright=1.15|Seção simples de escorregamento de talude.