WA
AŚCIWOŚCI MECHANICZNE GRUNTÓW
Właściwości mechaniczne opisują zachowanie się gruntów podczas procesu
obciążania i odciążenia oraz definiują ich wytrzymałość. Ustalenie tych zależności
jest możliwe wyłącznie na drodze doświadczalnej.
Do właściwości mechanicznych gruntów zalicza się ich ściśliwość (odkształ-
calność) i wytrzymałość na ścinanie.
ŚCIŚLIWOŚĆ GRUNTÓW
Pod działaniem obciążenia grunt ulega odkształceniom. Odkształcenie gruntu
(ośrodka rozdrobnionego) polega na zmniejszeniu objętości w wyniku ściskania
i wyciskania gazów (przeważnie powietrza) i wody wypełniających pory grunto-
we, przemieszczania się ziaren i cząstek stałych względem siebie i zgniataniu
niektórych z nich oraz na sprężystym odkształcaniu wody błonkowatej w punk-
tach kontaktowych i samych cząstek. W gruntach odkształcenie w przeważającej
części jest powodowane zagęszczaniem się masy gruntowej. Skały lite natomiast
na ogół odkształcają się w wyniku sprężystego odkształcenia materiału.
Omawiana zdolność gruntu do zmniejszania objętości pod wpływem obciąże-
nia nazywa się ściśliwością.
W przypadku gruntów słabo przepuszczalnych wyciskanie wody z porów wy-
maga odpowiednio długiego czasu i dlatego grunty spoiste osiadają znacznie wol-
niej niż grunty niespoiste (sypkie) o dużym współczynniku filtracji k, które osia-
dają praktycznie natychmiast po przyłożeniu obciążenia. Przy zmniejszeniu się
obciążenia następuje częściowe odprężenie gruntu (odkształcenie sprężyste �s), czyli
zwiększenie się objętości oraz pozostaje odkształcenie nieodwracalne (odkształcenie
trwałe �t). Odkształcenia sprężyste wynikają z właściwości sprężystych cząstek
stałych gruntu i wody błonkowatej oraz ze zmniejszenia objętości gazów za-
mkniętych w porach gruntu. Odkształcenia trwałe powstają wskutek przemieszcza-
nia się i kruszenia cząstek gruntu, zmniejszania się porów w gruncie i usunięcia z
nich wody i gazów.
Uwzględniając stałość szkieletu gruntowego, osiadanie gruntu można okre-
ślić zmianą wskaz
nika porowatości e. Zależność tę przedstawia się wykreślnie w
postaci h, e =f(� ).
Krzywe ściśliwości:
1  krzywe ściśliwości
pierwotnej, 2  krzywe
odprężenia, 3  krzywe ści-
śliwości wtórnej
Właściwości mechaniczne gruntów 1
Wzrost obciążenia próbki powoduje osiadanie (zmniejszenie wskaz
nika po-
rowatości gruntu e przebiega wg linii ab, tzw. krzywej ściśliwości). Przy odcią-
żaniu próbki następuje odprężenie (krzywa bc), lecz w znacznie mniejszym stop-
niu niż wartość odkształceń przy obciążeniu. Dowodzi to powstania w gruncie
częściowo sprężystych, a częściowo trwałych odkształceń. Ponowne obciążenie
daje nową krzywą cd wykazującą pewne opóz
nienie (zjawisko histerezy) i wy-
raz
ne załamanie w punkcie d, przy przejściu w krzywą pierwotnego obciążenia
de. Krzywa ściśliwości ma kształt zbliżony do krzywej logarytmicznej.
WYZNACZANIE PARAMETRÓW CHARAKTERYZUJ
CYCH
ŚCIŚLIWOŚĆ GRUNTÓW
Parametry charakteryzujące ściśliwość gruntów bada się w laboratorium w
edometrze lub w konsolidometrze.
Przyrządy do badań ściśliwości:
a) schemat edometru, b) schemat konsolidometru: 1  podstawa, 2 pierścień, 3  filtr gór-
ny, 4  filtr dolny, 5  podłączenie urządzenia do pomiaru ciśnienia porowego wody
Próbkę gruntu w tych aparatach umieszcza się w pierścieniu metalowym unie-
możliwiającym jej boczną rozszerzalność. Próbka, poprzez kopułkę, jest ściskana
obciążeniem pionowym w warunkach swobodnego odpływu wody w kierunku
pionowym. Zmiany wysokości próbki mierzy się za pomocą czujników. Jest to
więc badanie w jednoosiowym stanie odkształcenia, a trójosiowym stanie napręże-
nia.
Zależnie od sposobu obciążenia próbki rozróżnia się następujące metody badań:
- przy stopniowym wzroście obciążeń (IL),
- przy stałym obciążeniu (CL).
Badania metodą CL wykonuje się w konsolidometrze. W praktyce krajowej
najczęściej wykonuje się edometryczne badania ściśliwości gruntów metodą IL.
Właściwości mechaniczne gruntów 2
EDOMETRYCZNE MODUA
Y ŚCIŚLIWOŚCI
Badanie w edometrze wykonuje się na ogół przy stopniowym wzroście obciążeń
(metoda IL). Zgodnie z tą metodą próbki umieszczone w pierścieniu edometru
obciąża się stopniowo, przy czym każde kolejne obciążenie jest dwa razy więk-
sze od poprzedniego (12,5; 25; 50; 100; 200; 400) kPa, przy wzroście obciążeń,
lub dwa razy mniejsze przy odciążaniu. Każdy stopień obciążenia utrzymuje się tak
długo, aż zakończy się proces osiadania. Przyjmuje się, że proces osiadania próbki
zakończył się, gdy zmiany wysokości w czasie (l � 4) h (dla gruntów mało spoistych i
średnio spoistych) lub (4 � 24) h (dla gruntów bardzo spoistych i organicznych)
od momentu zmiany obciążenia nie przekroczyły 0,001 mm. W związku z tym
prowadzi się w określonych odstępach czasu (1, 2, 5, 15, 30) minut i (1, 2, 4, 6, 24)
godziny, a następnie co 24 godziny, pomiary wysokości próbki, aż do chwili osią-
gnięcia umownej stabilizacji osiadań. Na podstawie tych obserwacji sporządza się
wykresy konsolidacji oraz krzywe ściśliwości i odprężenia w postaci zależności h
=f(�) lub e =f(�).
Wykres konsolidacji gruntu
Właściwości mechaniczne gruntów 3
Wykres ściśliwości i odprężenia: 1 i 4  wykres ściśliwości pierwotnej,
2  wykres odprężenia, 3  wykres ściśliwości wtórnej
Wartość edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej M0 wyznacza się na
podstawie wykresu ściśliwości pierwotnej z wzoru:
hi 1
M0
h'
gdzie:
M0  edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej, kPa,
"�  przyrost obciążenia jednostkowego próbki �i  �i-1 , kPa,
hi 1 hi h
�  odkształcenie jednostkowe próbki , po uwzględnie-
hi 1 hi 1
niu odkształceń własnych edometru "he:
h'
(gdzie: "h = "h  "he)
hi 1
Obliczenia edometrycznego modułu ściśliwości wtórnej M przeprowadza
się analogicznie do obliczeń modułu ściśliwości pierwotnej, przyjmując dane
otrzymane przy wtórnym obciązaniu próbki (wykres ściśliwości wtórnej).
Właściwości mechaniczne gruntów 4
Wartość edometrycznego modułu odprężenia wyznacza się na podstawie
wykresu odprężenia z wzoru:
hi
M
h'
gdzie:
"� = �i  �i-1 zmniejszenie naprężeń,
hi  wysokość próbki przed zmniejszeniem naprężeń,
hi hi 1 h
jednostkowe wydłużenie próbki.
hi hi
Standardowe badania edometryczne przeprowadzane są na próbkach grun-
tów spoistych i organicznych o średnicy D = 65 mm i wysokości h = 20 mm.
WYTRZYMAA
OŚĆ GRUNTÓW NA ŚCINANIE
Obciążenie półprzestrzeni gruntu wywołuje w dowolnym jej punkcie A (płasz-
czyzna CB) naprężenia styczne (ścinające), które dążą do wzajemnego przesunięcia
cząstek i ziarn gruntu. Jednocześnie, wraz z wystąpieniem naprężeń ścinających �
pojawia się w tej płaszczyz
nie opór gruntu na ścinanie �f (jednostkowa siła reak-
cji).
Naprężenie � w półprzestrzeni wywołane siłą Q
Właściwości mechaniczne gruntów 5
Wytrzymałością gruntu na ścinanie �f nazywa się największy (graniczny)
opór odniesiony do jednostki powierzchni, jaki stawia ośrodek gruntowy naprę-
żeniom ścinającym występującym w rozpatrywanym punkcie ośrodka.
Grunt w podłożu może się znajdować w stanie równowagi sprężystej, równo-
wagi granicznej lub może wystąpić poślizg jednej części gruntu w stosunku do
pozostałej.
Grunt w podłożu znajduje się w stanie równowagi sprężystej, gdy dla każ-
dego w nim punktu w płaszczyznach o dowolnym nachyleniu ą jest spełniony
warunek:
f
Stan równowagi granicznej występuje wtedy, gdy
f
Zatem, warunkiem powstania poślizgu jest przekroczenie oporu gruntu na
ścinanie �f przez naprężenia ścinające � czyli:
f
Wytrzymałość gruntu na ścinanie określa uogólniony wzór Coulomba:
�f = � tgŚ + c
gdzie:
�  naprężenie normalne do płaszczyzny ścinania,
Ś  kąt tarcia wewnętrznego,
tgŚ  współczynnik tarcia wewnętrznego,
c  spójność gruntu (kohezja).
Gdy c = 0 (grunty niespoiste), otrzymuje się wynik zgodny z prawem propor-
cjonalności tarcia do nacisku podanym przez Coulomba (1773 r.):
�f = � tgŚ
Wykresy wytrzymałości
gruntów na ścinanie zależ-
nie od wartości �, Ś i c
Właściwości mechaniczne gruntów 6
Znajomość parametrów charakteryzujących wytrzymałość gruntu na ścinanie
Ś i c jest niezbędna przy wymiarowaniu fundamentów ze względu na nośność,
obliczaniu parcia na konstrukcje oporowe, sprawdzaniu stateczności skarp i
zboczy, projektowaniu zakotwień itp.
POJ
CIE OPORU TARCIA WEWN
TRZNEGO I SPÓJNOŚCI GRUNTU
Podczas ścinania gruntu w strefie poślizgu (ścięcia) występuje tarcie posuwiste i
potoczyste, opór zazębienia i opór struktury gruntu oraz opór wywołany wzajemnym
przyciąganiem cząstek gruntowych (spójność).
Opór tarcia posuwistego (tarcia zewnętrznego) występuje na powierzchni
ziarn i cząstek, natomiast opór tarcia potoczystego wynika z obrotu ziarn w sto-
sunku do ziarn sąsiednich. Opór zazębienia się poszczególnych ziarn wynika z
ich chropowatości, falistości i nierówności kształtów. Opór struktury jest zwią-
zany z niszczeniem struktury naturalnej gruntu.
A
ączne opory tarcia posuwistego, potoczystego, opór struktury i zazębienia
nazywa się oporem tarcia wewnętrznego.
Obrót ziarn w strefie poślizgu
Opór tarcia wewnętrznego zależy od naprężenia normalnego do powierzchni
poślizgu � i kąta tarcia wewnętrznego Ś. Wartość kąta tarcia wewnętrznego
zależy od: składu mineralnego gruntu, wielkości ziarn i ich kształtu, stopnia za-
gęszczenia gruntu, stopnia nasycenia wodą i rodzaju powierzchni ziarn (zaokrą-
glone czy ostrokrawędziste). Im grubsze są ziarna, tym szersza strefa jest ogar-
nięta tarciem wewnętrznym ziarn. Im bardziej ostre są krawędzie i chropowate
powierzchnie ziarn, tym większy jest opór tarcia przy ich wzajemnym prze-
suwie i obrocie oraz wynikający z ich wzajemnego zaklinowania się. Im bar-
dziej grunt jest zagęszczony, tym mniej swobody mają poszczególne ziarna
przy obrocie i tym większy jest opór przy ścinaniu. W gruncie spoistym im
więcej jest cząstek ilastych, tym mniejsze jest tarcie wewnętrzne, gdyż cząstki
te, tworząc dookoła grubszych ziarn otoczkę, ułatwiają ich poślizg. Tarcie
zmniejsza się w miarę zawilgocenia gruntu, woda działa jak smar zmniejszają-
cy współczynnik tarcia wewnętrznego. Duży wpływ, szczególnie w gruntach
Właściwości mechaniczne gruntów 7
spoistych, na wartość kąta tarcia wewnętrznego wywiera także wartość wstęp-
nego obciążenia i szybkość narastania obciążeń oraz historia obciążenia gruntu.
W gruntach spoistych oprócz tarcia wewnętrznego występuje spójność.
Spójność, czyli kohezja, jest to opór gruntu stawiany siłom zewnętrznym, a
wywołany wzajemnym przyciąganiem cząstek składowych gruntu (siłami mo-
lekularnymi przyciągania). Spójność ta jest spowodowana ścisłym, wzajemnym
przyleganiem ziarn i cząstek gruntu, częściowym ich zlepieniem przez cząstki
koloidalne oraz napięciem błonek wody, które je otaczają. W miarę wzrostu
średnicy ziarn spójność maleje i całkowicie zanika w gruntach niespoistych (np.
żwirach i piaskach). Nawet jeżeli przy lekkim zawilgoceniu objawia się w nich
spójność (spójność pozorna), to jest ona bardzo mała i nie ma praktycznego
znaczenia, gdyż zanika przy wyschnięciu lub nasyceniu wodą. Spójność w grun-
tach spoistych maleje również ze wzrostem wilgotności, kiedy woda wciskając
się między cząsteczki, niszczy wiązania wody błonkowatej i zwiększa odległość
między nimi, co powoduje zmniejszenie sił molekularnego przyciągania. Rów-
nież przy wysychaniu gruntu maleje jego spójność, ponieważ wyparowuje woda
błonkowata. Spójność może też wystąpić w wyniku krystalizacji soli w porach
gruntu. W gruntach spoistych spójność i tarcie wewnętrzne przeciwdziałają na-
prężeniom ścinającym.
Należy zauważyć, że we wzorze Coulomba c jest to opór gdyż działa stycz-
nie do powierzchni poślizgu. Spójnością właściwą gruntu spoistego nazywa się ci-
śnienie powodujące wzajemne przyciąganie cząstek gruntu.
W oporze spójności gruntu c można wyróżnić spójność strukturalną cs  zwią-
zaną z molekularnymi siłami przyciągania cząstek i ich połączeniem np. w wyni-
ku krystalizacji soli w porach gruntu  oraz spójność charakteryzującą lepko pla-
styczne cechy gruntu cp wynikającą z istnienia wodno-koloidalnych powiązań wody
błonkowatej i sił napięcia powierzchniowego.
Przyjmuje się, że spójność cs jest nieodwracalnie niszczona przy ścinaniu
(więzy sztywne), a spójność cp jest odwracalna (więzy plastyczne).
A
ączny opór spójności c = cs + cp traktuje się też jako zastępczy opór tarcia
c = �ctgŚ na skutek istnienia wewnątrz strukturalnego ciśnienia spójności �c .
Właściwości mechaniczne gruntów 8
KRYTERIUM WYTRZYMAA
OŚCIOWE COULOMBA-MOHRA
W teorii Coulomba-Mohra przyjmuje się, że zniszczenie materiału dokonuje
się wówczas, gdy naprężenie ścinające na jakiejkolwiek płaszczyz
nie równa się
wytrzymałości materiału na ścinanie. Stan naprężeń w punkcie można przedsta-
wić za pomocą koła naprężeń Mohra (1882).
Jak wiadomo z wytrzymałości materiałów, naprężenia normalne � i styczne �
na płaszczyz
nie nachylonej pod kątem ą do kierunku mniejszego naprężenia
głównego � 3 można wyrazić wzorami:
1 3 1 3
cos2 p qcos2
2 2
1 3
sin2 qsin2
2
Zależności te można przedstawić za pomocą koła naprężeń Mohra.
Wyznaczanie naprężenia za pomocą koła naprężeń Mohra:
a  schemat rozkładu naprężeń, b- wartości naprężeń
Jeśli na osi naprężeń � (kierunki osi � i � przyjmuje się zgodnie z kierunkami
działania naprężeń głównych) odłoży się odcinek OS = (�1 + �3)/2 = p i wykreśli okrąg
ze środkiem w punkcie S o promieniu (�1 - �3)/2 = q, to współrzędne każdego
punktu na okręgu będą wartościami naprężeń � i � występujących na płasz-
czyznach przeprowadzonych przez rozpatrywany punkt ciała pod kątem ą do kierun-
ku działania mniejszego naprężenia �3. Jeżeli z punktu S poprowadzi się pod kątem
2ą prostą do przecięcia z okręgiem, to punkt przecięcia C wyznacza współrzędne
określające wartości naprężeń � i � .
Przy zwiększaniu �1 (lub zmniejszaniu �3) koło naprężeń Mohra staje się
styczne do prostej Coulomba opisującej opór gruntu na ścinanie, osiąga stan gra-
niczny naprężeń, gdyż naprężenie styczne � jest równe oporowi gruntu na ścina-
nie �f .
Właściwości mechaniczne gruntów 9
Wykres Coulomba-Mohra dla gruntu spoistego
Koło styczne do prostej Coulomba nazywa się kołem granicznym Mohra (�3f i
�1f są to graniczne naprężenia główne), a stan naprężenia w rozpatrywanym punkcie
nazywa się stanem granicznym naprężenia wg kryterium Coulomba-Mohra.
Warunek zniszczeń można też zapisać w funkcji naprężeń głównych:
0,5
q
1 f 3 f
sin
cctg 0,5 cctg p
1 f 3 f
Kilka próbek tego samego gruntu ściętych przy różnych wartościach naprę-
żeń głównych �3f i �1f ma wspólną obwiednię do kół Mohra, która nazywa się
obwiednią graniczną kół Mohra (obwiednią zniszczenia).
Z badań wynika, że obwiednia graniczna kół Mohra jest zbliżona do parabo-
li, którą zamienia się na ogół na prostą styczną do tych kół (prostą Coulomba).
Obwiednia graniczna kół Mohra
Właściwości mechaniczne gruntów 10
W celu ułatwienia analizy stanu naprężenia i historii obciążenia w gruncie
często zamiast kół Mohra rysuje się tzw. punkty naprężenia, których współrzęd-
ne są odpowiednio q = 0,5 (�1  �3) oraz p = 0,5 (�1 + �3).
Ścieżki naprężenia: a  koło Mohra, b  ścieżki naprężenia AE i FJ
A
ącząc punkty naprężenia, otrzymuje się ścieżkę naprężenia (trajektorię na-
prężenia), a łącząc punkty graniczne naprężenia E i J, uzyskuje się obwiednię zmo-
dyfikowaną o postaci:
q = cT + ptg ŚT
gdzie:
cT i ŚT  z modyfikowane parametry wytrzymałości.
Pomiędzy parametrami wytrzymałości Ś i c i zmodyfikowanymi parametrami
wytrzymałości ŚT i cT istnieją następujące zależności:
cT
sinŚ = tgŚT lub Ś = arcsin(tgŚT),
c
cos
Ścieżka naprężenia jest bardzo pomocna przy analizie historii obciążenia gruntu w
warunkach naturalnych i przy badaniu np. w aparacie trójosiowego ściskania.
Właściwości mechaniczne gruntów 11
BADANIA WYTRZYMAA
OŚCI NA ŚCINANIE
METOD
TRÓJOSIOWEGO ŚCISKANIA
Badanie wytrzymałości na ścinanie gruntów i określenie parametrów wytrzyma-
łościowych Ś i c najczęściej przeprowadza się w aparatach trójosiowego ściska-
nia.
Schemat aparatu trójosiowego ściskania i obciążenia próbki w czasie ścięcia: a)
schemat aparatu, b) schemat obciążenia próbki; 1  próbka gruntu, 2  osłona gumo-
wa, 3a, 3b  filtry (dolny i górny), 4a, 4b  przewody drenujące, 5  czujniki elektro-
niczne do pomiaru ciśnienia porowego wody, 6  komora wodna, 7 doprowadzenie
wody, 8  manometr do pomiaru ciśnienia wody w komorze, 9  pompa do zadawania
ciśnienia w komorze, 10  tłok, 11  dynamometr, 12  czujnik, 13  czujnik dyna-
mometru, 14  klosz szklany.
W badaniach tych można dość wiernie modelować przebieg obciążenia
gruntu w warunkach rzeczywistych (naturalnych), co pozwala uzyskiwać para-
metry najbardziej wiarygodne przy obliczeniach konstrukcyjnych.
Badania w aparatach trójosiowego ściskania prowadzi się na próbkach cylindry-
cznych, których wysokość powinna być dwa razy większa od średnicy (h =2D). Dla
gruntów drobnoziarnistych powszechnie stosuje się próbki o średnicy 35 � 38
mm. Schemat aparatu trójosiowego ściskania z umieszczoną w nim próbką gruntu
przedstawiono na rysunku: próbka gruntu (1) w osłonie z cienkiej gumy (2) jest
ujęta w dwie płytki (3a i 3b) i ustawiona w szczelnym kloszu (14). Klosz jest
wypełniony wodą, która otaczając próbkę, może wywierać na nią ciśnienie hy-
drostatyczne �3, którym można też próbkę konsolidować (zależnie od warunków
badania). Odpływ wody z próbki od dolnej i górnej podstawy umożliwiają
przewody (4a i 4b). Przewody te umożliwiają też pomiar ciśnienia wody w po-
rach (czujniki 5). Obciążenie pionowe próbki wywiera się tłokiem (10), przy
czym prędkość zwiększania obciążenia zależy od metody badania.
Właściwości mechaniczne gruntów 12
Jednostkowe obciążenie pionowe � = Q/F (Q - siła pionowa, F - przekrój
próbki) i �3 wywołuje naprężenie �1 = �3 + q. Naprężenia �1 i �3 = �2 działające
na boczne powierzchnie próbki nazywają się naprężeniami głównymi (na po-
wierzchniach, na które działają, nie występują składowe styczne naprężenia).
Badanie prowadzi się, doprowadzając obciążenie próbki do stanu graniczne-
go (do ścięcia). Wykonując ścinanie kilku próbek przy różnych wartościach �3f i �1f
= �3f + qmax oraz wykreślając w układzie współrzędnych �f, i � koła graniczne
Mohra, można poprowadzić styczną do tych kół w przecięciu z osią �f, wyzna-
czającą opór spójności c, a kąt nachylenia jej do osi � jest kątem tarcia we-
wnętrznego Ś.
METODY BADAC
W APARACIE TRÓJOSIOWEGO ŚCISKANIA
Badania w aparacie trójosiowego ściskania, szczególnie dla budownictwa wod-
nego, przeprowadza się wg jednej z trzech niżej podanych metod, różniących
się sposobem obciążania i odwadniania (drenowania) próbki:
1. Metoda Q (quick) lub UU (unconsolidated undrained) - ścinanie szybkie
bez konsolidacji, bez odpływu.
Badanie próbek gruntu odbywa się bez wstępnej konsolidacji i bez odpływu
wody w czasie ścinania; zawartość wody w próbce jest utrzymywana przez cały
czas badania bez zmian. Metodę tę stosuje się dla budowli posadowionej na pod-
łożu mało przepuszczalnym ( k < 10-3 cm/s), o obciążeniu użytkowym wyno-
szącym ponad 70 % całkowitego obciążenia  narastającym w krótkim czasie
(np. dla hal przemysłowych z obciążeniem suwnicowym, silosów i zbiorników
na materiały sypkie lub ciekłe). Z badania metodą Q uzyskuje się parametry Śu
i cu, jakie będzie miał nasyp zapory wykonany z gruntów spoistych podczas bu-
dowy i w chwili jego zakończenia. Badania przeprowadza się zwykle bez po-
miaru ciśnienia porowego, a parametry wytrzymałościowe gruntu interpretuje się
jako wielkości pozorne cu i Śu. Wskazane jest jednak w czasie ścinania pro-
wadzenie pomiarów ciśnienia porowego wody.
2. Metoda R lub CU (consolidated undrained) - ścinanie szybkie po wstęp-
nej konsolidacji, bez odpływu.
Badanie próbek gruntu odbywa się po ich wstępnej konsolidacji bez odpły-
wu wody w czasie ścinania. Metodę tę stosuje się, gdy obciążenia użytkowe sta-
nowią (30 � 70) % obciążeń całkowitych przekazywanych przez budowlę. Kon-
solidacja próbek odbywa się na ogół przy obciążeniu izotropowym. W praktyce
warunki takie zdarzają się, gdy np. po powolnym wznoszeniu budowli wprowa-
dza się obciążenie zmienne w stosunkowo krótkim czasie. Warunki takie w bu-
downictwie wodnym odpowiadają przypadkowi, w którym grunt w nasypie za-
pory w czasie eksploatacji zostanie skonsolidowany, a następnie nastąpi szybkie
obniżenie zwierciadła wody w zbiorniku lub po pierwszym napełnieniu zbiorni-
ka, gdy grunt w skarpach zapory pod obciążeniem wywołanym spiętrzeniem nie
został jeszcze skonsolidowany. W czasie ścinania prowadzi się pomiar ciśnienia
wody w porach gruntu u. Parametry wytrzymałościowe interpretuje się jako
wielkości pozorne Śu i cu lub w przypadku uwzględnienia ciśnienia porowego
 jako wielkości efektywne Ś i c .
Właściwości mechaniczne gruntów 13
3. Metoda S (slow) lub CD (consolidated drained) - ścinanie powolne z od-
pływem.
Badanie próbek odbywa się z pełną wstępną konsolidacją, jak w metodzie
CU, lecz w czasie ścinania umożliwia się odpływ wody; wzrost naprężeń powi-
nien być na tyle powolny, aby nie występowało ciśnienie wody w porach (u
= 0). Metodę tę stosuje się, gdy przewidywane obciążenie użytkowe budowli nie
przekracza 30 % obciążenia całkowitego, a czas budowy jest dostatecznie długi
do uzyskania pełnej konsolidacji podłoża, co najczęściej zdarza się dla gruntów
o większej przepuszczalności ( k > 10-3 cm/s).
Wyznaczone w ten sposób parametry wytrzymałościowe gruntu odpowiadają
określeniu parametrów właściwych (Ś H" Ś  i c H" c  ).
0 0
Podczas badań ważny jest dobór odpowiedniej prędkości ścinania. Wg PN-
B-04481:1988, należy stosować następujące prędkości osiowej deformacji pró-
bek vs .
- w przypadku iłów i glin zwięzłych vs d" 2 % wysokości próbki na godzi-
nę,
- w przypadku pozostałych gruntów spoistych vs d" 0,05 mm/min.
Właściwości mechaniczne gruntów 14
BADANIA WYTRZYMAA
OŚCI NA ŚCINANIE
METOD
BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA
Najprostszym przyrządem do badania wytrzymałości na ścinanie gruntu w wa-
runkach laboratoryjnych jest aparat Kreya-Casagrande'a nazywany aparatem bezpo-
średniego ścinania lub skrzynkowym.
Aparat bezpośredniego ścinania
Aparat składa się z metalowej skrzynki podzielonej poziomo na dwie części, które
mogą się przesuwać względem siebie. Próbkę gruntu (o wymiarach 6 x 6 x 2 cm lub
10x10x3 cm) z zazębianymi płytkami oporowymi umieszcza się w skrzynce, a na-
stępnie obciąża siłą pionową Q i ścina wskutek przesuwu względem siebie czę-
ści skrzynki pod wpływem poziomej siły T. Maksymalna siła Tmax, przy której
nastąpiło ścięcie, odniesiona do pola przekroju płaszczyzny ścięcia próbki, jest
naprężeniem ścinającym � = Tmax: A równym wytrzymałości na ścinanie �f (� = �f).
Ścinając tak kilka próbek przy różnych naciskach pionowych � = Q/A i otrzymując
odpowiadające im Tf sporządza się wykres �f = f (�) w postaci prostej (zwanej
prostą Coulomba) i określa Ś i c.
Właściwości mechaniczne gruntów 15
Interpretacja wyników badań wytrzymałości na ścinanie w aparacie skrzynkowym
Aparat skrzynkowy ma wiele wad, jak:
- niemożność pomiaru ciśnienia porowego wody,
- nierównomierny rozkład naprężeń stycznych i normalnych w wymuszonej
powierzchni ścinania,
- jednoosiowy stan odkształcenia próbki, który nie odpowiada warunkom
rzeczywistym,
- miejscowe zaklinowanie ziarn (przy krawędziach) w związku z wymu-
szoną powierzchnią ścinania, co zwiększa mierzony opór �f ,
- niemożność jednoznacznego opisu stanu naprężeń w próbce.
Mimo wielu wad aparat ten jest powszechnie stosowany w zwykłych bada-
niach inżynierskich ze względu na prostotę metodyki badań. Umożliwia on wyko-
nywanie badań metodą Q (wtedy stosuje się płytki oporowe pełne) i metodę S
(płytki oporowe perforowane) oraz ustala się wytrzymałości rezydualne po wy-
tworzeniu powierzchni ścięcia.
W aparacie skrzynkowym, podobnie jak w trójosiowym, bardzo ważne jest
dobranie szybkości ścinania w zależności od metody badań i rodzaju gruntu.
Szybkość przesuwania skrzynki powinna wynosić:
0,05 ą 0,015 mm/min dla próbek o boku 60 mm,
0,10 ą 0,03 mm/min dla próbek o boku 100 mm.
W przypadku badań gruntów małospoistych dopuszcza się stosowanie prędkości
przesuwu 1 � 1,2 mm/min.
Właściwości mechaniczne gruntów 16
POLOWE METODY BADANIA WYTRZYMAA
OŚCI NA ŚCINANIE
GRUNTÓW
Polowe metody badań wytrzymałości na ścinanie stosuje się w przypadku
słabo nośnych gruntów spoistych i organicznych (plastycznych glin i iłów, namu-
łów i torfów), z których trudno jest pobrać próbki o nie naruszonej strukturze
NNS oraz w przypadku konieczności natychmiastowego określenia wytrzymałości
na ścinanie na budowie, np. w wykopie fundamentowym, gdzie stwierdzono ja-
kość gruntu gorszą od przyjętej w projekcie.
Do badań polowych wytrzymałości na ścinanie stosuje się najczęściej sondę
krzyżakową dostosowaną do ścinania gruntów przez obrót jej końcówki, np. son-
dę krzyżakową typu ITB-ZW i sondę VT.
Schemat działania sondy VT
Podczas badania określa się największą wartość momentu Mfmax powstającego
przy wykonaniu obrotu.
Wytrzymałość na ścinanie wyznacza się z wzoru:
�fmax = KVT(Mfmax  Mf0) , kPa
gdzie:
- współczynnik charakteryzujący końcówki sondy, m-3,
d i h  szerokość i wysokość końcówki sondy (rysunek),
Mf0 - wartość momentu obrotowego powstającego od oporu
tarcia żerdzi o grunt.
Wymiary końcówek i wartości współczynników sondy VT (Vane Tester H-60)
Wymiary końcówek d x h, mm Współczynnik KVT , m-3
16 x 32 2
20 x 40 1
25,4 x 50,8 0,5
W słabo nośnych gruntach przyjmując Śu =0, otrzymuje się cu = �f .
Właściwości mechaniczne gruntów 17
OZNACZANIE WYTRZYMAA
OŚCI GRUNTU NA ŚCINANIE
ŚCINARK
OBROTOW

Badania spójności gruntu ścinarką wykonuje się jako uzupełnienie badań ma-
kroskopowych. Oznaczenie to nie zastępuje badań laboratoryjnych.
Zasada pomiaru polega na badaniu siły potrzebnej do wykonania obrotu zagłę-
bionej w gruncie końcówki skrzydełkowej ścinarki. Pomiary ścinarką obrotową
można przeprowadzić jednak tylko na powierzchni gruntu, na ścianach i w dnach
wykopów, na próbkach o strukturze nienaruszonej itp.
Ścinarkę obrotową można stosować do badań gruntów spoistych charakteryzu-
jących się oporem na ścinanie w granicach 0 � 250 kPa.
Schemat ścinarki obrotowej, typ SO-1 (wg Instrukcji OBRTG, 1976):
1  końcówki skrzydełkowe, 1a  skrzydełka końcówek, 2  pokrętło, 3  tarcza pomia-
rowa, 4  wskazówka na tarczy pomiarowej, 5  sprężyna.
Ścinarka ma 3 wymienne końcówki skrzydełkowe : TV1 (mała), TV2 (normal-
na) i TV3 (duża).
Wymiary końcówek skrzydełkowych ścinarki obrotowej
i wartości współczynników
Symbol lub nazwa
Wymiary końcówek, mm Współczynnik, cm-3
końcówek
wg PN-B- Wysokość KTV K
wg instruk- Średnica
004481:1988 skrzydełka wg PN-B- wg instruk-
cji OBRTG D
H 004481:1988 cji OBRTG
TV1 mała 20 3 0,25 2,5
TV2 normalna 26 5 0,10 1,0
TV3 duża 48 6 0,02 0,2
Właściwości mechaniczne gruntów 18
Końcówki dobiera się w zależności od stanu gruntu warunkującego opór ści-
nania. Dla gruntów półzwartych i twardoplastycznych stosuje się końcówkę ma-
łą, dla gruntów w stanie twardoplastycznym i plastycznym - końcówkę śred-
nią, dla gruntów w stanie miękkoplastycznym i płynnym - końcówkę dużą.
Końcówka TV2 (normalna) jest integralną częścią ścinarki, a pozostałe stanowią
wyposażenie dodatkowe.
Wartość oporu na ścinanie otrzymuje się przez pomnożenie odczytu na tarczy
przez odpowiednią wartość współczynnika KTV, zgodnie z wzorem:
�max = Mf KTV
gdzie:
�max  wytrzymałość na ścinanie, (kG " cm-2, Pa),
Mf  moment graniczny, (kg " cm, N " m),
12 1
KTV  współczynnik przeliczeniowy, KTV ,
D2(D 6H )
w którym: D  średnica końcówki, cm,
H  wysokość skrzydełek, cm.
W ścinarce obrotowej SO-1 konstrukcji OBRTG, używanej często w laborato-
riach w Polsce, opór sprężyny na skręcanie oraz wymiary końcówek są tak dobrane,
by wartość oporu na ścinanie gruntu równała się wartości odczytanej na tarczy po-
miarowej pomnożonej przez stały współczynnik charakterystyczny dla danej koń-
cówki, wygrawerowany na niej. W tego typu ścinarkach tarcze są wyskalowane w
zakresie od 0 do 1,0, a współczynniki K mają wartości: 2,5; 1,0; 0,2.
Inne typy ścinarek TV (o identycznych wymiarach i pozostałych parametrach
technicznych) mogą mieć tarczę wycechowaną w zakresie 0�10, zgodnie z jej
pierwowzorem  ścinarką amerykańską. Współczynniki dla tych ścinarek są dzie-
sięciokrotnie niższe niż dla ścinarek typu SO-1. Norna PN-B-004481:1988 podaje
współczynniki dla ścinarek posiadających tarczę wyskalowaną w zakresie 0�10.
W warunkach, w jakich są wykonywane badania ścinarką obrotową przy za-
łożeniu, że kąt tarcia wewnętrznego Ś = 0, można przyjąć, że:
�max = cu
gdzie: cu  spójność gruntu (kG " cm-2, Pa).
Uzyskana wartość spójności odpowiada spójności pozornej, ponieważ w czasie
badania z zastosowaniem ścinarki obrotowej wykonuje się ścinanie szybkie.
Właściwości mechaniczne gruntów 19