ENGENHARIA GEOTÉCNICA BRAJA M. DAS E KHALED SOBHAN Tr a d u ç ã o d a 9 a e d i ç ã o n o r t e - a m e r i c a n a
CARACTERÍSTICAS DESTA EDIÇÃO 1. Textos em destaque intitulado Solos tropicais que contemplam peculiaridades destes solos de larga ocorrência no Brasil. 2. O Capítulo 18, Introdução aos geossintéticos, é novo e examina os progressos e desafios atuais da área. 3. O texto usa basicamente o sistema internacional de unidades (SI). Há uma tabela de conversão de unidades no final do livro para os casos que exigem o uso de dados originais. 4. Para o professor, estão disponíveis, no site da Cengage (www.cengage.com), manual do professor com as respostas de todos os exercícios e apresentações em Power Point®.
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Este livro apresenta um panorama das propriedades e do comportamento do solo, além de discutir as práticas de campo e procedimentos básicos de engenharia. A clareza na explicação dos fundamentos da mecânica de solos desta obra desperta o interesse e o apreço dos estudantes de Engenharia, Arquitetura e Geologia pela área de engenharia geotécnica em geral. Esta edição contempla uma cuidadosa revisão, um novo capítulo que traz uma introdução aos geossintéticos e examina os progressos e desafios desta área em constante expansão, além de novos exemplos e exercícios. Foram incluídos também textos em destaque sobre os solos tropicais que abordam as peculiaridades destes solos de larga ocorrência no Brasil. Aplicações: livro-texto para as disciplinas Geologia de Engenharia, Introdução à Engenharia Geotécnica, Mecânica dos Solos, Obras Geotécnicas e Estabilidade de Taludes e Encostas em cursos de graduação em Engenharia Civil, Engenharia de Produção Civil, Engenharia Ambiental, Arquitetura e Geologia. É um excelente livro de consulta para os profissionais da área. Material de apoio para professores e alunos
Braja M. Das e Khaled Sobhan Fundamentos de Engenharia Geotécnica
FUNDAMENTOS DE
OUTRAS OBRAS Introdução à engenharia ambiental
FUNDAMENTOS DE
Tradução da 3a edição norte-americana
ENGENHARIA GEOTÉCNICA BRAJA M. DAS E KHALED SOBHAN
P. Aarne Vesiland, Susan M. Morgan, Lauren G. Heine
Fundamentos de engenharia – Uma introdução Tradução da 5a edição norte-americana
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Princípios de engenharia de fundações Adaptação e tradução da 8a edição norte-americana
Braja M. Das
Ciência e engenharia dos materiais Tradução da 4a edição norte-americana
Tr a d u ç ã o d a 9 a e d i ç ã o n o r t e - a m e r i c a n a
Donald R. Askeland e Wendelin J. Wright
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CAPÍTULO
1
Engenharia geotécnica – uma perspectiva histórica 1.1 Introdução Na engenharia, solo é definido como um agregado não cimentado de grãos minerais e matéria orgânica decomposta (partículas sólidas), com líquido e gás preenchendo os espaços vazios existentes entre as partículas sólidas. O solo é usado como material de construção em diversos projetos da engenharia civil e suporta fundações estruturais. Dessa forma, os engenheiros civis devem estudar as propriedades do solo, como origem, distribuição do tamanho dos grãos, dinâmica da água do solo, compressibilidade, resistência ao cisalhamento e capacidade de carga. O ramo da ciência que estuda as propriedades físicas e o comportamento de massas do solo submetidas a diversos tipos de tensão é a mecânica dos solos. A aplicação dos princípios dessa mecânica a problemas práticos é denominada engenharia dos solos. A engenharia geotécnica é a subdisciplina da engenharia civil que estuda materiais naturais encontrados próximos à superfície da Terra. Ela engloba desde a aplicação dos princípios da mecânica dos solos e das rochas até o desenvolvimento de fundações, estruturas de contenção e estruturas da Terra.
1.2 A engenharia geotécnica antes do século XVIII O registro da primeira aplicação do solo como material de construção perdeu-se no tempo. Em termos técnicos oficiais de engenharia, o entendimento da geotécnica como é conhecida hoje data do início do século XVIII (Skempton, 1985). Durante anos, a arte da engenharia geotécnica foi baseada apenas em experiências passadas por meio da sucessão de experimentos, sem qualquer característica científica real. Com base em tais experimentos, muitas estruturas foram construídas: algumas desmoronaram, enquanto outras ainda estão firmes. A história registrada nos diz que as civilizações antigas cresceram junto às margens de rios como Nilo (Egito), o Tigre e o Eufrates (Mesopotâmia), o Huang Ho (Rio Amarelo, China) e Indo (Índia). Diques que datam de cerca de 2000 a.C. foram construídos na bacia do Indo para proteger a cidade de Mohenjo Dara (que se tornou o Paquistão depois de 1947). Durante a dinastia Chan, na China (1120 a.C. a 249 a.C.), muitos diques foram construídos para irrigação. Não há evidências de que foram tomadas medidas para estabilizar as fundações ou verificar a erosão causada por inundações (Kerisel, 1985). A antiga civilização grega usou sapatas isoladas, sapatas corridas e radiers nas construções. No início de aproximadamente 2700 a.C., diversas pirâmides foram construídas no Egito, a maioria delas como tumbas para os faraós e suas companheiras durante os períodos de Império Antigo e Médio. A Tabela 1.1 lista algumas das principais pirâmides identificadas pelo faraó que ordenou a construção. Até 2008, descobriu-se um total de 138 pirâmides no Egito. A Figura 1.1 mostra uma vista das pirâmides em Gizé. A construção das pirâmides representou grandes desafios com relação à fundação, à estabilidade de encostas e à construção de câmaras subterrâneas. Com a chegada do budismo na China, durante a dinastia Han oriental em 68 d.C., milhares de pagodes foram construídos. Muitas dessas estruturas foram erguidas sobre camadas de silte e argila mole. Em alguns casos, a pressão na fundação excedeu a capacidade de carga do solo, causando, portanto, extensos danos estruturais. 1
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2 Fundamentos de engenharia geotécnica
Tabela 1.1 Principais pirâmides no Egito Pirâmide/faraó
Local
Reinado do faraó
Djoser Sneferu Sneferu Sneferu Khufu Djedefre Khafre Menkaure
Saqqara Dashur (Norte) Dashur (Sul) Meidum Gizé Abu Rawash Gizé Gizé
2630-2612 a.C. 2612-2589 a.C. 2612-2589 a.C. 2612-2589 a.C. 2589-2566 a.C. 2566-2558 a.C. 2558-2532 a.C. 2532-2504 a.C.
Figura 1.1 Vista das pirâmides em Gizé. (Cortesia de Janice Das, Henderson, Nevada, EUA.)
Um dos exemplos mais famosos de problemas relacionados à capacidade de carga do solo na construção de estruturas antes do século XVIII é a Torre de Pisa, na Itália (Veja a Figura 1.2). A construção da torre começou em 1173 d.C., quando a República de Pisa era próspera, e continuou em diversos estágios por mais de 200 anos. A estrutura pesa aproximadamente 15.700 toneladas métricas e é suportada por uma base circular de 20 metros de diâmetro. A torre inclinou antes para o leste, o norte, o oeste e, finalmente, para o sul. Pesquisas recentes mostraram que existia uma fraca camada de argila a uma profundidade de cerca de 11 metros abaixo da superfície do terreno, o que causou a inclinação da torre. Com uma altura de 54 metros, ela ficou mais de 5 metros fora do prumo (uma inclinação de cerca de 5,5 graus). A torre foi fechada em 1990, pois se temia que a estrutura pudesse cair ou desmoronar. A torre foi recentemente estabilizada com escavações no solo sob o lado norte. Cerca de 70 toneladas métricas de terra foram removidas em 41 extrações, expandindo a largura da torre. Como o chão se sedimentou gradualmente para preencher o espaço, a inclinação da torre foi amenizada. Agora, a torre inclina-se a 5 graus. A mudança de meio grau não é notável, mas faz com que a estrutura seja consideravelmente mais estável. A Figura 1.3 é um exemplo de um problema semelhante. As torres exibidas nela estão localizadas em Bolonha, Itália, e foram construídas no século XII. A torre à esquerda é geralmente referida como a Torre Garisenda. Tem 48 metros de altura e pesa aproximadamente 4.210 toneladas métricas. Ela inclinou-se cerca de 4 graus. A torre à direita é a Torre Asinelli, que tem 97 m de altura e pesa 7.300 toneladas métricas. Ela inclinou-se cerca de 1,3 grau.
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Figura 1.2 Inclinação de Torre de Pisa,
Itália. (Cortesia de Braja M. Das, Henderson, Nevada, EUA.)
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Capítulo 1 | Engenharia geotécnica – uma perspectiva histórica 3
Engenheiros e cientistas começaram a se preocupar com as propriedades e o comportamento de solos de forma mais metódica a partir da primeira metade do século XVIII, após encontrarem diversos problemas relacionados à fundação durante a construção em séculos passados. Com base na ênfase e na natureza do estudo na área da engenharia geotécnica, o espaço de tempo entre 1700 e 1927 pode ser dividido em quatro períodos principais (Skempton, 1985): 1. 2. 3. 4.
Pré-clássico (1700 a 1776 d.C.) Mecânica dos solos clássica – Fase I (1776 a 1856 d.C.) Mecânica dos solos clássica – Fase II (1856 a 1910 d.C.) Mecânica dos solos moderna (1910 a 1927 d.C.) As breves descrições de alguns desenvolvimentos significantes de cada um dos quatro períodos são discutidas a seguir.
1.3 Período pré-clássico da mecânica dos solos (1700-1776) Esse período foi dedicado a estudos relacionados a encostas naturais, pesos específicos de vários tipos de solo, bem como a teorias semiempíricas de empuxos de terra. Em 1717, um engenheiro real francês, Henri Gautier (1660-1737), estudou os declives naturais de solos quando inclinados em um monte para formular os procedimentos de desenvolvimento dos muros de arrimo. A inclinação natural é o que agora chamamos ângulo de repouso. De acordo com esse estudo, a inclinação natural de areia limpa e seca e a de solo convencional foram 31° e 45°, respectivamente. Além disso, recomendou-se que o peso unitário da areia seca e limpa e o do solo comum fossem 18,1 kN/m3 e 13,4 kN/m3, respectivamente. Não foram relatados resultados de ensaio para as argilas. Em 1729, Bernard Forest de Belidor (1671-1761) publicou um compêndio para engenheiros militares e civis na França. No livro, ele propôs uma teoria para o empuxo lateral de terra nos muros de arrimo que era uma continuação do estudo original de Gautier (1717). Ele também especificou um sistema de classificação de solo da maneira indicada na tabela a seguir.
Classificação
Rocha
Areia fofa a dura
Solo convencional (encontrada em locais secos) Solo mole (principalmente silte) Argila Turfa
Peso unitário kN/m3
–
16,7 a 18,4 13,4 16,0 18,9 –
Os primeiros resultados de ensaio de laboratório em um modelo de muro de arrimo com 76 milímetros de altura, construído com areia, foram relatados em 1746, por um engenheiro francês chamado François Gadroy (1705-1759), que observou a existência de planos de escorregamento no solo sob ruptura. O estudo de Gadroy foi resumido por J. J. Mayniel em 1808. Outra contribuição notável durante este período foi a do engenheiro francês Jean Rodolphe Perronet (1708-1794), que, por volta de 1769, estudou a estabilidade de encostas e diferenciou o solo natural dos aterros.
Figura 1.3 Inclinação da Torre Garisenda
(esquerda) e Torre Asinelli (direita) em Bolonha, Itália. (Cortesia de Braja M. Das, Henderson, Nevada, EUA.)
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4 Fundamentos de engenharia geotécnica
1.4 Mecânica dos solos clássica – Fase I (1776-1856) Nesse período, a maior parte do desenvolvimento na área da engenharia geotécnica veio de engenheiros e cientistas da França. No período pré-clássico, praticamente todas as considerações teóricas usadas para cálculo da pressão lateral de terra em muros de arrimo foram baseadas em uma superfície de ruptura do solo definida arbitrariamente. Em seu famoso trabalho apresentado em 1776, o cientista francês Charles Augustin Coulomb (1736-1806) usou os princípios de cálculo de máximos e mínimos para determinar a posição exata de uma superfície de deslizamento no solo, atrás de um muro de arrimo. Nessa análise, Coulomb usou as leis de atrito e coesão para corpos sólidos. Em 1790, o famoso engenheiro civil francês Gaspard Clair Marie Riche de Prony (1755-1839) incluiu a teoria de Coulomb em seu principal tratado, Nouvelle Architecture Hydraulique (Vol. 1). Em 1820, casos especiais do trabalho de Coulomb foram estudados pelo engenheiro francês Jacques Frederic Français (1775-1833) e pelo professor de mecânica aplicada Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836). Esses casos especiais eram relacionados a taludes e aterros com sobrecarga. Em 1840, o engenheiro militar e professor de mecânica Jean Victor Poncelet (1788-1867) ampliou a teoria de Coulomb, concebendo um método gráfico para determinar a magnitude da pressão lateral de terra em muros de arrimo verticais e inclinados, com superfícies poligonais rompidas arbitrariamente. Poncelet também foi o primeiro a usar o símbolo f para representar o ângulo de atrito do solo. Além disso, concebeu a primeira teoria de limite de capacidade de carga para fundações rasas. Em 1846, o engenheiro Alexandre Collin (1808-1890) forneceu detalhes sobre deslizamentos profundos em encostas de argila, cortes e diques. Collin criou a teoria de que, em todos os casos, as rupturas ocorrem quando a coesão mobilizada excede a coesão existente no solo. Ele também observou que as superfícies de rupturas reais poderiam ser similares a arcos de cicloides. O fim da Fase I do período clássico da mecânica dos solos é geralmente marcado pelo ano de 1857, data da primeira publicação de William John Macquorn Rankine (1820-1872), professor de engenharia civil da Universidade de Glasgow. Esse estudo elucidou uma notável teoria sobre o empuxo e o equilíbrio de massas da Terra. A teoria de Rankine é uma versão simplificada da teoria de Coulomb.
1.5 Mecânica dos solos clássica – Fase II (1856-1910) Nessa fase, diversos resultados experimentais de ensaios de laboratório sobre areias foram registrados na literatura. Uma das primeiras e mais importantes publicações é a do engenheiro francês Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858). Em 1856, ele publicou um estudo sobre a permeabilidade de filtros de areia. Com base em tais teorias, Darcy definiu o termo coeficiente de permeabilidade (ou condutividade hidráulica) de solo, um parâmetro bastante útil em engenharia geotécnica atualmente. Sir George Howard Darwin (1845-1912), professor de astronomia, conduziu ensaios de laboratório para determinar o momento de tombamento de uma parede articulada contendo areia nos estados fofo e compacto. Outra importante contribuição, publicada em 1885 por Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), foi o desenvolvimento da teoria da distribuição de tensão sob áreas carregadas em um meio homogêneo, semi-infinito, elástico e isotrópico. Em 1887, Osborne Reynolds (1842-1912) demonstrou o fenômeno de dilatância em areia. Outros estudos notáveis durante esse período foram os de John Clibborn (1847-1938) e John Stuart Beresford (1845-1925), relacionados ao fluxo de água em camada de areia e aumento de empuxo. O estudo de Clibborn foi publicado na Treatise on Civil Engineering, Vol. 2: Irrigation Work in India da University of Roorkee, em 1901, e também em Technical Paper No 97, editado pelo Governo da Índia em 1902. O estudo de Beresford de 1898 sobre o aumento de empuxo na barragem de Narora do Rio Ganges foi registrado no Technical Paper No 97 do Governo da Índia, 1902.
1.6 Mecânica dos solos moderna (1910-1927) Nesse período, foram publicados resultados de pesquisas conduzidas em argila, onde foram estabelecidas as propriedades e os parâmetros fundamentais desse elemento como conhecemos hoje. As publicações mais notáveis são descritas a seguir. Por volta de 1908, Albert Mauritz Atterberg (1846-1916), um químico e cientista de solo, definiu frações de argila como a porcentagem em massa de partículas menores que dois mícrons. Ele percebeu o papel importante que as partículas de argila representam em um solo e em sua plasticidade. Em 1911, explicou a consistência de solos coesivos definindo os
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Capítulo 1 | Engenharia geotécnica – uma perspectiva histórica 5
limites de liquidez, de plasticidade e de contração. Também definiu o índice de plasticidade como a diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade (consulte Atterberg, 1911). Em outubro de 1909, uma barragem de terra de 17 metros de altura em Charmes, França, rompeu. Ela tinha sido construída entre 1902 e 1906. Um engenheiro francês, Jean Fontard (1884-1962), conduziu investigações para determinar as causas da ruptura. Naquele contexto, ele conduziu ensaios de cisalhamento duplo não drenado em amostras de argila (0,77 m2 em área e espessura de 200 mm) com tensão vertical constante para determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento (consulte Frontard, 1914). Os tempos de ruptura dessas amostras ficaram entre 10 e 20 minutos. Arthur Langley Bell (1874-1956), um engenheiro civil da Inglaterra, trabalhou no projeto e na construção da muralha litorânea de Rosyth Dockyard. Com base em seu trabalho, desenvolveu relações para a pressão lateral e a resistência da argila, assim como a capacidade de carga de fundações rasas em argila (consulte Bell, 1915). Bell também usou ensaios de cisalhamento direto para medir a resistência ao cisalhamento não drenado de amostras inalteradas Figura 1.4 Karl Terzaghi (1883-1963) de argila. (SSPL / Getty Images) O engenheiro Wolmar Fellenius (1876-1957), da Suécia, desenvolveu a análise do círculo de deslizamento em taludes de argila saturada (ou seja, condição de ϕ = 0), considerando que a superfície crítica de escorregamento era o arco de um círculo. Essa análise foi demonstrada em trabalhos publicados em 1918 e em 1926. Porém, apenas o trabalho publicado em 1926 forneceu soluções matemáticas corretas para os números de estabilidade de superfícies de deslizamento circulares que passavam pelo pé do talude. Karl Terzaghi (1883-1963), austríaco (Figura 1.4), desenvolveu a teoria de adensamento para argilas como conhecemos hoje. A teoria foi desenvolvida quando Terzaghi lecionava na American Roberts College, em Istambul, na Turquia. O seu estudo prosseguiu por cinco anos, de 1919 a 1924. Foram utilizadas cinco amostras diferentes de solos argilosos. O limite de liquidez desses solos variava entre 36 e 67, e o índice de plasticidade estava entre 18 e 38. A teoria do adensamento foi publicada no aclamado livro do engenheiro austríaco Terzaghi, intitulado Erdbaumechanik, em 1925.
1.7 Engenharia geotécnica após 1927 A publicação de Erdbaumechanik auf Bodenphysikalischer Grundlage, por Karl Terzaghi em 1925, deu origem a uma nova era no desenvolvimento da mecânica dos solos. Karl Terzaghi é merecidamente conhecido como o pai da mecânica moderna dos solos. Terzaghi nasceu em 2 de outubro de 1883, em Praga, que foi a capital da província austríaca de Boêmia. Em 1904, formou-se engenheiro mecânico na Technische Hochschule, em Graz, Áustria. Em seguida, serviu um ano no exército do país. Depois do serviço militar, Terzaghi estudou mais um ano, concentrando-se nos assuntos geológicos. Em janeiro de 1912, concluiu o doutorado em Ciências Técnicas, na mesma universidade na qual se formou em Graz. Em 1916, aceitou um cargo acadêmico na Imperial School of Engineers, em Istambul. Após o fim da Primeira Guerra Mundial, ele aceitou lecionar na American Robert College em Istambul (1918-1925). Lá ele começou seu trabalho de pesquisa sobre o comportamento de solos e recalque de argilas e sobre a ruptura de areias em barragens devido à erosão tubular. A publicação Erdbaumechanik foi o primeiro resultado de sua pesquisa. Em 1925, Terzaghi aceitou um cargo de professor convidado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, onde trabalhou até 1929. Nesse período, tornou-se líder da nova área da engenharia civil chamada mecânica dos solos. Em outubro de 1929, retornou à Europa para aceitar um cargo de professor na Universidade Técnica de Viena, que logo se tornou um núcleo para engenheiros civis interessados em mecânica dos solos. Em 1939, retornou aos Estados Unidos para lecionar na Universidade de Harvard. A primeira conferência da International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE – Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações) foi realizada na Universidade de Harvard, em 1936,
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sob a presidência de Karl Terzaghi. A realização dessa conferência só foi possível graças à convicção e aos esforços do professor Arthur Casagrande, da Universidade de Harvard. Cerca de 200 pessoas representando 21 países participaram desse evento. Foi por meio da inspiração e orientação de Terzaghi, nos 25 anos anteriores, que artigos técnicos puderam ser apresentados na conferência, cobrindo uma abrangente variedade de tópicos, como: • • • • • • • • • • • •
Tensão efetiva Resistência ao cisalhamento Ensaio com penetrômetro de cone holandês Adensamento Ensaio em centrífuga Teoria elástica e distribuição de tensão Pré-carregamento para controle de recalques Argilas expansivas Ação de congelamento Terremotos e a liquefação do solo Vibração de máquinas Teoria de arqueamento da pressão da terra
Pelos 25 anos seguintes, Terzaghi foi o papa do desenvolvimento da mecânica dos solos e da engenharia geotécnica por todo o mundo. Foi nesse sentido que Ralph Peck escreveu, em 1985, que “poucas pessoas durante a vida de Terzaghi teriam discordado de que ele era não apenas o papa da mecânica dos solos, mas também o centro de intercâmbio para a pesquisa e aplicação em todo o mundo. Nos anos seguintes, ele se envolveria em projetos em todos os continentes, exceto na Austrália e na Antártida”. Peck continuou com: “Portanto, mesmo hoje, é difícil aprimorar suas avaliações contemporâneas do estado de mecânica do solo conforme mencionado em seus trabalhos e discursos presidenciais”. Em 1939, Terzaghi apresentou a 45a Conferência da James Forrest Lecture, na Instituição de Engenheiros Civis, em Londres. Sua palestra foi intitulada “Soil Mechanics – A New Chapter in Engineering Science” (Mecânica dos solos – um novo capítulo na ciência da engenharia). Nessa ocasião, Terzaghi declarou que a maior parte das falhas que ocorreram em fundações não podia mais ser chamada de “vontade divina”. A seguir, estão alguns destaques no desenvolvimento da mecânica dos solos e engenharia geotécnica que evoluíram após a primeira conferência da ISSMFE, em 1936: • Publicação do livro Theoretical Soil Mechanics, escrito por Karl Terzaghi, em 1943 (Wiley, Nova York); • Publicação do livro Soil Mechanics in Engineering Practice, escrito por Karl Terzaghi e Ralph Peck, em 1948 (Wiley, Nova York); • Publicação do livro Fundamentals of Soil Mechanics, escrito por Donald W. Taylor, em 1948 (Wiley, Nova York); • Início da publicação Geotechnique, o periódico internacional da mecânica dos solos, em 1948, na Inglaterra. Após uma breve interrupção, em razão da Segunda Guerra Mundial, a segunda conferência da ISSMFE foi realizada em Roterdã, Holanda, em 1948. Estiveram presentes cerca de 600 participantes e foram publicados sete volumes de artigos. Nessa conferência, A. W. Skempton apresentou o artigo fundamental sobre o conceito de f = 0 para argilas. Após Roterdã, as conferências da ISSMFE foram organizadas com um intervalo de cerca de quatro anos, em diferentes países do mundo. O resultado da conferência de Roterdã foi o crescimento das conferências regionais sobre engenharia geotécnica, tais como: • • • •
Conferência Regional Europeia sobre a Estabilidade de Encostas de Terra, Estocolmo (1954) Primeira Conferência Austrália-Nova Zelândia sobre Características de Cisalhamento dos Solos (1952) Primeira Conferência Pan-americana, Cidade do México (1960) Conferência de Pesquisa sobre Resistência de Cisalhamento de Solos Coesivos, Boulder, Colorado (1960)
Duas outras publicações importantes entre 1948 e 1960 são (1) a publicação do trabalho sobre os parâmetros de poropressão A e B de A. W. Skempton, que tornou os cálculos de tensão efetiva mais práticos para diversos trabalhos de
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engenharia e (2) publicação de livro chamado The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Text por A. W. Bishop e B. J. Henkel (Arnold, Londres) em 1957. No início dos anos 1950, foram obtidas soluções, com auxílio da informática, para vários tipos de problemas da engenharia geotécnica utilizando-se de métodos de diferenças finitas e de elementos finitos. Quando os projetos tornam-se mais sofisticados, com condições de limite complexas, não é mais possível requerer soluções de forma fechada. A modelagem numérica que utiliza softwares de análise de elementos finitos (por exemplo, Abaqus, Plaxis) ou de diferenças finitas (por exemplo, Flac) vem se tornando cada vez mais popular na profissão. A dominância da modelagem numérica na engenharia geotécnica persistirá pelas próximas décadas em razão dos novos desafios e avanços nas técnicas de modelagem. Desde o início, a profissão dos engenheiros geotécnicos percorreu um longo caminho, amadureceu e é agora uma área estabelecida da engenharia civil. Milhares de engenheiros civis declaram sua preferência pela área de engenharia geotécnica. Em 1997, a sigla da ISSMFE mudou para ISSMGE, International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica) para refletir seu verdadeiro objetivo. Essas conferências internacionais foram instrumento de intercâmbio de informações relacionadas ao desenvolvimento de pesquisas contínuas da engenharia geotécnica. A Tabela 1.2 fornece a localização e o ano em que aconteceu cada conferência da ISSMFE/ISSMGE.
Tabela 1.2 Detalhes das conferências da ISSMFE (1936 a 1997) e da ISSMGE (1997 até 2017) Conferência
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX
Local
Ano
Universidade de Harvard, Boston, EUA 1936 Roterdã, Holanda 1948 Zurique, Suíça 1953 Londres, Inglaterra 1957 Paris, França 1961 Montreal, Canadá 1965 Cidade do México, México 1969 Moscou, Rússia 1973 Tóquio, Japão 1977 Estocolmo, Suécia 1981 São Francisco, EUA 1985 Rio de Janeiro, Brasil 1989 Nova Deli, Índia 1994 Hamburgo, Alemanha 1997 Istambul, Turquia 2001 Osaka, Japão 2005 Alexandria, Egito 2009 Paris, França 2013 Seul, Coreia 2017
Em 1960, Bishop, Alpan, Blight e Donald forneceram diretrizes e resultados experimentais de parâmetros de resistência de solos coesivos parcialmente saturados. Desde então, foram feitos avanços no estudo do comportamento de solos não saturados, relacionados à resistência e compressibilidade e a outros fatores que afetam a construção de estruturas suportadas pelo solo e estruturas de contenção. A ISSMGE tem diversos comitês técnicos, que organizam ou copatrocinam diversas conferências ao redor do mundo. Uma lista destes comitês técnicos (2010-2013) é fornecida na Tabela 1.3. A ISSMGE também conduz Seminários Internacionais (formalmente conhecidos como Touring Lectures) que provaram ser uma atividade importante; esses seminários reúnem profissionais, empreiteiros e acadêmicos tanto no palco quanto na plateia, para benefício de todos, independentemente da região, do tamanho ou da riqueza da sociedade de cada membro, estimulando um senso de pertencimento à Sociedade Internacional de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica.
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8 Fundamentos de engenharia geotécnica
Tabela 1.3 Lista de Comitês Técnicos da ISSMGE (novembro de 2013) Categoria
Fundamentos
Aplicações
Impacto na Sociedade
Número do comitê técnico
TC 101 TC102 TC103 TC104 TC105 TC106 TC201 TC202 TC203 TC204 TC205 TC206 TC207 TC208 TC209 TC210 TC211 TC212 TC213 TC214 TC215 TC216 TC301 TC302 TC303 TC304 TC305
Nome do comitê técnico
Ensaios de Laboratório Tensão-Deformação para Geomateriais Caracterização das Propriedades do Solo a partir de Ensaios In Situ Métodos Numéricos em Geomecânica Modelação Física em Geotécnica Geomecânica de Micro para Macro Solos não Saturados Aspectos Geotécnicos de Diques e Barragens, Proteção da Margem e Aterramento Marítimo Geotecnia de Transporte Engenharia Geotécnica de Terremoto e Problemas Associados Construção subterrânea em Terreno Brando Segurança e sobrevivência em engenharia geotécnica Projeto Geotécnico Interativo Interação de Solo-Estrutura e Muros de Arrimo Estabilidade de Taludes na prática da engenharia Geotécnica Offshore Barragens e Diques Melhoramento de Solos Fundações Profundas Geotécnica de Erosão de Solo Engenharia de Fundação para Condições Difíceis de Solos Moles Geotécnica Ambiental Geotécnica de Geada Preservação de Locais Históricos Engenharia Geotécnica Forense Mitigação e Reabilitação dos Desastres Costeiros e de Rio Prática de Engenharia de Avaliação e Gestão de Riscos Infraestrutura Geotécnica para Megacidades e Novas Capitais
Solos são materiais heterogêneos que podem exibir uma substancial variação em poucos metros. Os parâmetros de projeto para todos os projetos geotécnicos precisam ter origem em um exercício de investigação local que inclui testes de campo, coleta de amostras de solo em várias locações e profundidades, e a condução de ensaios de laboratório com essas amostras. Os ensaios em campo e laboratório com solos, assim como com outros materiais, são conduzidos de acordo com métodos padronizados especificados pela ASTM International (conhecida como American Society for Testing and Materials antes de 2001). Os padrões da ASTM (http://www.astm.org)1 incluem uma vasta gama de materiais em mais de 80 volumes. Os métodos de ensaio para solos, rochas e agregados estão reunidos em dois volumes — 04.08 e 04.09. Engenharia geotécnica é uma disciplina relativamente nova, que tem testemunhado um substancial desenvolvimento nas últimas décadas e que continua crescendo. Esses progressos e grande parte dos resultados de pesquisas de ponta são publicados em periódicos internacionais revisados por especialistas da área antes mesmo de integrarem os livros didáticos. Exemplos de alguns desses periódicos geotécnicos (em ordem alfabética): • • • • • • • • 1
Canadian Geotechnical Journal (NRC Research Press, em cooperação com a Canadian Geotechnical Society) Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (American Society of Civil Engineers) Geotechnical and Geological Engineering (Springer, Alemanha) Geotechnical Testing Journal (ASTM International, EUA) Geotechnique (Institute of Civil Engineers, GB) International Journal of Geomechanics (American Society of Civil Engineers) International Journal of Geotechnical Engineering (Taylor and Francis, GB) Soils and Foundations (Elsevier, em nome da Japanese Geotechnical Society)
No Brasil esses ensaios são preconizados pelas ABNT, através das Normas Brasileiras (NBRs). (N. da R.T.).
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Capítulo 1 | Engenharia geotécnica – uma perspectiva histórica 9
Para uma análise completa da literatura sobre um tema de pesquisa, esses periódicos e as atas de conferências internacionais (como, por exemplo, da ICSMGE, na Tabela 1.2) são muito valiosos. As referências citadas em cada capítulo deste livro estão listadas no fim do capítulo.
1.8 Fim de uma Era Na seção anterior foi apresentada uma breve descrição de contribuições para a mecânica dos solos por pioneiros tais como Karl Terzaghi, Arthur Casagrande, Donald W. Taylor, Alec W. Skempton e Ralph B. Peck. O último dos primeiros gigantes da área, Ralph B. Peck, faleceu em 18 de fevereiro de 2008, aos 95 anos. O professor Ralph B. Peck (Figura 1.5) nasceu em 23 de junho de 1912, em Winnipeg, Canadá, filho de Orwin K. e Ethel H. Peck, ambos nascidos nos Estados Unidos. Ralph se formou bacharel e doutor em 1934 e 1937, respectivamente, no Rensselaer Polytechnic Institute, em Troy, Nova York. De 1938 a 1939, teve aulas com Arthur Casagrande sobre um novo assunto chamado “mecânica dos solos”, na Universidade de Harvard. De 1939 a 1943, o Dr. Peck trabalhou no projeto do metrô de Chicago como assistente de Karl Terzaghi, pai da mecânica dos solos moderna. Em 1943, uniu-se à University of Illinois, em Urbana-Champaign, e foi professor de engenharia de fundação de 1948 até se aposentar, em 1974. Depois da aposentadoria, permaneceu em atividade como consultor, participando dos principais projetos geotécnicos de 44 estados dos Estados Unidos e em outros 28 países, nos cinco continentes. Alguns exemplos de seus maiores projetos de consultoria incluíram: • • • • •
Sistemas de trânsito rápido em Chicago, São Francisco e Washington, D.C. Sistema de dutos no Alasca Projeto da Baía de James em Quebec, Canadá Projeto Ferroviário Expresso Heathrow (Reino Unido) Diques do mar Morto
Seu último projeto foi a Ponte Rion-Antirio, na Grécia. Em 13 de março de 2008, o jornal The Times, do Reino Unido, escreveu: “Ralph B. Peck foi um engenheiro civil norte-americano que inventou uma técnica de construção controversa, que seria utilizada em algumas das maravilhas mundiais da engenharia moderna, incluindo o Eurotúnel. Conhecido como “o padrinho da mecânica dos solos”, foi o responsável direto por uma sucessão de famosos túneis e projetos de barragens de terra que elevaram os padrões do que se acreditava ser possível. O Dr. Peck escreveu mais de 250 publicações técnicas altamente qualificadas. Foi o presidente da ISSMGE, de 1969 a 1973. Em 1974, ele recebeu a Medalha Nacional de Ciência do presidente Gerald R. Ford. Peck foi professor, mentor, amigo e consultor de gerações de engenheiros geotécnicos em todos os países do mundo. A XVI Conferência da ISSMGE em Osaka, Japão (2005), seria a última grande conferência desse tipo da qual participaria. É realmente o fim de uma era.
Figura 1.5 Ralph B. Peck. (Cortesia de
Ralph B. Peck)
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