Politechnika Krakowska - Instytut Geotechniki
Zakład Mechaniki Gruntów
i Budownictwa Ziemnego
WYKONANIE OZNACZENIA SPÓJNOŚCI I KĄTA TARCIA
WEWNĘTRZNEGO W APARACIE BEZPOŚREDNIEGO ŚCINANIA – AB
Wprowadzenie
Wytrzymałość gruntu na ścinanie
τ
f
jest
to maksymalny opór, jaki stawia ośrodek
gruntowy naprężeniom ścinającym występującym w rozpatrywanym punkcie ośrodka po
powierzchni zwanej powierzchnią poślizgu.
Zgodnie z hipotezą Coulomba - Mohra wytrzymałość gruntów na ścinanie wyraża
równanie:
τ
f
=
σ
n
⋅
tg
φ
+ c
gdzie:
τ
f
– wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa],
σ
n
- naprężenie normalne do płaszczyzny ścięcia [kPa],
φ
- kąt tarcia wewnętrznego [º],
c
– spójność gruntu (kohezja) [kPa].
W przypadku gruntów niespoistych, gdzie kohezja c = 0 wzór przybiera postać:
τ
f
=
σ
n
⋅
tg
φ
b
a
0
τ
f
[kPa]
σ
n
[kPa]
c
φ
2
φ
1
Rys. 1. Zależność wytrzymałości gruntu na ścinanie (
τ
f
) od naprężenia normalnego (
σ
n
):
a - dla gruntów spoistych, b - dla gruntów niespoistych.
Znajomość parametrów charakteryzujących wytrzymałość gruntów na ścianie jest
niezbędna przy projektowaniu fundamentów, obliczaniu parcia na konstrukcje oporowe,
sprawdzaniu stateczności skarp i zboczy, projektowaniu zakotwień, itp.
VIII/1
Przebieg badania
Przyrządy:
a. aparat skrzynkowy AB (rys. 2)
Aparat skrzynkowy AB służy do wyznaczania parametrów wytrzymałościowych
gruntu: kąta tarcia wewnętrznego oraz kohezji. Aparat składa się z dwudzielnej skrzynki
metalowej (rys.2) w której umieszczona jest próbka gruntu NNS o wymiarach 6,0 x 6,0 x 2,0
cm.
SIŁA
PIONOWA
P
6
5
4
3
2
GRUNT
SIŁA
ŚCINAJĄCA
F
1
SIŁA
ŚCINAJĄCA
F
Rys. 2. Schemat skrzynki aparatu bezpośredniego ścinania: 1 – płytki oporowe, 2 – śruba mocująca,
3 – płytka przenosząca obciążenia normalne, 4 – filtr górny, 5 – filtr dolny, 6 – ramka dolna.
Badanie w aparacie AB polega na ścinaniu próbek gruntu w dwudzielnej skrzynce.
Badanie należy uznać za zakończone, gdy wartość wskazania czujnika siły zmniejszy się lub
nie zmieni się w trzech kolejnych odczytach (max przesuw 6 mm).
Wykonanie oznaczenia:
1 - połączyć dwie części skrzynki metalowej za pomocą śrub, na dnie umieścić płytkę
oporową;
2 - próbkę gruntu umieścić w skrzynce aparatu, a następnie przyłożyć drugą płytkę oporową;
3 - na samej górze umieścić płytkę przenoszącą obciążenie pionowe, a następnie nałożyć
ramę obciążającą z wieszakiem (25 kPa);
4 - przesunąć skrzynkę tak, aby stykała się z trzpieniem dynamometru;
5 - całkowicie wykręcić śruby łączące skrzynkę;
6 - uruchomić aparat z prędkością przemieszczania dolnej skrzynki względem górnej 1,0
mm/min; co 0,5 mm przesunięcia (co 30 s) notować wskazania czujnika dynamometru;
7 - jako kryterium ścięcia należy przyjąć sytuację, gdy wskazanie czujnika dynamometru
spadnie lub nie zmieni się w trzech kolejnych odczytach;
8 - po ścięciu próbki należy wyłączyć aparat;
9 - badanie należy powtórzyć dla kolejnych obciążeń normalnych (50, 100, 200 kPa).
VIII/2
Schemat obliczeniowy
1. Odczyty z czujników umieścić w tabeli:
σ
n
[kPa]
s
[mm]
a
[-]
A
f
= b
⋅
(b - s)
[m
2
]
F = a
⋅
0,0051
[kN]
τ
f
=F
max
/A
[kPa]
gdzie:
σ
n
– naprężenie normalne w płaszczyźnie ścięcia [kPa],
s – przesunięcie poszczególnych części skrzynki względem siebie [mm],
a – wskazania dynamometru [-],
A
f
– powierzchnia ścinania próbki [m
2
],
b – długość boku skrzynki = 6 cm,
F – siła ścinająca [kN],
τ
f
- wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa].
Do obliczeń należy przyjąć maksymalną wartość siły ścinającej odniesionej do
powierzchni ścinania w momencie, w którym ta siła wystąpiła po raz pierwszy.
2. Dla otrzymanych wyników sporządzić wykres zależności wytrzymałości gruntu na ścinanie
(
τ
f
) od obciążenia (
σ
n
).
3. Spójność badanego gruntu c obliczyć w [kPa] wg wzoru:
c =
2
1
1
2
1
1
1
1
2
)
(
)
(
∑
∑
∑
∑
∑
∑
=
=
=
=
=
=
−
−
N
i
N
i
i
i
fi
N
i
i
N
i
i
N
i
fi
N
i
i
N
σ
σ
τ
σ
σ
τ
σ
[kPa]
4. Kąt tarcia wewnętrznego
φ obliczyć w [º] wg wzoru:
φ
= arc tg
( )
2
1
1
2
1
1
1
∑
∑
∑ ∑
∑
=
=
=
=
=
−
−
⋅
N
i
N
i
i
i
N
i
N
i
fi
i
N
i
i
f
i
N
N
σ
σ
τ
σ
τ
σ
[
°]
gdzie:
σ
ni
- naprężenia normalne w poszczególnych badaniach [kPa],
τ
fi
– wartości wytrzymałości na ścinanie odpowiadające naprężeniom
σ
ni
[kPa],
N – liczba wykonanych ścięć.
VIII/3
