KATEDRA GEOTECHNIKI, GEOLOGII
I BUDOWNICTWA MORSKIEGO

9.

Badanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności w aparacie trójosiowego ściskania

Oznaczenie parametrów wytrzymałościowych gruntu w aparacie trójosiowego ściskania polega na
osiowym ściskaniu cylindrycznej próbki gruntu (naprężenie główne

σ

1

), przy stałym ciśnieniu bocznym

(

σ

3

=

σ

2

) i określonej prędkości odkształcenia (v

s

), aż do momentu osiągnięcia stanu granicznego bądź

umownego stanu granicznego. Mając wyniki badania (wartości naprężeń głównych

σ

1

i

σ

3

w momencie

osiągnięcia stanu granicznego) możemy wyznaczyć prostą graniczną wytrzymałości gruntu na ścinanie
wyrażoną wzorem (1).

c

tg

n

+

⋅

=

φ

σ

τ

(1)

gdzie:

τ

– wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa],

σ

n

– naprężenie w gruncie normalne do

powierzchni ścinania [kPa],

φ

– kąt tarcia wewnętrznego gruntu [

°

],

c – spójność gruntu [kPa].

Rys.9.1. Prosta Coulomba-Mohra.

Na podstawie badania w aparacie trójosiowego ściskania można wyznaczyć następujące parametry
wytrzymałościowe:

a)

u

φ

- całkowity kąt tarcia wewnętrznego [deg],

b)

u

c

- spójność całkowita [kPa],

c)

'

φ

- efektywny kąt tarcia wewnętrznego [kPa],

d)

'

c

- spójność efektywna [kPa],

e)

φ

- kąt tarcia wewnętrznego [kPa],

f)

c

- spójność [kPa],

Wybór metody badania należy dobrać odpowiednio do warunków gruntowych oraz stanu naprężenia,
jakie będą panowały w podłożu pod budowlą.

9.1

Sprzęt do badania

Aparat trójosiowego ściskania:

1

– urządzenie do pomiaru siły pionowej,

2

– odpowietrzenie komory,

3

– urządzenie do pomiaru odkształcenia osiowego

próbki,

4

– trzpień,

5

– tłok wywierający nacisk pionowy na próbkę,

6

– próbka gruntu,

7

– osłonka próbki z cienkiej gumy,

8

– podstawa pod próbkę,

9

– urządzenie do pomiaru i kontroli ciśnienia

wody w komorze,

10

– komora aparatu trójosiowego,

11

– przewody odwadniające próbkę gruntu,

12

– czujnik ciśnienia wody w porach próbki,

13

– czujnik zmiany objętości próbki,

Rys. 9.2. Schemat aparatu trójosiowego.

14

– urządzenie do pomiaru i kontroli ciśnienia wstecznego,

Badanie bez drenażu i bez konsolidacji
próbki

Badanie bez drenażu i bez konsolidacji lub
z konsolidacją, ale z pomiarem ciśnienia
wody w porach gruntu (u)

Badanie metodą uproszczoną z drenażem i z
konsolidacją próbki, polegające na ścinaniu
tej samej próbki przy coraz większych

σ

3

σ

n

2

9.2

Przygotowanie próbki gruntu do badań

9.2.1

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

9.2.2

W przypadku badania parametrów całkowitych bądź efektywnych dla różnych ciśnień

σ

3

powinno się

za każdy razem przygotować nową próbkę. Kiedy stosujemy metodę uproszczoną, możemy kolejne
ś

cinania przeprowadzać na tej samej próbce, podnosząc jedynie wartość

σ

3

.

9.2.3

Próbka do badania powinna mieć kształt cylindryczny, średnicę nie mniejszą niż 35 mm i wysokość od
1,85 do 2,25 krotności średnicy. Największa średnica ziaren nie powinna przekraczać 1/6 średnicy
próbki.

9.3

Wykonanie badania

9.3.1

Próbkę gruntu należy umieścić w aparacie trójosiowego ściskania i osłonić od zewnątrz szczelną
membraną z cienkiej gumy.

9.3.2

Następnie należy zamknąć komorę aparatu i napełnić ją cieczą (wodą destylowaną) tak aby wewnątrz
komory nie pozostały pęcherze powietrza.

9.3.3

W zależności od programu badań możemy poddać próbkę wstępnej konsolidacji. W tym celu zadajemy
ciśnienie konsolidacji

σ

3

, które działa izotropowo na próbkę. W czasie konsolidacji powinien być

otwarty odpływ wody z próbki. Po ustabilizowaniu się odkształceń możemy przejść do ścinania próbki.

9.3.4

Próbkę należy ścinać zwiększając na nią nacisk pionowy ze stałą prędkością odkształcenia.

9.3.5

Podczas ścinania należy dokonać przynajmniej 15 odczytów odkształcenia pionowego próbki oraz siły
pionowej P. Ponadto należy na bieżąco kontrolować ciśnienie

σ

3

w komorze.

9.3.6

Można uznać, że próbka uległa ścięciu gdy:
- w trzech kolejnych odczytach siła pionowa P jest taka sama bądź maleje,
- pionowe odkształcenie osiągnęło 15% wysokości próbki,

9.4

Wyniki badań

Z badania w aparacie trójosiowego ściskania otrzymujemy naprężenie główne

σ

3

oraz maksymalną siłę

ś

cinającą P

max

. Znając powierzchnię przekroju poprzecznego próbki A możemy wyznaczyć nacisk p

max

,

przy którym następuje ścięcie próbki:

A

P

p

max

max

=

Mając p

max

i

σ

3

możemy wyznaczyć

σ

1

:

max

3

1

p

+

=

σ

σ

W celu określenia parametrów wytrzymałościowych

φ

i c należy nanieść wyniki badania na wykres

zależności naprężenia ścinającego

τ

od naprężenia normalnego

σ

. Na osi odciętych zaznaczamy

naprężenia główne

σ

1

i

σ

3

(

σ

1

>

σ

3

) i kreślimy półokrąg o środku w punkcie O, przechodzący przez

punkty

σ

1

i

σ

3

. Tak samo postępujemy z wynikami ścinania tego samego gruntu przy coraz większych

ciśnieniach

σ

3

. Prosta styczna do powstałych w ten sposób kół Mohra jest prostą Coulomba. Parametry

φ

i c odczytujemy z wykresu w sposób przedstawiony na rysunku 9.3 lub obliczamy ze wzorów

podanych w normie.

3

Rys. 9.3. Wyznaczenie parametrów

φ

i c na podstawie badania w aparacie trójosiowego

ś

ciskania.