Tragfähigkeit des Bodens (mit Diagramm)

Während der Regenzeit, unmittelbar nach dem Regen, als wir in den vom Regen aufgeweichten Boden getreten sind, dringt unser Schuh in den Boden ein. Der Boden drückt unter unserem Schuh heraus und tritt an den Seiten unseres Schuhs hervor. Während dieses Prozesses verlieren wir unser Gleichgewicht, bis der Boden unter der Oberfläche unser Gewicht stützt und uns Stabilität gibt.

Der Boden unter unserem Schuh "gab einfach nach". Dieses Nachgeben oder Weglaufen des Bodens wird von geotechnischen Ingenieuren als Tragfähigkeitsversagen bezeichnet. Ausfall der Tragfähigkeit ist ein Ausfall durch Scherung. Die Kenntnis der Tragfähigkeit eines Bodens vor dem Bau der Struktur ist daher sehr wichtig.

Definitionen:

(i) Stiftung:

Dies ist der unterste Teil der Struktur, der eine Struktur unterstützt.

(ii) Fundamentbett:

Das Material, auf dem ein Fundament ruht, wird als Fundamentbett bezeichnet.

(iii) flaches Fundament :

Wenn die Tiefe des Fundaments kleiner oder gleich der Breite des Fundaments ist, spricht man von einem flachen Fundament.

(iv) tiefe Gründung:

Wenn die Tiefe eines Fundaments größer als die Breite ist, spricht man von einem tiefen Fundament.

(v) Tragfähigkeit:

Es ist die Tragfähigkeit des Bodens.

(vi) Tragfähigkeit (q _u ):

Es ist der minimale Bruttodruck an der Basis des Fundaments, bei dem der Boden bei der Scherung versagt.

(vii) Bruttodruck (q):

Der Bruttodruck ist der Gesamtdruck am Fuß des Fußes aufgrund des Gewichts der Überstruktur, des Eigengewichts des Fußes und des Gewichts der Erdfüllung.

(viii) Nettodruckintensität (q _n ):

Es ist der Unterschied in den Intensitäten des Bruttodrucks und des ursprünglichen Überlastungsdrucks. Wenn D die Fundamenttiefe ist, dann ist q _n = q - yD

(ix) Netto-Tragfähigkeit (q _nu ):

Es ist die minimale Nettodruckintensität, die einen Scherbruch des Bodens verursacht.

Qu = qnu + yD

q _nu = q _u + yD

(x) sichere Tragfähigkeit (q _s ):

Dies ist die maximale Druckintensität, die der Boden sicher tragen kann, ohne dass die Gefahr eines Scherausfalls besteht.

q _s = q _ns + yD

= qnu / F + yD

wobei F der Sicherheitsfaktor ist

(xi) Nettotragfähigkeit (q _ns ):

Es ist die Netto-Tragfähigkeit geteilt durch einen Sicherheitsfaktor.

Q _ns = q _ns / F

(xii) zulässige Tragfähigkeit (q _a ):

Es ist die Nettoladungsintensität, bei der weder der Boden bei der Scherung versagt noch übermäßige Siedlungsnachteile vorhanden sind.

Konzept der Tragfähigkeit:

Alle Tiefbauten, ob Gebäude, Dämme, Brücken usw., sind auf Böden gebaut. Ein Fundament ist erforderlich, um die Last der Struktur auf eine große Bodenfläche zu übertragen. Das Fundament des Bauwerks sollte so gestaltet sein, dass der darunter liegende Boden nicht durch Scherung versagt und keine übermäßige Besiedlung des Bauwerks erfolgt. Die herkömmliche Methode des Fundamentdesigns basiert auf dem Konzept der Tragfähigkeit.

Die Tragfähigkeit des Fundaments ist die maximale Belastung pro Flächeneinheit, die der Boden ohne Ausfall aushalten kann. Sie hängt von der Scherfestigkeit des Bodens sowie von Form, Größe, Tiefe und Art des Fundaments ab. Abbildung 9.1 zeigt eine typische Last-Setzungskurve einer Fundamentierung. Aus der Abbildung geht hervor, dass mit zunehmender Standbelastung auch die Besiedlung zunimmt.

Die Abrechnung steigt im Anfangsstadium linear mit der Belastung an. Bei weiterem Lastanstieg steigt die Siedlung schneller an und steigt dann ohne nennenswerten Lastanstieg weiter an. Dieses Stadium wird als Versagen des Fundaments bezeichnet, dh der Boden hat seine Tragfähigkeit erreicht.

Um ein Versagen der Tragfähigkeit des Fundaments zu vermeiden, müssen vor dem Entwurf des Fundaments zwei Arten von Einwirkungen des Bodens bei Belastung berücksichtigt werden:

(i) Die Tragfähigkeit sollte niedrig genug sein, um sicherzustellen, dass die verursachte Abrechnung nicht übermäßig ist.

(ii) Die Tragfähigkeit sollte so sein, dass keine übermäßige Scherbeanspruchung verursacht wird.

Tragfähigkeit von Flachfundamenten (Terzaghi-Analyse):

Annahmen in der Terzaghi-Analyse:

1. Das Fundament ist ein Streifen in geringer Tiefe und hat eine raue Basis; (L> 5B, D> B, wobei L = Länge, B = Breite und D = Tiefe des Fußes ist).

2. Der Boden ist homogen, isotrop und relativ inkompressibel.

3. Die Ausfallzonen erstrecken sich nicht über die horizontale Ebene durch die Basis des Fußes.

4. Die elastische Zone hat gerade Grenzen, die bei = φ zur Horizontalen geneigt sind, und die Kunststoffzonen sind voll ausgebildet.

Wird auch als allgemeine Tragfähigkeitsgleichung für Streifenfundament bezeichnet

qu = CNc + 0, 5γBNγ + qNq

wobei q _{u die} endgültige Tragfähigkeit ist

q = Überlastungsdruck an der Basis

= yD (verwenden Sie γD, wenn es untergetaucht ist) C - Kohäsion des Bodens

γ = Gewichtseinheit des Bodens auf Fundamentebene

(benutze γ von Unterwasser)

B = Fundamentbreite

D = Tiefe der Gründung

NC, _Ng und _Nq sind Tragfähigkeitsfaktoren, die von φ (innerer Reibungswinkel) abhängen.

Tragfähigkeit aus Bauvorschriften:

Für die vorläufige Bemessung einer beliebigen Struktur und für die Bemessung der Gründung von leicht belasteten Konstruktionen kann die vorläufige Tragfähigkeit verwendet werden. Tabelle 9.1 enthält mutmaßlich sichere Tragfähigkeiten für verschiedene Bodentypen, die vom National Building Code of India empfohlen werden.

Anmerkung 1:

Die angegebenen Tragfähigkeiten beziehen sich nur auf die Scherung.

Anmerkung 2:

Die in der Tabelle aufgeführten Werte sind aus folgenden Gründen sehr grob:

(i) Der Einfluss von Tiefe, Breite, Form und Rauheit des Fundaments wurde nicht berücksichtigt.

(ii) Einfluss des Reibungswinkels, der Kohäsion, des Wasserspiegels, der Dichte usw. wurde nicht berücksichtigt.

(iii) Die Auswirkung der Exzentrizität und die Anzeige von Lasten wurden nicht berücksichtigt.

Notiz 3:

Trocken bedeutet, dass der Grundwasserspiegel nicht tiefer als die Fundamentbreite unterhalb des Fundaments ist.

Anmerkung 4:

Bei kohäsionsarmen Böden sind die in der Tabelle aufgeführten Werte um 50% zu reduzieren, wenn sich der Grundwasserspiegel über oder nahe dem Standfuß befindet.

Anmerkung 5:

Die Kompaktheit der kohäsionsfreien Böden kann bestimmt werden, indem ein Kegel mit einem Durchmesser von 65 mm und einem Spitzenwinkel von 60 ° mit einem Hammer von 65 kg aus 75 cm Länge angetrieben wird. Wenn der korrigierte N-Wert für eine Penetration von 30 cm weniger als 10 beträgt, wird der Boden aufgerufen lose, wenn N zwischen 10 und 30 liegt, ist es mittel und wenn es mehr als 30 ist, wird der Boden als dicht bezeichnet.

Faktoren, die die Tragfähigkeit von Böden beeinflussen

Folgende Faktoren beeinflussen die Tragfähigkeit von Böden:

(i) Bodenart:

(ii) Körperliche Merkmale der Stiftung

(iii) Bodeneigenschaften

(iv) Art der Gründung

(v) Wassertisch

(vi) Abrechnungsbetrag

(vii) Exzentrizität der Ladung.

(i) Bodenart:

Die Tragfähigkeit von Böden hängt von der Art des Bodens ab. Je nach Bodentyp unterscheidet sich die Tragfähigkeit des Bodens, was aus der Terzaghi-Tragfähigkeitsgleichung deutlich wird.

q _u = CN _C + 0, 5 yBNy + qN _q

Für einen reinen Zusammenhalt weniger Boden

C = 0

Gleichung (9.1) reduzieren auf

q _u = 0, 5 yBNy _, + qNq

Für rein kohäsiven Boden

φ = 0,

Die Werte der Tragfähigkeitsfaktoren sind

Nc = 5, 7

Nq = 1 und Nγ = 0

Gleichung (9.1) lautet dann

q _u = 5, 7C + q

(ii) Körperliche Merkmale der Gründung:

Physikalische Eigenschaften wie Breite, Form und Tiefe des Fundaments beeinflussen die Tragfähigkeit der Böden. Gl. 9.1 zeigt, dass die Tragfähigkeit von Böden von der Breite B und der Tiefe (D) des Fundaments abhängt. Jede Änderung des Wertes von B und D des Fundaments beeinflusst daher die Baring-Kapazität.

Die Form des Fundaments beeinflusst auch die Tragfähigkeit, die wie folgt lautet:

Für quadratische Fußböden:

q _u = 1, 2 CNc + 0, 4 γBNγ + γDNq… (9.2)

Für Rundfüße:

q _u = 1, 2 CN _C + 0, 3 γBNγ + γDN _q … (9.3)

Dabei ist B der Durchmesser des kreisförmigen Fußes.

(iii) Bodeneigenschaften:

Bodeneigenschaften wie Scherfestigkeit, Dichte, Durchlässigkeit usw. beeinflussen die Tragfähigkeit des Bodens. Dichter Sand hat eine höhere Tragfähigkeit als loser Sand, da das Gewicht von dichtem Sand mehr als loser Sand ist.

(iv) Art der Gründung:

Die Art des Fundaments beeinflusst auch die Tragfähigkeit von Böden. Das verwendete Floß- oder Mattenfundament unterstützt die Last der Struktur sicher, indem es die Last auf einen größeren Bereich ausbreitet, selbst wenn der Boden eine geringe Tragfähigkeit hat.

(v) Wassertisch:

Befindet sich das Wasser über dem Boden, wird der Überlastungsdruck anhand des eingetauchten Bodengewichts berechnet und die Tragfähigkeit des Bodens um 50% reduziert.

Für jede Position des Wasserspiegels kann die allgemeine Tragfähigkeit wie folgt geändert werden:

(vi) Abrechnungsbetrag:

Der Besiedlungsbetrag der Struktur beeinflusst auch die Tragfähigkeit des Bodens. Wenn die Siedlung die mögliche Siedlung übersteigt, wird die Tragfähigkeit des Bodens verringert.

(vii) Exzentrizität der Ladung:

Wenn die Last auf einer Unterlage exzentrisch wirkt, sollten die Breite 'B' und die Länge 'L' wie unter verringert werden

B '= B - 2e

L '= L - 2e und

A '= B' X L '

Die endgültige Tragfähigkeit (qu) dieser Fundamente wird bestimmt, indem B 'und L' anstelle von 8 und L verwendet werden. Daher ist q _u kleiner als die tatsächliche Größe des Fundaments (siehe Abbildung 9.4).

Konzept der vertikalen Spannungsverteilung in Böden aufgrund von Fundamentlasten:

Wenn eine Bodenmasse belastet wird, entwickeln sich im Boden vertikale Spannungen. Die Abschätzung der vertikalen Beanspruchungen an jedem Punkt einer Bodenmasse aufgrund der äußeren Belastung ist für die Vorhersage der Besiedlung von Gebäuden, Brücken, Böschungen und anderen Strukturen von großer Bedeutung. Die Beanspruchungen durch äußere Belastung sind bei geringen Tiefen, in der Nähe der Punktbelastung, am größten und werden kleiner, wenn der vertikale Abstand unter der Last oder der horizontale Abstand von der Last zunimmt.

Die vertikale Spannungsverteilung in einer Bodenmasse hängt ab von:

(i) die Art der Belastung, dh die Art und Weise der Lastplatzierung, Lastverteilung und Form der beladenen Fläche

(ii) Physikalische Eigenschaften des Bodens wie Poisson-Verhältnis, Elastizitätsmodul, Kompressibilität usw.

Bei der Ermittlung der Spannungen unterhalb eines Fundaments wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass sich der Boden an allen Stellen und in allen Richtungen als elastisches Medium mit identischen Eigenschaften verhält. Viele Formeln, die auf der Theorie der Elastizität basieren, wurden verwendet, um die Beanspruchungen in Böden zu berechnen. Eine solche Formel wurde zuerst von Boussinesq (1885) für die Beanspruchung und Verformung einer Bodenmasse aufgrund vertikaler Punktbelastung entwickelt. Ein britischer Wissenschaftler Westergaard schlug 1938 auch eine Formel zur Berechnung der vertikalen Belastung in der Bodenmasse aufgrund der vertikalen Punktlast vor.

Punktlast:

Geschäftsformel:

Die Geschäftsformel basiert auf folgenden Annahmen:

(i) Die Bodenmasse ist linear elastisch, homogen, isotrop und halbintensiv.

(ii) Die Last wirkt als vertikale konzentrierte Last.

(iii) Der Boden ist schwerelos.

Die Gleichung für die vertikale Spannung an einem Punkt, wie in Abbildung 9.5 gezeigt

Zeilenlast:

Die Gleichung für die vertikale Belastung aufgrund einer Linienlast P ₁ pro Längeneinheit auf der Oberfläche an einem Punkt, der sich in einer Tiefe z und einem Abstand x seitlich befindet, ist in 9.6 dargestellt

σZ = 2p ₁ /

z ³ / (x ² + z ² ) ²

Gleichmäßig belasteter Streifen:

Die Gleichung für die vertikale Belastung aufgrund einer gleichmäßigen Belastung q in einem Streifenbereich der Breite B und der unendlichen Länge in Bezug auf σ und θ ist in der Abbildung 9.7 dargestellt

σ _z = q / π (α + Sin αCos 2θ)

Unterhalb der Mitte des Streifens ist die vertikale Spannung o in einer Tiefe z durch gegeben

σZ = q / π (a + sin α) (θ ist Null und cos2θ = 1)

oder σ ₂ = ql oz

Die Werte des Einflussfaktors sind in Tabelle 9.3 angegeben.

Bodeneigenschaften, die die Wahl des Basistyps bestimmen:

Die folgenden Bodeneigenschaften bestimmen die Wahl des Fundamenttyps:

(i) Tragfähigkeit des Bodens

(ii) Bodensiedlung

Die Kenntnis der Tragfähigkeit und der Bodensetzung ist für die Gestaltung des Fundaments eines jeden Bauwerks sehr wichtig. Das Fundament eines Bauwerks sollte so gewählt werden, dass der Boden unterhalb der Scherung nicht versagt und die Siedlung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Wenn die Tragfähigkeit des Bodens in geringer Tiefe ausreicht, um die Last der Struktur sicher aufzunehmen, ist ein flaches Fundament vorgesehen. Einzelfundamente, kombinierte oder Streifenfundamente sind die Option für ein flaches Fundament. Tiefgründige Fundamente sind gegeben, wenn Boden unmittelbar unter der Struktur keine ausreichende Tragfähigkeit aufweist. Pfeiler, Pfeiler oder Brunnen sind die Optionen für tiefe Fundamente. Matten- oder Floßfundamente sind nützlich für Böden, die einer unterschiedlichen Besiedlung ausgesetzt sind oder bei denen die Belastung zwischen benachbarten Säulen stark variiert. Tabelle 9.4 gibt die Eignung des Fundaments für Gebäude nach Bodentyp an.

In-Situ-Tests zur Bestimmung der Tragfähigkeit

Die folgenden In-Situ-Tests können verwendet werden, um die Tragfähigkeit oder die zulässige Tragfähigkeit des Bodens zu bestimmen:

(a) Plattenlasttests

(b) Standardpenetrationstest

(d) Statischer Kegeldurchdringungstest

(e) Druckmessertest

Plattenlasttest:

Der Plattenlasttest besteht im Wesentlichen aus dem Laden einer starren Platte auf Fundamentebene und dem Aufzeichnen der Abstände, die jedem Lastinkrement entsprechen. Die letztendliche Tragfähigkeit wird dann als die Last genommen, bei der die Platte schnell zu sinken beginnt. Die empfohlenen Mindest- und Höchstgrößen für die Testplatte sind 30 cm² bzw. 75 cm². Die Dicke der Stahlplatte sollte 25 mm nicht unterschreiten. Alam Singh hat empfohlen, die Größe der Testplatte mit 32 cm im Quadrat zu bestimmen.

Der Test wird in einer Vertiefung durchgeführt, deren Breite dem 5-fachen der Breite der Testplatte entspricht. In der Mitte der Grube wird ein kleines viereckiges Loch gegraben, dessen Größe der Größe der Platte entspricht und die Bodenebene der Grube der Höhe des eigentlichen Fundaments entspricht.

Die Belastung der Testplatte kann auf zwei Arten erfolgen:

(a) Schwerkraftladeflächenmethode

(b) Reaktions-Truss-Methode

Das Laden von Reaktionsbindern ist zweckmäßig und weniger zeitaufwändig und wird daher im Allgemeinen verwendet. Zu diesem Zweck wird ein Stahlfachwerk über die Grube verankert. Ein hydraulischer Wagenheber mit angeschlossenem Manometer befindet sich zwischen der Unterseite des Gerüsts und der Testplatte. Zum Messen des Absetzens der Testplatte werden mindestens zwei Messuhren mit einer Genauigkeit von 0, 2 mm verwendet. Die Messuhren sind auf einer unabhängigen Bezugsleiste montiert und berühren gerade die Testplatte.

Vor Beginn des Tests wird auf die Platte ein Sitzdruck von 70 g / cm ² ausgeübt (wie von IS 1888-1962 empfohlen). Es wird dann entfernt und die Messuhren werden auf Null eingestellt. Die Last wird dann in kumulativen gleichen Inkrementen angelegt. sagen etwa 1/5 der erwarteten sicheren Tragfähigkeit oder 1/10 der erwarteten zulässigen Tragfähigkeit aus. Die Abrechnung sollte für jedes Lastinkrement nach einem Intervall von 1, 4, 10, 20, 40 und 60 Minuten und danach stündlich aufgezeichnet werden, bis die Setzungsgeschwindigkeit weniger als etwa 0, 02 mm pro Stunde beträgt. Danach wird die Last auf den nächsthöheren Wert erhöht und der Vorgang wird wiederholt.

Das Testen wird fortgesetzt, bis eine der folgenden Stufen besucht wird:

(a) Die Abrechnung erfolgt schneller, was auf einen Scherfehler hindeutet.

(b) Der aufgebrachte Druck überschreitet das Dreifache des vorgeschlagenen zulässigen Lagerdrucks.

(c) Die Gesamtsiedlung übersteigt 10% der Breite der Testplatte. Die Last wird dann freigegeben. Falls gewünscht, kann eine Rückstoßbeobachtung durchgeführt werden.

Deutung:

Die Lastintensitäts- und Setzungsbeobachtungen des Tests werden, wie in Abbildung 9.11 dargestellt, sowohl auf der linearen Skala als auch auf der Log-Log-Skala dargestellt. IS 1888-1962 empfiehlt ein Log-Log-Diagramm mit zwei geraden Linien, deren Schnittpunkt als Versagen des Bodens betrachtet werden kann. Wenn der Fehlerpunkt in der Grafik nicht klar ist, kann bei einer Absetzung von 10% der Plattenbreite von einem Fehler ausgegangen werden. Die dem Ausfallpunkt entsprechende Belastungsintensität ergibt die endgültige Tragfähigkeit, und es kann ein Sicherheitsfaktor von 2, 5 oder 3 für die endgültige Tragfähigkeit verwendet werden, um eine sichere Tragfähigkeit des Bodens zu erhalten.

Einfluss der Größe der Platte auf die Tragfähigkeit:

Die Tragfähigkeit von Sand und Kies steigt mit der Größe des Untergrundes. Die durch den Plattenlasttest für sandige Böden erzielte Tragfähigkeit unterscheidet sich von der tatsächlichen Tragfähigkeit des Fundaments, da die Größe des Fundaments größer ist als die der Platte. Für alle praktischen Zwecke werden die Daten der Plattenlastprüfung extrapoliert, um die Tragfähigkeit des tatsächlichen Standes zu ermitteln.

Für sandige Böden :

q _uf = q _up × B _F / B _P

woher

q _uf = Tragfähigkeit des tatsächlichen Standes

q _up = Tragfähigkeit aus der Belastungstest der Platte

B _f = Fundamentbreite

B _p = Breite der Platte

Für Lehmböden

q _uF = q _auf

Auswirkung der Plattengröße auf die Siedlung :

Die Standbesiedlung variiert mit ihrer Größe. Daher kann die durch den Plattenlasttest erzielte Abrechnung nicht mit der tatsächlichen Standfestigkeit übereinstimmen.

Die folgende Beziehung wird verwendet, um die Abwicklung der tatsächlichen Fundierung herauszufinden:

Für Lehmböden:

_SF = _SP × _BF / _BB

S _p = Abrechnung der tatsächlichen Standfläche in mm

S _p = Abrechnung vom Plattenlasttest in

B _f = Fußbreite in Metern

B _P = Breite der Platte in Metern

Für sandige Böden:

_SF = _SP [ _BF (Bp + 0, 3) / Bp (BF + 0, 3)] ^-2

Einschränkungen:

(1) Die Daten der Plattenlastprüfung spiegeln die Eigenschaften des Bodens nur innerhalb einer Tiefe wider, die der doppelten Plattenbreite entspricht. Da das tatsächliche Fundament größer ist als die Plattengröße, stellt der Plattenlasttest bei einem nicht homogenen Boden nicht wirklich den tatsächlichen Bodenzustand dar (siehe Abbildung 9.12).

(ii) Der Plattenlasttest ist im Wesentlichen ein Kurzzeittest (Lauf in wenigen Stunden). Daher wird kein Hinweis auf eine langfristige Konsolidierungsabrechnung in Tonen erhalten.

(iii) Man sollte sich nicht auf diesen Test verlassen, um die endgültige Tragfähigkeit von Sandy-Böden zu erhalten, da der Skaleneffekt sehr irreführende Ergebnisse liefert.

(iv) Die Nähe des Wasserspiegels kann sich auf den Boden und nicht auf die Testplatte auswirken, da durch das Eintauchen die Tragfähigkeit körniger Böden um 50% verringert wird.

Tragfähigkeit basierend auf Standard Penetration Test (SPT):

Bei kohäsionsfreien Böden werden die SPT-Ergebnisse verwendet, um die Tragfähigkeit der Böden nach folgenden Methoden zu bestimmen:

(i) Unter Verwendung der von Peck, Hanson und Thornburn gegebenen Karte :