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],
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.

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 Ф_U 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 Δl_v1, Δl_v2, Δl_v3 ze wzoru:

Δl_v= (б_nxF)/α α=10,117[N/dz], F - pole powierzchni próbki - (6cm)²

Δl_v1= (б_n1xF)/α = [90kPa x(36cm²)}/10,117[N/dz] =32,0 dz

Δl_v2= (б_n2xF)/α = [150kPa x(36cm²)}/10,117[N/dz] = 53,4 dz

Δl_v3= (б_n3xF)/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 Δl_v.

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 Ф_U i spójności c_s

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 30^O.

Ф_U= arctg(a)`

Gdzie:

N-liczba ściętych próbek

- wartości wytrzymałości na ścinanie poszczególnych próbek [Kpa]

- naprężenia normalne [Kpa]

Kąt tarcia wewnętrznego:

Ф_U=arc tg(a)=27,47

Spójność:

C_s=b

C_s=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 C_s 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.