Badanie wytrzymałości gruntu na ścinanie
Wytrzymałością gruntu na ścinanie τf – nazywamy opór, jaki stawia grunt naprężeniom ścinającym, po pokonaniu, którego następuje zniszczenie struktury gruntu.
Wytrzymałość na ścinanie jest funkcją naprężenia normalnego σ oraz parametrów wytrzymałościowych gruntu, czyli:
τ = σ ⋅ tgφ + c
f
gdzie: ϕ – kąt tarcia wewnętrznego
c – spójność gruntu
Parametry wytrzymałościowe gruntu c i ϕ wyznacza się najczęściej na podstawie badań wykonywanych w aparacie bezpośredniego ścinania lub w aparacie trójosiowego ściskania.
ĆWICZENIE nr 4a
Badanie wytrzymałości gruntu w aparacie bezpośredniego ścinania
(skrzynkowym)
Badanie to polega na pomiarze wartości naprężenia ścinającego τ przy różnych wartościach naprężenia normalnego σ.
Przyrządy:
- aparat bezpośredniego ścinania,
- suwmiarka.
Przebieg badania:
Za pomocą suwmiarki określamy wymiary skrzynki, w celu wyznaczenia pola przekroju poziomego F.
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
Do dolnej części skrzynki wkładamy płytkę oporową a na niej umieszczamy bibułę filtracyjną. Następnie nakładamy górną część skrzynki mocując ją dwiema śrubami montażowymi.
Grunt przeznaczony do badania wkładamy do skrzynki lekko ubijając do poziomu około 1 cm poniżej górnej krawędzi skrzynki. Na powierzchni gruntu kładziemy bibułę filtracyjną a następnie płytkę oporową wraz z tłokiem.
Skrzynkę z gruntem umieszczamy w aparacie, przykładając poprzez wieszak obciążenie wywołujące średnie naprężenie normalne:
σ =
k
100 Pa (≈ 1,0 kg/cm2)
Po dwóch minutach uruchamiamy aparat i obserwujemy odkształcenie dynamometru mierzącego siłę ścinającą. Za moment ścięcia przyjmujemy maksymalne odkształcenie dynamometru εd wskazane przez czujnik zegarowy. Po wyłączeniu aparatu zdejmujemy obciążenie pionowe a górną część skrzynki cofamy do położenia pierwotnego. Badanie powtarzamy przy kolejnych wartościach naprężenia pionowego σ = 50, 100, 150 i 200 kPa odczekując zawsze 2 minuty od chwili przyłożenia obciążenia pionowego.
Obliczanie wyników:
Dla każdego badania określamy wartość naprężenia normalnego σ oraz naprężenia ścinającego τf. Uzyskane wartości nanosimy na wykres τ – σ w postaci punktów. Przez punkty odpowiadające poszczególnym badaniom przeprowadzamy linię prostą stanowiącą obwiednię wytrzymałości na ścinanie, jak to pokazano na rysunku.
Z położenia linii odczytujemy spójność c i kąt tarcia wewnętrznego ϕ.
τ [kPa]
150
100
50
ϕ
cu
σ [kPa]
0
50
100
200
300
400
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
Badanie wytrzymałości gruntu w aparacie trójosiowego ściskania
Badanie to polega na pomiarze wartości największego naprężenia głównego σ1 przy różnych wartościach najmniejszego naprężenia głównego σ3.
Przyrządy:
- aparat trójosiowego ściskania
- suwmiarka
Przebieg badania:
W celu określenia średnicy próbki Dp dokonujemy pomiaru wewnętrznej średnicy foremki. Mierzymy również średnicę tłoku Dt, przekazującego pionowe obciążenie na próbkę.
Na podstawę nakładamy krążek bibuły filtracyjnej a następnie zakładamy osłonę gumową, uszczelniając ją pierścieniami gumowymi. Po nałożeniu foremki i obciągnięciu osłony gumowej formujemy próbkę układając partiami grunt i lekko go ubijając. Na gruncie umieszczamy krążek bibuły filtracyjnej a następnie górny tłoczek, na którym uszczelniamy osłonę gumową. Zdejmujemy foremkę i nakładamy komorę przekręcając ją do podstawy.
Komorę wypełniamy wodą a po odpowietrzeniu ustalamy ciśnienie w komorze na poziomie σ3 = 100 kPa (≈ 1,0 kg/cm2). Uruchamiając silnik powodujemy wzrost obciążenia pionowego, które określamy na podstawie odkształcenia dynamometru pierścieniowego. Ścinanie prowadzimy do chwili ustabilizowania się odkształcenia czujnika dynamometrycznego εd.
Badanie takie powtarzamy przy kolejnych wartościach ciśnienia w komorze σ3 = 150, 200, 250 i 300 kPa.
Obliczanie wyników:
Dla każdej wartości ciśnienia w komorze σ3 obliczamy naprężenie σ1 ze wzoru: k ⋅ ε + F − F ⋅ σ
d
( p t) 3
σ =
1
Fp
gdzie: k – stała dynamometru; [kN/mm]
εd – odkształcenie dynamometru w chwili ścięcia; [mm]
Fp – pole przekroju próbki; [cm2]
Ft – pole przekroju tłoka; [cm2]
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
Dla każdej pary wartości σ1 i σ3 wykreślamy koło naprężeń Mohra, jak to pokazano na rysunku. Linia prosta, styczna do kół Mohra stanowi obwiednię wytrzymałości na ścinanie, na podstawie której określamy kąt tarcia wewnętrznego ϕ i spójność gruntu c.
τ [kPa]
ϕ
cu
σ3
σ1
σ [kPa]
0
PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com