Bearing Capacity Capac ity ( Daya Dukung Tanah )
Dr. Ir.H. Erizal, MAgr.
Definisi
Daya dukung yang diizinkan (allowable bearing cap . tekan nan ma maks ksiimum mum yang yang dapa patt dia iap plik likasi asikan kan teka ke tanah dimana 2 kondisi diatas dipenuhi. Daya dukung batas (ultimate bearing cap.) cap.) keruntuhan geser (shear failure ) pada tanah .
Definisi
Daya dukung yang diizinkan (allowable bearing cap . tekan nan ma maks ksiimum mum yang yang dapa patt dia iap plik likasi asikan kan teka ke tanah dimana 2 kondisi diatas dipenuhi. Daya dukung batas (ultimate bearing cap.) cap.) keruntuhan geser (shear failure ) pada tanah .
UMUM
Ban unan te terdiri dari: Bangunan gedung (building) , Struktur bangunan terdiri atas: Struktur atas Struktur bawah
Bukan pondasi
,
PONDASI
Pondasi meru akan ba ian an alin entin dari sistem rekayasa konstruksi yang bertumpu ada tanah. Suatu konstruksi bangunan bagian paling bawah batuan. FUNGSI:
meneruskan beban yang ditopang oleh dan batuan yang terletak dibawahnya.
KR ITERI A PERANCANGAN I
Kapasitas daya dukung pondasi
KR ITERI A PERANCANGAN II
Deformasi an ter adi harus lebih kecil dari deformasi ijin St < St
St : penurunan seragam : 5 – 10 cm penurunan tidak seragam : 2 - 5 cm
JENI JE NI S-JENI S-JE NI S PONDASI
Untuk memilih ondasi an memadai erlu memperhatikan apakah pondasi itu cocok untuk berba ai keadaan di la an an serta dapat diselesaikan secara ekonomis sesuai adwal ker a m ma aka erlu ertimban an: a.Keadaan tanah pondasi . c.Batasan
dari sekelilingnya d.Waktu dan biaya pengerjaan
KLASIFIKASI P ONDASI OND ASI 1.
Pondasi dangkal on as yang e a amannya e a engan permu aan ana . Pondasi yang mendukung beban secara langsung. , . Syar Syarat at:: D/B D/B < 1
2.
Pondasi dalam Pondasi yang kedalamannya cukup jauh dari permukaan tanah. on as yang menerus an e an angunan e ana eras a u yang relatif lebih jauh dari permukaan. Ponda ondassi tian ian ondas ndasii sumu sumura ran n Syarat: D/B > 4 D : kedalaman pondasi B : lebar pondasi
PONDASI POND ASI M E MANJANG
Pondasi an di unakan untuk mendukun dinding memanjang atau mendukung sederetan kolom an ber arak dekat.
PONDASI TELAPAK
Pondasi an berdiri sendiri dalam mendukun kolom
PONDASI RAKI T
Pondasi an di unakan untuk mendukun bangunan yang terletak pada tanah lunak atau di unakan a abila susunan kolom arakn a sedemikian dekat di semua arahnya.
PONDASI SUMUR AN
Pondasi an di unakan a abila tanah dasar yang kuat terletak pada kedalaman yang relatif dalam. Bentuk eralihan antara ondasi dangkal dan tiang
PONDASI TIANG
Bila tanah ondasi ada kedalaman normal tidak mampu mendukung beban, sedangkan tanah keras terletak ada kedalaman an sangat dalam. yang cukup tinggi dipengaruhi settlement.
PONDASI TELAPAK
anah endukun ondasi terletak ada permukaan tanah atau 2 - 3 meter dibawah tanah
PONDASI TIAN G/ TIAN G APUNG (FLOATIN G) Bila tanah pendukung pondasi terletak pada kedalaman sekitar 10 meter dibawah permukaan tanah, untuk memperbaiki tanah pondasi dipakai tiang u , r u y dicor ditempat kurang ekonomis dan kurang panjang
PONDASI TIAN G PANCANG Bila tanah pendukung pondasi terletak pada kedalaman sekitar 20 meter dibawah permukaan tanah. Agar tidak terjadi penurunan digunakan tiang pancang, tetapi bila terdapat batu besar pada lapisan ,
PON DASI CAI SSON, TI AN G BA JA, TI ANG BETON Bila tanah pendukung pondasi terletak pada kedalaman + 30 m dibawah permukaan tanah. Bila kedalaman lebih dari 40 m dipakai tiang baja atau tiang beton yang di cor ditempat.
FASE-FASE K ERUN TUHAN PON DASI Untuk mempelajari perilaku tanah pada saat permulaan sampai mencapai eruntu an i a u an tinjauan ter a ap pon asi a u pada kedalaman dasar pondasi yang tidak lebih dari lebar pondasinya dengan penambahan beban secara berangsur-angsur.
FASE I Awal pembebanan tanah dibawah pondasi turun, terjadi e ormasi atera an verti a e awa . Penurunan yang terj i sebanding dengan besarnya beban tanah dalam kondisi keseimbangan elastis. Masa tanah di bawah pondasi mengalami komresi sehingga kuat geser tanah naik, sehingga daya dukung bertambah.
FASE I I Pada penambahan beban selanjutnya, penurunan tanah terbentuk tepat i asar pon asi an e ormasi p astis tana menja i dominan. Gerakan tanah pada kedududkan plastis dimulai dari tepi pondasi, dengan bertambah beban zona plastis berkembang,kuat geser tanah berkembang. Gerakan tanah ke arah lateral semakin nyata, sehingga terjadi .
FASE II I Fase ini dikarekteristikkan oleh kecepatan deformasi yang sema in ertam a seja an engan penam a an e an yang diikuti oleh gerakan tanah kearah luar sehingga permukaan tanah menggembung, sehingga tanah mengalami keruntuhan disebut bidang gesr radial dan linier.
M EKAN ISM E KERUNTUHAN Berdasarkan pengujian model vesic (1963) membagi mekanisme eruntu an pon asi menja i 3 macam: a. Keruntuhan geser umum (general shear failure) . c.
Keruntuhan penetrasi (penetration failure)
KERUN TUHAN GESER UM UM Keruntuhan yang terjadi pada tanah yang tidak mudah mampat, yang mempuntai e uatan geser tertentu atau a am ea aan terendam. Suatu ba i tanah terbentuk te at ada dasar ondasi zona A yang menekan ke bawah hingga aliran tanah sacara plastis pada zona B. Gerakan ke arah luar ditahan oleh tahanan pasif dibag C. , dipermukaan. Keruntuhan secara mendadak yang diikuti oleh penggulingan pondasi.
KER UN TUHAN GESER SETEMP AT Pola keruntuhan terjadi pada tanah yang mudah mampat atau tana yang una . Bi ang ge incir ti a mencapai permu aan tanah tetapi berhenti di suatu tempat. Pondasi tenggelam akibat bertambahnya beban pada kedalaman yang relatif dalam sehingga tanah yang didekatnya mampat. Terdapat sedikit penggembungan tanah, tetapi tidak terjadi . pertambahan bebanakan bertambah pula penurunannya sehingga beban maksimum mungkin tidak dicapai.
KER UN TUHAN GESER PENETRA SI Penggembungan permukaan tanah tidak terjadi, akibat pem e anan pon asi ergera e awa ara verti a engan cepat dan menekan tanah kesamping sehingga terjadi pemampatan tanah dekat pondasi. Penurunan bertambah secara linier dengan penambahan beban.
Lapisan tanah yang mempunyai pola keruntuhan ini; Lapisan pasir yang sangat lunak Lapisan tanah yang mudah mampat Lapisan tanah lunak yang mendapat pembebanan perlahan dan memungkinkan tercapainya kondisi drainase. Pola keruntuhan ini dapat juga terjadi apabila kedalaman pondasi (Df ) sangat besar bila dibandingkandengan lebarnya (B)
TEORI DAYA DUK UNG Persamaan-persamaan daya dukung yang berkaitan dengan sifat-sifat tanah, umumnya dibagi menjadi dua klasifikasi tanah, yaitu: tanah berbutir kasar (granular soil) Contoh tanah berbutir kasar adalah tanah pas r. a a sa u parame er pen ng ana pas r adalah sudut geser dalam, φ. (internal friction) Contoh tanah berbutir halus adalah tanah lempung . yang ada pada tanah ini adalah nilai kohesi tanah, c.
AN ALI SI S TERZAGHI Asumsi Terzhagi dalam menganalisis daya dukung : Pondasi memanjang tak terhingga Tanah di dasar pondasi dianggap homogen
rata sebesar q = D x γ, dengan D adalah kedalaman dasar pondasi, γ adalah berat volume tanah di atas dasar pondasi. Tahanan geser tanah di atas dasar pondasi diabaikan Dasar pondasi kasar linier Baji tanah yang terbentuk di dasar pondasi dalam keadaan elastis dan bergerak bersama-sama dengan dasar pondasinya. Pertemuan antara sisi baji dengan dasar pondasi membentuk . Berlaku prinsip superposisi
DAYA DUKUN G ULTIM ATE Pengaruh Bentuk Pondasi Terzhagi memberikan pengaruh faktor bentuk terhadap daya dukung ultimit yang didasarkan pada analisis pondasi meman an an ditera kan ada bentuk ondasi an lain: Pondasi menerus qu = c.Nc +q.Nq+ 0,4. γ.B.N γ Pondasi bujur sangkar: qu = 1.3 c.Nc +q.Nq+ 0,4. γ.B.N γ
qu = 1.3 c.Nc +q.Nq+ 0,3. γ.B.N γ Pondasi em at erse i an an : qu = c.Nc (1+0.3 B /L) + q.Nq + 0,5. γ.B.N γ (1-0.2 B /L)
qu : daya dukung ultimate c : kohesi tanah q = γ. Df : tekanan overburden pada dasar pondasi γ
Df : kedalaman pondasi B : lebar diameter ondasi L : panjang pondasi Nc ,Nq ,N γ : faktor daya dukung pondasi
Footing PerformanceVertical Load safe load maximum service ultimate load capacity
t n m e v o l a c i r e V
maximum tolerable settlement
Plastic
Serviceability Ultimate Limit State Maximum allowable load = min [safe load, max service load ]
Plunging Failure
Limit States
Serviceability Limit State Maximum load at which structure still performs satisfactorily : •Horizontal movement • Rotation •Sliding
Force (kN) Applied Load
Bearing Pressure Definitions Allowable Bearing Pressure q qa=< q Fs (settlement) /A
ult ult
fail fail
Rotational Failure
Soil Heave
Force
es s ance
Lines e emen passive
rigid radial s ear
log spiral
Local Shear Failure
heave only e emen
Medium dense or firm soils
Punching Shear Failure
No surface heave
e emen
Loose or Soft Soils
i • Full scale load tests • Load tests on model footings • Detailed stress analysis such as the FEM method
l i n f r
i hl
il
• Solutions with φ = 0 : –
ran t smoot punc : qult = .
c
– Prandtl rough punch : qult = 5.7c • Solutions with φ ≠ 0 : – Rough punch
passive
active log spiral
Bearing Capacity for real soils Exact, theoretical analytical solutions have only been computed for special cases - - e.g. soils with no weight, no frictional strength, or no cohesion, c. Approximate solutions have been derived by combining solutions for these special cases. The - mechanics. Others later modified this solution. The failure mechanism corresponds to general failure. Corrections are a lied to check for the ossibilit of local or punching shear failure.
Terzaghi’s Bearing Capacity Eqn. For strip footings: u
=
.
΄
c
ZD
΄ ΄
.
q
.
΄
΄
c
΄
γ
Terzaghi’s Bearing Capacity Eqn. For strip footings: u
=
.
΄
c
.
q
.
΄
Df c
γ
q = .D .Df ΄
B soil density, γ (kN/m3) ΄
Terzaghi’s Bearing Capacity Eqn. For strip footings: u
=
.
΄
c
.
q
.
΄
γ
• Bearing Capacity Factors for soil
cohesion, surcharge and weight • functions of friction an le • determine by equation or from graph
c
s e r g e D n i –
q
40
20 10
Ø
0 70
60
50
40
Nc and Nq
30
100 80 5.7 1.0
20
10
20 N
40
60
. 1973 1975
Based on theoretical and experimental work: u
=
.
΄
c cs c c c
c
.
q qs q
q
.
γ
γ s
΄
c
΄
γ γ
γ
General Bearing Capacity Eqn. u
=
.
΄
c cs c c c
c
.
q qs q
q
.
Df c
γ
γ s
γ γ
γ
q = .D = f .D ΄
B soil density, γ (kN/m3) ΄
΄
General Bearing Capacity Eqn. = c N N F F F F F F + N N F F F F F F + 0.5 BN N F F F F F ΄
• Bearing Capacity Factors for soil
cohesion, surcharge and weight • functions of friction an le • determine by equation or from graph
or a e .
General Bearing Capacity Eqn. qult = c N c F csF cd F ci + qN qF qsF qd F qi + 0.5 γBN γF γ sF γ d F γ i ΄
•
orrec on ac ors or oo ng s ape s , footing depth (d ) load inclination (i );
could have additional base , • determine from appropriate equations
T
l
50 45
N Hansen
40
) e e r 35 e d ( 30 e l g 25 n n 20 o i t c i r 15 F
Nc N γ Meyerhof q
5
1
10
100 Nc, Nq and N γ
1000
Wall on Strip Footing
’
Column on Square Footing
For nonnon-strip footings : cs , cq , s Failure lines
Failure lines
Wall on Strip Footing
Depth Factors For “buried” footin s : F cd , F qd , F d 1
q = .Df increased failure stren th enerall ne eng increases with depth
==
Inclination Factors
H = 423 kN
F ci , F qi , F i
1
Inclined load = 1000 kN , = o
Failure surface shallower and shorter
Terzaghi or General • General is more accurate • Applies to a broader range of loading and • General is more complicated
• Sebuah pondasi bujur sangkar dengan sisi 2.25 m diletakkan pada kedalaman 1.5 m ada asir< di mana arameter kuat esern a c’=0 dan ø= 38o. Tentukan daya dukung ultimit (a) bila muka air tanah berada di bawah elevasi pondasi, (b) jika muka air tanah berada pada ermukaan tanah. Berat isi asir di atas muka air tanah adalah 18 kN/m3, berat isi jenuhnya 20 kN/m 3. • Pondasi bujur sangkar qf = 0.4γBNγ + γDNq • ø= 38o Nγ = 67, Nq = 49 • qf = (0.4 x 18 x 2.25 x 67) + (18 x 1.5 x 49) = + = m • Daya dukung di bawah muka air: • qf = . γ’ – . = . m γ’ γ’ = γsat – γw = γ q • qf = (0.4 x 10.2 x 2.25 x 67) + (10.2 x 1.5 x 49) 2 = =
• Sebuah pondasi jalur didesain memikul beban 800 kN/m pada . . tersedia adalah c’=0 danø’=40 o. Tentukan lebar pondasi bila faktor keamanan = 3 dan diasumsikan mungkin muka air tanah mencapai 3, 3. . • ø’=40o Nγ=95 dan Nq=64 • = ½ ’BN + BN = (½ x 10.2 x B x 95) + (17 x 0.7 x 64) = 485B + 762 • qnf =qf – γD ; q n = q - γD ; F = qnf qn = 485B + 762 – (17 x 0.7) = (800/B) – (17 x 0.7) = = – – 1
•
(485 B + 750) =
800
− 12 B = 1.55 m
Ultimate Bearing Capacity of Shallow Footings with Concentric Loads
Ultimate Bearing Capacity with Ground Water Effect
Example: Determine the Allowable Bearing Capacity for A Rough Base Square Footing Usin A Safet Factor Of 3. d=D=5
T
B=6
= 125 pcf sub
=
pc
= 20 ° c = 500 sf
Solution: Assuming A General Shear Condition, Enter the Bearing Capacity , , c q N = 3. Also note that formula for bearing capacity must account for the square failure zone. ult
.
B L
c
1.3 500 14
9100 qult a
sub
63 5
T
sub
q
sub
125 63 5 6 0.4 63 6 3
3750
450
13,300psf q ult 3
.
13 , 300 3
,
Ca acit of Excavation of Soil Cover Over a Spread Footing?
q ult
cN c
P o N q
Properties and Dimensions
1/2
γ
BN
γ
Cohesive Soil
Cohesionless Soil
=0 c = 1000psf
= 30 c=0
qult (psf)
qult (psf)
5530
5400
(Assume Continuous Rough Footing)
= Unit Weight D = Footing Embedment B = Footin Width
A.
Initial Situation T = 120 pcf, D = 0, B = 5’, deep water table
B.
Effect of embedment D = 5’, 5’, deep water table
C.
D.
Effect of width, B = 10’, deep water table
T
T
= 120 pcf, B =
= 120 pcf, D = 0’,
Effect of water table at surface pcf, D = 0’, B = 5’
= 57.6
q ult
cN c
P o N q
Properties and Dimensions
1/2
γ
BN
Cohesive Soil
Cohesionless Soil
=0 c = 1000psf
= 30 c=0
qult (psf)
qult (psf)
(Assume Continuous Rough Footing)
= Unit Weight D = Footing Embedment B = Footin Width
A.
Initial Situation T = 120 pcf, D = 0, B = 5’, deep water table
5530
5400
B.
Effect of embedment D = 5’, 5’, deep water table
6130
17400
5530
10800
5530
2592
C.
D.
Effect of width, B = 10’, deep water table
T
T
= 120 pcf, B =
= 120 pcf, D = 0’,
Effect of water table at surface, pcf, D = 0’, B = 5’
sub
= 57.6
γ
STUDENT EXERCISE NO.5 Footing Bearing Capacity Objective: Find the Allowable Bearing Capacity Using a Safety Factor = 3, for the Condition Shown Below. Rough Base Footing 10
50
Final Grade 4′ ′
′
Sand = 115 cf φ = 35 ° C = 0
SOLUTION TO EXERCISE No. 5
Water Level Width
Length
50
Width
10
=
30 − 4 10
= 2.6
∴Use Rectangular Formula
= 2.6 > 1.5 Footin Widths Footing Base
below
∴
qult = γ DN q + 0.4γ BNγ
Qall =
= (115)(4)(37) + (0.4)(115)(10)(42) = 17 020 + 19 320 = 36,340 PSF
36,340 3
= 12,113 psf
How is bearing capacity theory related to the “rule of thumb” equation for stability; 6 C
SAFETY FACTOR =
H
Soft clay layer Com act Sand
γ
H
γ = Unit Weight
cohesion = C
