⚡ electrical engineering

Investigation on bearing capacity and settlement characteristics of square footings founded on geosynthetic-reinforced rubber–sand mixture

Deze studie toont via experimenten met schaalmodellen aan dat geocelversterking de draagkracht aanzienlijk verhoogt en de zetting van vierkante funderingen op rubber-zandmengsels vermindert, waarbij optimale prestaties worden bereikt door specifieke versterkingsdieptes en -afmetingen, met name bij het gebruik van grotere rubbergranulaten die profiteren van verbeterde interlocking binnen de geocelopeningen.

Oorspronkelijke auteurs: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Gepubliceerd 2026-08-12

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Jithin K M, Renjitha Mary Varghese

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je de grond onder onze voeten voor als een gigantisch, onzichtbaar matras. Wanneer we een huis of een weg bouwen, hebben we dat matras nodig dat stevig genoeg is om het gewicht te dragen zonder te diep weg te zakken, maar soms is de bodem te zompig. Dit is de wereld van de geotechnische engineering, waar wetenschappers bestuderen hoe de aarde onze constructies ondersteunt. Een kernconcept hierbij is "draagvermogen", wat gewoon een chique manier is om te vragen: "Hoeveel gewicht kan deze grond dragen voordat deze bezwijkt?" Een ander belangrijk begrip is "zetting", wat simpelweg is hoeveel de grond indrukt onder dat gewicht. Meestal willen ingenieurs dat de grond stijf en sterk is. Maar wat als we de grond met opzet méér zompig willen maken? Dat is waar een vreemd nieuw materiaal om de hoek komt kijken: het mengen van zand met versnipperd rubber van oude autobanden. Hoewel dit "Rubber-Zand Mengsel" (RZM) geweldig is voor het absorberen van trillingen tijdens aardbevingen, heeft het een irritante gewoonte: het is te zacht. Het zakt te gemakkelijk weg onder zware belastingen. Dus de grote vraag voor ingenieurs is: Kunnen we dit zompige, gerecyclede rubber-zandmengsel sterk genoeg maken om een gebouw te ondersteunen zonder de speciale schokabsorberende krachten te verliezen?

Dit artikel duikt in dat exacte puzzelstuk. De onderzoekers, Jithin K M en Renjitha Mary Varghese van het National Institute of Technology Calicut, besloten te spelen met een modelversie van de fundering van een gebouw die bovenop dit rubber-zandmengsel staat. Ze wilden zien of ze dit mengsel konden "verstevigen" met een speciale honingraatstructuur gemaakt van een kunststof gaas genaamd een "geocel". Denk aan een geocel als een gigantische, flexibele wafelijzer of een honingraat gemaakt van kunststof strips. Wanneer je de gaten met aarde vult, knijpen de wanden van de honingraat de aarde van alle kanten samen, waardoor het niet naar buiten kan wijken of wegzakken. Het team testte twee verschillende maten rubberbrokjes: piepkleine die ongeveer even groot zijn als zandkorrels, en grotere, brokkeliger stukken. Ze probeerden ook een plat kunststof net (een geogrid) onder de honingraat toe te voegen om te zien of die extra laag zou helpen.

Dit is wat ze ontdekten, en het is een beetje als een spelletje "Goldilocks" met de juiste grootte van het rubber en de juiste plaatsing van de honingraat. Eerst bevestigden ze dat het toevoegen van rubber aan zand de grond inderdaad zachter maakt. Als je het rubber-zandmengsel gewoon op een hoop gooit, zakt het veel meer weg dan gewone zand, vooral als de rubberstukjes klein zijn. Kleine rubberstukjes werken als kleine sponsjes die tegen elkaar aan worden gedrukt, waardoor het hele mengsel zeer samendrukbaar wordt. De onderzoekers ontdekten echter dat de honingraatstructuur (de geocel) een superheld is voor dit materiaal. Wanneer ze de geocel onder de fundering plaatsten, fungeerde het als een kooi die het rubber en het zand bij elkaar hield, zodat ze niet zo gemakkelijk konden indrukken. Dit verhoogde de hoeveelheid gewicht die de grond kon dragen en verminderde de zetting.

Maar de grootte van de rubberbrokjes maakte een groot verschil. De "Goldilocks"-bevinding was dat de grotere rubberbrokken (Type-II) veel beter werkten met de geocel dan de piepkleine (Type-I). Waarom? De onderzoekers leggen uit dat de grotere rubberbrokken groot genoeg zijn om in de gaten van de kunststof honingraat te blijven steken, een beetje zoals een grote steen in een hek komt te klem zitten. Deze "interlocking" (inklemming) maakt de hele structuur veel stijver. De kleine rubberbrokjes zijn daarentegen te klein om vast te komen zitten; ze glippen gewoon door de gaten, waardoor de honingraat ze niet zo stevig vasthoudt.

Het team experimenteerde ook met waar de honingraat geplaatst moest worden. Ze ontdekten dat als je de geocel direct onder de fundering plaatst, het niet goed werkt omdat de grond erboven niet zwaar genoeg is om omlaag te drukken en de wanden de grond te laten grijpen. Maar als je de geocel iets dieper begraaft (ongeveer 17% van de breedte van de fundering omlaag), werkt het perfect. Ze ontdekten ook dat de honingraat hoog genoeg moet zijn (ongeveer half de breedte van de fundering) om een goede hoeveelheid aarde vast te houden, maar als hij te hoog wordt, kan hij onder het gewicht knikken of buigen, wat de hulpwerking stopt.

Ten slotte probeerden ze voor de piepkleine rubberbrokjes die nog steeds te zompig gedrag vertoonden een trucje: het toevoegen van een plat kunststof net (geogrid) direct onder de honingraat. Dit fungeerde als een trampoline of een veiligheidsnet dat de rubberdeeltjes opving en voorkwam dat ze naar beneden vielen. Deze combinatie van de honingraat plus het net was een gamechanger voor het kleine rubbermengsel en gaf de sterkte aanzienlijk een boost.

Uiteindelijk suggereert de studie dat hoewel een rubber-zandmengsel van nature zacht is en de neiging heeft om weg te zakken, het kan worden omgevormd tot een sterk funderingsmateriaal als je de juiste versterking gebruikt. De honingraatstructuur is de sleutel, maar werkt het best als de rubberbrokken groot genoeg zijn om in het gaas te blijven steken. Als je kleine rubberbrokjes hebt, heb je dat extra veiligheidsnet eronder nodig om de beste resultaten te behalen. Dit onderzoek geeft ingenieurs een routekaart om gerecyclede banden te gebruiken op een manier die zowel milieuvriendelijk als sterk genoeg is om onze toekomstige gebouwen te ondersteunen.

Technische Samenvatting: Onderzoek naar de draagkracht en zettingskenmerken van vierkante funderingen op een met geosynthetica versterkt rubber-zandmengsel

Probleemstelling
De toenemende hoeveelheid afgedankte banden (End-of-Life Tyres, ELT) vormt een aanzienlijke milieuuitdaging, wat de noodzaak voor duurzame verwerkingsmethoden vergroot. Hoewel Rubber-Sand Mixtures (RSM) zijn opgekomen als een levensvatbaar geomateriaal voor toepassingen zoals seismische isolatie, licht vulmateriaal en taludsconstructies, roept hun gebruik als directe funderingslaag geotechnische zorgen op. De integratie van rubbergranulaten in zandmatrices leidt over het algemeen tot een verslechtering van de macroscopische mechanische stabiliteit, wat resulteert in een verminderde draagkracht en verhoogde samendrukbaarheid vergeleken met puur zand. Hoewel geosynthetische versterking (specifiek geocellen) bewezen effectief is bij het verbeteren van de prestaties van granulaire bodems, blijft de effectiviteit ervan bij het beperken van de samendrukbaarheid van RSM-lagen — en hoe deze effectiviteit varieert met de grootte van de rubbergranulaten — onvoldoende onderzocht. Deze studie adresseert de noodzaak om het last-zetting gedrag van ondiepe funderingen op geosynthetisch versterkt RSM te begrijpen en om optimale versterkingsparameters te identificeren.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van schaalverkleinde modeltests (1G) om de prestaties van een vierkante voet te evalueren die rust op RSM-lagen. De experimentele opstelling maakte gebruik van een stalen testtank (750 mm × 750 mm × 750 mm) met een wrijvingsloze interne bekleding.

Materialen: Rivierzand (Slecht Gesorteerd Zand, SP) werd gemengd met gegranuleerd rubber met een gewichtspercentage van 30%. Er werden twee verschillende typen rubber getest:
- Type-I: 1–4,75 mm granulaten (gemiddelde grootte 3,36 mm), vergelijkbaar met zandkorrels.
- Type-II: 4,75–12 mm granulaten (gemiddelde grootte 8,52 mm), aanzienlijk groter dan zand.
Versterking: Polypropyleen geogrids werden gebruikt voor de constructie van geocellen met een opening van 50 mm. Een geocel-geogrid combinatie (geogrid geplaatst aan de basis van de geocel) werd eveneens getest.
Schaalvergroting: Een lineaire schaalfactor van 10 werd gehanteerd. De modelvoet (breedte 150 mm, dikte 20 mm, staal) werd ontworpen om de buigstijfheid van een prototype betonnen voet (1,5 m breedte) te evenaren op basis van dimensionaliteitswetten.
Testprogramma: Plaatbelastingstests werden uitgevoerd om de druk-zetting respons te meten. De studie varieerde tussen:
- RSM-laagdikte ( $T/B$ -ratio's van 1, 1,25, 1,5).
- Geocel plaatsingsdiepte ( $u/B$ van 0 tot 0,5).
- Geocel hoogte ( $h/B$ van 0,17 tot 0,67).
- Geocel breedte ( $w/B$ van 1 tot 3).
- Versterkingstype (onversterkt, alleen geocel, en geocel-geogrid combinatie).
Prestatie-indicator: De Draagdrukratio (Bearing Pressure Ratio, BPR) werd berekend als de verhouding tussen de draagdruk in de versterkte/RSM-monsters en die van puur zand bij specifieke zettingsratio's ( $s/B$ ).

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

Impact van Rubbergrootte en Laagdikte:
- De introductie van rubbergranulaten verminderde de draagdruk en verhoogde de zetting vergeleken met puur zand.
- Type-I (kleinere granulaten) vertoonde een meer uitgesproken reductie in draagkracht (tot 40% reductie bij lage zetting) door toegenomen rubber-rubber contact, wat rubberachtige samendrukbaarheid induceerde.
- Type-II (grotere granulaten) vertoonde een minder sterke reductie in draagkracht (<10% bij lage zetting) omdat grotere holtes werden opgevuld door zand, waardoor zand-zand krachtketens behouden bleven.
- Het vergroten van de RSM-laaddikte verhoogde de samendrukbaarheid. Een optimale laaddikte gelijk aan de voetbreedte ( $T/B = 1$ ) werd geïdentificeerd.
Effectiviteit van Geocelversterking:
- Geocelversterking verbeterde de Draagdrukratio (BPR) aanzienlijk voor beide RSM-typen door passieve opsluiting via celwanden te bieden en wrijvingsweerstand te mobiliseren.
- Optimale Plaatsingsdiepte: Een diepte van $u/B = 0,17$ leverde de hoogste BPR op. Het plaatsen van de geocel direct onder de voet ( $u/B=0$ ) verminderde de effectiviteit door onvoldoende overbelasting voor wrijvingsmobilisatie, terwijl diepere plaatsing ( $u/B > 0,33$ ) leidde tot excessieve compressie van de bovenliggende RSM, wat de opsluitingsefficiëntie verminderde.
- Optimale Hoogte: Het vergroten van de geocelhoogte van $0,17B$ naar $0,5B$ verbeterde de BPR aanzienlijk. Verdere verhoging naar $0,67B$ bood slechts marginale winst door het knikken van de geocelwanden onder verticale belasting. Zo werd $h/B = 0,5$ als optimaal bepaald.
- Optimale Breedte: Een geocelbreedte die overeenkomt met de RSM-laagdikte ( $w/B = 3$ ) leverde de beste prestaties. Smallere geocellen vertrouwden op de samendrukbare RSM voor laterale begrenzing, terwijl de volledige breedte geocel zijdelings werd begrensd door het stijvere omliggende zand, waardoor het fungeerde als een homogeen lastverdelende laag.
Invloed van Deeltjesgrootte op Versterking:
- Type-II RSM behaalde consistent hogere BPR-waarden dan Type-I. De grotere rubbergranulaten (Type-II) vergrendelden effectiever met de geogridopeningen (6 mm) en celwanden, wat de passieve weerstand verbeterde.
- Type-I RSM vertoonde een lagere vergrendelingsefficiëntie door de kleinere deeltjesgrootte ten opzichte van de geogridopeningen.
Geocel-Geogrid Combinatie:
- Het toevoegen van een geogrid aan de basis van de geocel verbeterde de prestaties verder, met name voor Type-I RSM.
- Bij hoge zettingsratio's ( $s/B \approx 20\%$ ) verbeterde de geocel-geogrid combinatie de BPR met 17% voor Type-I en 7% voor Type-II vergeleken met alleen geocelversterking.
- De basale geogrid fungeerde als een spanningsmembraan, dat de neerwaartse beweging van kleinere rubberdeeltjes beperkte en de opsluiting verbeterde, een mechanisme dat minder kritisch was voor Type-II waar deeltjesvergrendeling al dominant was.
Oppervlaktevervorming (Opwelling):
- RSM-lagen vertoonden een aanzienlijk verminderde oppervlakteopwelling (58–70% reductie) vergeleken met puur zand, door het vullen van holtes door zanddeeltjes tijdens laterale stress.
- Geocel-geogrid versterking verminderde de opwelling verder met tot wel 86% vergeleken met puur zand, wat wijst op een verschuiving in het faalmechanisme.

Betekenis en Claims
De studie concludeert dat geosynthetische versterking een effectieve strategie is voor het gebruik van RSM als funderingsmateriaal, waarbij de ductiliteit van het materiaal wordt afgewogen tegen de noodzakelijke draagkracht. Het onderzoek benadrukt dat de prestaties van versterkt RSM sterk afhankelijk zijn van de grootte van de rubbergranulaten ten opzichte van de geometrie van de versterking. Specifiek:

Geocelversterking is essentieel om de hoge samendrukbaarheid van RSM te mitigeren.
Grotere rubbergranulaten (Type-II) profiteren meer van standaard geocelopsluiting door superieure vergrendeling.
Kleinere rubbergranulaten (Type-I) vereisen het aanvullende spanningsmembraaneffect van een basale geogrid om optimale opsluiting en zettingscontrole te bereiken.
De bevindingen suggereren dat voor RSM gebruikt in geotechnische seismische isolatiesystemen, de combinatie van geocel en geogrid effectief kan worden ingezet om de balans te beheren tussen de benodigde ductiliteit voor energieverdeling en de zettingslimieten die vereist zijn voor de bruikbaarheid van constructies.

Het artikel stelt geen nieuwe theoretische modellen of toekomstige toepassingen voor buiten de reikwijdte van deze modeltests, maar richt zich op het vaststellen van empirische ontwerpparameters (optimale diepte, hoogte en breedte) voor versterkte RSM-funderingssystemen.

Meer zoals dit