P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego
80-233 Gdańsk, ul. G. Narutowicza 11/12
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 (naprężenia główne
σ
1
i
σ
3
) możemy wyznaczyć
prostą graniczną wytrzymałości gruntu na ścinanie wyrażoną wzorem 1.
c
tg
+
⋅
=
φ
σ
τ
(1)
Gdzie:
τ – wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa],
σ – 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 obciążenia,
2
– odpowietrzenie komory,
3
– urządzenie do pomiaru odkształcenia osiowego
próbki,
4
– trzpień,
5
– tłok wywierający nacisk pionowy na próbkę,
6
– próbka gruntu,
7
– membrana z cienkiej gumy,
8
– podstawa pod próbkę,
9
– urządzenie do pomiaru i kontroli ciśnienia
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.
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
ścinania przeprowadzać na tej samej próbce, podnosząc 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
ścinającą 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
). Środek granicznego koła Mohra wyznaczamy z zależności podanej
na rysunku 9.3. Kreślimy okrąg 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.
Rys. 9.3. Wyznaczenie parametrów
φ i c na podstawie badania w aparacie trójosiowego
ściskania.
σ
n
0.5(
σ
1
–
σ
3
)