1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie gruntu pod kątem wytrzymałości na ścinanie, a w szczególności określenie parametrów wytrzymałości gruntu: kąta tarcia wewnętrznego (φ) oraz spójności gruntu (c).

1. Wstęp teoretyczny i metodyka badań

Wytrzymałością gruntu na ścinanie τ_f nazywa się największy (graniczny) opór, jaki stawia grunt składowym stycznym ( ścinającym) naprężenia. Opisuje go wzór Coulomba:

τ_f=c + σ × tg⌀

σ – składowa normalna naprężenia (prostopadła do przekroju) [kPa]

⌀  - kąt tarcia wewnętrznego w stopniach

tg⌀ - współczynnik tarcia wewnętrznego

c− spójność gruntu [kPa]

Z analizy rozkładu sił działających na grunt otrzymujemy:

N = Qcos∝, S = Qsin∝, T = NF

T- siła tnąca, N-składowa normalna obciążenia, S- składowa styczna obciążenia, Q- ciężar gruntu, α – kąt nachylenia skarpy

Dla przypadku granicznego T=S, α osiąga wartość maksymalną czyli ⌀ 

Qcos⌀  × f = Q sin⌀

$$\mathbf{f =}\frac{\mathbf{sin\varnothing}}{\mathbf{cos\varnothing}}\mathbf{= tg\varnothing}$$

Na wartość ⌀ mają wpływ między innymi: skład gruntu, kształt ziaren, zagęszczenie, stopień nasycenia wodą, historia ociążenia.

W gruntach spoistych oprócz tarcia wewnętrznego występuje spójność. Jest to oprór gruntu stawiany siłom zewnętrznym, wywołany wzajemnym przyciąganiem cząstek składowych gruntu. Spójnośc maleje wraz ze wzrostem średnicy ziaren, w żwirach i piaskach zanika. Wzrosc wilgotności również powoduje spadek spójności.

Badanie w ABS

Próbka gruntu o wymiarach 6x6x2 cm lub 10x10x3 umieszczona w skrzynce, ujęta między dwoma filtrami o ząbkowanej powierzchni obciążona jest pionową siłą Q, a następnie ścinana w wyniku przesuwania się górnej części skrzynki do której przykładana jest pozioma siła T. Graniczna wartość siły poziomej, przy której nastąpiło ścięcie podzielona przez pole przekroju ścięcia próbki F jest wytrzymałością gruntu na ścinanie $\tau_{f} = \frac{T}{f_{c}}$ przy nacisku pionowym $\sigma = \frac{Q}{F}$. Ścinając kilka próbek i nanosząc na wykres τ_f = f(σ) otrzymują się prostą, która odetnie na osi rzędnych wartość spójności c a nachylenie tej prostej do poziomu to kąt tarcia wewnętrznego ⌀. Podczas badania należy dobrać prędkośc ścinania:

0,005 – 0,02 / min – grunty mało spoiste i bardzo mało spoiste

0,05 – 0,1 /min – grunty niespoiste

Badanie w ATS:

Próbka gruntu w kształcie walca o stosunku wysokości do średnicy równym 2:1, w gruntach drobnoziarnistych stosuje się próbki o średnich 35-38 mm. Próbkę uszczelnioną cienką pochewką gumową umeiszcza się w szczelnej komorze ciścnieniowej wypełnionej wodą. Pod wpływem wszechstronnego ciśnienia wody powstają w próbce naprężenia głowne (pionowe i poziome) równe co do wartości ciśnieniu wody w komorze. Większe napręzenie główne σ₁uzyskuje się obciążając próbkę pionowym tłokiem. Ścięcie próbki przeprowadza się pod stałym ciśnieniem wody, zwiększając obciążenie pionowe aż do momentu ścięcia próbki.

Wartość siły Q, pod działaniem której nastąpiło ścięcie odczytuje się na czujniku dynamometru obciążającego tłok:

$\mathbf{\sigma}_{\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{\sigma}_{\mathbf{w}}\mathbf{+}\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{F}}$

Gdzie σ_w – ciśnienie wody

F - przekrój próbki

Aparat trójosiowy również umożliwiają pomiar C i ⌀. Wyznacza się je za pomocą konstrukcji sił składowych naprężenia Mohra. W układzie współrzędnych τ_f,  σ nanosi się na osi odciętych graniczne naprężenia główne σ₁,  σ₂. Następnie bierze się pod uwagę odcinki będące różnicą naprężeń. Ze środka każdego z tych odcinków zakreśla się koło, którego promień jest połową odcinka σ₁ −  σ₂. Po wykreśleniu kół dla wsyztskich par granicznych naprężęń σ₁,  σ₂ prowadzi się d nich styczną. Ta styczna to prosta Coulomba. Kąt nachylenia stycznej do osi σ odpowiada kątowi ⌀. Jeżeli styczna przecina oś pionową τ to jest to punkt, którego rzędna wyznacza wartość spójności C. W gruntach niespoistych styczna przechodzi przez środek układu.

Pomiar parametrów efektywnych c’, ⌀′ uwzględni ciśnienie wody w porach V, wówczas wytrzymałość na ścinanie to:

τ_f=c^′+σ^′tg⌀^′=c^′+(σ − u)tg⌀^′

σ^′ - składowa naprężeń efektywnych

σ- składowa normalna naprężenia

u− ciśnienie w porach

Metody badań w ATS:

1. U_u – ścinanie szybkie, bez konsolidacji, bez odpływu

- metoda do budowli posadowionych na podłożu nienaruszalnym k<10^(-5) m/s, o obciążeniu użytkowym ponad 70% całkowitego obciążenia

- zawartośc wody w próbie bez zmian

- metodą tą wyznaczamy ⌀ i C

b) C_u – ścinanie szybkie po wstępnej konsolidacji, bez odpływu

- obciążenia użytkowe 30-70% obciążeń całkowitych

- obciążenia izotropowe

- zdarza się przy powolnym wznoszeniu budowli i wproadzenia obciążenia zmiennego w krótkim czasie

- można otrzymać ⌀ i C, a jeżeli uwzględnia się ciśnienie to ⌀′ i C’

c) CD - ścinanie powolne z odpływem

- badanie z wstępną konsolidacją jak poprzednio

- w czasie ścinania możliwy odpływ wody

- wzrost naprężeń powolny aby u=0

- obciążenie użytkowe do 30% obciążenia całkowitego

- długi czas budowy do uzyskania pełnej konsolidacji podłoża

- grunty o większej przepuszczalności k>10^(-5) m/s

Ważny jest dobór odpowiedniej prędkości ścinania: zależy od współczynnika konsolidacji, a prędkości są unormowane.