Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Ćwiczenie nr 4: Oznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności (skał) gruntów w próbie bezpośredniego ściskania

Mechanika gruntów i geotechnika, konspekt Prowadząca: mgr inż. Malwina Kolano

Wykonał: Paweł Sobczak

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii kierunek: Ochrona Środowiska studia zaoczne, rok II, semestr IV, grupa 2B

Data wykonania ćwiczenia: 16 marzec 2013 r.

Wstęp teoretyczny.

Wytrzymałość gruntu na ściskanie jest jednym z ważniejszych parametrów charakteryzujących stan graniczny gruntu. Jest wypadkową wielu czynników działających na grunt. Zawiera dwie składowe: spójność oraz kat tarcia wewnętrznego. Skały spoiste oraz sypkie zawilgocone przeciwstawiają się ścięciu dzięki tarciu wewnętrznemu oraz dzięki sile spójności spowodowanej istnieniem sił molekularnego przyciągania, sił wodnokoloidalnych i sił kapilarnych. Opór tarcia wewnętrznego jest zależny min. od:

• wymiary i kształtu ziaren oraz ich wzajemnej odległości,

• naprężeń efektywnych w szkielecie gruntu,

• wskaźnika porowatości,

• ciśnienia wody w porach.

Oporem tarcia wewnętrznego jest tarcie, jakie stawia dany grunt po zakończeniu konsolidacji przy określonym współczynniku porowatości e_k i określonym konsolidacyjnym naprężeniu normalnym σ_n. Dla skał spoistych i sypkich zawilgoconych zależność między wytrzymałością na ścinanie, tarciem wewnętrznym i spójnością określa równanie Coulomba:

τ=σ_n·tgϕ+c,

gdzie:

τ – naprężenie ścinające w płaszczyźnie ścinania, [Pa],

σ_n – naprężenie normalne do płaszczyzny ścinania, [Pa],

tgϕ – współczynnik tarcia wewnętrznego, [-],

ϕ – kąt tarcia wewnętrznego, [ °],

c – spójność, [Pa], dla skał suchych c=0.

Wartość kąta tarcia wewnętrznego zależy od wymiaru i kształtu ziaren, stopnia zagęszczenia i wilgotności.

Równanie Coulomba można przedstawić graficznie w postaci prostej przecinającej oś pionową τ w punkcie odległym od początku układu współrzędnych o wartość c i nachyloną pod kątem ϕ od osi odciętych σ.

Spójność właściwa jest to ciśnienie wewnątrz strukturalne, wynikające z sił wzajemnego przyciągania się cząstek gruntowych, zrównoważonego przez reakcję sił odpychających w warunkach zakończonej konsolidacji gruntu przy danym obciążeniu konsolidacyjnym. W tym stanie cząstki gruntu znajdują się warunkach równowagi statycznej. Jeśli chcemy je przesunąć względem siebie stycznie, trzeba pokonać opór tarcia od sił zewnętrznych i opór tarcia ciśnienia spójności właściwej (kohezja). Spójność charakteryzuje wytrzymałość na ścinanie.

c=σ_c·tgϕ_u,

gdzie:

c – spójność, kohezja właściwa, [Pa],

σ_c – ciśnienie spójności właściwej, [Pa],

tgϕ – współczynnik tarcia właściwego suwnego, [-],

c – spójność, [Pa], dla skał suchych c=0.

Spójność (kohezja) jest zależna od współczynnika porowatości e. Grunty sypkie, ziarniste bez cząstek iłowe mają spójność równą zero. W miarę wzrostu zawartości cząstek iłowych w gruncie, spójność wzrasta, gdyż w jednostce objętości wzrasta liczba cząstek.

Oprócz spójności właściwej w gruncie może działać spójność wskutek sił kapilarnych lub krystalizacji soli w porach gruntu. Opór gruntu wywołany tymi siłami w wielu przypadkach zwiększa opór spójności właściwej lecz łatwo zanika w razie nawadniania gruntu.

Laboratoryjne metody oznaczania kąta tarcia wewnętrznego i kohezji wykonuje się w aparacie bezpośredniego ścinania lub trójosiowego ściskania.

Sposób wykonania ćwiczenia.

Aparat trójosiowego ściskania umożliwia przeprowadzenie badania w trójosiowym stanie naprężenia. Badania przeprowadzamy na 4 próbkach gruntu spoistego o kształcie walca. Próbki wkładamy w osłonkę gumową, zakładamy wieczko górne i dolne oraz opaski uciskowe zabezpieczające przed dostaniem się wody do próbki. Próbki umieszczamy na podstawie komory aparatu, zakładamy klosz komory, dokręcamy i wypełniamy komorę wodą. Za pomocą sprężonego powietrza wywołujemy odpowiednie ciśnienie wszechstronne na próbkę. Badamy próbki zadając ciśnienie: 100, 200, 400 i 600 kPa.

Wartość ciśnienia wskazuje manometr. Zniszczenie próbki wywołujemy poprzez dociążanie jej za pomocą trzpienia, poprzez dynamometr. Zapisujemy wartości wskazań dynamometru (siły) co 30 sekund, ale uważnie obserwujemy wskazówkę dynamometru, aby zanotować najwyższą wskazywaną wartość lub zatrzymanie się wskazówki. Zwykle mamy do czynienia z tzw. kruchym zniszczeniem, podczas którego następuje znaczne przemieszczenie dwóch części próbki względem siebie i bardzo duży spadek wskazań dynamometru.

Zmniejszamy ciśnienie w komorze aparatu do zera, wypuszczamy wodę, odkręcamy śruby i wyjmujemy zniszczoną próbkę. Do osłonki gumowej wkładamy drugą próbkę i badamy ją przy innym ciśnieniu wszechstronnym. Po zbadaniu 4 próbek opracowujemy wyniki zgodnie z instrukcją w skrypcie.