SPÓJOŚĆ I KĄTA TARCIA WEWNĘTRZNEGO
NajwaŜniejszym z parametrów charakteryzujących stan graniczny gruntów jest wytrzymałość na ścinanie (opór ścinania). Wytrzymałość gruntów na ścinanie w naturalnym stanie jest wypadkową wielu czynników działających na grunt obecnie bądź w przeszłości geologicznej.
W mechanice gruntów wytrzymałość na ścinanie traktuje się jako wielkość
składającą się zasadniczo z dwóch parametrów:
składowej spójności - c
składowej tarcia wewnętrznego - Φ
Najstarszą i do dzisiaj stosowaną formułą określającą zjawisko ścięcia gruntu jest warunek podany przez Coulomba w 1773 r.:
τ
σ
f
= c + tn Φ
g
gdzie:
τf - wytrzymałość na ścinanie,
σn - napręŜenie normalne do płaszczyzny ścinania w momencie ścięcia, c - spójność,
Φ - kąt tarcia wewnętrznego.
W gruntach sypkich, gdzie c = 0, wzór ten przybiera postać: τ
σ
f
= t Φ
g
n
BADANIE W APARACIE SKRZYNKOWYM (PROSTYM) AB
Aparat skrzynkowy pozwala na wyznaczenie parametrów wytrzymałości na ścinanie określonych przez napręŜenia całkowite. Sam aparat składa się z dwudzielnej skrzynki metalowej (karetki), w której umieszczana jest próbka gruntu, urządzenia do przykładania normalnego obciąŜenia (ramy obciąŜającej), przyrządu do pomiaru siły ścinającej (dynamometru) oraz silnika elektrycznego wywołującego przemieszczenia ramek skrzynki.
Z uwagi na konstrukcję aparatu ścinanie prowadzone jest w dwuosiowym (tzw.
płaskim) stanie napręŜeń.
- jako kryterium ścięcia najczęściej przyjmuje się sytuację, gdy w kolejnych odczytach wystąpi zatrzymanie lub spadek wartości wskazywanej przez czujnik dynamometru,
- za moment ścięcia - do obliczeń – przyjmuje się najwyŜszą wartość wskazania czujnika dynamometru przed ścięciem.
Przebieg oznaczenia:
1. zmontować obie połówki karetki aparatu, włoŜyć na dno płytkę ząbkowaną. Napełnić karetkę przygotowanym do badania gruntem. Na górną powierzchnię próbki połoŜyć drugą płytkę ząbkowaną i tłoczek. ZałoŜyć na górny tłoczek ramę obciąŜającą, 2. załoŜyć obciąŜenie pionowe tak aby uzyskać początkowe napręŜenie σn [kG/cm2]. Po załoŜeniu obciąŜenia odczekać 5 minut,
3. przesunąć trzpień aparatu do styku z karetką i wyjąć śruby łączące obie połówki karetki, włączyć silnik aparatu,
4. odczyty czujnika dynamometru naleŜy prowadzić w równych odstępach czasu (np. co 30 sekund) odczytując wskazanie w działkach. Wyniki zapisywane są w kolumnach 1, 2 i 3 tabeli: Tabela wyników badania w aparacie AB
σn
Czas
Odczyt czujnika
Obliczona siła
NapręŜenie ścinające
[kG/cm2]
τ
[sek]
[działki]
ścinająca F
f
[kG]
[kG/cm2 ]
1
2
3
4
5
5. po uzyskaniu ścięcia wyłączyć aparat, wycofać trzpień silnika Zdjąć obciąŜenie z ramy, przesunąć ramę, rozmontować karetkę i usunąć z niej grunt, 6. powtórzyć ścinanie kilkakrotnie, stosując za kaŜdym razem coraz to wyŜsze napręŜenie normalne σn [kG/cm2],
- powierzchnia A przekroju poziomego próbki wynosi 36 cm2,
- całość przeliczeń naleŜy prowadzić w kG/cm2 , z dokładnością do 2 miejsc po przecinku
- dane do sprawozdania zawierają przeliczoną juŜ wartość siły Fmax dla poszczególnych ścięć,
- obliczenia napręŜenia ścinającego τ f dla poszczególnych ścięć naleŜy wykonać według poniŜszego wzoru:
F
napręŜenie ścinające:
τ = max [ kG / cm 2]
f
A
- w sprawozdaniu naleŜy zamieścić tabelę według poniŜszego wzoru: Lp
σn
Siła ścinająca
NapręŜenie
[kG/cm2]
Fmax
ścinające τf
τ
σ 2
f٠σn
n
[kG]
[kG/cm2]
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
Σ
------
- dla wartości τ f i σ n z poszczególnych ścięć, naleŜy w układzie współrzędnych τ f =
f(σ n) nanieść punkty ścięć i wykonać wykres prostej wytrzymałości,
- obliczyć metodą najmniejszych kwadratów wartości spójności c i kąta tarcia wewnętrznego Φ na podstawie uzyskanych z kolejnych ścięć wartości τ f i odpowiadających im wartości σ n, N ⋅ ∑ (τ
σ )
τ
σ
f ⋅
n
− ∑ f ⋅ ∑
Φ =
(
[o]
2
2
)
arctg
n
- kąt tarcia wewnętrznego:
N ⋅ ∑ σ
(
σ )
n −
∑ n
∑ τ ⋅ ∑ σ 2 − ∑ σ ⋅ ∑ (τ ⋅σ
- spójno
ść:
)
c
f
n
n
f
n
=
N ⋅ ∑ σ 2 − (∑ σ
2
)
[kG/cm2]
n
n
gdzie: N - liczba uwzględnianych w obliczeniach ścięć (4).
- obliczyć spójność w kPa (1 kPa ≈ 98,1 kG/cm2)