Bepaling van cohesie en hoek van interne wrijving

Vandaag richt Savo Kusić zich op houten ramen, hout-aluminium ramen, op maat gemaakte ramen, deuren en offerteaanvragen. Deze tekst blijft een geotechnisch archief en is geen aanbod voor laboratoriumonderzoek, geotechnisch ontwerp of grondwerken.

Er zijn verschillende manieren om de elementen interne weerstand, cohesie en hoek van interne wrijving van de bodem te bepalen met behulp van laboratoriumexperimenten, waarvan de tests voor directe afschuiving en triaxiale compressie de bekendste zijn.

Directe afschuifervaring

De test wordt uitgevoerd op een apparaat met een rechthoekige doorsnede van het type _A. Casagrandea of ​​op een rond apparaat van het Hvorsleva-type. We zullen het experiment beschrijven met het apparaat met rechthoekige doorsnede, dat het meest wordt gebruikt. In beide gevallen wordt de proef uitgevoerd met een ongestoord monster, of met een verstoord monster op het vloeipunt, in welk geval de proef een vergelijkende waarde heeft.

Apparaat voor het direct knippen van een rechthoekig gedeelte (fig. 1)

Afb. 1_Dwarsdoorsnede van Casagrande’s directe afschuifapparaat_

Het apparaat bestaat uit twee delen, het bovenste en onderste frame, waarbij het onderste statisch is, terwijl het bovenste beweegbaar is en op het onderste kan worden verplaatst onder invloed van de horizontale kracht Z, die inwerkt op het contactvlak van het bovenste en onderste frame.

Het grondmonster wordt in een stalen rechthoekige ring geplaatst, meestal met de afmetingen 100 × 100 × 30 mm, of de afmetingen wanneer deze nauwkeurig worden geschraapt. Filterstenen worden over de boven- en onderkant van het monster geplaatst en vervolgens wordt alles in de ring van het apparaat geplaatst, die vervolgens met water wordt gevuld. Op het monster wordt een apparaat voor verticale belasting geplaatst. De bovenste filtersteen is verbonden met het systeem van verticale belasting van het monster, terwijl de onderste is verbonden met waterkanalen, waarmee het monster tijdens de test in verzadigde toestand kan worden gehouden om schijnbare cohesie uit te sluiten.

Om wrijving op de contactoppervlakken tussen het boven- en onderframe uit te sluiten, zijn er apparaten waarbij het bovenframe is gedraaid, waardoor het bovenframe beweegt onder invloed van horizontale schuifkracht. Bovendien zijn de contactvlakken van het boven- en onderframe bedekt met vaseline. Een andere 2 comparator voor het registreren van verticale en horizontale vervormingen is in het apparaat opgenomen.

Directe afschuiftest

Er zijn voornamelijk 2 typen directe afschuiftesten: snelle en langzame test. De Quick-test bestaat uit het belasten van het monster met een bepaalde verticale druk, die gewoonlijk 0,50 ​​bedraagt, nadat het in het apparaat is gebracht; 1,0; 2,0; 3,0 en 4,0 kp/cm2, wacht op consolidatie, waarvan wordt aangenomen dat deze is bereikt als zetting gedurende 24 uur Δh ≤ 0,02 mm, en pas dan horizontale schuifkracht Z toe, maat 1/20 of 1/40 deel van de verticale kracht P, die elke minuut met dezelfde waarde toeneemt totdat de grond breekt. Tijdens het uitoefenen van de horizontale schuifkracht wordt het bewegingsverloop van het bovenframe voortdurend gevolgd door het aflezen op de comparator en worden de horizontale vervormingen vlak voor elke nieuwe belasting in het logboek geregistreerd. Het moment waarop de comparator een plotselinge beweging vertoont, wordt als baanbrekend beschouwd.

De snelle test wordt toegepast op kleiachtige bodems, waarvan de natuurlijke consolidatie onder een nieuwe belasting langzaam is en komt overeen met deze methode voor het uitvoeren van de test.

Slow-test wordt op dezelfde manier uitgevoerd als voorheen, met als enige verschil dat de horizontale schuifkracht toeneemt in een langer tijdsinterval, dat 2, 5 en 15 mminuten kan zijn, of tot aan consolidatie, d.w.z. totdat de horizontale vervormingen volledig onbeduidend worden. Het verloop van de consolidatie onder invloed van horizontale kracht wordt gevolgd op de comparator 9 (fig. 1).

De langzame test wordt toegepast op zand- of stoffige grond, waarbij in het geval van een toename van de horizontale schuifkracht in een kort tijdsinterval het afschuiven van het monster in het apparaat zou versnellen als gevolg van het effect van gestresseerd water in de poriën, wat niet zou overeenkomen met een natuurlijk proces. Daarom neemt het tijdsinterval toe met de fijnheid van de ongebonden gronddeeltjes, zodat de waterdruk in de bodemporiën gelijk kan worden gemaakt met de externe waterdruk. Deze egalisatie wordt bereikt door voldoende tijd te laten onder invloed van elk niveau van horizontale belasting, zodat het overtollige water in de poriën door de filtersteen naar buiten wordt geperst.

In aanvulling op de genoemde tests wordt in bepaalde gevallen een snelle test zonder consolidatie onder verticale belasting uitgevoerd, d.w.z. de horizontale schuifkracht wordt toegepast onmiddellijk nadat het monster in het apparaat is gebracht en met een verticale belasting is belast. Deze uitvoeringsmethode wordt echter toegepast onder bijzondere omstandigheden, zoals het geval van een vers aangelegde ophoging uit kleigrond, die direct na ophoging wordt belast zonder voorafgaande verdichting.

Bepaling van de hoek van interne wrijving en cohesie

Op basis van de testresultaten wordt de schuifspanning

τ=Z/A in kp/cm², ​

die wordt verkregen uit de schuifkracht Z in kp op het moment van bezwijken en het dwarsdoorsnedeoppervlak van het monster A in cm². De test wordt uitgevoerd met 3 tot 4 apparatuur geladen met verschillende normale druk σ=P/A in kp/cm² waarbij P de verticale belasting van het monster in kp is. Meestal worden de volgende waarden van normale drukken genomen: 1,0; 2,0; 3,0 en 4,0 kp/cm².

Afb. 2. Diagram van horizontale vervormingen

Gebaseerd op het diagram van interne wrijvingselementen worden twee soorten diagrammen 1 en een diagram van horizontale vervormingen (fig. 2) verkregen.

Het diagram van horizontale vervormingen wordt verkregen door de horizontale verplaatsing ΔL in mm van het bovenste frame van het apparaat toe te passen op het onderste frame op de abscis-as, wat wordt verkregen door het lezen van de comparator 9, en op de ordinaat-as de overeenkomstige schuifspanning τ in kp/cm² (fig. 2).

Afhankelijk van de bodemverdichting wordt het diagram 1 voor verdicht materiaal en diagram 2 voor los materiaal verkregen.

Voor een verdicht materiaal neemt de schuifspanning τ aanvankelijk vrij scherp toe in verhouding tot de horizontale verplaatsing ΔL tot aan de evenredigheidsgrens P, en vervolgens langzamer, waarbij de curve van het diagram 1 toeneemt en een maximale hoogte B bereikt, waarna het diagram over een bepaalde lengte afneemt, om uiteindelijk een horizontale stroming te bereiken. Er wordt aangenomen dat de zone van het rechtlijnig klimmen van het horizontale vervormingsdiagram, waarin de toename van de schuifspanning evenredig is met de toename van de vervorming, het gebied van elastische vervorming is. Voorbij de grens P neemt de toename van de schuifspanning af overeenkomstig de toename van de vervormingen ΔL tot aan het hoogste punt B van het diagram. In deze zone begint het materiaal te “vloeien” en wordt het aangenomen als een gebied van plastische vervorming. Het hoogste punt B van het 1 diagram vertegenwoordigt de maximale schuifspanning max τ, en er wordt aangenomen dat op dit punt grondbreuk optreedt, dat wil zeggen dat punt B het breekpunt is. Voorbij punt B bevindt het materiaal zich in vloeibare toestand, neemt de schuifsterkte af en wordt aangenomen dat in deze zone, waar de verbinding tussen de deeltjes wordt verbroken, er alleen maar glijweerstand is die de horizontale schuifkracht tegenwerkt. Het punt G waar het diagram 1 naar de horizontale richting draait, wordt aangenomen als de glijdende grens.

De schuifspanning bij de bezwijkgrens B wordt de schuifsterkte of pure schuifsterkte τf genoemd, terwijl de schuifspanning bij de vloeigrens G de slipsterkte τg wordt genoemd.

Voor los materiaal heeft het horizontale verplaatsingsdiagram ook een elastisch gebied met evenredigheidslimiet P, maar stroomafwaarts bevindt zich een plastisch gebied tot aan de sliplimiet G, d.w.z. de maximale schuifspanning is gelijk aan de limietsterkte, glijdend (τ=τg), waarboven de vloeibare toestand van het materiaal.

Afb. 3. Afschuifdiagram, a) voor coherente bodems, b) voor incoherente bodems

Het schuifdiagram wordt verkregen wanneer de normale druk σ in kp/cm2 wordt toegepast op de abscis-as, en de overeenkomstige schuifsterkte τf in kp/cm2 wordt toegepast op de ordinaat-as, waarbij beide waarden op dezelfde schaal worden toegepast (fig. 3). Omdat de schuifsterkte τf van de grond toeneemt met de normale druk σ, worden voor verschillende drukken σ1 punten A, B, C en D verkregen, die de overeenkomstige schuifsterkten vertegenwoordigen.

Om bepaalde punten A, B, C en D op het diagram 3 te verkrijgen voor samenhangende gronden (fig. 3a), wordt de glijsterkte _τ_g aangenomen. In het geval van kleiachtige grond begint het materiaal echter te stromen lang voordat de sliplimiet G wordt bereikt, en er is een neiging om de schuifsterkte aan te nemen bij de evenredigheidsgrens P om de cohesie c en de hoek van interne wrijving van de grond te bepalen, maar aangezien deze relatief klein is, wordt vaak de schuifsterkte aangenomen waarvoor de vervorming ΔL in het 2 diagram tweemaal de vervorming is op het vorige belastingsniveau in het apparaat. Deze sterkte ligt ergens tussen de grens van P en B, dat wil zeggen G (fig. 2).

Verbindingspunten A, B, C en D in diagram 76a geeft een schuifdiagram, wat bij succesvolle tests een rechte lijn is. Door het diagram uit te breiden tot het snijpunt met de ordinaat, voor σ = 0, wordt op basis van het Coulomb-patroon τf = c+σ tgϕ verkregen dat τf = c = bodemcohesie, terwijl de helling van het diagram naar de horizontaal toe de hoek van interne wrijving aangeeft. Door het schuifdiagram aan de andere kant van de ordinaat uit te breiden, wordt de spanning als gevolg van cohesie pk verkregen op de abscis-as, wanneer de grootte van cohesie c wordt uitgedrukt als het equivalent van wrijvingsweerstand:

c = pk tgϕ, vandaar pk = c/tgϕ

Voor onsamenhangende bodems, zoals zand, wordt het diagram in Fig. 3b, die door de coördinatenoorsprong gaat, aangezien we voor σ = 0 τ = 0 krijgen. Als het zand echter fijnkorrelig en nat is, wordt een diagram weergegeven dat lijkt op dat in Fig. 3a, met een kleinere cohesie c, die schijnbare cohesie vertegenwoordigt. In dat geval vertegenwoordigt de spanning pk op de verlengde abscis-as aan de andere kant van de coördinatenoorsprong de capillaire spanning.

Opgemerkt moet worden dat de bepaling van de bodemcohesie en wrijving door middel van directe afschuiftesten verschillende nadelen heeft, waarvan de belangrijkste zijn dat bodembezwijken optreedt op een vooraf bepaald afschuifoppervlak en niet op het oppervlak met de minste schuifweerstand, dat tijdens het afschuiven van het monster in het apparaat het afschuifoppervlak wordt verkleind als gevolg van de beweging van het bovenste frame op het onderste, en dat de vervormingen van het monster tijdens het afschuiven alleen over een korte lengte kunnen worden gevolgd. zodat de glijweerstand voorbij de limiet de breuk niet in voldoende mate kan beheersen, vooral in het geval van zachte grond wanneer de vervormingen tijdens het afschuiven groot zijn, enz.

Triaxiale compressietest

De test wordt uitgevoerd op een triaxiaal apparaat, dat verschillende constructies heeft, maar ze zijn allemaal gebaseerd op hetzelfde principe, namelijk als volgt. Het ongestoorde monster in de vorm van een rol wordt verticaal op de standaard geplaatst en van alle kanten blootgesteld aan de zijdelingse druk van de vloeibare massa en vervolgens aan de verticale druk, die geleidelijk toeneemt, totdat breuk van het monster wordt veroorzaakt op het oppervlak met de minste schuifweerstand. Op basis van de schuifsterkte bij breuk worden de cohesie en de hoek van interne wrijving van de grond berekend.

Beschrijving van triaxiaal apparaat

Afb. 4. Triaxiaal apparaat

Het triaxiale apparaat (fig. 4) bestaat in het onderste deel van de basisplaat van de kamer, waarop de monsterstandaard rust, en in het bovenste deel van de zuiger voor verticale belasting van het monster en de bovenste plaat die de kamer afsluit. De meest voorkomende monsterafmetingen zijn diameter ϕ=36 mm, hoogte h=2,2-2,5_ϕ_. De diameter van de kamer is D=135mm, hoogte H = 180 mm. Een smalle buis K1 voor het afvoeren van het monster vanaf de bodem begint vanuit het midden van de monsterstandaard, die water van het monster ontvangt via een poreuze plaat en dit buiten de kamer afvoert in een verticale glazen buis C1. Als de test wordt uitgevoerd zonder het monster af te tappen, dient dit kanaal om de waterdruk in de poriën te meten. In de bronzen basis van de kamer bevindt zich een kanaal K2 voor de toevoer van vloeibare massa om de kamer te vullen en zijdelingse druk in de kamer op het monster te bereiken.

Door de bovenste plaat van de kamer passeert de zuigerhandgreep voor het laden van het monster. Het monster in de kamer is omgeven door een rubberen membraan, dat aan beide uiteinden verlengd is en door middel van rubberen ringen met de zuiger en de basis is verbonden. In het midden van de zuiger bevindt zich een kanaal K3 voor het afvoeren van het monster vanaf de bovenzijde.

De zijkanten van de kamer zijn hermetisch afgesloten met een cilinder van plexiglas die via rubberen ringen aan de bovenste en onderste platen van de kamer is bevestigd.

De kamer wordt op een stevige ondergrond geplaatst. Het normale laden van het monster gebeurt via een hendel met gewichten, waarvan de verhouding meestal 1: 10 is. Het systeem voor het bewerkstelligen van zijdelingse druk op het monster in de kamer bestaat uit een fles met vloeibare massa B, die door middel van een buis in de kamer wordt gebracht, een manometer voor het meten van de luchtdruk en een fles met perslucht. Boven de zuiger wordt een comparator geplaatst om het monster te laden om de zetting van het monster onder belasting te meten.

De zijdelingse druk van de vloeibare massa in de kamer kan naar wens worden aangepast met behulp van de luchtdruk in fles B, via de kleppen V1 en V2. Deze druk veroorzaakt horizontale spanningen in het monster σ2 en σ3, die vanwege de cirkelvormige doorsnede van het monster worden geëgaliseerd σ2 = σ3.

De vloeibare massa kan gedestilleerd water of olie zijn, wat de voorkeur heeft voor een betere afdichting, omdat water door de schroeven kan stromen. Onder invloed van de luchtdruk in fles B vult de vloeibare massa de kamer tot aan klep V6, die vervolgens sluit. De verticale belasting van het monster P, die vrijwel wrijvingsloos op het monster wordt overgebracht via de zuigerhandgreep, gedeeld door het dwarsdoorsnedeoppervlak van het monster A geeft de verticale spanning σ1 = P/A

Triaxiale compressietest uitvoeren

Voor het proefmonster wordt dit in een apart apparaat verwerkt, zodat een rol met een diameter van 36 mm, een hoogte van 78 mm of 90 mm ontstaat, waarop van boven en onder filterstenen worden geplaatst en een rubberen membraan wordt aangebracht. Vervolgens wordt het monster samen met de filterstenen op de standaard in de kamer geplaatst, de uiteinden, de rubberen membranen worden over de standaard en de laadzuiger getrokken en vastgezet met rubberen ringen. Volgens de praktijk van bepaalde laboratoria, zoals Prof. Skempton in Londen, wordt het afvoeren van het monster in de kamer tijdens de test versneld door de zijkanten van het monster te bekleden met filtreerpapier, dat wordt geplaatst voordat het rubberen membraan wordt aangetrokken. Wanneer het monster in het apparaat wordt gebracht en de plexiglascilinder in de bovenste en onderste platen wordt bevestigd, is het mogelijk om tests uit te voeren, die op verschillende manieren kunnen worden uitgevoerd, zoals:

1. Ongedraineerde tests. Bij deze tests is het aftappen van het monster niet toegestaan tijdens de uitvoering van de laterale en verticale test, terwijl de kleppen V4 en V5 gesloten zijn.

2. Ongedraineerde tests met consolidatie. Tijdens het uitoefenen van zijdelingse druk wordt het monster afgevoerd (kleppen V4 en V5 zijn open), terwijl tijdens het uitoefenen van verticale druk geen drainage is toegestaan (V4 en V5 zijn gesloten).

3_) Uitgelekte monsters_. Het monster wordt gedurende de gehele duur van de test gedraineerd (kleppen V4 en V5 zijn open), zodat volledige consolidatie plaatsvindt en er geen spanningswater in de poriën ontstaat tijdens het uitoefenen van verticale druk σ1. Vooral bij slecht doorlatende grond duurt deze proef lang, omdat de verticale belasting σ1 in een groot aantal kleine fases moet worden uitgevoerd en bij elke fase op consolidatie moet worden gewacht. Bovendien kunnen de genoemde tests worden uitgevoerd met verzadigde en gedeeltelijk verzadigde monsters_._

Gezien de bovengenoemde mogelijkheden kunnen triaxiale compressietests in verschillende varianten worden uitgevoerd en aangepast aan het type grond onder belasting.

De beschreven apparaten, procedures, eenheden, waarden en patronen zijn overgenomen uit een historische bron. De tekst is geen geotechnisch onderzoek, laboratoriumprotocol, funderingsproject, bewijs van taludstabiliteit of graafplan. De keuze van monster- en testmethode, staat van drainage en consolidatie, grondwater, belastingsregime, seismische invloeden en graafveiligheid moeten voor de specifieke grond en het gebouw, volgens de geldende regelgeving, worden bepaald met het juiste laboratorium en geautoriseerde geotechnische deskundige.