Katedra Geotechniki i Budowli Inżynierskich
Budownictwo
semestr IV
rok 2008/2009
Ćwiczenie 6
Badanie wytrzymałości gruntu na ścinanie
Adaszek Marcin
Raj Monika
Mordal Rafał Potocki Michał
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:
f - wytrzymałość na ścinanie [kPa],
σn - naprężenia normalne do płaszczyzny ścinania [kPa],
- 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 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.
Badanie makroskopowe:
1.Spoistość gruntu - grunt sypki
2.Zawartość frakcji :
Ø >2mm ---- , Ø>0,63 mm <50%, Ø>20 mm > 50%
3.Barwa :
Brązowo-żółta
4.Wilgotność :
wilgotny
5.Zawartość CaCO3:
Próbka burzy krótkotrwale i intensywnie - grunt wapnisty (+)
Wniosek :
-Na podstawie powyższych cech możemy stwierdzić że badaliśmy
Piaskek średnio ziarnisty
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:
Przyłożyliśmy obciążenie pionowe równe 90 kPa. Do kontroli obciążenia pionowego służy dynamometr pionowy. Żądane odkształcenie dynamometru dla zadanego obciążenia pionowego obliczamy ze wzoru:
w którym:
σ - zadawane obciążenie pionowe [kPa],
A - powierzchnia ścięcia [m2],
c2 - stała dynamometru pionowego [kN/mm].
Usunęliśmy luzy w poziomym systemie ścinającym.
Wykonaliśmy ścięcie obserwując zachowanie czujnika odkształceń dynamometru poziomego.
Za moment ścięcia przyjmujemy chwilę, w której nastąpiło zatrzymanie wzrostu siły ścinającej.
Zatrzymaliśmy i cofnęliśmy poziomy napęd ścinający, zdjęliśmy obciążenie pionowe. Wyrównaliśmy obie części skrzynki aparatu. Wykonalismy następne ścięcia dla kolejnych wartości obciążenia pionowego: 90; 150 i 220 kPa.
III Obliczenie wyników :
Określenie kąta tarcia wewnętrznego ФU w aparacie bezpośredniego ścinania (skrzynkowym).
Wytrzymałość próbek na ścinanie określa się przez przykładanie siły ścinającej w kierunku prostopadłym do dwu przeciwległych boków próbek o przekroju (w rzucie) kwadratowym.
Przebieg badania:
Badanie wykonamy trzykrotnie, uzyskując trzy odczyty, na jednej próbce gruntu - badanie nienormowe. Mamy zadane trzy wartości naprężeń normalnych:
бn1[Kpa] |
бn2[Kpa] |
бn3[Kpa] |
90 |
150 |
220 |
Obliczamy wymagane siły Δlv1, Δlv2, Δlv3 ze wzoru:
Δlv= (бnxF)/α α=10,117[N/dz], F - pole powierzchni próbki - (6cm)2
Δlv1= (бn1xF)/α = [90kPa x(36cm2)}/10,117[N/dz] =32,0 dz
Δlv2= (бn2xF)/α = [150kPa x(36cm2)}/10,117[N/dz] = 53,4 dz
Δlv3= (бn3xF)/α = [220kPa x(36cm2)}/10,117[N/dz] = 78,3 dz
Przygotowanie próbek do badania:
Grunt sypki stopniowo umieszczamy w pojemniku metalowym, regularnie ubijając, aby nie wytworzyły się pory z powietrzem. Następnie umieszczamy próbkę w aparacie bezpośredniego ścinania (skrzynkowym) oraz zadajemy kolejno obliczone powyżej siły Δlv.
Zapisujemy odczytane wartości na czujniku siły poziomej:
Obliczamy naprężenie ścinania:
β=5,072[N/dz]
Dla pierwszego ścięcia:
Dla drugiego ścięcia:
Dla trzeciego ścięcia:
Obliczenie kąta tarcia wewnętrznego ФU i spójności cs
Po obliczeniu wytrzymałości na ścinanie należy na wykresie zależności naprężenia od wytrzymałości nanieść punkty odpowiadające poszczególnym próbkom. Na podstawie tych punktów wykreślamy prostą aproksymującą te punkty i sprawdzamy, czy odchylenia nie przekraczają 25% wartości wytrzymałości na ścinanie.
Kąt nachylenia prostej do osi poziomej po zmierzeniu kątomierzem wynosi 30O.
ФU= arctg(a)`
Gdzie:
N-liczba ściętych próbek
- wartości wytrzymałości na ścinanie poszczególnych próbek [Kpa]
- naprężenia normalne [Kpa]
Kąt tarcia wewnętrznego:
ФU=arc tg(a)=27,47
Spójność:
Cs=b
Cs=9,42
Obliczanie średnich odchyleń kwadratowych (
Dla poszczególnych par wartości należy obliczyć różnice oznaczanych i obliczonych wartości wytrzymałości na ścinania, w kpa, wg wzoru:
Wartości pomocnicze
i
obliczamy według wzorów:
Średnie odchylenie kąta tarcia wewnętrznego
Średnie odchylenie kwadratowe spójności
:
9,90
Wnioski:
Z uwagi na wynik spójności Cs różny od zera badanie zostało przeprowadzone w sposób nieprawidłowy. Wynik ten świadczyłby o tym że badaliśmy grunt spoisty, co jest nieprawdą.
Badanie należy przeprowadzić ponownie.