Wytrzymałość gruntu na ścinanie

OPIS TEORETYCZNY

Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywamy opór, jaki stawia grunt naprężeniom stycznym w rozpatrywanym punkcie ośrodka. Po pokonaniu oporu ścinania następuje poślizg pewnej części gruntu w stosunku do pozostałej.
Najstarszą i do dzisiaj stosowaną formułą określającą zjawisko ścięcia gruntu jest warunek podany przez Coulomba w 1773 roku:

w którym:
τ_f - wytrzymałość na ścinanie [kPa],
σ_n - naprężenia normalne do płaszczyzny ścinania [kPa],
Φ - kąt tarcia wewnętrznego [^o] ,
c - spójność [kPa].

W przypadku ścinania gruntów o strukturze ziarnistej mamy do czynienia z oporem tarcia suwnego i obrotowego. Opór ten nazywamy oporem tarcia wewnętrznego. Wielkość ta zależy od rodzaju gruntu (wymiaru i kształtu ziaren, pochodzenia gruntu). Dla danego gruntu wartość tarcia wewnętrznego zależy od: porowatości, wilgotności, ciśnienia wody w porach.
Spójność gruntu (kohezja) jest to opór gruntu stawiany siłom zewnętrznym wywołany wzajemnym przyciąganiem się cząstek składowych gruntu. Występuje w gruntach spoistych. Zależy od średnicy ziaren, wilgotności, genezy i składu mineralnego.

W sensie matematycznym równanie Coulomba jest równaniem prostej nachylonej pod kątem tarcia wewnętrznego Φ do osi odciętych i wyznaczającej na osi rzędnych wartość oporu spójności c.

Rys. 1. Proste Coulomba, wytrzymałość gruntu na ścinanie

Wartości te można wyznaczać dwiema metodami:
- w aparacie bezpośredniego ścinania (aparacie skrzynkowym),
- w aparacie trójosiowego ściskania.

Z uwagi na prostotę i łatwość wykonania badania dla celów dydaktycznych wartość spójności i kąta tarcia wewnętrznego wyznaczamy metodą pierwszą. Poglądowy schemat aparatu bezpośredniego ścinania pokazano na poniższym rysunku.

Rys. 2. Aparat skrzynkowy

Rys. 3. Schemat skrzynki aparatu bezpośredniego ścinania
1 - skrzynka dolna, 2 - skrzynka górna, 3 - pokrywa, 4 - filtry o ząbkowanej powierzchni, 5 - wymuszona płaszczyzna ścięcia

Zasadniczą częścią aparatu jest dwudzielna skrzynka, której części górna i dolna mogą się wzajemnie przemieszczać. W celu zabezpieczenia próbki przed ślizganiem się po powierzchniach kontaktowych i przenoszenia siły ścinającej zaopatrzona jest ona od dołu i od góry w płytki oporowe.
Badanie polega na eksperymentalnym określeniu siły T, przy pomocy której staramy się przesunąć górną część skrzynki po dolnej. Ruchowi temu przeciwstawia się mobilizujący się, w wymuszonej płaszczyźnie ścinania, opór gruntu na ścinanie. Siła T nie może wzrosnąć ponad wartość ogólnej wytrzymałości na ścinanie badanego gruntu. Maksymalna siła zarejestrowana na dynamometrze jest wielkością poszukiwaną. Wartość siły T dla danego gruntu zależy od wartości siły pionowej P. Przynajmniej pięciokrotne poszukiwanie siły T dla różnych wartości siły P pozwoli wyznaczyć prostą Coulomba, a tym samym określić wartości szukanych parametrów.
Zakładamy, że siła P przyłożona do próbki poprzez sztywną pokrywę rozkłada się na powierzchni próbki na tyle równomiernie, że w wymuszonej płaszczyźnie ścinania panuje naprężenie normalne .

Podobnie uważamy, że siła T podzielona przez powierzchnię skrzynki A określa, stałą w całym przekroju ścinania, wartość naprężenia ścinającego.

 

I Przygotowanie próbki do badania

W aparacie bezpośredniego ścinania bada się próbki o nienaruszonej strukturze, umieszczone w skrzynce aparatu.
Dla potrzeb ćwiczeń dydaktycznych ograniczymy się do wykonania próbki o naruszonej strukturze w skrzynce.
Umieścić warstwami grunt w złożonej skrzynce, zagęszczając go ubijakiem do stanu symulującego stan naturalny.
Postępować w ten sposób aż do wypełnienia skrzynki aparatu (przewidzieć miejsce na pokrywę).
Skrzynkę z wykonaną próbką umieścić w aparacie bezpośredniego ścinania.

II Wykonanie badania

Przyłożyć obciążenie pionowe równe 50 kPa. Do kontroli obciążenia pionowego służy dynamometr pionowy. Żądane odkształcenie dynamometru dla zadanego obciążenia pionowego obliczyć wzorem:

w którym:
σ - zadawane obciążenie pionowe [kPa],
A - powierzchnia ścięcia [m²],
c₂ - stała dynamometru pionowego [kN/mm].

Usunąć luzy w poziomym systemie ścinającym.
Wykonać ścięcie obserwując zachowanie czujnika odkształceń dynamometru poziomego.
Za moment ścięcia przyjmuje się chwilę, w której następuje jedno z poniższych:
- wyraźne zwolnienie tempa wzrostu siły ścinającej,
- zatrzymanie wzrostu siły ścinającej, - zmniejszenie się siły ścinającej,
- przesunięcie górnej części skrzynki o 10% długości jej boku.

Zatrzymać i cofnąć poziomy napęd ścinający, zdjąć obciążenie pionowe. Wyrównać obie części skrzynki aparatu.
Wykonać następne ścięcia dla kolejnych wartości obciążenia pionowego: 100; 150; 200 i 300 kPa.

III Obliczenie wyników

• Obliczyć naprężenia ścinające dla kolejnych obciążeń pionowych.

• Otrzymane wyniki nanieść na wykres .

• Podać otrzymane wyniki Φ i c (odczytane z wykresu).

• Porównać z wartościami normowymi.

• Ustosunkować się do otrzymanych wyników.