KATEDRA GEOTECHNIKI, GEOLOGII 
I BUDOWNICTWA MORSKIEGO 

8.

 

Badanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności metodą bezpośredniego ścinania 

Badanie parametrów wytrzymałościowych gruntu metodą bezpośredniego ścinania polega na pomiarze 
wartości  sił  potrzebnych  do  przesunięcia  jednej  części  próbki  gruntu  względem  drugiej  przy  różnych 
poziomach  naprężenia  normalnego  do  powierzchni  ścinania.  Próbkę  umieszcza  się  w  ramce  aparatu 
skrzynkowego  i  poddaje  naprężeniu  normalnemu 

σ

n

.  Po  osiągnięciu  wstępnej  konsolidacji  lub  bez 

konsolidacji  uruchamia  się  mechanizm  przesuwu  ramek  względem  siebie  ze  stałą  prędkością 
odkształcenia.  W  trakcie  przesuwania  ramek  mierzy  się  wartość  siły  ścinającej  i  przemieszczenia 
poziomego.  Na  podstawie  wyników  kilku  badań  (co  najmniej  trzech)  możemy  wyznaczyć  prostą 
Coulomba, którą opisuje wzór (1). 

c

tg

f

+

⋅

=

φ

σ

τ

   

 

(1) 

Gdzie: 

τ

f

 – wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa], 

σ

 – naprężenie normalne w gruncie [kPa], 

φ

 – kąt tarcia wewnętrznego gruntu [

°

], 

c – spójność gruntu [kPa]. 

 

Rys.8.1. Prosta Coulomba

 

Na  podstawie  badania  w  aparacie  skrzynkowym  można  wyznaczyć  następujące  parametry 
wytrzymałościowe: 

a)

 

s

φ

 

- właściwy kąt tarcia wewnętrznego [

°

], 

b)

 

s

c

 - spójność właściwa [kPa], 

c)

 

us

φ

 - kąt tarcia wewnętrznego bez drenażu 

 i konsolidacji, 

d)

 

us

c

 - spójność bez drenażu i konsolidacji, 

Wybór metody badania należy dobrać odpowiednio do warunków, które będą panowały w gruncie pod 
budowlą. Indeks „s” oznacza, że parametry są określone w aparacie skrzynkowym. 

8.1

 

Sprzęt do badania 

a)

 

Aparat skrzynkowy: 

1a 

– dolna ramka, 

1b

 – podstawa skrzynki, 

2

 – górna ramka, 

3

 – badana próbka, 

4 

– filtr dolny, 

5 

– płytka oporowa, 

6

 – płytka przekazująca obciążenie  

normalne, 

7

 – śruby łączące obie ramki 

(wykręcane przed ścinaniem), 

8

 – śruby do regulacji odstępu  

między ramkami, 

Rys. 8.2. Schemat aparatu skrzynkowego. 

Powolne ścinanie próbek skonsolidowanych  

i z odpływem wody z próbki 

 

Szybkie ścinanie próbek bez wstępnej 

konsolidacji

 

 

 

2

b)

 

System przykładania obciążenia: 

- 

obciążenie prostopadłe powinno być stałe podczas ścinania, 

- 

ś

cinanie musi być osiągnięte przez stałe poziome przemieszczanie ramek względem siebie, 

-

 w aparacie skrzynkowym powinno być możliwe osiągnięcie przemieszczenia poziomego o wartości 

25% długości próbki. 

8.2

 

Przygotowanie gruntu do badań 

8.2.1

 

Badanie należy przeprowadzić na próbce NNS lub przygotowanej w sposób odzwierciedlający najlepiej 
jak to możliwe warunki in situ.

 

8.2.2

 

Należy przygotować minimum trzy próbki do badań dla różnych stopni obciążenia normalnego. 

8.2.3

 

Długość  boku  kwadratowej  próbki  powinna  wynosić  60  mm  natomiast  wysokość  nie  powinna  być 
mniejsza  niż  10  mm.  Największy  rozmiar  ziaren  w  próbce  nie  powinien  przekraczać  1/5  wysokości 
próbki.

 

8.3

 

Wykonanie badania 

8.3.1

 

Próbkę należy umieścić w aparacie bezpośredniego ścinania.

 

8.3.2

 

W zależności od programu badań możemy poddać próbkę wstępnej konsolidacji. W tym celu zadajemy 
naprężenie  konsolidacji,  które  jest  równe  naprężeniu  pionowemu 

σ

n

.  Po  ustabilizowaniu  się  osiadań 

możemy przejść do ścinania próbki. 

8.3.3

 

Przed  ścinaniem  ramkę  górną  nad  dolną  należy  unieść  o  0,5  mm  dla  gruntów  drobnoziarnistych  lub  
1 mm dla gruntów piaszczystych. 

8.3.4

 

Próbkę należy ścinać przy stałej prędkości przemieszczania się ramki względem skrzynki. 

8.3.5

 

Podczas  ścinania  należy  dokonać  przynajmniej  20  odczytów  przemieszczenia  poziomego  i  pionowego 
próbki oraz siły ścinającej. 

8.3.6

 

Można uznać, że próbka uległa ścięciu gdy: 

- w trzech kolejnych odczytach siła ścinająca jest taka sama bądź maleje, 
- poziome odkształcenie osiągnęło 20% wymiaru poziomego próbki, 

8.3.7

 

Po wykonaniu ścinania próbkę należy zważyć i oznaczyć jej wilgotność.

 

8.4

 

Wyniki badań 

Maksymalne naprężenie ścinające na powierzchni ścinania 

τ

f

 należy obliczyć ze wzoru (2). 

A

Q

f

=

τ

   [kPa] 

(2) 

gdzie: 

Q – największa wartość poziomej siły ścinającej [N], 
A – pierwotne pole przekroju poziomego próbki [cm

2

], 

W  celu  określenia  parametrów  wytrzymałościowych 

φ

  i  c  należy  nanieść  wyniki  badania  na  wykres 

zależności  naprężenia ścinającego 

τ

f

 od naprężenia  normalnego 

σ

n

. Punkty aproksymujemy do  funkcji 

liniowej. Parametry 

φ

 i c odczytujemy z wykresu w sposób przedstawiony na rysunku 8.1. Parametry te 

można oszacować również w sposób analityczny, stosując metodę najmniejszych kwadratów: 

∑

∑

∑

∑ ∑

=

=

=

=

=

−

−

=

N

i

i

N

i

i

N

i

N

i

N

i

fi

i

i

fi

s

N

N

arctg

1

2

2

1

1

1

1

)

(

)

(

σ

σ

τ

σ

σ

τ

φ

; 

∑

∑

∑ ∑

∑

∑

=

=

=

=

=

=

−

−

=

N

i

i

N

i

i

N

i

N

i

fi

i

i

N

i

fi

N

i

i

s

N

c

1

2

2

1

1

1

1

2

1

)

(

)

(

)

(

σ

σ

τ

σ

σ

τ

σ

 

(3, 4)