im. Stanisława Staszica w Krakowie |
Ćwiczenie nr 3: Oznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności (skał) gruntów w próbie bezpośredniego ścinania |
Mechanika gruntów i geotechnika, konspekt Prowadząca: mgr inż. Malwina Kolano |
Wykonał: Paweł Sobczak |
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii kierunek: Ochrona Środowiska studia zaoczne, rok II, semestr IV, grupa 2B |
Data wykonania ćwiczenia: 11 maj 2013 r. |
Wstęp teoretyczny.
Wytrzymałość gruntu naścinanie jest najważniejszym parametrem charakteryzującym stan graniczny gruntu. Jest wypadkową wielu czynników działających na grunt. Zawiera dwie składowe: spójność oraz kat tarcia wewnętrznego. Skały spoiste oraz sypkie zawilgocone przeciwstawiają się ścięciu dzięki tarciu wewnętrznemu oraz dzięki sile spójności spowodowanej istnieniem sił molekularnego przyciągania, sił wodnokoloidalnych i sił kapilarnych. Opór tarcia wewnętrznego jest zależny min. od:
wymiary i kształtu ziaren oraz ich wzajemnej odległości,
naprężeń efektywnych w szkielecie gruntu,
wskaźnika porowatości,
ciśnienia wody w porach.
Oporem tarcia wewnętrznego jest tarcie, jakie stawia dany grunt po zakończeniu konsolidacji przy określonym współczynniku porowatości ek i określonym konsolidacyjnym naprężeniu normalnym σn. Dla skał spoistych i sypkich zawilgoconych zależność między wytrzymałością na ścinanie, tarciem wewnętrznym i spójnością określa równanie Coulomba:
τ=σn·tgϕ+c,
gdzie:
τ - naprężenie ścinające w płaszczyźnie ścinania, [Pa],
σn - naprężenie normalne do płaszczyzny ścinania, [Pa],
tgϕ - współczynnik tarcia wewnętrznego, [-],
ϕ - kąt tarcia wewnętrznego, [ °],
c - spójność, [Pa], dla skał suchych c=0.
Wartość kąta tarcia wewnętrznego zależy od wymiaru i kształtu ziaren, stopnia zagęszczenia i wilgotności.
Równanie Coulomba można przedstawić graficznie w postaci prostej przecinającej oś pionową τ w punkcie odległym od początku układu współrzędnych o wartość c i nachyloną pod kątem ϕ od osi odciętych σ.
Spójność właściwa jest to ciśnienie wewnątrz strukturalne, wynikające z sił wzajemnego przyciągania się cząstek gruntowych, zrównoważonego przez reakcję sił odpychających w warunkach zakończonej konsolidacji gruntu przy danym obciążeniu konsolidacyjnym. W tym stanie cząstki gruntu znajdują się warunkach równowagi statycznej. Jeśli chcemy je przesunąć względem siebie stycznie, trzeba pokonać opór tarcia od sił zewnętrznych i opór tarcia ciśnienia spójności właściwej (kohezja). Spójność charakteryzuje wytrzymałość na ścinanie.
c=σc·tgϕu,
gdzie:
c - spójność, kohezja właściwa, [Pa],
σc - ciśnienie spójności właściwej, [Pa],
tgϕ - współczynnik tarcia właściwego suwnego, [-],
c - spójność, [Pa], dla skał suchych c=0.
Spójność (kohezja) jest zależna od współczynnika porowatości e. Grunty sypkie, ziarniste bez cząstek iłowe mają spójność równą zero. W miarę wzrostu zawartości cząstek iłowych w gruncie, spójność wzrasta, gdyż w jednostce objętości wzrasta liczba cząstek.
Oprócz spójności właściwej w gruncie może działać spójność wskutek sił kapilarnych lub krystalizacji soli w porach gruntu. Opór gruntu wywołany tymi siłami w wielu przypadkach zwiększa opór spójności właściwej lecz łatwo zanika w razie nawadniania gruntu.
Laboratoryjne metody oznaczania kąta tarcia wewnętrznego i kohezji wykonuje się w aparacie bezpośredniego ścinania lub trójosiowego ściskania.
Sposób wykonania ćwiczenia:
W rezultacie ścięcia sześciu próbek tej samej skały otrzymujemy trzy wartości naprężeń normalnych i sześć wartości naprężeń ścinających występujących w płaszczyźnie ścinania. Mając sześć par naprężeń (σn1, τ1), (σn2, τ2), (σn3, τ3), (σn4, τ4), (σn5, τ5), (σn6, τ6) należy wyznaczyć kąt tarcia wewnętrznego ϕ i spójność c sposobem graficznym i analitycznym.
Próbkę gruntu należy umieścić w dwudzielnej skrzynce aparatu bezpośredniego ścinania. Dolna cześć skrzynki o wymiarach 60x60 mm może przesuwać się względem górnej części skrzynki, wywołując tym samym ścięcie próbki w płaszczyźnie podziału skrzynek. Po umieszczeniu próbki w aparacie poddawana jest ona działaniu obciążenia pionowego i poziomej siły ścinającej. Przesunięcie skrzynek wywołujemy za pomocą silnika elektrycznego - siłę potrzebną do przesunięcia skrzynek mierzymy za pomocą dynamometru. Wartości sił zapisujemy w zależności od przesunięcia skrzynek aparatu. Badania prowadzimy aż do momentu zniszczenia próbek. Wstępne zniszczenie rozpoznajemy po tym gdy wartość siły potrzebnej do przemieszczenia skrzynek nie wzrasta lub zmniejsza się lub gdy siła ta wzrasta bardzo nieznacznie. Za siłę niszcząca uznajemy wartość w chwili, gdy odkształcenie osiągnie 10% - przemieszczenie około 6 mm. Badania wykonujemy na sześciu próbkach przy trzech wartościach obciążenia - przy każdym stopniu obciążenia po dwa ścięcia - próbki.
Przesuw w kierunku poziomym dokonywany jest za pomocą sworznia wprawianego w ruch silnikiem elektrycznym poprzez układ przekładni. W zależności od ustawienia suwaka możliwe są różne prędkości przesuwu. W badaniu zaleca się prędkość przesuwu - 2,6 mm/min (pozycja 2 suwaka). Odczytu siły poziomej, działającej na próbkę dokonuje się na czujniku zegarowym dynanometru. Obciążenie siłą pionową uzyskuje się z obciążników poprzez dźwignię i wieszak, naciskający na na przycisk i dalej na próbkę.
Przed rozpoczęciem badania należy zamontować skrzynkę na próbkę poprzez skręcenie jej dwóch części śrubami, śruby po przeciwnej stronie skrzynki (bliżej silnika) powinny być wykręcone. Wystająca część górnej skrzynki ma być zwrócona w kierunku dynamometru pierścieniowego. Na dno tak zaminowanej skrzynki kładziemy dolną wkładkę filtracyjną, na nią bibułę filtracyjną, a dalej ząbkowaną płytkę perforowaną. Ząbki płytki powinny być skierowane do góry i ich kierunek nachylenia powinien być zwrócony w kierunku przeciwnym do kierunku przesuwu dolnej części skrzynki. Skrzynkę wypełniamy próbką mniej więcej do połowy górnej części skrzynki. Na próbkę, kolejno układamy górną płytkę perforowaną (z ząbkami skierowanymi przeciwnie jak w przypadku dolnej płytki), następnie bibułę filtracyjną, a na końcu przycisk z kulką. Na przycisk zakładamy wieszak oparty na kulce, a dolną jego część umieszczamy w wycięciu dźwigni. Na pęt będący zawieszeniem dźwigni nakładamy obciążniki w ilości potrzebnej do osiągnięcia odpowiedniego naprężenia normalnego. Pręt z obciążnikami zawieszony jest w skrajnym otworze dźwigni co sprawia, że nacisk na próbkę zwiększany jest w stosunku 1:8.
Wykorzystując odpowiednie zestawy czterech obciążników A, B, C, D, badania prowadzimy dla trzech stopni obciążenia pionowego - uzyskując następujące wartości naprężenia σn:
obciążnik A σn1=0,983 ∙ 105 Pa ≈ 100 kPa,
obciążnik A+B+C σn2=1,9232 ∙ 105 Pa ≈ 100 kPa,
obciążnik A+D σn3=2,999 ∙ 105 Pa ≈ 100 kPa.
Po obciążeniu próbki odpowiednim zestawem obciążników, za pomocą koła pokrętnego, przy ustawieniu suwaka w pozycji zero powoduje się przesunięcie sworznia aż do zetknięcia się z dolną częścią skrzynki. Wcześniej skrzynka dotykała do sworznia dynamometru pierścieniowego. Ustawiamy suwak w pozycji 2 i wykręcamy oraz usuwamy śruby łączące dolną część skrzynki z górną (wcześniej wkręcone). Wkręcamy równomiernie śruby po przeciwnej stronie, podnosząc tym samym górną część skrzynki 1÷1,5 mm nad dolną część skrzynki. Następnie te śruby wykręcamy i usuwamy.
Na czujniku zegarowym dynamometru oraz czujniku zegarowym rejestrującym przemieszczenie się dolnej skrzynki względem górnej części ustawiamy wskazania początkowe czujników. Za pomocą przełącznika oraz wyłącznika włączamy silnik elektryczny. Następuje przesuwanie się dolnej części skrzynki w kierunku dynamometru pierścieniowego. Na czujniku zegarowym w odstępach pół milimetrowych odczytujemy wartości przemieszczenia się dolnej części skrzynki względem górnej. Dla tych wartości przemieszczeń odczytujemy na czujniku zegarowym wartości odkształceń dynamometru pierścieniowego. Znając stałą dynamometru, każdorazowo ze wskazań czujnika zegarowego można określić wielkość siły poziomej T. Czujnik wskazuje stały wzrost odkształceń dynamometru pierścieniowego aż do chwili ścięcia próbki, które powoduje zatrzymanie się wskazówki czujnika pomimo dalszego przesuwania się dolnej części skrzynki. Wyłączamy silnik elektryczny. Dźwignię z obciążnikiem zawieszamy na haku, a kołem pokrętnym cofamy sworzeń i demontujemy skrzynkę z próbką skalną. Czyścimy aparat przygotowując ją do kolejnego badania. Uzyskane w oparciu o wielkości obciążenia naprężenia σn oraz siły poziomej T, naprężenie ścinające dają pierwszą parę naprężeń (σn1, τ1).
Opisanym powyżej sposobem należy wykonać bezpośrednie ścinanie kolejnych sześciu próbkach tej samej skały przy trzech różnych wartościach naprężeń normalnych tzn. dwie próbki ścinane są przy tej samej wartości σn.
Tabele - zestawienia wyników pomiarów.
StaÅ‚a dynamometru: k= …................... [N/10-2 mm]
Nr próbki: |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Przemieszczenie ∆l [mm] |
Wskazanie dynamometru ∆x [10-2 mm] |
|||||
0,5 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1,5 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
sem IV MG lab knsp ozn kata tarcia wewn i spojnosci w probie ściskania
sem IV MG lab knsp ozn konsystencji gruntów spoistych
sem IV MG lab 04-wykr ozn kata tarcia wewn i spojnosci w probie ściskania
sem IV MG lab 04 obl ozn kata tarcia wewn i spojnosci w probie ściskania poprawa
sem IV MG lab 04 obl ozn kata tarcia wewn i spojnosci w probie ściskania
sem IV MG lab 01-knsp ozn podst param gruntów sypkich stanów zagęszczenia i zawilgocenia
sem IV MG lab 02 obl ozn konsystencji gruntów spoistych
sem IV MG lab 02 obl ozn konsystencji gruntów spoistych poprawa2
sem IV MG lab 02 obl ozn podst param gruntów sypkich stanów zagęszczenia i zawilgocenia
Oznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności skał w próbie trójosiowego ściskania
Oznaczenie kąta tarcia wewnętrznego i spójności skał w próbie bezośredniego ścinania(7), 3 semestr,
Oznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności skał w próbie trójosiowego ściskania sprawko
sem IV OpHiW lab cw 13 send
sem IV TWiS lab inne cw2 AnetaSzot
sem IV TWiS lab inne cw3?rianPietrzyk
sem IV OP lab pomoce spraw1
sem IV TWiS lab cw 2
więcej podobnych podstron