Wyznaczanie spójności i kąta tarcia wewnętrznego

Dzisiaj Savo Kusić koncentruje się na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych, oknach na wymiar, drzwiach i zapytaniach ofertowych. Niniejszy tekst pozostaje archiwum geotechnicznym i nie stanowi oferty badań laboratoryjnych, projektowania geotechnicznego ani robót ziemnych.

Istnieje kilka sposobów wyznaczania elementów oporu wewnętrznego gruntu, spójności i kąta tarcia wewnętrznego gruntu za pomocą eksperymentów laboratoryjnych, spośród których najbardziej znane są badania bezpośredniego ścinania i trójosiowego ściskania.

Bezpośrednie ścinanie

Badanie przeprowadza się na aparacie o przekroju prostokątnym typu A. Casagrandea lub na okrągłym aparacie typu Hvorsleva. Opiszemy eksperyment z urządzeniem o przekroju prostokątnym, które jest najczęściej stosowane. W obu przypadkach badanie przeprowadza się na próbce nienaruszonej lub na próbce naruszonej w granicy plastyczności, w którym to przypadku badanie ma wartość porównawczą.

Urządzenie do bezpośredniego cięcia przekroju prostokątnego (rys. 1)

Rys. 1_Przekrój poprzeczny aparatu do bezpośredniego ścinania Casagrande_

Urządzenie składa się z dwóch części, ramy górnej i dolnej, przy czym dolna jest statyczna, natomiast górna jest ruchoma i może być przesuwana po dolnej pod wpływem siły poziomej Z, która działa na płaszczyznę styku ramy górnej i dolnej.

Próbkę gleby umieszcza się w stalowym prostokątnym pierścieniu, zwykle o wymiarach 100 × 100 × 30 mm lub takich wymiarów po dokładnym zeskrobaniu. Kamienie filtracyjne umieszcza się na górze i na dole próbki, a następnie wszystko umieszcza się w pierścieniu aparatu, który następnie napełnia się wodą. Na próbkę umieszcza się urządzenie do ładowania pionowego. Górny kamień filtracyjny połączony jest z układem pionowego obciążania próbki, natomiast dolny połączony jest z kanałami wodnymi, dzięki którym próbka może być utrzymywana w stanie nasyconym podczas badania, w celu wykluczenia pozornej spójności.

W celu wykluczenia tarcia na powierzchniach styku ramy górnej i dolnej stosuje się urządzenia z ramą górną skręconą, za pomocą których rama górna przemieszcza się pod wpływem poziomej siły ścinającej. Dodatkowo powierzchnie styku górnej i dolnej ramy pokryte są wazeliną. W urządzeniu znajduje się kolejny komparator 2 do rejestracji odkształceń pionowych i poziomych.

Test bezpośredniego ścinania

Istnieją głównie 2 rodzaje próby bezpośredniego ścinania: próba szybka i wolna. Test Szybki polega na obciążeniu próbki po wprowadzeniu do aparatu określonym ciśnieniem pionowym, które zwykle wynosi 0,50; 1,0; 2,0; 3,0 i 4,0 kp/cm2, poczekać na konsolidację, która zakłada się, że została osiągnięta w przypadku osiadania w ciągu 24 godzin Δh ≤ 0,02 mm, a następnie zastosować poziomą siłę ścinającą Z, wielkość 1/20 lub 1/40 część siły pionowej P, która zwiększa się co minutę o tę samą wartość, aż do pęknięcia ziemi. Podczas przyłożenia poziomej siły tnącej przebieg ruchu ramy górnej jest stale monitorowany poprzez odczyt na komparatorze, a odkształcenia poziome rejestrowane są w dzienniku bezpośrednio przed każdym nowym obciążeniem. Za przełomowy przyjmuje się moment, w którym komparator wykazuje nagły ruch.

Szybki test stosowany jest do gruntów gliniastych, których naturalna konsolidacja pod nowym obciążeniem jest powolna i odpowiada temu sposobowi przeprowadzenia badania.

Slow przeprowadza się w podobny sposób jak poprzednio, z tą tylko różnicą, że pozioma siła tnąca narasta w dłuższym przedziale czasu, który może wynosić 2, 5 i 15 mminut lub do momentu zagęszczenia, czyli do momentu, gdy odkształcenia poziome staną się całkowicie nieistotne. Przebieg zagęszczania pod wpływem siły poziomej monitorowany jest na komparatorze 9 (rys. 1).

Próbę powolną stosuje się do gruntów piaszczystych lub pylistych, gdzie w przypadku wzrostu poziomej siły ścinającej w krótkim odstępie czasu ścinanie próbki w aparacie uległoby przyspieszeniu na skutek działania naprężonej wody w porach, co nie odpowiadałoby procesowi naturalnemu. Dlatego też odstęp czasu zwiększa się wraz z rozdrobnieniem niezwiązanych cząstek gleby, tak aby umożliwić wyrównanie ciśnienia wody w porach gleby z ciśnieniem wody zewnętrznej. Wyrównanie to osiąga się poprzez pozostawienie wystarczającej ilości czasu pod wpływem każdego poziomu obciążenia poziomego, tak aby nadmiar wody w porach został wyciśnięty przez kamień filtrujący.

Oprócz wspomnianych badań, w niektórych przypadkach przeprowadza się szybkie badanie bez konsolidacji pod obciążeniem pionowym, tj. bezpośrednio po wprowadzeniu próbki do aparatu i obciążeniu pionowym przykładana jest pozioma siła ścinająca. Jednak ten sposób wykonania stosowany jest w szczególnych warunkach, np. w przypadku świeżo ułożonego nasypu z gruntu gliniastego, który jest obciążany bezpośrednio po nasypie, bez wcześniejszego zagęszczenia.

Wyznaczanie kąta tarcia wewnętrznego i kohezji

Na podstawie wyników badań obliczane jest naprężenie ścinające

τ=Z/A w kp/cm², ​

który oblicza się z siły ścinającej Z w kp w momencie zniszczenia i pola przekroju poprzecznego próbki A w cm². Badanie przeprowadza się za pomocą aparatury 3 do 4 obciążonej różnym ciśnieniem normalnym σ=P/A w kp/cm², gdzie P jest obciążeniem pionowym próbki w kp. Zwykle przyjmuje się następujące wartości ciśnień normalnych: 1,0; 2,0; 3,0 i 4,0 kp/cm².

Rys. 2. Schemat odkształceń poziomych

Na podstawie wykresu elementów ciernych wewnętrznych uzyskuje się dwa rodzaje wykresów 1 oraz wykres odkształceń poziomych (rys. 2).

Wykres odkształceń poziomych uzyskuje się poprzez przyłożenie przemieszczenia poziomego ΔL w mm górnej ramy urządzenia do dolnego na osi odciętych, co uzyskuje się poprzez odczyt komparatora 9, a na osi rzędnych odpowiednie naprężenie ścinające τ w kp/cm² (rys. 2).

W zależności od zagęszczenia gleby uzyskuje się wykres 1 dla zagęszczonego i wykres 2 dla materiału sypkiego.

W przypadku materiału zagęszczonego naprężenie ścinające τ wzrasta początkowo dość gwałtownie w stosunku do przemieszczenia poziomego ΔL aż do granicy proporcjonalności P, następnie wolniej, przy czym krzywa na wykresie 1 wzrasta i osiąga maksymalną wysokość B, po czym wykres maleje na pewnej długości, by ostatecznie osiągnąć przepływ poziomy. Za obszar odkształcenia sprężystego przyjmuje się strefę prostoliniowego wznoszenia się wykresu odkształcenia poziomego, w którym wzrost naprężenia ścinającego jest proporcjonalny do wzrostu odkształcenia. Powyżej granicy P wzrost naprężenia stycznego maleje wraz ze wzrostem odkształceń ΔL aż do najwyższego punktu B wykresu. W tej strefie materiał zaczyna „płynąć” i zostaje on przyjęty jako obszar odkształcenia plastycznego. Najwyższy punkt B na wykresie 1 reprezentuje maksymalne naprężenie ścinające max τ i zakłada się, że w tym miejscu następuje pękanie gruntu, czyli punkt B jest punktem zerwania. Powyżej punktu B materiał znajduje się w stanie ciekłym, wytrzymałość na ścinanie maleje i przyjmuje się, że w tej strefie, gdzie połączenie między cząstkami zostaje zerwane, występuje jedynie opór ślizgowy, który przeciwstawia się poziomej sile ścinającej. Punkt G, w którym wykres 1 skręca w kierunku poziomym, zostaje przyjęty jako granica przesuwania.

Naprężenie ścinające na granicy plastyczności B nazywane jest wytrzymałością na ścinanie lub czystą wytrzymałością na ścinanie τf, natomiast naprężenie ścinające na granicy plastyczności G nazywane jest wytrzymałością na poślizg τg.

W przypadku materiału sypkiego na wykresie przemieszczenia poziomego znajduje się również obszar sprężysty z granicą proporcjonalności P, ale poniżej znajduje się obszar plastyczny aż do granicy poślizgu G, tj. maksymalne naprężenie ścinające jest równe granicznej wytrzymałości na poślizg (τ=τg), powyżej której materiał znajduje się w stanie ciekłym.

Rys. 3. Wykres ścinania, a) dla gruntów spoistych, b) dla gruntów niespójnych

Wykres ścinania uzyskuje się, gdy ciśnienie normalne σ w kp/cm2 przykłada się do osi odciętych, a odpowiadającą mu wytrzymałość na ścinanie τf w kp/cm2 przykłada się do osi rzędnych, przy czym obie te wartości stosuje się w tej samej skali (rys. 3). Ponieważ wytrzymałość gruntu na ścinanie τf wzrasta wraz z ciśnieniem normalnym σ, dla różnych ciśnień σ1 zostaną otrzymane punkty A, B, C i D, które reprezentują odpowiednie wytrzymałości na ścinanie.

Aby otrzymać pewne punkty A, B, C i D na wykresie 3 dla gruntów spoistych (rys. 3a), przyjmuje się siłę poślizgu _τ_g. Jednakże w przypadku gruntów gliniastych materiał zaczyna płynąć na długo przed osiągnięciem granicy poślizgu G i istnieje tendencja do przyjmowania wytrzymałości na ścinanie na granicy proporcjonalności P do określenia spójności c i kąta tarcia wewnętrznego gruntu, jednak ponieważ jest ona stosunkowo mała, często przyjmuje się wytrzymałość na ścinanie, dla której odkształcenie ΔL na wykresie 2 jest dwukrotnie większe od odkształcenia na poprzednim poziomie obciążenia w aparat. Siła ta mieści się gdzieś pomiędzy granicą P i B, czyli G (rys. 2).

Połączenie punktów A, B, C i D na diagramie 76a daje wykres ścinania, który w pomyślnych testach jest linią prostą. Rozbudowując wykres do przecięcia z osią rzędnych, dla σ = 0, na podstawie wzoru Coulomba τf = c+σ tgϕ otrzymuje się, że τf = c = spójność gruntu, natomiast nachylenie wykresu w kierunku poziomu daje kąt tarcia wewnętrznego. Rozbudowując wykres ścinania na drugą stronę osi rzędnych, otrzymujemy naprężenie od spójności pk na osi odciętych, gdy wielkość spójności c wyraża się jako równoważnik oporu tarcia:

c = pk tgϕ, skąd pk = c/tgϕ

W przypadku gruntów niespójnych, takich jak piasek, schemat na rys. 3b, który przechodzi przez początek współrzędnych, gdyż dla σ = 0 otrzymujemy τ = 0. Jeśli jednak piasek jest drobnoziarnisty i wilgotny, schemat podobny do tego na ryc. 3a, z mniejszą spójnością c, która reprezentuje spójność pozorną. W takim przypadku naprężenie pk na przedłużonej osi odciętych po drugiej stronie początku współrzędnych reprezentuje naprężenie kapilarne.

Należy zauważyć, że oznaczanie spójności i tarcia gruntu metodą bezpośredniego badania ścinania ma kilka wad, z których najważniejsze to to, że uszkodzenie gruntu następuje na określonej powierzchni ścinania, a nie na powierzchni o najmniejszym oporze ścinania, że podczas ścinania próbki w aparacie powierzchnia ścinania ulega zmniejszeniu w wyniku ruchu górnej ramy na dolnej, następnie że odkształcenia próbki podczas ścinania można monitorować jedynie przez krótki czas długości, tak że opór ślizgowy przekraczający dopuszczalną granicę nie jest w stanie w wystarczającym stopniu kontrolować pękania, zwłaszcza w przypadku gruntów miękkich, gdy odkształcenia podczas ścinania są duże itp.

Test ściskania trójosiowego

Badanie przeprowadza się na aparacie trójosiowym, który ma różną konstrukcję, ale wszystkie opierają się na tej samej zasadzie, czyli następująco. Nienaruszoną próbkę w postaci wałka umieszcza się pionowo na stojaku i poddaje działaniu bocznego nacisku ciekłej masy ze wszystkich stron, a następnie naciskowi pionowemu, który stopniowo wzrasta, aż do momentu, w którym próbka ulegnie pęknięciu na powierzchni o najmniejszym oporze ścinania. Na podstawie wytrzymałości na ścinanie przy zerwaniu oblicza się spójność i kąt tarcia wewnętrznego gruntu.

Opis urządzenia trójosiowego

Rys. 4. Aparat trójosiowy

Aparat trójosiowy (rys. 4) składa się z dolnej części płyty podstawy komory, na której spoczywa stojak na próbki, górnej części tłoka do pionowego obciążania próbki oraz górnej płyty zamykającej komorę. Najczęstsze wymiary próbek to średnica ϕ=36 mm, wysokość h=2,2-2,5_ϕ_. Średnica komory wynosi D=135mm, wysokość H = 180 mm. Od środka statywu rozpoczyna się wąska rurka K1 służąca do odprowadzania próbki z dna, która odbiera wodę z próbki przez porowatą płytkę i odprowadza ją na zewnątrz komory do pionowej szklanej rurki C1. Jeżeli badanie przeprowadza się bez opróżniania próbki, kanał ten służy do pomiaru ciśnienia wody w porach. W podstawie komory z brązu znajduje się kanał K2 służący do doprowadzenia płynnej masy w celu wypełnienia komory i uzyskania w komorze ciśnienia bocznego na próbkę.

Przez górną płytę komory przechodzi uchwyt tłoka służący do ładowania próbki. Próbka w komorze otoczona jest gumową membraną, która jest rozciągnięta na obu końcach i jest połączona z tłokiem i podstawą za pomocą gumowych pierścieni. W środku tłoka znajduje się kanał K3 do odprowadzania próbki od góry.

Boki komory są hermetycznie uszczelnione cylindrem z pleksiglasu, który jest przymocowany do górnej i dolnej płyty komory za pomocą gumowych pierścieni.

Komora osadzona jest na solidnej podstawie. Normalne obciążenie próbki odbywa się za pomocą dźwigni z odważnikami, których stosunek wynosi najczęściej 1: 10. Układ uzyskiwania ciśnienia bocznego na próbkę w komorze składa się z butelki z płynną masą B, którą wprowadza się do komory za pomocą rurki, manometru do pomiaru ciśnienia powietrza oraz butli ze sprężonym powietrzem. Nad tłokiem umieszcza się komparator, który ładuje próbkę i mierzy osiadanie próbki pod obciążeniem.

Ciśnienie boczne masy cieczy w komorze można dowolnie regulować za pomocą ciśnienia powietrza w butelce B, za pomocą zaworów V1 i V2. Ciśnienie to powoduje w próbce naprężenia poziome σ2 i σ3, które dzięki kołowemu przekrojowi próbki wyrównują się σ2 = σ3.

Płynną masą może być woda destylowana lub olej, co jest preferowane ze względu na lepsze uszczelnienie, ponieważ woda może przepływać przez śruby. Pod wpływem ciśnienia powietrza w butelce B płynna masa wypełnia komorę aż do zaworu V6, który następnie zamyka się. Obciążenie pionowe próbki P, które jest przenoszone na próbkę niemal bez tarcia poprzez uchwyt tłoka, podzielone przez pole przekroju poprzecznego próbki A daje naprężenie pionowe σ1 = P/A

Przeprowadzanie testu ściskania trójosiowego

Próbkę do badań poddaje się obróbce w osobnej aparacie, w wyniku czego uzyskuje się wałek o średnicy 36 mm i wysokości 78 mm lub 90 mm, na który od góry i od dołu umieszczane są kamienie filtracyjne oraz nakładana jest gumowa membrana. Następnie próbkę wraz z kamieniami filtracyjnymi umieszcza się na stojaku w komorze, końce, gumowe membrany naciąga się na stojak i tłok załadowczy i zabezpiecza gumowymi pierścieniami. Zgodnie z praktyką niektórych laboratoriów, jak np. prof. Skempton w Londynie, drenaż próbki w komorze podczas badania przyspiesza się poprzez wyłożenie boków próbki bibułą filtracyjną, którą umieszcza się przed naciągnięciem gumowej membrany. Po wprowadzeniu próbki do aparatu i zamocowaniu cylindra z plexi w górnej i dolnej płycie, możliwe jest wykonanie badań, które można wykonać na kilka sposobów, np.:

1. Badania bez odpływu. W badaniach tych drenaż próbki nie jest dozwolony podczas stosowania badania bocznego i pionowego, gdy zawory V4 i V5 są zamknięte.

2. Badania bez drenażu z konsolidacją. Podczas przykładania ciśnienia bocznego próbka jest drenowana (zawory V4 i V5 są otwarte), natomiast podczas przykładania ciśnienia pionowego drenaż nie jest dozwolony (V4 i V5 są zamknięte).

3_) Próbki odsączone_. Próbkę osusza się przez cały czas trwania badania (zawory V4 i V5 są otwarte), tak aby nastąpiła całkowita konsolidacja i podczas przyłożenia ciśnienia pionowego σ1 w porach nie tworzyła się woda naprężona. Badanie to zajmuje dużo czasu, zwłaszcza przy gruntach słabo przepuszczalnych, ponieważ obciążenie pionowe σ1 musi być prowadzone w dużej liczbie małych etapów i na każdym etapie należy poczekać na zagęszczenie. Dodatkowo wspomniane badania można wykonać na próbkach nasyconych i częściowo nasyconych._

Mając na uwadze powyższe możliwości, badania trójosiowego ściskania można wykonywać w różnych wariantach i dostosowywać do rodzaju gruntu w warunkach obciążenia.

Opisane urządzenia, procedury, jednostki, wartości i wzorce zostały przeniesione ze źródła historycznego. Tekst nie stanowi opracowania geotechnicznego, protokołu laboratoryjnego, projektu fundamentów, dowodu stateczności skarp ani planu wykopów. Wybór próbki i metody badania, stan drenażu i konsolidacji, wody gruntowe, reżim obciążenia, wpływy sejsmiczne i bezpieczeństwo wykopów należy określić dla konkretnego gruntu i budynku, zgodnie z obowiązującymi przepisami, z odpowiednim laboratorium i autoryzowanym ekspertem geotechnicznym.