P O L I T E C H N I K A   G D A Ń S K A  

W y d zi a ł   I n ży n i e r i i   Lą d ow e j  i   Ś r od ow i s ka  

Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego 

80-233 Gdań sk, u l. G. Nar utowi cza 11/12 

 

 

9.

 

Badanie kąta tarcia wewnętrznego i spójności w aparacie trójosiowego ściskania. 

Oznaczenie  parametrów  wytrzymałościowych  gruntu  w  aparacie  trójosiowego  ściskania  polega  na 
osiowym ściskaniu cylindrycznej próbki gruntu (naprężenie główne 

σ

1

), przy stałym ciśnieniu bocznym 

(

σ

3

=

σ

2

)  i  określonej  prędkości  odkształcenia  (v

s

),  aż  do  momentu  osiągnięcia  stanu  granicznego  bądź 

umownego stanu granicznego. Mając wyniki badania (naprężenia główne 

σ

1

 i 

σ

3

) możemy wyznaczyć 

prostą graniczną wytrzymałości gruntu na ścinanie wyrażoną wzorem 1. 

c

tg

+

⋅

=

φ

σ

τ

 

 

(1) 

Gdzie: 

τ

 – wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa], 

σ

 – naprężenie  w  gruncie  normalne  do 

powierzchni ścinania [kPa], 

φ

 – kąt tarcia wewnętrznego gruntu [

°

], 

c – spójność gruntu [kPa]. 

Rys.9.1. Prosta Coulomba-Mohra.

 

Na  podstawie  badania  w  aparacie  trójosiowego  ściskania  można  wyznaczyć  następujące  parametry 
wytrzymałościowe: 

a)

 

u

φ

 

- całkowity kąt tarcia wewnętrznego [deg], 

b)

 

u

c

 - spójność całkowita [kPa], 

c)

 

'

φ

 - efektywny kąt tarcia wewnętrznego [kPa], 

d)

 

'

c

 - spójność efektywna [kPa], 

e)

 

φ

 - kąt tarcia wewnętrznego [kPa], 

f)

 

c

 - spójność [kPa], 

Wybór  metody  badania  należy  dobrać  odpowiednio  do  warunków  gruntowych  oraz  stanu  naprężenia, 
jakie będą panowały w podłożu pod budowlą. 

9.1

 

Sprzęt do badania. 

Aparat trójosiowego ściskania: 

1

 – urządzenie do pomiaru obciążenia, 

2

 – odpowietrzenie komory, 

3

 – urządzenie  do  pomiaru  odkształcenia  osiowego 

próbki, 

4 

– trzpień, 

5 

– tłok wywierający nacisk pionowy na próbkę, 

6

 – próbka gruntu, 

7

 – membrana z cienkiej gumy, 

8

 – podstawa pod próbkę, 

9

 – urządzenie  do  pomiaru  i  kontroli  ciśnienia 

w komorze, 

10

 – komora aparatu trójosiowego, 

11

 – przewody odwadniające próbkę gruntu, 

12

 – czujnik ciśnienia wody w porach próbki, 

13

 – czujnik zmiany objętości próbki, 

Rys. 9.2. Schemat aparatu.

 

14

 – urządzenie do pomiaru i kontroli ciśnienia wstecznego, 

Badanie  bez  drenażu  i  bez  konsolidacji 
próbki 

 

Badanie  bez  drenażu  i  bez  konsolidacji  lub 
z konsolidacją,  ale  z  pomiarem  ciśnienia 
wody w porach gruntu (u)

 

Badanie metodą uproszczoną z drenażem i z 
konsolidacją  próbki,  polegające  na  ścinaniu 
tej samej próbki przy coraz większych 

σ

3

 

 

σ

n

 

 

2

9.2

 

Przygotowanie próbki gruntu do badań. 

9.2.1

 

Badanie należy przeprowadzić na próbce NNS lub przygotowanej w sposób odzwierciedlający warunki 
in situ najlepiej jak to możliwe.

 

9.2.2

 

W  przypadku  badania  parametrów  całkowitych  bądź  efektywnych  dla  różnych  ciśnień 

σ

3

  powinno  się 

za  każdy  razem  przygotować  nową  próbkę.  Kiedy  stosujemy  metodę  uproszczoną,  możemy  kolejne 
ś

cinania przeprowadzać na tej samej próbce, podnosząc wartość 

σ

3

. 

9.2.3

 

Próbka do badania powinna mieć kształt cylindryczny, średnicę nie mniejszą niż 35 mm i wysokość od 
1,85  do  2,25  krotności  średnicy.  Największa  średnica  ziaren  nie  powinna  przekraczać  1/6  średnicy 
próbki. 

9.3

 

Wykonanie badania. 

9.3.1

 

Próbkę  gruntu  należy  umieścić  w  aparacie  trójosiowego  ściskania  i  osłonić  od  zewnątrz  szczelną 
membraną z cienkiej gumy. 

 

9.3.2

 

Następnie  należy  zamknąć  komorę  aparatu  i  napełnić  ją  cieczą  (wodą  destylowaną)  tak  aby  wewnątrz 
komory nie pozostały pęcherze powietrza.

 

9.3.3

 

W zależności od programu badań możemy poddać próbkę wstępnej konsolidacji. W tym celu zadajemy 
ciśnienie  konsolidacji 

σ

3

,  które  działa  izotropowo  na  próbkę.  W  czasie  konsolidacji  powinien  być 

otwarty odpływ wody z próbki. Po ustabilizowaniu się odkształceń możemy przejść do ścinania próbki. 

9.3.4

 

Próbkę należy ścinać zwiększając na nią nacisk pionowy ze stałą prędkością odkształcenia. 

9.3.5

 

Podczas ścinania należy dokonać przynajmniej 15 odczytów odkształcenia pionowego próbki oraz siły 
pionowej P. Ponadto należy na bieżąco kontrolować ciśnienie 

σ

3

 w komorze. 

9.3.6

 

Można uznać, że próbka uległa ścięciu gdy: 
- w trzech kolejnych odczytach siła pionowa P jest taka sama bądź maleje, 
- pionowe odkształcenie osiągnęło 15% wysokości próbki, 

9.4

 

Wyniki badań. 

Z badania w aparacie trójosiowego ściskania otrzymujemy naprężenie główne 

σ

3

 oraz maksymalną siłę 

ś

cinającą P

max

. Znając powierzchnię przekroju poprzecznego próbki A możemy wyznaczyć nacisk p

max

, 

przy którym następuje ścięcie próbki: 

A

P

p

max

max

=

 

Mając p

max

 i 

σ

3

 możemy wyznaczyć 

σ

1

: 

max

3

1

p

+

=

σ

σ

 

W  celu  określenia  parametrów  wytrzymałościowych 

φ

  i  c  należy  nanieść  wyniki  badania  na  wykres 

zależności  naprężenia  ścinającego 

τ

  od  naprężenia  normalnego 

σ

.  Na  osi  odciętych  zaznaczamy 

naprężenia główne 

σ

1

 i 

σ

3

 (

σ

1 

> 

σ

3

). Środek granicznego koła Mohra wyznaczamy z zależności podanej 

na rysunku 9.3. Kreślimy okrąg o środku  w punkcie O, przechodzący przez punkty 

σ

1

 i 

σ

3

. Tak samo 

postępujemy  z  wynikami  ścinania  tego  samego  gruntu  przy  coraz  większych  ciśnieniach 

σ

3

.  Prosta 

styczna  do  powstałych  w  ten  sposób  kół  Mohra  jest  prostą  Coulomba.  Parametry 

φ

  i  c  odczytujemy 

z wykresu w sposób przedstawiony na rysunku 9.3 lub obliczamy ze wzorów podanych w normie. 

Rys. 9.3. Wyznaczenie parametrów 

φφφφ

 i c na podstawie badania w aparacie trójosiowego 

ś

ciskania.

 

σ

n

 

0.5(

σ

1

–

σ

3

)