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

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.

Rys. 1. Zależność wytrzymałości gruntu na ścinanie (τf) od naprężenia normalnego (σn): a - dla gruntów spoistych, b - dla gruntów niespoistych.

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.

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).

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.

Obliczenia

Odczyty z czujników:

σn [kPa]	s [mm]	a [-]	Af=b*(b-s) [m²]	F=a*0,0051 [kN]	τf=Fmax/A
25	0,5	4,5
	1,0	1,0
	1,5	5,9
	2,0	6,0
	2,5	6,2
	3,0	6,9
	3,5	7,0	0,00339	0,0357	10,53097345
	4,0	7,0
	4,5	7,0
50	0,5	5,0
	1,0	7,0
	1,5	8,5
	2,0	10,0
	2,5	13,0
	3,0	14,0
	3,5	14,8
	4,0	15,5
	4,5	16,0	0,00333	0,0816	24,5045045
	5,0	16,0
	5,5	16,0
100	0,5	10,0
	1,0	14,0
	1,5	16,5
	2,0	20,0
	2,5	22,0
	3,0	25,0
	3,5	27,0
	4,0	30,0
	4,5	32,0
	5,0	33,0
	5,5	33,5	0,00327	0,17085	52,24770642
	6,0	33,0
200	0,5	28,0
	1,0	37,0
	1,5	42,5
	2,0	48,0
	2,5	53,0
	3,0	56,0
	3,5	60,0
	4,0	63,5
	4,5	65,0
	5,0	65,0	0,0033	0,3315	100,4545455
	5,5	64,0

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 [m²],

b - długość boku skrzynki = 6 cm,

F - siła ścinająca [kN],

τ_f - wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa].

Do obliczeń przyjmujemy maksymalną wartość siły ścinającej odniesionej do powierzchni ścinania w momencie, w którym ta siła wystąpiła po raz pierwszy.

Dla otrzymanych wyników sporządzamy wykres zależności wytrzymałości gruntu na ścinanie (τ_f) od obciążenia (σ_n).

Spójność badanego gruntu c obliczamy w [kPa] wg wzoru:

C= -1,08522 kPa

Kąt tarcia wewnętrznego φ obliczyć w [º] wg wzoru:

Φ=27,1220 ْ

gdzie:

σ_ni - naprężenia normalne w poszczególnych badaniach [kPa],

τ_fi - wartości wytrzymałości na ścinanie odpowiadające naprężeniom σ_ni [kPa],

N - liczba wykonanych ścięć.

---