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 którym:
_f - wytrzymałość na ścinanie [kPa],
σ_n - 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.

Bananie wytrzymałości gruntu na ścinanie

Analiza próbki:

Na podstawie analizy makroskopowej ustalono, że badana próbka to glina piaszczysta. Norma PN-81/B-03020 podaje poniższe wartości kątów tarcia wewnętrznego oraz kohezji dla glin oraz glin zwięzłych:

Grunty spoiste:

Rodzaj gruntu	Nazwa	Cechy	Stan gruntów
						Twardo-plastyczne	Plastyczna	Miękkoplastyczny
Mineralny rodzimy	Grupa B- Średnio spoiste , , Grupa A- Zwięzłe , ,	Cu kPa Cu kPa	21-16 37-26 17-13 47-35	16-12 26-18 13-9 35-28	12-7 18-11 9-5 26-17

Badanie w aparacie skrzynkowym

I Opis metody badania

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.

 

II Przygotowanie próbki do badania

W aparacie bezpośredniego ścinania bada się próbki o nienaruszonej strukturze, umieszczone w skrzynce aparatu. Wielkość próbek zależna jest od wielkości skrzyni, w zależności od typu aparatu i oprzyrządowania wymiennego stosuje się próbki: H=1,5 - 4cm, A=b*b=36 - 144 .W naszym doświadczeniu próbka ma wymiary 60x60x40mm.

III Wykonanie badania

W pierwszej fazie badania przykłada się obciążenie pionowe równe 50 kPa. Do kontroli obciążenia pionowego służy dynamometr pionowy. Żądane odkształcenie dynamometru dla zadanego obciążenia pionowego oblicza się ze wzoru:

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

Następnie usuwa się luzy w poziomym systemie ścinającym, po czym przystępuje się do wykonania ścięcia próbki 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 250 kPa.

IV Wyniki badań i wnioski

Korzystając z zależności Culomba na podstawie wykresu  (σ wyznaczono:

Z przeprowadzonego badania wynika iż wyznaczona dla próbek

kohezja zdecydowanie odbiega od normy dla glin. Przyczyna tego zjawiska nie może być określony jednoznacznie gdyż nieznana jest historia obciążenia badanych próbek. Nie wiadomo skąd pochodzi badany grunt. Także otrzymany kąt tarcia wewnętrznego nie mieści się w wartościach normowych dla glin. Tutaj przyczyną mogła być niedokładność urządzenia lub warunki przeprowadzenia badania. Kąt

tarcia wewnętrznego przekroczył 5 stopni jak jest zakładane w normie

dla gliny w stanie twardo-plastycznym. Przyczynę błędu może

potwierdzić wcześniej przeprowadzona analiza makroskopowa, która

określiła iż stan gruntu jest twardo-plastyczny. Duża rozbieżność otrzymanych wyników w stosunku do parametrów określonych na podstawie analizy makroskopowej wiąże się również z nierównomiernym rozkładem naprężeń stycznych i normalnych w wymuszonej powierzchni ścinania oraz miejscowym zaklinowywaniem się ziaren.

Badanie w aparacie trójosiowego ściskania

I Opis metody badania

Rys. Schemat aparatu trójosiowego ściskania; 1-póbka gruntu, 2-osłona gumowa, 3a,b-filtry(dolny i górny). 4a,b-przewody drenujące, 5-czujniki elektroniczne do pomiaru ciśnienia porowego wody, 6-komora wodna, 7-doprowadzenie wody, 8-manometr do pomiaru ciśnienia wody w komorze, 9-pompa do zadawania ciśnienia w komorze ,10-tłok, 11-dynamometr, 12-czujnik, 13-czujnik dynamometru, 14-klosz szklany

Badanie wytrzymałości gruntów na ścinanie i określenie parametrów wytrzymałościowych  i c najczęściej przeprowadza się w aparacie trójosiowego ściskania, gdyż pozwala ono dość wiernie modelować przebieg obciążeń gruntu w warunkach rzeczywistych, przez co otrzymane parametry do obliczeń konstrukcyjnych są bardziej wiarygodne. Badania w aparatach trójosiowego ściskania prowadzi się na próbkach cylindrycznych, których wysokość powinna być 2-2,5 razy większa od średnicy. Dla gruntów drobnoziarnistych powszechnie stosuje się próbki o średnicy 36-38 mm.

Rozróżnia się trzy metody badan w aparacie skrzynkowym: -metoda Q (UU) - ścinanie szybkie ,bez konsolidacji ,bez odpływu -metoda R (CU) - ścinanie szybkie po wstępnej konsolidacji ,bez odpływu -metoda S (CD) - ścinanie powolne z odpływem

W naszym doświadczeniu zastosowana została metoda Q .

II Przygotowanie próbki do badania

Badania w aparacie trójosiowego ściskania prowadzi się na próbkach NNS pobieranych z gruntu za pomocą cylindrów lub na próbkach NS formowanych w laboratorium. Należy stosować próbki o nie naruszonej strukturze,

III Wykonanie badania

- badanie makroskopowe próbek gruntu

- określenie gęstości objętościowej próbek

- zabezpieczenie wcześniej przygotowanej próbki cienką gumą

- umieszczenie próbki na podstawce

- zamknięcie szklanej obudowy aparatu i napełnienie go wodą

- wytworzenie ciśnienia
na powierzchni bocznej próbki oraz

obciążenia pionowego tłokiem górnej i dolnej płaszczyzny

próbki

- odczytanie granicznego wskazania na dynamometrze

- pobranie próbki do określenia wilgotności badanego gruntu po

badaniu

Badanie przeprowadzono na 3 próbkach. Na każdej próbce dokonano 3

pomiarów przy trzech różnych naprężeniach
i po obliczeniach otrzymano po

3 pary naprężeń
i
. Na ich podstawie wykonano wykresy kół Mohra i

wyznaczono prostą Culomba z której odczytano kąt tarcia wewnętrznego oraz

kohezję badanego gruntu.

Prostoliniową zależność naprężeń (_f = σ_n* tg  c) wykreślamy tu za

pomocą stycznych kół, do prostej wykresu.

Promienie okręgów obliczamy z zależności

σ_n = (odczyt)/( c * A)+ (α*σ₃) gdzie:

(odczyt - jest wartością wskazania na dynamometrze (odkształceniem)

c - 0,0012 [mm/N]

 - powierzchnia przekroju próbki ( walca, okrąg o średnicy d=36 mm)

α - poprawka stała dla urządzenia = 0,956

σ₃ - wartość ciśnienia bocznego [kPa] (ciśnienie wody w aparacie)

Obliczenia, wykresy oraz wyniki zamieszczone zostały w załączniku 2.

IV Wyniki badań i wnioski

Próbka 1

Próbka 2

Próbka 3

Glina piaszczysta:

Tutaj zauważamy, że również znacznie została przekroczona kohezja, która odbiega od normy dla glin. Było to spowodowane wcześniejszym obciążeniem gruntu pobranego do badania, które doprowadziło do zbicia ziaren. Duży wpływ na wyniki pomiarów i ich błędy miał sposób wykonania badania, gdyż zostało ono ze względów technicznych wykonane w znacznie krótszym czasie niż to przewiduje norma. Kąt tarcia wewnętrznego mieści się wartościach normowych dla glin. W stanie gruntu twardo-plastycznym jak wcześniej zostało ustalone podczas analizy makroskopowej.

Załącznik 1

Ścinanie w aparacie bezpośredniego ścinania

1. Określenie gęstości objętościowej

Próbka	Masa(m)	Objętość(V)	Gęstość objętościowa(Q)
1	326,60	144	2,27
2	325,99	144	2,26
3	325,54	144	2,26
4	321,27	144	2,23
5	323,84	144	2,25
Średnia gęstość objętościowa =2,25

2. Wyznaczenie naprężeń stycznych  w funkcji naprężeń normalnych σ

Poprawka

Próbka 1:

Próbka 2:

Próbka 3:

Próbka 4:

Próbka 5:

Załącznik 2

Ścinanie w aparacie trójosiowego ściskania

1.Określenie gęstości objętościowej

Próbka	Masa(m)	Objętość(V)	Gęstość objętościowa(Q)
1	178,2	80,4	2,2
2	178,4	82,4	2,2
3	179,3	82,3	2,1
Średnia gęstość objętościowa =2,2

2. Wyznaczenie naprężeń
   i
   dla próbek

- stałe urządzenia pomiarowego

Próbka 1

Próbka 2

Próbka 3

---