BADANIA LABORATORYJNE GRUNTÓW
BADANIE W APARACIE
BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA
Opracowane na podstawie normy:
PKN-CEN 17892-10:2004
BADANIA LABORATORYJNE GRUNTÓW
BADANIE W APARACIE
BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA
Opracowane na podstawie normy:
PKN-CEN 17892-10:2004
TERMINY I DEFINICJE ZASTOSOWANE
W OPRACOWANIU
Badanie metodą bezpośredniego ścinania: badanie, podczas
którego próbkę gruntu- w postaci pryzmy o podstawie kołowej,
kwadratowej lub pierścienia poddaną obciążeniu normalnemu
do płaszczyzny ścinania, podpartą poziomo na obwodzie-ścina
się wzdłuż płaszczyzny poziomej
Badanie w aparacie skrzynkowym: Badanie metodą
bezpośredniego ścinania ,w którym próbka jest umieszczona w
sztywnej skrzynce(aparacie skrzynkowym), kwadratowej lub
okrągłej i podzielonej poziomo na pół
Badanie metoda ścinania okrętnego: badanie metodą
bezpośredniego ścinania, w którym pierścieniowa próbka
poddawana jest ścinaniu okrętnemu przy naprężeniu pionowym
Kąt tarcia wewnętrznego [φ]: kąt tarcia oznaczony z naprężeń
efektywnych
Kohezja(spójność) [c’]: spójność oznaczona z naprężeń
efektywnych
SPRZĘT: APARAT SKRZYNKOWY
Skrzynka aparatu powinna być kwadratowa lub kołowa i podzielona
na połowy zapobiegające poziomym odkształceniom
Oprzyrządowanie powinno być takie, aby po uwolnieniu
zabezpieczenia jedna połowa skrzynki przemieszczała się równolegle
do drugiej
Pokrywa skrzynki powinna być nieco mniejsza niż wewnętrzne
wymiary skrzynki i odpowiednio sztywna oby równomiernie
przenosiła obciążenie pionowe
Pokrywa obciążeniowa powinna być prowadzona przez łożysko, by
zapobiec przechyleniu się podczas ścinania
Skrzynkę aparatu należy umieścić w pojemniku(karetka) tak aby była
zanurzona w wodzie
Karetka powinna być oparta na łożysku o niskim tarciu
dopuszczającym przemieszczenia poziome
Aby uzyskać jednorodny rozkład naprężeń oraz aby umożliwić
swobodny drenaż wody przez próbkę na górnej i dolnej powierzchni
próbki należy umieścić płytki z szorstkim porowatym filtrem o
10-krotnie większej przepuszczalności niż próbka gruntu
Konwencjonalny aparat
skrzynkowy
Aparat z kontrolą
równoległości pokrywy
APARAT DO ŚCINANIA OKRĘTNEGO
Aparat powinien być skonstruowany tak, żeby
występowały w nim jedynie siły ścinające
Pierścienie powinny być na tyle sztywne, aby
zapobiegały promienistej deformacji próbki
Pierścienie pojemnika na próbkę powinny być
połączone w kąpieli wodnej, umożliwiającej
zanurzenie próbki w wodzie podczas badania
Do pierścienia dolnego i górnego mocuje się
porowate płytki( kamienie filtracyjne) o takich
samych właściwościach jak w aparacie
skrzynkowym
Aparat ścinania okrętnego powinien zawierać
urządzenie do zadawania naprężeń pionowych
SPOSÓB OBCIĄŻENIA PRÓBKI
Podczas ścinania należy utrzymywać stałe
obciążenie normalne
Ścięcie powinno być osiągnięte przy stałym
przemieszczeniu poziomym lub obrotowym
Gdy chcemy zbadać maksymalne naprężenie
ścinające, ścinania można dokonać poprzez
stałe zwiększanie obciążenia ścinającego
Minimalne poziome przemieszczenie próbki
powinno być równe około 20% długości lub
średnicy próbki lub 30 mm przemieszczenie
skrętne
POMIARY SIŁY I PRZEMIESZCZENIA
SIŁA
Siłę pionową należy zmierzyć z dokładnością 3% lub
2,5N w zależności która wartość większa(jeżeli
tarcie między dwiema połowami aparatury jest
większe niż 3% siły ścinającej w momencie
zniszczenia, należy dokonać odpowiedniej poprawki
na siłę ścinającą)
Odczytu dokonujemy z zegara, stała stalowej obręczy
podana jest na aparacie i wynosi np. 113,56kG/mm
tak więc jeśli obręczy wygnie się o 0,05mm to
zadziałaliśmy siłą 5,86kG
Przemieszczenia
Przemieszczenia poziome i pionowe należy zmierzyć z
dokładnością odpowiednio 0,02 i 0,002mm
PRÓBKI
Typy próbek
Badanie należy przeprowadzać na próbce jednorodnej
wyciętej z próby o nienaruszonej strukturze lub
przygotowanej z materiału gruntowego możliwie
najlepiej odzwierciedlającego warunki in situ
Należy przygotować trzy podobne próbki z gruntu
spoistego o nienaruszonej strukturze
Grunty niespoiste powinny być odpowiednio duże, by
można było uzyskać z nich trzy osobne próbki
Gdy wytrzymałość na ścinanie materiału
niespoistego(gruboziarnistego) ma być oznaczona w
funkcji wskaźnika porowatości e, należy wykonać
przynajmniej 5 badań ze stałym prostopadłym
naprężeniem σ’ oraz różnymi wstępnymi wskaźnikami
porowatości ℮o
WYMIARY PRÓBKI
Aparat skrzynkowy
W przypadku próbek kwadratowych szerokość próbki
powinna wynosić 60mm, a w przypadku cylindrycznych
średnica D 70mm
Minimalna wysokość próbki 10mm. Największy wymiar
ziaren mniejszy niż 1/5H próbki
H/a lub H/d nie powinien przekraczać 1/3
Aparat do ścinania okrętnego
Minimalna zewnętrzna średnica powinna wynosić
Da=90mm
Minimalny stosunek średnicy wewnętrznej do zewnętrznej
Di/Da=0,5
Stosunek wysokości(H=10mm) do szerokości
pierścieniowej próbki powinien wynosić
H/((Da-Di)/2)≤1
PRZYGOTOWANIE PRÓBKI
Podczas przygotowania próbki górna i dolna część aparatu
skrzynkowego lub aparatu do ścinania okrętnego powinna być
przymocowana, by uniknąć przemieszczeń tych dwóch części
względem siebie. Aby zapobiec naprężeniom ścinającym na
wewnętrznych powierzchniach i tarciu pomiędzy dwiema
połowami aparatu skrzynkowego, należy zastosować cienką
warstw smaru silikonowego lub żel ropopochodny na
wewnętrzne powierzchnie aparatu skrzynkowego lub ramę oraz
na powierzchnie kontaktu między dwiema połowami skrzynki
lub ramy
Próbkę należy przyciąć i umieścić w aparacie skrzynkowym, tak
aby zminimalizować jej naruszenie oraz uniemożliwić utratę lub
przyrost wilgoci
Należy przygotować homogeniczną próbkę z materiału
przebudowanego tak, aby jak najlepiej odzwierciedlić warunki
in situ, czyli gęstość, wilgotność i strukturę gruntu
Próbkę należy zważyć z dokładnością do 0,01g
PROCEDURA BADANIA
Konsolidacja
-Naprężenia pionowe σ należy zadawać bez zakłóceń i tak
szybko jak to możliwe
-Stoper należy włączyć natychmiast po zadaniu obciążenia,
a odkształcenia pionowe zanotować w takich odstępach
czasu aby pozwoliły na sporządzenie wykresu odkształceń
pionowych od pierwiastka kwadratowego czasu
-Odczyty należy kontynuować aż nanoszone na wykres
odczyty wykażą, że wstępna konsolidacja zakończyła się.
Dla suchych i nawodnionych piasków nie dokonujemy
odczytów
-Wykres pierwiastka kwadratowego czasu należy stosować
do rozciągnięcia w przybliżeniu liniowej części
wykresu(która znajduje się zaraz po czasie zero do 50%
wstępnej konsolidacji) ku dołowi
-Należy oznaczyć przecięcie się tej linii z prawie poziomą linia
przechodzącą przez punkty końcowe krzywej konsolidacji
wstępnej oraz odczytać wartość (√t100)na osi pierwiastka
kwadratowego
Minimalny czas do zniszczenia, czyli do mobilizacji
maksymalnej wytrzymałości na ścinanie przez próbkę
tf, należy obliczyć ze wzoru:
t
f=12,7*
t
100
Maksymalny przyrost przemieszczenia przy ścinaniu
należy obliczyć ze wzoru:
V
=
S
f
/t
f
V-maksymalny przyrost przemieszczenia przy ścinaniu
Sf- oszacowane poziome odkształcenie w chwili
zniszczenia
t
f- czas do zniszczenia
W przypadku gruntów nasyconych przyrost
przemieszczenia nie powinien przekraczać tego
oznaczonego według wzoru, dla gruntów
nienasyconych nie powinien przekraczać 0,5mm/min
Ścinanie
Przed ścinaniem należy utworzyć prześwit miedzy
połówkami aparatu, aby zapobiec tarciu(grunty
drobnoziarniste 0,5mm, piaszczyste 1mm)
Próbkę należy ścinać przy stałej prędkości poprzez
przemieszczenie jednej połówki aparatu skrzynkowego
lub pierścienia względem drugiej połowy
Podczas ścinania przemieszczenie, zmiana wysokości i
siła ścinająca lub skrętna powinny być oznaczone tak,
by możliwe było przynajmniej 20 odczytów do
momentu obciążenia maksymalnego.
Badanie należy zakończyć, gdy:
-widoczne jest przekroczenie odkształcenia przy
obciążeniu szczytowym
lub
- gdy poziome przemieszczenie osiągnęło 20% średnicy
lub szerokości próbki
Aby oznaczyć resztkową wytrzymałość na ścinanie
τ stosuje się następujące kryteria:
-dla badania w aparacie skrzynkowym, kiedy po
powtarzającym się odwróceniu kierunku ścinania,
nie notuje się spadku wytrzymałości na ścinanie
pomiędzy dwoma subiektywnymi etapami
ścinania.
-dla badania w aparacie do ścinania okrętnego,
poruszający się okrągły pierścień jest przekręcany
stale do momentu gdy nie obserwuje się spadku
wytrzymałości na ścinanie. Przyrost
przemieszczenia można zwiększyć trzykrotnie po
osiągnięciu maksymalnego ścinającego.
Próbkę należy przenieść z aparatu skrzynkowego
na małą tace, tak aby nie utracić gruntu
Próbkę należy zważyć i wysuszyć. Wilgotność
końcową wyznaczyć zgodnie z CEN ISO/TS 17892-1
WYNIKI BADANIA
Wilgotność
Wilgotność początkową należy obliczyć
zgodnie z CEN ISO/TS 17892-1 z początkowej
masy próbki
mo[g]
i z końcowej masy
szkieletu gruntowego
md[g]
Początkowa gęstość szkieletu gruntowego
ρ=md/A*Ho
A-Pole próbki
Ho-początkowa wysokość próbki
Początkowa gęstość objętościowa [ρ]
ρ=m/A*Ho
Początkowy wskaźnik porowatości [℮o]
℮o=ρs/ρd-1
Początkowy wskaźnik nasycenia (jeśli
wymagany)
Sro=(wo*ρs)/(℮o*ρd)
Wskaźnik porowatości podczas badania
Wskaźnik porowatości ℮ należy obliczyć pod
koniec konsolidacji i na końcu ścinania (jeśli
wymagany)
℮=℮o-(∆H/Ho)(1+℮o)
Naprężenia ścinające
Dla każdego zbioru danych uzyskanego
podczas ścinania , naprężenia ścinające na
powierzchni ścinania τ można obliczyć ze
wzoru
τ=P/A
P- siła ścinająca pozioma
A- początkowe pole próbki
Kumulacyjna deformacja pionowa
Kumulacyjna deformacja pionowa powinna
być obliczona dla każdego zbioru odczytów w
odniesieniu do danych odpowiadających
pierwotnej wysokości próbki
SPORZĄDZANIE WYKRESÓW
Dla każdej próbki przy pojedynczym badaniu
należy sporządzić następujące wykresy:
Wykres zależności τ na osi rzędnych od
przemieszczenia poziomego na osi odciętych
Wykres zmiany wysokości na osi rzędnych
względem przemieszczenia poziomego na osi
odciętych
Dla każdego badania ścinania, wykres
maksymalnego naprężenia ścinającego τf na osi
rzędnych względem odpowiadającego
naprężenia konsolidacji σ, oba w takiej samej
skali liniowej
Aby oznaczyć kat tarcia φ’ w funkcji wskaźnika porowatości,
należy sporządzić wykres zależności wytrzymałości na ścinanie
względem początkowego wskaźnika porowatości dla badań
przeprowadzonych przy różnych początkowych wskaźnikach
porowatości, ale przy tych samych naprężeniach konsolidacji.
SPRAWOZDANIE Z BADANIA
Sprawozdanie z badania powinno potwierdzać, że badanie
przeprowadzono zgodnie z normą CEN ISO/TS 17892-10:2004 oraz:
dane identyfikacyjne próby poddanej badaniu
lokalizację i orientacje badanej próbki w próbie oryginału
Metodykę przygotowania próbki
Użytą metodę
Początkowe wymiary próbki
Początkową wilgotność, gęstość objętościową i gęstość właściwą
szkieletu gruntowego
Początkową porowatość i stopień nasycenia
Tabelaryczne dane dla każdej próbki o zadanym naprężeniu,
maksymalnym naprężeniu ścinającym i odpowiadającym mu
przemieszczeniu poziomemu
Tempo przemieszczania poziomego
Wykresy graficzne
Kąt tarci φ’(resztkowy kąt tarcia φr’ gdy oznaczony) oraz spójność
c’
PODSUMOWUJĄC
OPERAT DO BADANIA
Nr
obciążenia
σ
[kPa]
τ
f
[kPa]
Odczyt z
czujnika
Dynamom
etru
[mm]
Siła Q*
[kN]
Bok
[m]
Przesunięc
ie skrzynki
r
[m]
Pole
powierzch
ni F [m
2
]
Wartość
Tf
[kPa]
*cechowanie odczytu na czujniku:
1mm=58kG=58x9,81N=568,98N=568kN
Wyniki badań w aparacie skrzynkowym próbki pobranej w terenie:
Przykład
Nr
obciążenia
σ
[kPa]
τ
f
[kPa]
Odczyt z
czujnika
Dynamom
etru
[mm]
Siła Q*
[kN]
Bok a
[m]
Pole
powierzch
ni F [m
2
]
Wartość
τ
f
[kPa]
1
100
0.05
0.64
0.08
0.0064
81
2
150
0.07
0.96
0.08
0.0064
109
3
200
0.09
1.28
0.08
0.0064
145
4
250
0.11
1.60
0.08
0.0064
173
5
300
0.13 1.92
0.08
0.0064
201
