POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

WYTRZYMAŁOŚĆ

GRUNTÓW NA ŚCINANIE

Wykonał:

Stelmach Wojciech

Część opisowa.

Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywa się maksymalny opór jednostkowy, jaki stawia grunt naprężeniom ścinającym w chwili nastąpienia ścięcia.

Określenie wytrzymałości gruntu na ścinanie sprowadza się do określenia kąta tarcia wewnętrznego i spójności. Laboratoryjnie kąt tarcia wewnętrznego i spójności gruntu wyznacza się za pomocą:

• aparatu bezpośredniego ścinania,

• aparatu trójosiowego ściskania.

BADANIE W APARACIE BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA.

Główną częścią aparatu jest skrzynka dwudzielna składająca się z dwóch metalowych ramek, najczęściej o wymiarach 6x6x każda. Obie ramki są łączone za pomocą dwóch śrub. Po przygotowaniu gruntu obie części ramki (górną i dolną) łączy się za sobą za pomocą śrub łączących, a następnie na dno ramki dolnej wkłada się filtr, na którym umieszcza się bibułkę filtracyjną. Na bibułę układa się metalową płytę ząbkowaną tak, aby ząbki były skierowane do góry, a ich kierunek pochylenia był zgodny z kierunkiem przesuwania się ramki w czasie przeprowadzania ścięcia, a następnie wkłada się przygotowaną próbkę gruntu. Na umieszczoną w skrzynce próbkę wkłada się drugą metalową płytkę perforowaną i ząbkowaną, przestrzegając, by ząbki były skierowane w dół, a kierunek ich pochylenia był odwrotny do kierunku przesuwania się dolnej ramki. Na płytce układa się bibułę filtracyjną, a następnie filtr górny i tłoczek, na którym znajduje się stalowa kulka, zapewniająca osiowe przekazywanie obciążeń. Zmontowaną w taki sposób skrzynkę z gruntem ustawia się na ślizgach stołu aparatu tak, aby wsporniczek ramki górnej znajdował się blisko trzpienia dynamometru, a wsporniczek ramki dolnej dotykał o trzpień połączony z motorkiem elektrycznym, po czym próbę poddaje się konsolidacji. W tym celu na kulkę stalową nakłada się ramkę z wieszakiem i odważnikami tarczowymi. Po zakończeniu konsolidacji od wstępnego obciążenia należy obciążyć próbkę dodatkowym obciążeniem o innej wielkości dla każdej z próbek. Najczęściej stosuje się obciążenia równe 100, 150, 200, 300 oraz 400 kPa.

Po pięciu minutach działania obciążenia dodatkowego należy przystąpić do ścinania próbki. W tym celu śruby łączące górną ramkę z dolną należy wykręcić i wyjąć ze skrzynki. Przesunięcie się ramki dolnej względem górnej mierzy się przystawiając nóżkę czujnika do pionowej ścianki skrzynki dolnej. Skrzynka z próbką, przesuwając się do przodu oprze się wsporniczkiem ramki górnej o sworzeń dynamometru, wobec czego nastąpi przesuwanie ramek w przeciwnych kierunkach wzglądem siebie. Na skutek siły tarcia i spójności gruntu pierścień dynamometru zaczyna się odkształcać. Odkształcenie to wzrasta aż do chwili pokonania oporu gruntu na ścinanie (wskazówka w chwili ścięcia cofa się lub zatrzymuje przez pewien czas w miejscu).

Wielkość siły ścinającej, przypadającej na jednostkę powierzchni, oblicza się z wielkości odkształcenia pierścienia dynamometru, skali pierścienia dynamometru i pola powierzchni ścięcia stosując wzór:

gdzie:

τ_f - wytrzymałość próbki gruntu na ścinanie ,

a - wielkość odkształcenia pierścienia dynamometru [mm]

b - skala dynamometru [N/mm]

F - pole płaszczyzny ścięcia próbki gruntu [cm²]

Wartość naprężeń normalnych, przypadających na jednostkę powierzchni, oblicza się wg wzoru:

.

gdzie:

P - obciążenie próbki,

F - pole poziomego przekroju próbki.

Kąt tarcia wewnętrznego i spójność można wyznaczyć graficznie przez nanoszenie uzyskanych wyników na prostokątny układ współrzędnych. Na osi odciętych odkłada się wartości naprężeń normalnych, a na osi rzędnych odpowiadające im jednostkowe naprężenia ścinające. Otrzymane na wykresie punkty łączy ię linią prostą aproksymującą. Dla gruntów niespoistych suchych prosta powinna przejść przez początek układu współrzędnych, natomiast dla gruntów spoistych przecina oś naprężeń ścinających na pewnej wysokości. Kąt jaki tworzy ta prosta z osią naprężeń normalnych jest kątem tarcia wewnętrznego, a odcinek mierzony od początku układu współrzędnych do punktu przecięcia tej prostej z osią naprężeń ścinających daje wartość spójności danego gruntu.

Kąta tarcia wewnętrznego i spójność można otrzymać również metodą analityczną (aproksymacja linowa metoda najmniejszych kwadratów).

BADANIE W APARACIE TRÓJOSIOWEGO ŚCISKANIA.

Badania w aparatach trójosiowego ściskania prowadzi się na próbkach cylindrycznych, których wysokość powinna być dwa razy większa od średnicy. Dla gruntów drobnoziarnistych powszechnie stosuje się próbki o średnicy 35 - 38mm. Próbka gruntu w osłonie z cienkiej gumy jest ujęta w dwie płytki porowate i ustawiona w szczelnym kloszu. Klosz jest wypełniony wodą, która otaczając próbkę, może wywierać na nią ciśnienie hydrostatyczne, którym można też próbkę konsolidować. Odpływ wody z próbki od dolnej i górnej podstawy umożliwiają przewody ( umożliwiają też pomiar ciśnienia wody w porach). Obciążenie pionowe próbki wywiera się tłokiem. Po odnotowaniu ciśnienia wody i odczytu czujnika dokonanego w chwili ścięcia podnosi się ciśnienie wody z 50 do 100 kPa i ponownie ścina się próbkę. Czynność tą powtarza się również dla wartości 300 lub 400 kPa. Próbkę należy ściąć co najmniej trzykrotnie dla różnych ciśnień wody, w ten sposób uzyskując trzy pary sprzężonych naprężeń głównych σ₁ i σ₃.

Na podstawie uzyskanych naprężeń głównych można wyznaczyć za pomocą kół Mohra kąt tarcia wewnętrznego i spójność.

gdzie:

τ - opór gruntu na ścinanie,

σ - naprężenie normalne,

φ - kąt tarcia wewnętrznego,

c- spójność.

---