Ilcapacità portante del suoloè data dall'equazione
Q_a=\frac{Q_u}{FS}
in qualeQunè la capacità portante ammissibile (in kN/m2 o lb/ft2), Qtuè la capacità portante ultima (in kN/m2 o lb/ft2) e FS è il fattore di sicurezza. La massima capacità portanteQtuè il limite teorico della capacità portante.
Proprio come la Torre Pendente di Pisa si inclina a causa della deformazione del suolo, gli ingegneri usano questi calcoli per determinare il peso di edifici e case. Quando ingegneri e ricercatori gettano le basi, devono assicurarsi che i loro progetti siano ideali per il terreno che li sostiene. La capacità portante è un metodo per misurare questa forza. I ricercatori possono calcolare la capacità portante del suolo determinando il limite della pressione di contatto tra il suolo e il materiale posto su di esso.
Questi calcoli e misurazioni vengono eseguiti su progetti che coinvolgono fondazioni di ponti, muri di sostegno, dighe e condotte sotterranee. Si basano sulla fisica del suolo studiando la natura delle differenze causate dalla pressione dell'acqua interstiziale del materiale sottostante la fondazione e lo stress effettivo intergranulare tra le particelle di terreno loro stessi. Dipendono anche dalla meccanica dei fluidi degli spazi tra le particelle del suolo. Ciò spiega le fessurazioni, le infiltrazioni e la resistenza al taglio del terreno stesso.
Le sezioni seguenti approfondiscono questi calcoli e il loro utilizzo.
Formula per la capacità portante del suolo
Le fondazioni poco profonde includono plinti a nastro, plinti quadrati e plinti circolari. La profondità è solitamente di 3 metri e consente risultati più economici, più fattibili e più facilmente trasferibili.
Teoria della capacità portante ultima di Terzaghiimpone che è possibile calcolare la capacità portante ultima per fondazioni continue poco profondeQtucon
Q_u=cN_c+gDN_q+0.5gBN_g
in qualecè la coesione del suolo (in kN/m2 o lb/ft2), gè il peso unitario effettivo del suolo (in kN/m3 o lb/ft3), Dè la profondità del plinto (in mo ft) e B è la larghezza del plinto (in mo ft).
Per fondazioni quadrate poco profonde, l'equazione èQtucon
Q_u=1.3cN_c+gDN_q+0.4gBN_g
e, per fondazioni circolari poco profonde, l'equazione è
Q_u=1,3cN_c+gDN_q+0.3gBN_g
In alcune varianti, la g viene sostituita conγ.
Le altre variabili dipendono da altri calcoli.noqè
N_q=\frac{e^{2\pi (0.75-\phi '/360)\tan{\phi '}}}{2\cos{(2(45+\phi '/2))}}
nocè 5.14 per'=0e
N_C=\frac{N_q-1}{\tan{\phi '}}
per tutti gli altri valori di ',Ngè:
N_g=\tan{\phi '}\frac{K_{pg}/\cos{2\phi '}-1}{2}
Kpgsi ottiene rappresentando graficamente le quantità e determinando quale valore diKpgtiene conto delle tendenze osservate. Alcuni usanonog = 2(Nq+1)tanф'/(1+.4sin4')come approssimazione senza bisogno di calcolareKpag.
Ci possono essere situazioni in cui il terreno mostra segni di localrottura per taglio. Ciò significa che la resistenza del terreno non può mostrare una forza sufficiente per la fondazione perché la resistenza tra le particelle nel materiale non è abbastanza grande. In queste situazioni, la capacità portante massima della fondazione quadrata èQtu = 0,867c Nc + g D Nq + 0,4 g B Ng ,la i. della fondazione continuaSQu = 2/3c Nc + g D Nq + 0,5 g B Ng e la fondazione circolare èQtu = 0,867c Nc + g D Nq + 0,3 g B Ng.
Metodi per determinare la capacità portante del suolo
Le fondazioni profonde includono fondazioni di pilastri e cassoni. L'equazione per calcolare la capacità portante ultima di questo tipo di terreno è:Qtu = Qp + Qf in qualeQtuè la capacità portante ultima (in kN/m2 o lb/ft2), Qpè la capacità portante teorica per la punta della fondazione (in kN/m2 o lb/ft2) eQfè la capacità portante teorica dovuta all'attrito dell'albero tra l'albero e il terreno. Questo ti dà un'altra formula per la capacità portante del suolo
È possibile calcolare la base teorica della capacità del cuscinetto di estremità (punta)QpcomeQp = Apqpin qualeQpè la capacità portante teorica per il cuscinetto di estremità (in kN/m2 o lb/ft2) eUNpè l'area effettiva della punta (in m2 o ft2).
La capacità portante dell'unità teorica di terreni limo senza coesioneqpèqDNqe, per terreni coesivi,9c,(entrambi in kN/m2 o lb/ft2). Dcè la profondità critica per i pali in limi o sabbie sciolte (in m o piedi). Questo dovrebbe essere10Bper limi e sabbie sciolte,15Bper limi e sabbie di media densità e20Bper limi e sabbie molto densi.
Per la capacità di attrito della pelle (albero) della fondazione su pali, la capacità portante teoricaQfèUNfqfper un singolo strato di terreno omogeneo epSqflper più di uno strato di terreno. In queste equazioni,UNf è la superficie effettiva del pozzo del palo,qfèkstan (d), la capacità di attrito unitaria teorica per terreni privi di coesione (in kN/m2 o lb/ft) in cuiKè la pressione terrestre laterale,Sè la pressione di sovraccarico effettiva edè l'angolo di attrito esterno (in gradi).Sè la somma di diversi strati del suolo (es.un1 + un2 +... + unn).
Per i limi, questa capacità teorica ècUN + kstan (d)in qualecUNè l'adesione. È uguale ac,la coesione del terreno per calcestruzzo grezzo, acciaio arrugginito e lamiera ondulata. Per calcestruzzo liscio, il valore è.8cperc, e, per l'acciaio pulito, è.5cper.9c. pè il perimetro della sezione trasversale del palo (in m o piedi).lè la lunghezza effettiva del palo (in m o piedi).
Per terreni coesivi,qf = aStu in cui a è il fattore di adesione, misurato come1-1 (Suc)2perSucmeno di 48 kN/m2 doveSuc = 2cè la resistenza a compressione non confinata (in kN/m2 o lb/ft2). PerSucmaggiore di questo valore,a = [0,9 + 0,3(Suc - 1)]/Suc.
Qual è il fattore di sicurezza?
Il fattore di sicurezza va da 1 a 5 per i vari utilizzi. Questo fattore può spiegare l'entità dei danni, il cambiamento relativo delle possibilità che un progetto possa fallire, i dati del suolo stessi, la costruzione delle tolleranze e l'accuratezza dei metodi di analisi del progetto.
Per i casi di rottura per taglio, il fattore di sicurezza varia da 1,2 a 2,5. Per dighe e riempimenti, il fattore di sicurezza varia da 1,2 a 1,6. Per i muri di sostegno, è da 1,5 a 2,0, per le palancole a taglio, è compreso tra 1,2 e 1,6, per gli scavi controventati, è tra 1,2 e 1,5, per i plinti con apertura a taglio, il fattore è da 2 a 3, per i plinti a tappeto è da 1,7 a 2,5. Di al contrario, i casi di rottura delle infiltrazioni, poiché i materiali filtrano attraverso piccoli fori in tubi o altri materiali, il fattore di sicurezza varia da 1,5 a 2,5 per il sollevamento e da 3 a 5 per tubazioni.
Gli ingegneri usano anche regole empiriche per il fattore di sicurezza come 1,5 per i muri di sostegno che vengono ribaltati con granulare rinterro, 2.0 per rinterro coesivo, 1.5 per muri con pressione di terra attiva e 2.0 per quelli con terra passiva pressioni. Questi fattori di sicurezza aiutano gli ingegneri a evitare cedimenti per taglio e infiltrazioni così come il terreno può muoversi a causa dei cuscinetti su di esso.
Calcoli pratici della capacità portante
Armati dei risultati dei test, gli ingegneri calcolano il carico che il terreno può sopportare in sicurezza. A partire dal peso richiesto per tosare il terreno, aggiungono un fattore di sicurezza in modo che la struttura non applichi mai un peso sufficiente per deformare il terreno. Possono regolare l'impronta e la profondità di una fondazione per rimanere all'interno di quel valore. In alternativa, possono comprimere il terreno per aumentarne la resistenza, ad esempio utilizzando un rullo per compattare il materiale di riempimento sfuso per un fondo stradale.
I metodi per determinare la capacità portante del suolo comportano la pressione massima che la fondazione può esercitare sul suolo in modo tale che il fattore di sicurezza accettabile contro la rottura per taglio è al di sotto della fondazione e i cedimenti totali e differenziali accettabili sono incontrato.
La capacità portante massima è la pressione minima che provocherebbe la rottura per taglio del terreno di supporto immediatamente sottostante e adiacente alla fondazione. Tengono conto della resistenza al taglio, della densità, della permeabilità, dell'attrito interno e di altri fattori durante la costruzione di strutture sul suolo.
Gli ingegneri usano il loro miglior giudizio con questi metodi per determinare la capacità portante del suolo quando eseguono molte di queste misurazioni e calcoli. La lunghezza effettiva richiede che l'ingegnere scelga dove iniziare e interrompere la misurazione. Come un metodo, l'ingegnere può scegliere di utilizzare la profondità del palo e sottrarre qualsiasi terreno superficiale disturbato o miscele di terreno. L'ingegnere può anche scegliere di misurarlo come la lunghezza di un segmento di palo in un singolo strato di terreno costituito da molti strati.
Quali sono le cause dello stress del suolo?
Gli ingegneri devono considerare i suoli come miscele di particelle individuali che si muovono l'una rispetto all'altra. Queste unità di terreno possono essere studiate per comprendere la fisica alla base di questi movimenti durante la determinazione il peso, la forza e altre quantità rispetto agli edifici e agli ingegneri di progetto su cui si basano loro.
La rottura per taglio può derivare dalle sollecitazioni applicate al suolo che fanno sì che le particelle resistano l'una all'altra e si disperdano in modi dannosi per la costruzione. Per questo motivo, gli ingegneri devono prestare attenzione nella scelta di progetti e terreni con adeguate resistenze al taglio.
IlCerchio di Mohrpuò visualizzare le sollecitazioni di taglio sui piani rilevanti per i progetti di costruzione. Il Mohr Circle of Stresss è utilizzato nella ricerca geologica dei test del suolo. Si tratta di utilizzare campioni di terreno a forma cilindrica in modo tale che le sollecitazioni radiali e assiali agiscano sugli strati dei terreni, calcolati utilizzando piani. I ricercatori utilizzano quindi questi calcoli per determinare la capacità portante dei terreni nelle fondazioni.
Classificazione dei suoli per composizione
I ricercatori in fisica e ingegneria possono classificare suoli, sabbie e ghiaie in base alle loro dimensioni e ai costituenti chimici. Gli ingegneri misurano l'area superficiale specifica di questi costituenti come rapporto tra l'area superficiale delle particelle e la massa delle particelle come un metodo per classificarle.
Il quarzo è il componente più comune di limo e sabbia e mica e feldspato sono altri componenti comuni. Minerali argillosi come montmorillonite, illite e caolinite formano lastre o strutture simili a piastre con ampie aree superficiali. Questi minerali hanno una superficie specifica da 10 a 1.000 metri quadrati per grammo di solido.
Questa ampia superficie consente interazioni chimiche, elettromagnetiche e di van der Waals. Questi minerali possono essere molto sensibili alla quantità di liquido che può passare attraverso i loro pori. Ingegneri e geofisici possono determinare i tipi di argille presenti in vari progetti per calcolare gli effetti di queste forze per tenerne conto nelle loro equazioni.
I terreni con argille ad alta attività possono essere molto instabili perché molto sensibili ai fluidi. Si gonfiano in presenza di acqua e si restringono in sua assenza. Queste forze possono causare crepe nelle fondamenta fisiche degli edifici. D'altra parte, i materiali che sono argille a bassa attività che si formano sotto un'attività più stabile possono essere molto più facili da lavorare.
Grafico della capacità portante del suolo
Geotechdata.info ha un elenco di valori di capacità portante del suolo che è possibile utilizzare come grafico della capacità portante del suolo.