Politechnika Krakowska - Instytut Geotechniki

Zakład Mechaniki Gruntów

i Budownictwa Ziemnego

WYKONANIE OZNACZENIA SPÓJNOŚCI I KĄTA TARCIA

WEWNĘTRZNEGO W APARACIE BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA – AB

Wprowadzenie

Wytrzymałość gruntu na ścinanie

τ

f

jest

to maksymalny opór, jaki stawia ośrodek

gruntowy naprężeniom ścinającym występującym w rozpatrywanym punkcie ośrodka po
powierzchni zwanej powierzchnią poślizgu.

Zgodnie z hipotezą Coulomba - Mohra wytrzymałość gruntów na ścinanie wyraża

równanie:

τ

f

=

σ

n

⋅

tg

φ

+ c

gdzie:

τ

f

– wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa],

σ

n

- naprężenie normalne do płaszczyzny ścięcia [kPa],

φ

- kąt tarcia wewnętrznego [º],

c

– spójność gruntu (kohezja) [kPa].

W przypadku gruntów niespoistych, gdzie kohezja c = 0 wzór przybiera postać:

τ

f

=

σ

n

⋅

tg

φ

b

a

0

τ

f

[kPa]

σ

n

[kPa]

c

φ

2

φ

1

Rys. 1. Zależność wytrzymałości gruntu na ścinanie (

τ

f

) od naprężenia normalnego (

σ

n

):

a - dla gruntów spoistych, b - dla gruntów niespoistych.

Znajomość parametrów charakteryzujących wytrzymałość gruntów na ścianie jest

niezbędna przy projektowaniu fundamentów, obliczaniu parcia na konstrukcje oporowe,
sprawdzaniu stateczności skarp i zboczy, projektowaniu zakotwień, itp.

VIII/1

Przebieg badania

Przyrządy:
a. aparat skrzynkowy AB (rys. 2)

Aparat skrzynkowy AB służy do wyznaczania parametrów wytrzymałościowych

gruntu: kąta tarcia wewnętrznego oraz kohezji. Aparat składa się z dwudzielnej skrzynki
metalowej (rys.2) w której umieszczona jest próbka gruntu NNS o wymiarach 6,0 x 6,0 x 2,0
cm.

SIŁA
PIONOWA
P

6

5

4

3

2

GRUNT

SIŁA
ŚCINAJĄCA
F

1

SIŁA
ŚCINAJĄCA
F

Rys. 2. Schemat skrzynki aparatu bezpośredniego ścinania: 1 – płytki oporowe, 2 – śruba mocująca,

3 – płytka przenosząca obciążenia normalne, 4 – filtr górny, 5 – filtr dolny, 6 – ramka dolna.

Badanie w aparacie AB polega na ścinaniu próbek gruntu w dwudzielnej skrzynce.

Badanie należy uznać za zakończone, gdy wartość wskazania czujnika siły zmniejszy się lub
nie zmieni się w trzech kolejnych odczytach (max przesuw 6 mm).

Wykonanie oznaczenia:
1 - połączyć dwie części skrzynki metalowej za pomocą śrub, na dnie umieścić płytkę

oporową;

2 - próbkę gruntu umieścić w skrzynce aparatu, a następnie przyłożyć drugą płytkę oporową;
3 - na samej górze umieścić płytkę przenoszącą obciążenie pionowe, a następnie nałożyć

ramę obciążającą z wieszakiem (25 kPa);

4 - przesunąć skrzynkę tak, aby stykała się z trzpieniem dynamometru;
5 - całkowicie wykręcić śruby łączące skrzynkę;
6 - uruchomić aparat z prędkością przemieszczania dolnej skrzynki względem górnej 1,0

mm/min; co 0,5 mm przesunięcia (co 30 s) notować wskazania czujnika dynamometru;

7 - jako kryterium ścięcia należy przyjąć sytuację, gdy wskazanie czujnika dynamometru

spadnie lub nie zmieni się w trzech kolejnych odczytach;

8 - po ścięciu próbki należy wyłączyć aparat;
9 - badanie należy powtórzyć dla kolejnych obciążeń normalnych (50, 100, 200 kPa).

VIII/2

Schemat obliczeniowy

1. Odczyty z czujników umieścić w tabeli:

σ

n

[kPa]

s

[mm]

a

[-]

A

f

= b

⋅

(b - s)

[m

2

]

F = a

⋅

0,0051

[kN]

τ

f

=F

max

/A

[kPa]

gdzie:

σ

n

– naprężenie normalne w płaszczyźnie ścięcia [kPa],

s – przesunięcie poszczególnych części skrzynki względem siebie [mm],

a – wskazania dynamometru [-],

A

f

– powierzchnia ścinania próbki [m

2

],

b – długość boku skrzynki = 6 cm,

F – siła ścinająca [kN],

τ

f

- wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa].

Do obliczeń należy przyjąć maksymalną wartość siły ścinającej odniesionej do

powierzchni ścinania w momencie, w którym ta siła wystąpiła po raz pierwszy.

2. Dla otrzymanych wyników sporządzić wykres zależności wytrzymałości gruntu na ścinanie
(

τ

f

) od obciążenia (

σ

n

).

3. Spójność badanego gruntu c obliczyć w [kPa] wg wzoru:

c =

2

1

1

2

1

1

1

1

2

)

(

)

(

∑

∑

∑

∑

∑

∑

=

=

=

=

=

=













−

−

N

i

N

i

i

i

fi

N

i

i

N

i

i

N

i

fi

N

i

i

N

σ

σ

τ

σ

σ

τ

σ

[kPa]

4. Kąt tarcia wewnętrznego

φ obliczyć w [º] wg wzoru:

φ

= arc tg

( )

2

1

1

2

1

1

1

∑

∑

∑ ∑

∑

=

=

=

=

=













−

−

⋅

N

i

N

i

i

i

N

i

N

i

fi

i

N

i

i

f

i

N

N

σ

σ

τ

σ

τ

σ

[

°]

gdzie:

σ

ni

- naprężenia normalne w poszczególnych badaniach [kPa],

τ

fi

– wartości wytrzymałości na ścinanie odpowiadające naprężeniom

σ

ni

[kPa],

N – liczba wykonanych ścięć.

VIII/3

VIII/4

σ

n

[kPa]

s

[mm]

a

[-]

A

f

= b

⋅

(b - s)

[m

2

]

F = a

⋅

0,0051

[kN]

τ

f

=F

max

/A

[kPa]