Cież Kinga
Inżynieria Środowiska
16.01.2009
Oznaczenie spójności i kąta tarcia wewnętrznego
w aparacie bezpośredniego ścinania (ćwiczenie nr 9)
Wytrzymałość gruntu na ścinanie jest najważniejszym parametrem charakteryzującym stan graniczny gruntu. Jest wypadkową wielu czynników działających na grunt. Zawiera dwie sładowe: spójność oraz kąt tarcia wewnętrznego.
Podczas ścinania próbki grunt wykonuje opór powstały wskutek tarcia suwnego i obrotowego nazwane razem oporem tarcia wewnętrznego. Opór ten nie należy do wartości stałych i zależy od:
- wymiaru i kształtu ziarn oraz ich wzajemnej odległości
- naprężeń efektywnych w szkielecie gruntu
- wskaźnika porowatości
- ciśnienia wody w porach
Oporem właściwym tarcia wewnętrznego jest tarcie, jakie stawia dany grunt po zakończeniu konsolidacji (przy określonym współczynniku porowatości ek i określonym konsolidacyjnym naprężeniu efektywnym σ'k ).
= σ'k tg
gdzie:
opór ścinania wskutek właściwego tarcia wewnętrznego
σ'k napięcie efektywne, normalne do powierzchni ścinania, po
zakończonej konsolidacji
właściwy kąt tarcia wewnętrznego
Wartość kąta zależy od :
- wymiaru ziarn i ich kształtu
- stopnia zagęszczenia
- wilgotności
Spójność właściwa jest to ciśnienie wewnątrzstrukturalne, wynikające z sił wzajemnego przyciągania się cząstek gruntowych, zrównoważonego przez reakcje sił odpychających w warunkach zakończonej konsolidacji gruntu przy danym obciążeniu konsolidacyjnym. W tym stanie cząstki gruntu znajdują się w warunkach równowagi statycznej. Jeśli chcemy je przesunąć względem siebie stycznie, trzeba pokonać opór tarcia od sił zewnętrznych i opór tarcia od ciśnienia spójności właściwej (kohezja). Spójność charakteryzuje wytrzymałość gruntu na ścinanie.
c = σc tg
gdzie:
c kohezja właściwa
σc ciśnienie spójności właściwej
tg współczynnik tarcia właściwego suwnego
Kohezja zależy od współczynnika porowatości e.
Grunty sypkie ziarniste bez cząstek iłowych 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 ścinania.
W aparacie bezpośredniego ścinania próbkę gruntu o grubości ok. 1,5 cm umieszcza się w dwu leżących nad sobą skrzynkach z filtrami następnie konsoliduje się próbkę pod naciskiem pionowym Q i ścina powoli (0,05 mm/min) przykładając siłę poziomą T.
Wyniki badań nanosi się na wykres (zależności σ od f). Prosta przechodząca przez 3 punkty z odchyłką nie większą niż 10% od fi może być przyjęta za prostą Columba. W przeciwnym wypadku należy zbadać dodatkowo dwie próbki i zastosować metodę najmniejszych kwadratów.