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