Politechnika Wrocławska Studia magisterskie dzienne

Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Rok akademicki 2008/2009

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Rok studiów III, Semestr V

Zakład Geomechaniki i Budownictwa Podziemnego

Ćwiczenie laboratoryjne

Z Mechaniki Gruntów

BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI GRUNTU W APARACIE BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA

Wykonała: Agnieszka Kubis

Prowadzący: DR INŻ. MAREK KAWA

Wrocław 11.01.2009

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Definicja:

Wytrzymałość na ścinanie jest to zdolność gruntu do przeciwstawiania się zniszczeniu lub zbyt dużym odkształceniom. Jest to jeden z najważniejszych parametrów charakteryzujących stan graniczny gruntów.

Techniki badań:

-Badania polowe:

• Sonda ścinającą

• Ścinarka obrotowa

-Badania laboratoryjne

• aparat bezpośredniego ścinania - ścinanie na wymuszonej powierzchni w 1-osiowym stanie naprężenia

• aparat trójosiowego ściskania - ścinanie w 3-osiowym stanie naprężenia

Hipoteza Coulomba

Najstarszą a zarazem jedną z najlepszych formuł określających zjawisko ścięcia gruntu jest warunek podany przez Coulomba w 1773r. Przedstawia się go wzorem:

gdzie:

• wytrzymałość na ścinanie

• naprężenia normalne do płaszczyzny ścinania

• spójność (w gruntach sypkich c=0)

• kąt tarcia wewnętrznego

Zależność  od σ jest to prosta której nachylenie wyznacza kąt tarcia wewnętrznego, zaś na osi rzędnej wyznacza wartość spójności. Teoretycznie do jej wyznaczenia wystarczą dwa punkty, praktycznie wyznacza się ich kilka lub kilkanaście co daje dużo dokładniejsze wyniki.

Z hipotezy Coulomba korzysta się w przypadku nieskomplikowanych metod pomiarowych (np. przy badaniu wytrzymałości na ścinanie w aparacie skrzynkowym).

W gruntach sypkich, gdy c=0, wzór ten przybiera postać :

Zależność t_f od s_n przedstawia rysunek nr 1 . Jest to prosta, która wyznacza na osi rzędnych opór spójności, a nachylenie jej wyznacza kąt tarcia wewnętrznego. Do wykreślenia tej linii teoretycznie wystarcza znajomość 2 par naprężeń normalnych s_n1 , s_n2 i odpowiadających im maksymalnych naprężeń ścinających.

Rys. nr 1

W szybki sposób można je wyznaczyć np. w aparacie skrzynkowym. Natomiast w warunkach trójosiowego ściskania przy wyznaczaniu wytrzymałości na scinanie gruntów wykorzystuje się koło Mohra, obrazujące zależność pomiędzy naprężeniami występującymi podczas ściskania próbek gruntowych.( rys. nr 2 )

Rys. nr 2

Wyznaczenie parametrów wytrzymałościowych:

Do badania należy używać próbek w stanie najbardziej zbliżonym do stanu w jakim grunt będzie pracował w naturze. Próbki do badań powinny być tak pobrane aby płaszczyzna ścinania była równoległa do powierzchni terenu w miejscu ich zalegania w podłożu.

Ścięcia próbki należy dokonać po osiągnięciu stabilizacji osiadań (po zakończeniu osiadania

przy danym stopniu obciążenia). Pomiar osiadania próbki gruntu przeprowadza się do czasu, gdy różnica dwóch ostatnich odczytów czujnika nie przekracza 0,002 mm. Jeżeli potrzeby obliczeń statycznych nie podają innych warunków, to stosujemy dodatkowe obciążenie wynoszące 100, 150, 200, 300 i 400 kPa ( 1,0 1,5 2,0 3,0 i 4,0 kG/cm )

Ścinanie próbek wykonujemy jedną z dwóch metod:

1. M. Podstawową - prędkość przemieszczania nie przekracza 0,05 mm/min

1. M. Przybliżoną - prędkość przemieszczenia mieści się w granicach 0,5 - 1,2 mm/min.

Siłę ścinającą przypadającą na jednostkę powierzchni obliczamy z wielkości odkształcenia pierścienia dynamometru, skali pierścienia dynamometru i pola powierzchni ścięcia stosując wzór

τf = =

w którym: τ_f - wytrzymałość próbki na ścinanie (Pa)

a - wielkość odkształcenia pierścienia dynamometru w zakresie 0 - 1 mm.

b - skala dynamometru

Q_max - największa wartość siły ścinającej (N)

F - pole płaszczyzny ścięcia próbki gruntu (cm²)

W przypadku odkształcenia dynamometru większego niż jeden milimetr, lecz mniejszego niż dwa, wzór na naprężenie ścinające będzie miał postać :

τ_f = =

gdzie: b - siła wyw. odkształcenie pierścienia dynamometru równe 1 mm (N)

a' - wielkość odkształcenia pierścienia dynamometru powyżej 1 mm

b' - skala pierścienia dynamometru ( różnica siły wywołującej odkształcenia pierścienia dynamometru w zakresie od 2 do 1 mm (N/mm)

F - pole płaszczyzny ścięci próbki

W celu określenia kąta tarcia wewnętrznego i spójności badanego gruntu ustala się dla każdej próbki wartości naprężenia normalnego s_n i naprężenia ścinającego t_f w momencie zniszczenia próbki. Naprężenie normalne oblicza się ze stosunku wynikającego z ciężaru obciążników SP i pola przekroju poprzecznego próbki F₀, a więc :

• kąt tarcia wewnętrznego wyznacza się ze wzoru :

• spójność ze wzoru :

3. WNIOSKI

Do rozpoznania i badania w aparacie bezpośredniego ściskania mieliśmy 1 próbkę gruntu:

• Badany grunt to piasek drobny

• Dla piasku drobnego c powinno wynosić 0, u nas natomiast c=-10. Pomimo że badanie przeprowadzono w dość dokładnych warunkach laboratoryjnych otrzymane wyniki wartości c i φ nie są adekwatne dla badanego gruntu z powodu wyznaczenia ich na podstawie zbyt małej ilości ścięć próbki. Powinno się wykonać większą ilość pomiarów (przynajmniej 5).

• Zbyt mała skala rysunku uniemożliwia dokładne odczytanie wartości c i φ.

---