Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

w Suwałkach

Instytut Poltechniczny

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Temat ćwiczenia:

Oznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności gruntów

w aparacie bezpośredniego ścinania

Numer ćwiczenia: 8

Laboratorium z przedmiotu:

Mechanika gruntów

Studia stacjonarne

Kod: BS5093

Suwałki 2013

1

1. WPROWADZENIE - DEFINICJE

1.1. Wytrzymałość gruntu jest to graniczna wartość naprężenia, przy którym następuje jego
zniszczenie lub pojawiają się nieograniczone odkształcenia.
1.2. Graniczna wytrzymałość gruntu na ścinanie

τ

f

określona jest warunkiem Coulomba-

Mohra:
- w gruntach spoistych

τ

σ φ

f

u

u

tg

c

=

+

, kPa,

- w gruntach niespoistych

τ

σ φ

f

u

tg

=

, kPa,

gdzie:

σ

- naprężenia normalne do płaszczyzny ścinania w momencie ścięcia, kPa,

φ

u

- kąt tarcia wewnętrznego gruntu,

°

,

c

u

- spójność gruntu, kPa.

Rys. 1. Wytrzymałość gruntu na ścinanie

1.3. Kąt tarcia wewnętrznego gruntu

φ

u

- wielkość charakteryzująca łączne opory

składowe: tarcia posuwistego i potoczystego, zazębiania się ziaren i opór materiału ziaren.
1.4. Spójność gruntu

c

u

- wielkość charakteryzująca powiązania wewnątrzstrukturalne,

wynikające z sił wzajemnego przyciągania się cząstek gruntowych.
1.5. Parametry wytrzymałościowe

φ

u

u

c

;

danego gruntu nie mogą być uważane za parametry

stałe; zależą one min. od: sposobu obciążenia, warunków konsolidacji, historii obciążenia,
przestrzennego układu cząstek, wytrzymałości strukturalnej. Warunki badań laborato -
ryjnych powinny możliwie dokładnie odwzorowywać warunki pracy gruntu w terenie.
1.6. Metody wyznaczania kąta tarcia wewnętrznego i spójności gruntu:
a) metoda penetrometru stożkowego - badanie wytrzymałości na ścinanie gruntów spoistych,
b) w aparacie bezpośredniego ścinania (skrzynkowym) - dla każdego ścięcia po wymuszonej
płaszczyźnie ścinania określa się naprężenia w płaszczyźnie ścięcia według wzorów:

- naprężenia normalne do płaszczyzny ścięcia:

σ

=

P

A

, kPa

- naprężenia styczne do płaszczyzny ścięcia:

τ

f

Q

F

=

, kPa

gdzie: P - siła normalna do płaszczyzny ścięcia , kN,
A

a

=

2

- pole powierzchni próbki , m

2

; a - bok próbki , m,

2

Q - maksymalna siła ścinająca lub siła ścinająca (

Q

10

) przy odkształceniu próbki

równym 10% a , kN,
F - pole powierzchni płaszczyzny ścięcia równe: F

a a

r

=

−

(

) lub

F

a

=

0 9

2

,

, m

2

,

r - przesunięcie ramki aparatu w stosunku do skrzynki w momencie ścięcia, m,
c) w aparacie trójosiowego ściskania - dla każdego ścięcia określa się naprężenia główne

σ σ

1

3

;

a naprężenia w płaszczyźnie ścięcia

σ τ

;

f

wyznacza się za pomocą kół Mohra.

2. CEL i ZAKRES

Ć

WICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest opanowanie umiejętności przeprowadzania

badania przy użyciu aparatu bezpośredniego ścinania, w celu określenia wytrzymałości
gruntu na ścinanie i wyznaczenia kąta tarcia gruntu niespoistego lub kąta tarcia wewnętrznego
i spójności gruntu spoistego.
Badanie w aparacie bezpośredniego ścinania wykonuje się dla próbek NNS gruntu spoistego,
można badanie to wykonywać także dla próbek gruntu niespoistego.

3. METODYKA BADA

Ń

- według PN-88/B-04481

3.1. metodą penetrometru stożkowego - badanie

τ

f

- p-t 7.1.1.

3.2. w aparacie skrzynkowym - badanie

φ

s

s

c

,

- p-t 7.2.2.

3.3. w aparacie trójosiowego ściskania - badanie

φ

, c - p-t 7.2.3.

4. WYMAGANIA BHP

- należy zachować ostrożność przy obciążaniu próbki - obciążniki na wieszak aparatu
bezpośredniego ścinania należy zawieszać naprzemianlegle podłużnymi szczelinami, by
zapobiec ich zsunięciu się,
- należy pozostawić porządek na stanowisku badawczym.

5. SPRAWOZDANIA STUDENCKIE

5.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest:
- zbadanie wytrzymałości na ścinanie gruntu niespoistego,

-

określenie kąta tarcia wewnętrznego gruntu niespoistego.

5.2. Opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu
- należy zaplanować i wypisać kolejność czynności (w punktach) oraz symbole wyników,
otrzymanych z kolejnych czynności.

3

5.3. Zestawienie wyników badań

5.3.1. Badanie makroskopowe rodzaju gruntu niespoistego ..............................................



5.3.2. Wyniki badania w aparacie skrzynkowym próbki pobranej w terenie:

Nr
obciążenia

σ

τ

f

[kPa]

[kPa]

Odczyt z czujnika

dynamom. [mm]

Siła Q*

[kN]

Bok a
[ m ]

Przesunięcie
skrzynki r [m]

Pole pow.
F [m

2

]

Wartość

τ

f

[kPa]

*

cechowanie odczytu na czujniku dynamometru: ………………………………………………………………….

5.4. Wnioski
5.4.1. Mając 5 par danych (

σ τ

;

f

) (lub dla gruntów niespoistych- 6 par - z punktem 0 o

współrzędnych (0,0)) sporządzić w skali wykres zależności

τ

σ

f

f

=

( ) w postaci

prostej typu y=ax+b. Z wykresu odczytać wartości

φ

s

i

c

s

(kąta tarcia wewnętrznego i

spójności, oznaczone metodą bezpośredniego ścinania w aparacie skrzynkowym).

5.4.2. Obliczyć wartości

φ

s

i c

s

ze wzorów na aproksymację punktów prostą:

a) dla gruntów spoistych:

∑













∑

−

∑

∑

∑

−

=

=

=

=

=

=

=

N

1

i

2

N

1

i

i

2

i

N

1

i

N

1

i

N

1

i

i

f

i

i

f

i

s

N

N

a

tg

σ

σ

τ

σ

τ

σ

φ

;

2

/

1

N

1

i

2

N

1

i

i

2

i

N

1

i

2
i

a

N

2

N

N

S





























∑













∑

−

∑

−

=

=

=

=

σ

σ

∆

φ

s

arctga

=

,

°

; S

S

s

a

s

φ

π

φ

=

180

2

cos

,

°

∑













∑

−

∑

∑

∑

∑

−

=

=

=

=

=

=

=

=

N

1

i

2

N

1

i

i

2

i

N

1

i

N

1

i

N

1

i

N

1

i

i

f

i

i

i

f

2

i

s

N

b

c

σ

σ

τ

σ

σ

τ

σ

, kPa;

2

/

1

N

1

i

2

i

a

b

s

c

N

S

S

S

























∑

=

=

=

σ

, kPa

gdzie:

∆

i

f

i

s

s

i

tg

c

=

−

−

τ

σ φ

, kPa,

b) dla gruntów niespoistych (c

u

=b=0):

∑

∑

=

=

=

=

N

1

i

2

i

N

1

i

i

f

i

s

a

tg

σ

τ

σ

φ

;

2

1

N

1

i

2

i

N

1

i

2

i

i

f

a

)

a

(

1

N

1

S

























∑

∑

−

−

=

=

=

σ

σ

τ

,

φ

s

arctga

=

,

°

; S

S

s

a

s

φ

π

φ

=

180

2

cos

,

°

.

4

5.4.3. Porównać wyniki otrzymane z wzorów i wykresu.
5.4.4. Sprawdzić rząd wielkości otrzymanych wyników według PN-81/B-03020 Rys.3. lub
Rys.4. i 5.

6. LITERATURA

PN-88/B-04481 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.

PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia
statyczne i projektowanie.
Myślińska E.: Laboratoryjne badania gruntów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
1992.
Pisarczyk S., Rymsza B.: Badania laboratoryjne i polowe gruntów. Wydawnictwa
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1990.
Steckiewicz R., Karska Z.: Laboratorium z mechaniki gruntów. Wydawnictwa Politechniki
Białostockiej, Białystok 1981.