凝集力と内部摩擦角の測定

今日、サヴォ・クシッチは木製窓、木製アルミニウム窓、カスタム窓、ドア、および見積依頼に焦点を当てています。この文書は地盤工学アーカイブとして残されており、実験室での試験、地盤工学設計、または土工工事に提供されるものではありません。

室内実験を使用して土壌の内部抵抗、凝集力、内部摩擦角の要素を決定するにはいくつかの方法がありますが、その中で_直接せん断_試験と_三軸圧縮_試験が最も有名です。

直接剪断体験

試験はタイプ_Aの長方形断面を持つ装置で実行されます。 Casagrandea_ または Hvorsleva タイプの円形装置上で。最も広く使われている断面が長方形の装置を用いた実験について説明します。どちらの場合も、試験は乱されていないサンプルを使用して実行されるか、降伏点で乱されたサンプルを使用して実行されます。この場合、試験には比較値が含まれます。

長方形断面の直接せん断装置 (図 1)

図1_カサグランデの直接剪断装置の断面図_

この装置は上部フレームと下部フレームの 2 つの部分で構成され、下部フレームは静止していますが、上部フレームは可動であり、上部フレームと下部フレームの接触面に作用する水平力 Z の影響で下部フレーム上を移動できます。

土壌サンプルは、通常は100 × 100 × 30 mm のサイズ、または正確に削り取った場合の寸法の鋼製長方形リングに配置されます。フィルターストーンをサンプルの上下に置き、すべてを装置のリングに入れ、その後水で満たします。垂直荷重用の装置がサンプル上に配置されます。上部のフィルター石はサンプルの垂直荷重システムに接続され、下部のフィルター石は水路に接続されており、これにより、見かけの凝集を排除するために、試験中にサンプルを飽和状態に保つことができます。

上部フレームと下部フレームの間の接触面の摩擦を排除するために、上部フレームをねじる装置があり、それによって上部フレームが水平せん断力の影響下で移動します。また、上下フレームの接触面にはワセリンを塗布しています。垂直方向と水平方向の変形を記録するための別の 2 コンパレータがデバイスに含まれています。

直接せん断試験

2 の直接せん断試験には主に、fast 試験と slow 試験の 2 種類があります。 「クイック」テストでは、装置に導入した後、サンプルに一定の垂直圧力 (通常は 0,50​​ に相当) を加えることが含まれます。 1,0; 2,0; 3,0 および 4,0 kp/cm2、圧密を待ちます。これは、24 時間 Δh ≤ 0,02 mm の間に沈下した場合に達成されたと想定され、その後、水平せん断力 Z、サイズを適用します。 1/20 または 1/40 垂直力 P の一部。地面が壊れるまで同じ値ずつ毎分増加します。水平せん断力が加えられている間、上部フレームの動きの経過はコンパレータの読み取りによって常に監視され、新たな荷重が加わる直前に水平変形がログに記録されます。コンパレータが急激な動きをした瞬間を画期的とします。

迅速試験は粘土質土壌に適用され、新しい荷重による自然固結が遅く、この試験実施方法に対応します。

_Slow_テストは以前と同様の方法で実行されますが、唯一の違いは、水平せん断力がより長い時間間隔で増加することです。これは、2、5、15 m分、または圧密まで、つまり水平変形が完全に無視できるようになるまで増加します。水平力の影響下での圧密の過程はコンパレータ9 (図1) で監視されます。

低速試験は砂質または粉塵の多い土壌に適用されます。この場合、短時間に水平せん断力が増加した場合、細孔内の応力水の影響により装置内のサンプルのせん断が加速され、これは自然のプロセスに対応しません。したがって、時間間隔は、結合していない土壌粒子の細かさに応じて増加し、土壌細孔内の水圧と外部の水圧を等しくすることができます。この均一化は、各レベルの水平荷重の影響下に十分な時間を置くことで達成され、細孔内の余分な水分がフィルター石を通して絞り出されます。

上記の試験に加えて、場合によっては、垂直荷重下での圧密を伴わない迅速な試験が実行されます。つまり、サンプルを装置に導入し、垂直荷重を負荷した直後に水平せん断力を加えます。ただし、この施工方法は、粘土質土でできた新設盛土の場合、締固めを行わずに盛土直後に荷重を加える場合など、特殊な条件下で適用されます。

内部摩擦角と凝集角の求め方

試験結果に基づいて、せん断応力

τ=Z/A (kp/cm²)、

これは、破壊の瞬間のせん断力_Z_ (kp) とサンプルの断面積_A_ (cm²) から得られます。試験は、異なる常圧 σ=P/A (kp/cm²) を負荷した3 ～ 4 装置で行われます。ここで、P はサンプルの垂直荷重 (kp) です。通常、次の常圧の値が使用されます: 1,0; 2,0; 3,0 および 4,0 kp/cm²。

図2。 水平変形図

内部摩擦要素図を基に1と水平変形図（図2）の2種類が得られます。

水平変形の図は、コンパレータ9を読み取って得られる、装置の上部フレームの水平変位_ΔL_(mm)を下部フレームに適用することによって横軸に、また縦軸に対応するせん断応力_τ_(kp/cm2)を適用することによって得られます(図1)。 2).

土の圧縮に応じて、圧縮された場合の図1と、緩い材料の場合の図2が得られます。

圧縮された材料の場合、せん断応力 τ は、水平変位 ΔL に対して比例 P の限界まで最初はかなり急激に増加し、その後はゆっくりと増加します。これにより、図 1 の曲線が増加して最大高さ B に達し、その後、図は一定の長さにわたって減少し、最終的に水平流れに達します。せん断応力の増加が変形の増加に比例する水平変形図の直線上昇領域を弾性変形領域と仮定します。限界 P を超えると、図の最高点 B までの変形 ΔL の増加に応じて、せん断応力の増加が減少します。このゾーンでは、材料が「流動」し始め、塑性変形の領域として採用されます。 1 線図の最も高い点 B は最大せん断応力 max τ を表し、この点で土壌破壊が発生すると想定されます。つまり、点 B が破断点です。点 B を超えると、材料は液体状態になり、せん断強度が減少します。この領域では、粒子間の結合が壊れ、水平せん断力に対抗する滑り抵抗のみが存在すると想定されます。線図1が水平方向になる点Gをスライド境界として採用します。

破壊限界 B でのせん断応力は、せん断強度または 純粋せん断強度 τf と呼ばれ、降伏限界 G でのせん断応力は、滑り強度 τg と呼ばれます。

緩い材料の場合、水平変位図には比例限界 P の弾性領域もありますが、下流には滑り限界 G までの塑性領域があります。つまり、最大せん断応力は滑り限界強度 (τ=τg) に等しく、それを超えると材料は液体状態になります。

図3。 せん断図、a) 粘性土壌の場合、b) 非粘性土壌の場合

せん断図は、常圧_σ_ (kp/cm)2を横軸に適用し、対応するせん断強度_τf_ (kp/cm2)を縦軸に適用すると得られます。これにより、これらの値は両方とも同じスケールで適用されます(図3)。土壌のせん断強度 τf は常圧 σ とともに増加するため、異なる圧力 σ1 に対して、対応するせん断強度を表す点 A、B、C、D が得られます。

粘性土の図3（図3a）の特定の点A、B、C、Dを取得するには、滑り強度_τ_gが採用されます。ただし、粘土質土の場合、滑り限界 G に達するずっと前から材料が流動し始めるため、土の凝集力 c や内部摩擦角を決定するために比例 P の限界でのせん断強さを採用する傾向がありますが、比較的小さいため、2 図上の変形 ΔL が装置の前のレベルの荷重における変形の 2 倍となるせん断強さを採用することがよくあります。この強度は、P と B の境界、つまり G のどこかにあります (図 2)。

図76a の点 A、B、C、D を接続すると、せん断図が得られます。これは、成功したテストでは直線になります。 σ = 0 の場合、図を縦軸との交点まで拡張すると、クーロン パターン τf = c+σ tgϕ に基づいて τf = c = 土壌凝集力が得られます。一方、水平方向の図の傾きは内部摩擦角を示します。せん断図を縦軸の反対側に拡張すると、凝集力 c の大きさを摩擦抵抗に相当するものとして表すと、凝集力による応力 pk が横軸に得られます:

c = pk tgϕ、したがって pk = c/tgϕ

砂などの非粘着性の土壌の場合、図の図が適用されます。 σ = 0 の場合、τ = 0 が得られるため、座標原点を通過する 3b。ただし、砂が細かくて湿っている場合は、図のような図になります。 3a、凝集度 c が小さく、見かけの凝集度を表します。この場合、座標原点の反対側の延長横軸上の応力_pk_が毛細管応力を表します。

直接せん断試験による土壌の凝集力と摩擦の測定にはいくつかの欠点があることに注意してください。その中で最も重要なのは、土壌破壊はせん断抵抗が最小の表面ではなく、所定のせん断面で発生すること、装置内でのサンプルのせん断中、下部フレーム上の上部フレームの移動によりせん断面が減少すること、せん断中のサンプルの変形は短い長さでしか監視できないことです。特に軟弱地盤の場合、せん断時の変形が大きい場合など、限界を超えると破壊を十分に抑制できません。

三軸圧縮試験

試験は三軸装置で実行され、構造は異なりますが、すべて以下のような同じ原理に基づいています。ローラーの形をした平らなサンプルをスタンド上に垂直に置き、すべての側面から液体塊の横方向の圧力にさらし、その後、せん断抵抗が最も小さい表面でサンプルの破壊が生じるまで、徐々に増加する垂直方向の圧力にさらします。破断せん断強度に基づいて、土の凝集力と内部摩擦角を計算します。

三軸装置の説明

図4。 三軸装置

三軸装置 (図 4) は、サンプルスタンドが置かれるチャンバーのベースプレートの下部と、サンプルを垂直にロードするためのピストンの上部とチャンバーを閉じる上部プレートで構成されます。最も一般的なサンプルの寸法は、直径 ϕ=36 mm、高さ h=2,2-2,5_ϕ_ です。チャンバーの直径は D=135mm、高さ H = 180 mm です。サンプルを底部から排出するための細管 K1 がサンプルスタンドの中央から始まり、多孔板を介してサンプルからの水を受け取り、チャンバーの外の垂直ガラス管 C1 に排出します。サンプルを排水せずにテストを実行する場合、このチャネルは細孔内の水圧を測定するのに役立ちます。チャンバーの青銅製のベースには、チャンバーを満たし、サンプルにチャンバー内の側圧を加えるために液体塊を供給するためのチャネル K2 があります。

チャンバーの上部プレートを介して、サンプルをロードするためのピストンハンドルが通過します。チャンバー内のサンプルはゴム膜で囲まれており、ゴム膜は両端が延長され、ゴムリングによってピストンとベースに接続されています。ピストンの中央には、上部からサンプルを排出するためのチャンネルK3があります。

チャンバーの側面は、ゴムリングを介してチャンバーの上部プレートと下部プレートに固定されたプレキシガラスシリンダーで密閉されています。

チャンバーは固体ベース上に設置されます。サンプルの通常の荷重は、重り付きレバーを介して行われ、その比率は 1: 10 となることがほとんどです。チャンバー内のサンプルに側圧を加えるシステムは、チューブによってチャンバー内に持ち込まれる液体 B の入ったボトル、空気圧を測定するための圧力計、および圧縮空気の入ったボトルで構成されます。コンパレータはサンプルをロードするピストンの上に配置され、負荷時のサンプルの沈下を測定します。

チャンバー内の液体塊の側圧は、バルブ V1 および V2 を介して、ボトル B 内の空気圧を使用して任意に調整できます。この圧力により、サンプル σ2 および σ3 に水平応力が発生します。サンプルの円形断面により、これらの応力は等しくなります σ2 = σ3.

液体の塊には蒸留水または油を使用できますが、水はネジを通過できるため、密閉性を向上させるために推奨されます。ボトル B 内の空気圧の影響で、液体の塊がチャンバーをバルブ V6 まで満たし、バルブ V6 が閉じます。ピストン ハンドルを介してほぼ摩擦なしでサンプルに伝わるサンプル P の垂直荷重をサンプル A の断面積で割ると、垂直応力 σ1 = P/A

三軸圧縮試験実施

試験サンプルは、別の装置で直径36 mm、高さ78 mmまたは90 mmのローラーを用意し、その上に濾石を上下から置き、ゴム膜をかぶせます。次に、サンプルをフィルターストーンとともにチャンバー内のスタンドに置き、両端のゴム膜をスタンドとローディングピストンの上に引っ張り、ゴムリングで固定します。ロンドンのスケンプトン教授などの特定の研究室の実践によれば、ゴム膜を引っ張る前にサンプルの側面を濾紙で裏打ちし、試験中のチャンバー内のサンプルの排出が促進されます。サンプルを装置に導入し、プレキシガラスシリンダーを上部プレートと下部プレートに固定すると、次のようないくつかの方法でテストを実行できます。

1. 非排水テスト。 これらのテストでは、バルブ V4 および V5 が閉じている間、水平試験および垂直試験の適用中にサンプルの排水は許可されません。

2. 統合を伴う非排水テスト。側圧を加えている間はサンプルは排出されます (バルブ V4 および V5 が開いています)。一方、垂直圧力が加えられている間はサンプルは排出されません (V4 および V5 が閉じています)。

3_) 排水サンプル_。サンプルは試験期間中ずっと排水されます (バルブ V4 および V5 が開いています)。これにより、垂直圧力 σ1 の印加中に完全な固化が起こり、細孔内に応力水が生成されません。この試験は、垂直荷重 σ1 を多数の小さな段階で実行する必要があり、各段階で圧密を待つ必要があるため、特に透水性の悪い土壌では時間がかかります。さらに、前述のテストは、飽和 および 部分飽和 サンプル_を使用して実行できます。_

前述の可能性を考慮して、三軸圧縮試験をさまざまなバリエーションで実行し、荷重条件下の土壌の種類に応じて調整できます。

記載されている装置、手順、単位、値、パターンは歴史的情報源から移されたものです。このテキストは、地質工学的研究、実験室プロトコル、基礎プロジェクト、斜面の安定性の証明、または掘削計画ではありません。サンプルと試験方法の選択、排水と圧密の状態、地下水、荷重体制、地震の影響、掘削の安全性は、現在の規制に従って、適切な実験室と認定された地盤工学の専門家と協力して、特定の土壌と建物に対して決定する必要があります。