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)