Politechnika Łódzka Łódź 9.06.2009
Katedra Geotechniki i
Budowli Inżynierskich

Ćwiczenie nr. 6

Badanie wytrzymałości gruntu na ścinanie

Ćwiczenie wykonali:
Ewelina Pazera
Alicja Marciniak
Krzysztof Murawski
Jarosław Dobras data wyk. Ćwicz. : 3.06.2009 rok

I. Badanie makroskopowe gruntu niespoistego.

1. Zawartość frakcji.
   φ>2mm < 10%
   φ>0,5mm < 50%
   φ>0,25mm < 50%

2. Uziarnienie.
   Piasek drobnoziarnisty „Pd”

3. Określanie wilgotności
   Grunt suchy, bo podczas przesypywania kurzy się.

4. Reakcja z HCl
   Grunt burzy krótko i słabo na polanie kwasem solnym (HCl), dlatego zawartość węglanów (CaCO₃) jest z przedziału 1%-3%.

5. Barwa
   Grunt jest koloru jasno-zółtego.

6. Podsumowanie

Badany grunt to Piasek drobnoziarnisty (Pd), w stanie suchym o barwie jasno-żółtej z małą zawartością CaCO₃.

II. Określenie kąta tarcia wewnętrznego φ_u oraz spójności c_u w aparacie bezpośredniego ścinania (skrzynkowym).

1. Wstęp
   Celem naszego badania jest wyznaczenie kąta wewnętrznego φ dla badanego gruntu sypkiego. Ustalenie tego kąta wykonamy za pomocą aparatu bezpośredniego ścinania.
   
   W aparacie mierzymy graniczną(maksymalną) wartość siły ścinającej grunt przy zadanym naprężeniu normalnym. Badając graniczne wartości siły ścinającej dla różnych wartości normalnych uzyskujemy zbiór punktów w układzie współrzędnych. Aproksymując za pomocą metody najmniejszych kwadratów dochodzimy do równania prostej
   τ = σ x tgφ, gdzie:
   τ – naprężenia maksymalne ścinające
   σ – naprężenia normalne przychodzące na grunt z góry
   φ – kąt tarcia wewnętrznego gruntu.

2. Określenie pola powierzchni przekroju próbki F₀
   Zmierzone długości boku próbki:
   a₁=6cm, a₂=6cm, a₃=6cm, a₄=6cm
   a=6cm
   F₀=a x a=36cm²
   Zakładamy, że przesunięcie zanim nastąpi ścięcie gruntu jest na tyle małe, że nie uwzględniamy go licząc F₁ – czyli pole przekroju próbki podczas naprężeń ścinających maksymalnych.
   F₀ = F₁

3. Przeprowadzenie badania
   Do aparatu nasypujemy badany grunt delikatnie go zagęszczając. Zakrywam tłokiem i wkładamy całość do maszyny ścinającej. Ścinanie przeprowadzone zostanie dla naprężeń normalnych o wartościach:
   σ_n1­ = 100 kPa
   σ_n2 = 190 kPa
   σ_n3­ = 300 kPa
   Aby uzyskać dane naprężenie musimy ustawić siłę na dynamometrze w ten sposób aby odczyt na czujniku pionowym wskazywał odpowiednią liczbę podziałek obliczoną ze wzoru:
   ∆l_v = σ_n­ x F₀/α gdzie:
   α – stała dynamometru do pomiaru siły pionowej
   α = 10,117 N/dz
   a więc dla poszczególnych wartości naprężeń normalnych otrzymujemy:
   ∆l_v1 = 100 kPa*36cm² /10,117 N/dz = 36 dz
   ∆l_v2 = 190 kPa*36cm² /10,117 N/dz = 68 dz
   ∆l_v3 = 300 kPa*36cm² /10,117 N/dz = 107 dz
   Kiedy ustawimy naprężenia normalne działające na próbkę przystępujemy do badania wytrzymałości na ścinanie. Odczyt tej wartości nie jest bezpośredni gdyż wartość siły odczytujemy za pomocą czujnika dynamometru siły poziomej. A przejście z wartości odczytów na czujniku do wartości siły ścinającej odbywa się za pomocą wzoru:
   τ_f = β x ∆l_t/ F₁ gdzie:
   β – stała dynamometru do pomiaru siły poziomej
   β = 5,0725 N/dz
   ∆l_t – odczyt na czujniku siły poziomej
   Wartości odczytu na czujniku siły poziomej dla kolejnych wartości naprężeń normalnych:
   ∆l_t1 = 67 dz
   ∆l_t2 = 108 dz
   ∆l_t3 = 148 dz
   Posiadając te dane możemy wyznaczyć wartości wytrzymałość gruntu na ścinanie τ_f :
   τ_f1 = 5,0725 [N/dz] * 67 [dz] / 36 [cm²]= 94,4 [kPa]
   τ_f2 = 5,0725 [N/dz] * 108 [dz] / 36 [cm²]= 152,2 [kPa]
   τ_f3 = 5,0725 [N/dz] * 148 [dz] / 36 [cm²]= 208,5[kPa]

4. Wykres τ = σ x tgφ + c
   Wykres zależności wytrzymałości na ścinanie od naprężeń normalnych otrzymujemy za pomocą metody Gaussa najmniejszych kwadratów. Wykorzystaliśmy do tego zadania program Opra5
   tgφ = 0,568 => φ = 29,59
   c = 39,9 kPa
   
   
   Jeżeli założymy, że mamy do czynienia z gruntem typowo niespoistym (czyli wykres przechodzi przez początek układu współrzędnych) to:
   tgφ = 0,735 => φ = 36,32
   c = 0 kPa
   a wykres wygląda następująco: