Engenharia Geotécnica

Grande de Boston Dig apresentou desafios geotécnicos em um ambiente urbano.

Parede de retenção de concreto pré-moldado

Uma seção transversal típica de uma inclinação utilizada em análises bidimensionais.

Engenharia geotécnica, também conhecida como geotecnia, é o ramo da engenharia civil preocupado com o comportamento de engenharia de materiais terrestres. Utiliza os princípios da mecânica dos solos e da mecânica das rochas para a solução de seus respectivos problemas de engenharia. Também se baseia no conhecimento de geologia, hidrologia, geofísica e outras ciências relacionadas. A engenharia geotécnica (rocha) é uma subdisciplina da engenharia civil.

Além da engenharia civil, a engenharia geotécnica também tem aplicações militares, mineração, petróleo, engenharia costeira e construção offshore. As áreas de engenharia geotécnica e geologia de engenharia possuem áreas de conhecimento que se sobrepõem. No entanto, enquanto a engenharia geotécnica é uma especialidade da engenharia civil, a geologia de engenharia é uma especialidade da geologia. Eles compartilham os mesmos princípios da mecânica dos solos e da mecânica das rochas, mas diferem na aplicação.

História

Historicamente, os humanos usaram o solo como material para controle de enchentes, fins de irrigação, cemitérios, fundações de edifícios e materiais de construção para edifícios. As primeiras atividades estavam ligadas à irrigação e controle de inundações, como demonstrado por vestígios de diques, represas e canais datados de pelo menos 2.000 a.C. encontrados no antigo Egito, na antiga Mesopotâmia e no Crescente Fértil, bem como em torno dos primeiros assentamentos. de Mohenjo Daro e Harappa no vale do Indo. À medida que as cidades se expandiam, as estruturas eram erguidas e sustentadas por fundações formalizadas. Os antigos gregos construíram notavelmente sapatas e fundações de tira e jangada. Até o século 18, no entanto, nenhuma base teórica para o projeto do solo havia sido desenvolvida, e a disciplina era mais uma arte do que uma ciência, baseada na experiência.

Vários problemas de engenharia relacionados à fundação, como a Torre Inclinada de Pisa, levaram os cientistas a começar a adotar uma abordagem mais científica para examinar o subsolo. Os primeiros avanços ocorreram no desenvolvimento de teorias de pressão de terra para a construção de muros de contenção. Henri Gautier, um engenheiro real francês, reconheceu a "inclinação natural" de diferentes solos em 1717, uma ideia mais tarde conhecida como o ângulo de repouso do solo. Também foi desenvolvido um sistema rudimentar de classificação de solos com base no peso unitário do material, que não é mais considerado um bom indicativo do tipo de solo.

A aplicação dos princípios da mecânica aos solos foi documentada em 1773, quando Carlos Coulomb, físico, engenheiro e capitão do exército, desenvolveu métodos melhorados para determinar as pressões da terra contra as muralhas militares. Coulomb observou que, no fracasso, um plano de deslizamento distinto se formaria atrás de uma parede de retenção deslizante e ele sugeriu que o estresse de cisalhamento máximo no plano de deslizamento, para fins de projeto, era a soma da coesão do solo, cNão., e atrito σ σ {displaystyle sigma ,!} bronzeado⁡ ⁡ (φ φ ){displaystyle tan(phi ,!)}, onde σ σ {displaystyle sigma ,!} é o estresse normal no plano de deslizamento e φ φ {displaystyle phi ,!} é o ângulo de atrito do solo. Ao combinar a teoria de Coulomb com o estado de estresse 2D de Christian Otto Mohr, a teoria ficou conhecida como teoria Mohr-Coulomb. Embora seja agora reconhecido que a determinação precisa da coesão é impossível porque cNão. não é uma propriedade fundamental do solo, a teoria Mohr-Coulomb ainda é usada na prática hoje.

No século 19, Henry Darcy desenvolveu o que hoje é conhecido como Lei de Darcy, descrevendo o fluxo de fluidos em um meio poroso. Joseph Boussinesq, um matemático e físico, desenvolveu teorias de distribuição de tensão em sólidos elásticos que se mostraram úteis para estimar tensões em profundidade no solo. William Rankine, engenheiro e físico, desenvolveu uma alternativa à teoria da pressão terrestre de Coulomb. Albert Atterberg desenvolveu os índices de consistência de argila que ainda são usados hoje para a classificação do solo. Em 1885, Osborne Reynolds reconheceu que o cisalhamento causa dilatação volumétrica de materiais densos e contração de materiais granulares soltos.

Diz-se que a engenharia geotécnica moderna começou em 1925 com a publicação de Erdbaumechanik por Karl von Terzaghi, um engenheiro mecânico e geólogo. Considerado por muitos como o pai da moderna mecânica dos solos e da engenharia geotécnica, Terzaghi desenvolveu o princípio da tensão efetiva e demonstrou que a resistência ao cisalhamento do solo é controlada pela tensão efetiva. Terzaghi também desenvolveu a estrutura para teorias de capacidade de suporte de fundações e a teoria para previsão da taxa de assentamento de camadas de argila devido à consolidação. Posteriormente, Maurice Biot desenvolveu plenamente a teoria tridimensional da consolidação do solo, estendendo o modelo unidimensional anteriormente desenvolvido por Terzaghi para hipóteses mais gerais e introduzindo o conjunto de equações básicas de Poroelasticidade.

Em 1960, Alec Skempton realizou uma extensa revisão das formulações disponíveis e dados experimentais na literatura sobre a validade da tensão efetiva em solo, concreto e rocha, a fim de rejeitar algumas dessas expressões, bem como esclarecer qual expressão foi apropriado de acordo com várias hipóteses de trabalho, como comportamento tensão-deformação ou resistência, meios saturados ou não saturados e comportamento de rocha, concreto ou solo.

Em seu livro de 1948, Donald Taylor reconheceu que o entrelaçamento e a dilatação de partículas densamente compactadas contribuíram para o pico de resistência do solo.

Roscoe, Schofield e Wroth, com a publicação de On the Yielding of Soils em 1958, estabeleceram as inter-relações entre o comportamento de mudança de volume (dilatação, contração e consolidação) e comportamento de cisalhamento com o teoria da plasticidade usando a mecânica dos solos em estado crítico. A mecânica dos solos em estado crítico é a base para muitos modelos constitutivos avançados contemporâneos que descrevem o comportamento do solo.

A modelagem geotécnica por centrífuga é um método de testar modelos em escala física de problemas geotécnicos. O uso de uma centrífuga aumenta a similaridade dos testes de modelo em escala envolvendo o solo porque a resistência e a rigidez do solo são muito sensíveis à pressão de confinamento. A aceleração centrífuga permite que um pesquisador obtenha grandes tensões (escala de protótipo) em pequenos modelos físicos.

Mecânica dos solos

Um diagrama de fase do solo indicando os pesos e volumes de ar, solo, água e vazios.

Na engenharia geotécnica, os solos são considerados um material trifásico composto de rocha ou partículas minerais, água e ar. Os vazios do solo, os espaços entre as partículas minerais, contêm água e ar.

As propriedades de engenharia dos solos são afetadas por quatro fatores principais: o tamanho predominante das partículas minerais, o tipo de partículas minerais, a distribuição do tamanho dos grãos e as quantidades relativas de minerais, água e ar presentes na matriz do solo. Partículas finas (finas) são definidas como partículas com menos de 0,075 mm de diâmetro.

Propriedades do solo

Algumas das propriedades importantes dos solos usadas por engenheiros geotécnicos para analisar as condições do local e projetar terraplanagens, estruturas de contenção e fundações são:

Peso específico ou peso unitário

O peso cumulativo das partículas sólidas, água e ar do volume unitário do solo. Note que a fase de ar é muitas vezes presumida como sem peso.

Porosidade

A proporção do volume de vazios (contendo ar, água ou outros fluidos) no solo para o volume total do solo. A porosidade está matematicamente relacionada à relação do vazio, como mostrado abaixo

n= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =e1+eNão. Não.

Onde? e é razão vazia e n é porosidade.

Relação de Void

A proporção do volume de vazios para o volume de partículas sólidas em massa de solo. A razão de Void é matematicamente relacionada com a porosidade por

e= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =n1- Sim. - Sim. n- Sim. Não.

Permeabilidade

Uma medida da capacidade da água fluir através do solo. É expressa em unidades de dardos (d). Permeabilidade de 1 d permite o fluxo de 1 cm³ por segundo de líquido com 1 cP (centipoise) viscosidade através de uma área transversal de 1 cm² quando um gradiente de pressão de 1 atm/cm é aplicado.

Compressão

A taxa de mudança de volume com estresse eficaz. Se os poros estão cheios de água, então a água deve ser espremida dos poros para permitir a compressão volumétrica do solo; este processo é chamado de consolidação.

Força de cisalhamento

O estresse de cisalhamento máximo que pode ser aplicado em uma massa de solo sem causar falha de cisalhamento.

Limites de Atterberg

Limite líquido, limite de plástico e limite de Santuário. Estes índices são usados para a estimativa de outras propriedades de engenharia e para a classificação do solo.

Investigação geotécnica

As tarefas de um engenheiro geotécnico incluem o seguinte: a investigação das condições e materiais do subsolo; a determinação das propriedades físicas, mecânicas e químicas relevantes desses materiais; o projeto de obras de terraplenagem e contenções (incluindo barragens, aterros, aterros sanitários, depósitos de resíduos perigosos), túneis e fundações de estruturas; o monitoramento das condições do local, terraplenagem e construção de fundações; a avaliação da estabilidade de taludes naturais e depósitos de solos artificiais; a avaliação dos riscos decorrentes das condições do local; e a previsão, prevenção e mitigação de danos causados por riscos naturais (como avalanches, fluxos de lama, deslizamentos de terra, deslizamentos de rochas, sumidouros e erupções vulcânicas).

Engenheiros geotécnicos e geólogos de engenharia realizam investigações geotécnicas para obter informações sobre as propriedades físicas do solo e da rocha subjacentes (e às vezes adjacentes a) um local para projetar terraplenagens e fundações para estruturas propostas e para o reparo de problemas em terraplanagens e estruturas causados por condições de subsuperfície. Uma investigação geotécnica incluirá exploração de superfície e exploração de subsuperfície de um local. Às vezes, métodos geofísicos são usados para obter dados sobre sites. A exploração de subsuperfície geralmente envolve testes in-situ (dois exemplos comuns de testes in-situ são o teste de penetração padrão e o teste de penetração de cone). Além disso, a investigação do local geralmente inclui amostragem de subsuperfície e testes de laboratório das amostras de solo recuperadas. A escavação de poços de teste e abertura de valas (particularmente para localizar falhas e planos de deslizamento) também pode ser usada para aprender sobre as condições do solo em profundidade. Perfurações de grande diâmetro raramente são usadas devido a questões de segurança e despesas, mas às vezes são usadas para permitir que um geólogo ou engenheiro seja baixado para o poço para exame visual e manual direto do solo e da estratigrafia da rocha.

Existe uma variedade de amostradores de solo para atender às necessidades de diferentes projetos de engenharia. O teste de penetração padrão (SPT), que usa um amostrador de colher de paredes grossas, é a maneira mais comum de coletar amostras perturbadas. Amostradores de pistão, empregando um tubo de paredes finas, são mais comumente usados para a coleta de amostras menos perturbadas. Métodos mais avançados, como o amostrador de bloco Sherbrooke, são superiores, mas ainda mais caros. A extração de solo congelado fornece amostras inalteradas de alta qualidade de quaisquer condições de solo, como aterro, areia, moreia e zonas de fratura de rocha.

Testes de limites de Atterberg, medições de conteúdo de água e análise de tamanho de grão, por exemplo, podem ser realizados em amostras perturbadas obtidas de amostradores de solo de paredes espessas. Propriedades como resistência ao cisalhamento, rigidez, condutividade hidráulica e coeficiente de consolidação podem ser significativamente alteradas pela perturbação da amostra. Para medir essas propriedades em laboratório, é necessária uma amostragem de alta qualidade. Testes comuns para medir resistência e rigidez incluem o teste de cisalhamento triaxial e teste de compressão não confinado.

A exploração da superfície pode incluir mapeamento geológico, métodos geofísicos e fotogrametria; ou pode ser tão simples quanto um engenheiro andando para observar as condições físicas do local. O mapeamento geológico e a interpretação da geomorfologia são normalmente concluídos em consulta com um geólogo ou geólogo de engenharia.

A exploração geofísica também é usada às vezes. Técnicas geofísicas usadas para exploração subsuperficial incluem medição de ondas sísmicas (pressão, cisalhamento e ondas Rayleigh), métodos de ondas superficiais e/ou métodos de fundo de poço e levantamentos eletromagnéticos (magnetômetro, resistividade e radar de penetração no solo).

Infraestrutura

1. Polegadas de perfuração de percussão média / pesada.
2. Máquina de perfuração de núcleo de diamante rotativo resistente.
3. Luz geo máquina.
4. Guinchos manuais com tripé.
5. Máquina de teste de penetração de cone dinâmico.
6. Máquina de penetração de cone estática.
7. Máquina de teste de medidor de pressão.
8. Máquina de teste de cisalhamento.
9. Campo CBR (California Bearing Ratio) máquina de teste.
10. Máquina de teste de vibração de bloco.
11. Máquina rápida do medidor de umidade.
12. Na máquina de corte de núcleo de densidade de Situ.
13. Penetração padrão Máquina de teste.
14. Permeabilidade de campo única e dupla máquina de empacotador.

Aplicativo

1. DESIGN OF BRIDGES: Tipo de Fundação e Depth Recomendação.
2. DESIGN OF TUNNEL: RMR e cálculo de valor Q.
3. DESENVOLVIMENTO ESTRUTURAIS DOS CONSELHOS: Traz a carga segura.
4. DESIGN DE ESTRUTURAS RETAINANTES: Recomendação da técnica de melhoria do solo.

Estruturas

Fundamentos

A fundação de um edifício ou infraestrutura de transporte transmite cargas das estruturas para a terra. Os engenheiros geotécnicos projetam as fundações com base nas características de carga da estrutura e nas propriedades dos solos e/ou do leito rochoso no local. Em geral, os engenheiros geotécnicos:

1. Estimar a magnitude e localização das cargas a serem suportadas.
2. Desenvolver um plano de investigação para explorar a subsuperfície.
3. Determinar os parâmetros do solo necessários através de testes de campo e laboratório (por exemplo, teste de consolidação, teste de cisalhamento triaxial, teste de cisalhamento de vane, teste de penetração padrão).
4. Projete a fundação da maneira mais segura e econômica.

As principais considerações para o suporte da fundação são a capacidade de suporte, o assentamento e o movimento do solo sob as fundações. A capacidade de suporte é a capacidade dos solos do local de suportar as cargas impostas por edifícios ou estruturas. O assentamento ocorre sob todas as fundações em todas as condições do solo, embora estruturas levemente carregadas ou locais rochosos possam sofrer assentamentos insignificantes. Para estruturas mais pesadas e/ou solos mais macios, tanto o recalque geral em relação a áreas não construídas ou edifícios vizinhos, quanto o recalque diferencial sob uma única estrutura podem ser motivo de preocupação. Particularmente preocupante é um assentamento que ocorre ao longo do tempo, pois o assentamento imediato geralmente pode ser compensado durante a construção. O movimento do solo sob as fundações de uma estrutura pode ocorrer devido a solos de baixa capacidade de suporte (argila macia, silte, areia orgânica e solta), mudança volumétrica de solos expansivos devido à umidade ou ciclos de congelamento e degelo ou derretimento do permafrost, ou devido ao material de preenchimento inadequado com baixa resistência, altamente compressível e alto teor de água. Todos esses fatores devem ser considerados durante o projeto de fundações.

Em áreas de leito rochoso raso, a maioria das fundações pode suportar diretamente o leito rochoso; em outras áreas, o solo pode fornecer resistência suficiente para suportar estruturas. Em áreas de leito rochoso mais profundo com solos moles sobrejacentes, fundações profundas são usadas para apoiar estruturas diretamente no leito rochoso; em áreas onde o leito rochoso não está disponível economicamente, as "camadas de suporte" são usados para apoiar fundações profundas.

Raso

Exemplo de uma fundação de laje em grau.

As fundações rasas são um tipo de fundação que transfere a carga do edifício para muito perto da superfície, em vez de uma camada subterrânea. As fundações rasas normalmente têm uma relação entre profundidade e largura inferior a 1.

Rodapés

Sapatas (muitas vezes chamadas de "sapatas abertas" porque espalham a carga) são elementos estruturais que transferem as cargas da estrutura para o solo por contato direto com a área. As sapatas podem ser sapatas isoladas para cargas pontuais ou de coluna ou sapatas em tiras para cargas de parede ou outras cargas longas (em linha). As sapatas são normalmente construídas de concreto armado moldado diretamente no solo e são tipicamente embutidas no solo para penetrar na zona de movimento do gelo e/ou para obter capacidade de suporte adicional.

Laje

Uma variante das sapatas espalhadas é ter toda a estrutura apoiada em uma única laje de concreto subjacente a toda a área da estrutura. As lajes devem ser espessas o suficiente para fornecer rigidez suficiente para distribuir as cargas de suporte de maneira um tanto uniforme e minimizar o assentamento diferencial na fundação. Em alguns casos, a flexão é permitida e o edifício é construído para tolerar pequenos movimentos da fundação. Para estruturas pequenas, como casas unifamiliares, a laje pode ter menos de 300 mm de espessura; para estruturas maiores, a laje de fundação pode ter vários metros de espessura.

As fundações de laje podem ser fundações de laje no nível ou fundações embutidas, normalmente em edifícios com porões. As fundações de laje no nível devem ser projetadas para permitir o movimento potencial do solo devido às mudanças nas condições do solo.

Profundo

Pile-driving para uma ponte em Napa, Califórnia.

As fundações profundas são usadas para estruturas ou cargas pesadas quando as fundações rasas não podem fornecer capacidade adequada, devido ao tamanho e às limitações estruturais. Eles também podem ser usados para transferir cargas de construção através de camadas de solo fracas ou compressíveis. Enquanto as fundações rasas dependem apenas da capacidade de suporte do solo abaixo delas, as fundações profundas podem depender da resistência do rolamento de extremidade, resistência ao atrito ao longo de seu comprimento ou ambos no desenvolvimento da capacidade necessária. Os engenheiros geotécnicos usam ferramentas especializadas, como o teste de penetração do cone, para estimar a quantidade de resistência da pele e do mancal disponível no subsolo.

Existem muitos tipos de fundações profundas, incluindo estacas, poços perfurados, caixões, pilares e colunas estabilizadas por terra. Grandes edifícios, como arranha-céus, normalmente requerem fundações profundas. Por exemplo, a Torre Jin Mao na China usa estacas tubulares de aço de cerca de 1 m (3,3 pés) cravadas a uma profundidade de 83,5 m (274 pés) para suportar seu peso.

Em edifícios que são construídos e sofrem assentamento, as estacas de sustentação podem ser usadas para estabilizar o edifício existente.

Existem três maneiras de colocar estacas para uma fundação profunda. Eles podem ser acionados, perfurados ou instalados com o uso de uma broca. As estacas cravadas são estendidas às profundidades necessárias com a aplicação de energia externa da mesma forma que um prego é martelado. Existem quatro martelos típicos usados para cravar essas estacas: martelos de queda, martelos a diesel, martelos hidráulicos e martelos pneumáticos. Os martelos de queda simplesmente jogam um peso pesado sobre a estaca para conduzi-la, enquanto os martelos a diesel usam um motor a diesel monocilíndrico para forçar as estacas através da Terra. Da mesma forma, os martelos hidráulicos e pneumáticos fornecem energia às estacas por meio de forças hidráulicas e aéreas. A energia transmitida por uma cabeça de martelo varia com o tipo de martelo escolhido e pode chegar a um milhão de libras-pé para martelos a diesel de grande escala, uma cabeça de martelo muito comum usada na prática. As estacas são feitas de uma variedade de materiais, incluindo aço, madeira e concreto. As estacas perfuradas são criadas primeiro perfurando um buraco na profundidade apropriada e preenchendo-o com concreto. As estacas perfuradas normalmente podem suportar mais carga do que as estacas cravadas, simplesmente devido a uma estaca de diâmetro maior. O método de instalação de estaca com trado é semelhante à instalação de estaca perfurada, mas o concreto é bombeado para o buraco enquanto o trado está sendo removido.

Estruturas laterais de suporte de terra

Um muro de contenção é uma estrutura que retém a terra. Os muros de contenção estabilizam o solo e a rocha do movimento descendente ou erosão e fornecem suporte para mudanças de nível verticais ou quase verticais. Cofferdams e anteparos, estruturas para reter a água, às vezes também são considerados muros de contenção.

A principal preocupação geotécnica no projeto e instalação de muros de contenção é que o peso do material retido está criando uma pressão de terra lateral atrás do muro, o que pode fazer com que o muro se deforme ou falhe. A pressão lateral de terra depende da altura da parede, da densidade do solo, da resistência do solo e da quantidade de movimento permitido da parede. Essa pressão é menor no topo e aumenta em direção ao fundo de maneira semelhante à pressão hidráulica e tende a empurrar a parede para longe do aterro. A água subterrânea atrás da parede que não é dissipada por um sistema de drenagem causa uma pressão hidráulica horizontal adicional na parede.

Paredes de gravidade

As paredes de gravidade dependem do tamanho e peso da massa da parede para resistir às pressões por trás. As paredes de gravidade geralmente têm um ligeiro recuo, ou massa, para melhorar a estabilidade da parede. Para paredes curtas e paisagísticas, paredes de gravidade feitas de geocélulas, pedras empilhadas a seco (sem argamassa) ou unidades segmentadas de concreto (unidades de alvenaria) são comumente usadas.

No início do século 20, os muros de contenção mais altos eram frequentemente muros de gravidade feitos de grandes massas de concreto ou pedra. Hoje, muros de contenção mais altos são cada vez mais construídos como muros de gravidade compostos, como muros de contenção de geocélulas, solo de aterro reforçado com aço com revestimento pré-moldado; gabiões (cestos de arame de aço empilhados cheios de pedras), paredes de berço (células construídas em estilo cabana de toras de concreto pré-moldado ou madeira e preenchidas com solo ou cascalho de drenagem livre) ou paredes pregadas no solo (solo reforçado no local com hastes de aço e concreto).

Para paredes de gravidade de solo reforçado, o reforço do solo é colocado em camadas horizontais ao longo da altura do muro. Normalmente, o reforço do solo é geogrelha, uma malha de polímero de alta resistência, que fornece resistência à tração para manter o solo unido. A face da parede geralmente é uma geocélula ou unidades de concreto pré-moldado segmentadas que podem tolerar algum movimento diferencial. A massa do solo reforçado, juntamente com o revestimento, torna-se a parede de gravidade. A massa reforçada deve ser construída grande o suficiente para reter as pressões do solo por trás dela. As paredes de gravidade geralmente devem ter no mínimo 30 a 40 por cento da profundidade (espessura) da altura da parede e podem ter que ser maiores se houver uma inclinação ou sobretaxa na parede.

Paredes cantilever

Antes da introdução das modernas paredes de gravidade de solo reforçado, as paredes em balanço eram o tipo mais comum de parede de contenção mais alta. As paredes em balanço são feitas de uma haste relativamente fina de concreto reforçado com aço, moldado no local ou alvenaria de argamassa (geralmente na forma de um T invertido). Essas paredes carregam cargas em balanço (como uma viga) para uma grande base estrutural; convertendo as pressões horizontais por trás da parede em pressões verticais no solo abaixo. Às vezes, as paredes em balanço são reforçadas na frente ou incluem um contraforte na parte de trás, para melhorar sua estabilidade contra altas cargas. Os contrafortes são paredes de asa curtas em ângulos retos com a tendência principal da parede. Essas paredes requerem fundações rígidas de concreto abaixo da profundidade da geada sazonal. Este tipo de parede usa muito menos material do que uma parede de gravidade tradicional.

As paredes em consola resistem às pressões laterais por fricção na base da parede e/ou pressão de terra passiva, a tendência do solo para resistir ao movimento lateral.

Os porões são uma forma de paredes em balanço, mas as forças nas paredes do porão são maiores do que nas paredes convencionais porque a parede do porão não pode se mover livremente.

Escaramento de escavação

O escoramento de escavações temporárias freqüentemente requer um projeto de parede que não se estenda lateralmente além do muro, de modo que o escoramento se estenda abaixo da base planejada da escavação. Métodos comuns de escoramento são o uso de estacas pranchas ou vigas soldadas e revestimento. As estacas pranchas são uma forma de estacas cravadas usando finas chapas de aço entrelaçadas para obter uma barreira contínua no solo e são cravadas antes da escavação. As vigas soldadas são construídas com seções H de aço de flange larga espaçadas cerca de 2 a 3 m uma da outra, cravadas antes da escavação. À medida que a escavação prossegue, madeira horizontal ou chapa de aço (revestimento) é inserida atrás das flanges da estaca H.

O uso do espaço subterrâneo requer escavação, o que pode causar grandes e perigosos deslocamentos de massa de solo ao redor da escavação. Como o espaço para escavação de taludes é limitado em áreas urbanas, o corte é feito na vertical. Os muros de contenção são feitos para evitar deslocamentos inseguros do solo ao redor das escavações. As paredes de diafragma são um tipo de muro de contenção muito rígido e geralmente estanque. Os movimentos horizontais das paredes do diafragma são geralmente impedidos por suportes laterais. As paredes diafragma são paredes caras, mas economizam tempo e espaço e também são seguras, por isso são amplamente utilizadas em escavações urbanas profundas.

Em alguns casos, o apoio lateral que pode ser fornecido apenas pelo muro de escoramento é insuficiente para resistir às cargas laterais previstas; neste caso, suporte adicional é fornecido por walers ou tie-backs. Walers são elementos estruturais que se conectam ao longo da escavação de modo que as cargas do solo em ambos os lados da escavação sejam usadas para resistir umas às outras, ou que transferem cargas horizontais da parede de escoramento para a base da escavação. Os tie-backs são cabos de aço perfurados na face da parede que se estendem além do solo que está aplicando pressão à parede, para fornecer resistência lateral adicional à parede.

Terraplanagem

Um compactador/roller operado pela Marinha dos EUA Seabees

• A escavação é o processo de formação de terra de acordo com a exigência, removendo o solo do local, seja para nivelar a terra ou para substituir o subgrau inferior com um solo com maior capacidade de rolamento.
• O preenchimento é o processo de formação de terra de acordo com a exigência, colocando o solo no local e nivelamento ou adicionar geomateriais naturais ou processados (por exemplo, agregado de pedra esmagada) para aumentar a resistência do solo e as camadas de suporte de estrutura.
• A compactação é o processo pelo qual a densidade do solo é aumentada e a permeabilidade do solo é diminuída. Trabalho de colocação de enchimento muitas vezes tem especificações que exigem um grau específico de compactação, ou, alternativamente, propriedades específicas do solo compactado. Os solos no local podem ser compactados por rolamento, compactação dinâmica profunda, vibração, jateamento, giro, amassamento, compactação, etc.

Melhoria do terreno

A melhoria ou modificação do solo é definida como a alteração dos solos de fundação do local ou das estruturas de terra do projeto para fornecer melhor desempenho sob condições de projeto e/ou carga operacional. Normalmente, as propriedades modificadas são resistência ao cisalhamento, rigidez e permeabilidade. A melhoria do solo desenvolveu métodos sofisticados para apoiar fundações para uma ampla variedade de edifícios e infraestrutura de transporte, à medida que a urbanização e a infraestrutura se espalham para áreas com condições geotécnicas desafiadoras. O reforço do solo é uma das técnicas de melhoramento do solo mais populares usadas para melhorar a rigidez e a resistência do solo. Isso pode ser alcançado através de diferentes materiais e técnicas, por exemplo, geossintéticos de reforço, como geocélulas e geogrelhas, que dispersam as cargas em uma área maior, aumentando assim a capacidade de suporte de carga do solo. Aplicados corretamente, ou seja, depois de levar em consideração a natureza do terreno a ser melhorado e o tipo e carregamento das estruturas sendo construídas, os métodos hidráulicos, mecânicos, químicos e/ou biológicos de melhoramento do solo reduzem os custos diretos e de longo prazo.

Estabilização de taludes

Seção simples de deslizamento de inclinação.

A estabilidade do talude é o potencial de taludes cobertos pelo solo para suportar e sofrer movimento. A estabilidade é determinada pelo equilíbrio entre tensão de cisalhamento e resistência ao cisalhamento. Um talude anteriormente estável pode ser inicialmente afetado por fatores preparatórios, tornando o talude condicionalmente instável. Os fatores desencadeantes de uma falha de talude podem ser eventos climáticos que podem tornar um talude ativamente instável, levando a movimentos de massa. Os movimentos de massa podem ser causados por aumentos na tensão de cisalhamento, como carregamento, pressão lateral e forças transitórias. Alternativamente, a resistência ao cisalhamento pode ser diminuída pelo intemperismo, mudanças na pressão da água intersticial e material orgânico.

Vários modos de falha para taludes de terra incluem quedas, tombos, deslizamentos e fluxos. Em encostas com solo ou rochas de granulação grossa, as quedas geralmente ocorrem como a rápida descida de rochas e outros materiais soltos da encosta. Uma encosta tomba quando uma grande coluna de solo se inclina sobre seu eixo vertical na ruptura. A análise típica de estabilidade de taludes considera falhas por deslizamento, categorizadas principalmente como deslizamentos rotacionais ou translacionais. Como está implícito no nome, os deslizamentos rotacionais falham ao longo de uma superfície geralmente curva, enquanto os deslizamentos translacionais falham ao longo de uma superfície mais plana. Uma inclinação falhando como fluxo se assemelharia a um fluido fluindo para baixo.

Análise de estabilidade de taludes

A análise de estabilidade é necessária para o projeto de taludes projetados e para estimar o risco de falha em taludes naturais ou planejados. Uma suposição comum é que uma encosta consiste em uma camada de solo assentada no topo de uma base rígida. Assume-se que a massa e a base interagem por atrito. A interface entre a massa e a base pode ser plana, curva ou ter alguma outra geometria complexa. O objetivo de uma análise de estabilidade de talude é determinar as condições sob as quais a massa escorregará em relação à base e levará à ruptura do talude.

Se a interface entre a massa e a base de um talude tiver uma geometria complexa, a análise da estabilidade do talude é difícil e são necessários métodos de solução numérica. Normalmente, a geometria exata da interface não é conhecida e uma geometria de interface simplificada é assumida. Declives finitos requerem modelos tridimensionais para serem analisados. Para manter o problema simples, a maioria das encostas são analisadas assumindo que as encostas são infinitamente largas e podem, portanto, ser representadas por modelos bidimensionais. Um talude pode ser drenado ou não drenado. A condição não drenada é usada nos cálculos para produzir estimativas conservadoras de risco.

Uma abordagem popular de análise de estabilidade é baseada em princípios pertencentes ao conceito de equilíbrio limite. Este método analisa uma inclinação finita ou infinita como se estivesse prestes a falhar ao longo de sua superfície de falha deslizante. As tensões de equilíbrio são calculadas ao longo do plano de falha e comparadas com a resistência ao cisalhamento do solo conforme determinado pela equação de resistência ao cisalhamento de Terzaghi. A estabilidade é finalmente decidida por um fator de segurança igual à razão entre a resistência ao cisalhamento e as tensões de equilíbrio ao longo da superfície de ruptura. Um fator de segurança maior que um geralmente implica em um talude estável, cuja falha não deve ocorrer desde que o talude não seja perturbado. Um fator de segurança de 1,5 para condições estáticas é comumente usado na prática.

Geossintéticos

Uma colagem de produtos geossintéticos.

Os geossintéticos são um tipo de produto de polímero plástico usado na engenharia geotécnica que melhora o desempenho da engenharia e reduz os custos. Isso inclui geotêxteis, geogrelhas, geomembranas, geocélulas e geocompósitos. A natureza sintética dos produtos os torna adequados para uso no solo, onde são necessários altos níveis de durabilidade; suas principais funções incluem drenagem, filtração, reforço, separação e contenção. Os geossintéticos estão disponíveis em uma ampla gama de formas e materiais, cada um para atender a um uso final ligeiramente diferente, embora sejam freqüentemente usados juntos. Alguns geossintéticos de reforço, como geogrelhas e, mais recentemente, sistemas de confinamento celular, demonstraram melhorar a capacidade de carga, fatores de módulo e rigidez e resistência do solo. Esses produtos têm uma ampla gama de aplicações e são atualmente usados em muitas aplicações de engenharia civil e geotécnica, incluindo estradas, aeródromos, ferrovias, aterros, aterros empilhados, estruturas de contenção, reservatórios, canais, barragens, aterros sanitários, proteção de margens e engenharia costeira.

Offshore

Plataformas no exterior do México.

Offshore (ou marinha) A engenharia geotécnica preocupa-se com o projeto de fundações para estruturas feitas pelo homem no mar, longe da costa (em oposição a onshore ou nearshore). Plataformas de petróleo, ilhas artificiais e dutos submarinos são exemplos dessas estruturas. Há uma série de diferenças significativas entre a engenharia geotécnica onshore e offshore. Notavelmente, a melhoria do solo (no fundo do mar) e a investigação do local são mais caras, as estruturas offshore estão expostas a uma ampla gama de riscos geológicos e as consequências ambientais e financeiras são maiores em caso de falha. As estruturas offshore estão expostas a diversas cargas ambientais, nomeadamente vento, ondas e correntes. Esses fenômenos podem afetar a integridade ou a operacionalidade da estrutura e sua fundação durante sua vida útil operacional – eles precisam ser levados em consideração no projeto offshore.

Na engenharia geotécnica submarina, os materiais do leito marinho são considerados materiais bifásicos compostos por 1) rocha ou partículas minerais e 2) água. As estruturas podem ser fixadas no fundo do mar – como é o caso de píeres, molhes e turbinas eólicas de fundo fixo – ou talvez uma estrutura flutuante que permaneça aproximadamente fixa em relação ao seu ponto de ancoragem geotécnica. A ancoragem submarina de estruturas flutuantes de engenharia humana inclui um grande número de plataformas offshore de petróleo e gás e, desde 2008, algumas turbinas eólicas flutuantes. Dois tipos comuns de projeto de engenharia para ancoragem de estruturas flutuantes incluem sistemas de ancoragem solta de perna de tensão e catenária. "Tensão os sistemas de ancoragem de pernas têm amarras verticais sob tensão, proporcionando grandes momentos de restauração em pitch and roll. Os sistemas de ancoragem em catenária fornecem manutenção de posição para uma estrutura offshore, mas fornecem pouca rigidez em baixas tensões."

Método de observação

Na engenharia geotécnica, durante a construção de estruturas de terra (barragens e túneis, por exemplo), o método observacional é um processo contínuo, gerenciado e integrado de projeto, controle de construção, monitoramento e revisão que permite, modificações previamente definidas a serem incorporadas durante (ou após) a construção. Todos esses aspectos devem ser comprovadamente robustos. O objetivo é alcançar maior economia geral, sem comprometer a segurança.

O método observacional foi proposto por Karl Terzaghi e discutido em um artigo de Ralph B. Peck (1969). Isso foi um esforço para reduzir os custos durante a construção incorridos ao projetar estruturas de terra com base nas suposições mais desfavoráveis (em outras palavras, condições geológicas, propriedades de engenharia do solo e assim por diante). Em vez disso, o projeto é baseado nas condições mais prováveis, e não nas mais desfavoráveis. As lacunas nas informações disponíveis são preenchidas por observações: medições de instrumentação geotécnica (por exemplo, inclinômetros e piezômetros) e investigação geotécnica do local (por exemplo, perfuração de poços e um CPT). Essas observações auxiliam na avaliação do comportamento da estrutura durante a construção, que pode ser modificada de acordo com os achados. O método pode ser descrito como "aprender conforme o uso".

O método observacional pode ser descrito da seguinte forma:

• Exploração suficiente para estabelecer a natureza geral, padrão e propriedades dos depósitos (não necessariamente em detalhes).
• Avaliação das condições mais prováveis, e os desvios concebíveis mais desfavoráveis dessas condições. Geologia desempenha um papel importante.
• Criando o projeto, baseado em uma hipótese de trabalho do comportamento antecipado sob as condições mais prováveis.
• Seleção de quantidades a serem observadas como processo de construção e cálculo de seus valores antecipados com base na hipótese de trabalho.
• Cálculo dos valores das mesmas quantidades nas condições mais desfavoráveis compatíveis com os dados disponíveis relativos às condições de subsuperfície.
• Seleção (em avanço) de um curso de ação ou modificação de projeto para cada desvio significativo previsível dos achados observacionais daqueles previstos com base na hipótese de trabalho.
• Medição de quantidades a observar e avaliação de condições reais.
• Modificação do projeto de acordo com as condições reais

O método observacional é adequado para construções que já começaram quando ocorre um desenvolvimento inesperado, ou quando uma falha ou acidente ameaça ou já ocorreu. O método não é adequado para projetos cujo projeto não pode ser alterado durante a construção.

O erro mais grave na aplicação do método observacional é não selecionar (antecipadamente) um curso de ação apropriado para todos os desvios previsíveis (revelados pela observação) daqueles assumidos no projeto. O engenheiro deve encontrar soluções para todos os problemas que possam surgir nas condições menos favoráveis. Se ele não conseguir resolver esses problemas hipotéticos (mesmo que a probabilidade de sua ocorrência seja muito baixa), ele deve reverter para um projeto baseado nas condições menos favoráveis.