Determinarea coeziunii și unghiului de frecare internă

Astăzi, Savo Kusić se concentrează pe ferestre din lemn, ferestre lemn-aluminiu, ferestre personalizate, usa și cereri de ofertă. Acest text rămâne ca arhivă geotehnică și nu este o ofertă pentru încercări de laborator, proiectare geotehnică sau terasamente.

Există mai multe modalități de determinare a elementelor de rezistență internă a solului, coeziunea și unghiul de frecare internă folosind teste de laborator, dintre care testul de forfecare directă și testul de compresiune triaxială sunt cele mai cunoscute.

Experiență de forfecare directă

Testul se efectuează pe un aparat cu secțiune dreptunghiulară de tip A. Casagrandea sau pe un aparat circular de tip Hvorsleva. Vom descrie experimentul cu dispozitivul de secțiune dreptunghiulară, care este cel mai utilizat. În ambele cazuri, testul se efectuează cu o probă netulburată, sau cu o probă perturbată la punctul de curgere, caz în care testul are o valoare comparativă.

Aparat de forfecare directă a unei secțiuni dreptunghiulare (fig. 1)

Fig. 1_Secțiune transversală a aparatului de forfecare directă a lui Casagrande_

Aparatul este format din două părți, cadrul superior și inferior, unde cea inferioară este statică, în timp ce cea superioară este mobilă și poate fi deplasată pe cea inferioară sub influența forței orizontale Z, care acționează pe planul de contact al cadrului superior și inferior.

Proba de sol este plasată într-un inel dreptunghiular de oțel, de obicei de dimensiunea 100 × 100 × 30 mm, sau acele dimensiuni atunci când sunt răzuite cu precizie. Pietrele de filtrare sunt plasate peste partea de sus și de jos a probei, apoi totul este plasat în inelul aparatului, care este apoi umplut cu apă. Pe eșantion este plasat un dispozitiv pentru încărcare verticală. Piatra filtrantă superioară este conectată la sistemul de încărcare verticală a probei, în timp ce cea inferioară este conectată la canale de apă, prin intermediul cărora proba poate fi menținută în stare saturată în timpul testului, pentru a exclude coeziunea aparentă.

Pentru a exclude frecarea pe suprafețele de contact dintre cadrul superior și cel inferior, există dispozitive cu cadrul superior răsucit, prin intermediul cărora cadrul superior se deplasează sub efectul forței de forfecare orizontale. În plus, suprafețele de contact ale cadrului superior și inferior sunt acoperite cu vaselină. Un alt comparator 2 pentru înregistrarea deformațiilor verticale și orizontale este inclus în dispozitiv.

Efectuarea încercărilor directe la forfecare

Există în mare parte2tipuri de încercare la forfecare directă: test rapid și lent. Testul rapid constă în încărcarea probei cu o anumită presiune verticală, care de obicei se ridică la0,50;1,0;2,0;3,0şi4,0kp/cm2, așteaptă consolidarea, care se presupune că a fost realizată dacă surparea în timpul de24ore Δh ≤0,02 mm, iar apoi se aplică o forță tăietoare orizontală Z, de mărime1/20sau1/40parte a forței verticale P, care crește în fiecare minut cu aceeași valoare până când solul se sparge. În timpul aplicării forței orizontale de forfecare, cursul mișcării cadrului superior este monitorizat constant prin citirea pe comparator și deformațiile orizontale sunt înregistrate în jurnal imediat înainte de fiecare nouă sarcină. Momentul, în care comparatorul prezintă o mișcare bruscă, este adoptat ca inovator.

Proba rapidă se aplică solurilor argiloase, a căror consolidare naturală sub o nouă sarcină este lentă și corespunde acestei metode de efectuare a încercării.

Slow se efectuează în mod similar ca înainte cu singura diferență că forța tăietoare orizontală crește într-un interval de timp mai lung, care poate fi 2, 5 și 15 mminute sau până la consolidare, adică până când deformațiile orizontale devin complet nesemnificative. Cursul consolidării sub efectul forței orizontale este monitorizat la comparator 9 (fig. 1).

Proba lentă se aplică pe sol nisipos sau prăfuit, unde în cazul unei creșteri a forței tăietoare orizontale într-un interval scurt de timp, forfecarea probei în aparat s-ar accelera datorită efectului apei solicitate în pori, care nu ar corespunde unui proces natural. Prin urmare, intervalul de timp crește odată cu finețea particulelor de sol nelegate, astfel încât să permită egalizarea presiunii apei în porii solului cu presiunea exterioară a apei. Această egalizare se realizează lăsând suficient timp sub efectul fiecărui nivel de încărcare orizontală, astfel încât excesul de apă din pori să fie stors prin piatra filtrantă.

Pe lângă încercările menționate, în anumite cazuri se efectuează o încercare rapidă fără consolidare sub sarcină verticală, adică forța tăietoare orizontală se aplică imediat după introducerea probei în aparat și încărcarea acesteia cu o sarcină verticală. Cu toate acestea, această metodă de execuție se aplică în condiții speciale, precum cazul unui terasament proaspăt instalat din pământ argilos, care se încarcă imediat după terasament fără compactare prealabilă.

Determinarea unghiului de frecare internă și de coeziune

Pe baza rezultatelor testului, se calculează efortul de forfecare

τ=Z/A în kp/cm², ​

care se obține din forța tăietoare Z în kp în momentul ruperii și aria secțiunii transversale a probei A în cm². Testul se face cu aparate de la 3 la 4 încărcate cu o presiune normală diferită σ=P/A în kp/cm², unde P este sarcina verticală a probei în kp. De obicei se iau următoarele valori ale presiunilor normale: 1,0; 2,0; 3,0 și 4,0 kp/cm².

Fig. 2. Diagrama deformațiilor orizontale

Pe baza diagramei elementelor de frecare interioare se obțin două tipuri de diagrame 1 și o diagramă a deformațiilor orizontale (fig. 2).

Diagrama deformațiilor orizontale se obține prin aplicarea deplasării orizontale ΔL în mm a cadrului superior al dispozitivului la cea inferioară pe axa absciselor, care se obține prin citirea comparatorului 9, iar pe axa ordonatelor efortul de forfecare corespunzător τ în kp/cm² (fig. 2).

În funcție de compactarea solului, se obține diagrama 1 pentru compactat și diagrama 2 pentru materialul afânat.

Pentru un material compactat, efortul de forfecare τ crește la început destul de brusc în raport cu deplasarea orizontală ΔL până la limita proporționalității P, apoi mai lent, în timp ce curba diagramei1crește și atinge înălțimea maximă B, după care diagrama scade pe o anumită lungime, pentru a ajunge în final la un debit orizontal. Zona de urcare în linie dreaptă a diagramei de deformare orizontală, în care creșterea efortului de forfecare este proporțională cu creșterea deformației, se presupune că este zona de deformare elastică. Dincolo de limita P, creșterea efortului de forfecare scade în funcție de creșterea deformațiilor ΔL până la punctul cel mai înalt B al diagramei. În această zonă, materialul începe să „curgă” și este adoptat ca zonă de deformare plastică. Cel mai înalt punct al diagramei B1reprezintă efortul maxim de forfecare max τ și se presupune că în acest punct are loc fractura solului, adică punctul B este punctul de rupere. Dincolo de punctul B, materialul este în stare lichidă, rezistența la forfecare scade și se presupune că în această zonă, unde legătura dintre particule este întreruptă, există doar rezistență la alunecare care se opune forței tăietoare orizontale. Punctul G unde diagrama1trecerile pe direcția orizontală se adoptă ca limită de alunecare.

Efortul de forfecare la limita de rupere B se numește rezistență la forfecare sau rezistență la forfecare pură τf, în timp ce efortul de forfecare la limita de curgere G se numește rezistență la alunecare τg.

Pentru materialul liber, diagrama deplasării orizontale are și o regiune elastică cu limita de proporționalitate P, dar în aval este o regiune plastică până la limita de alunecare G, adică efortul maxim de forfecare este egal cu rezistența limită, la alunecare (τ=τg), dincolo de care starea lichidă a materialului.

Sl.3. Diagrama de forfecare, a) pentru soluri coerente, b) pentru soluri incoerente

Diagrama de forfecare se obține atunci când presiunea normală σ în kp/cm este aplicată pe axa absciselor2, iar pe axa ordonatelor rezistența la forfecare corespunzătoare τf în kp/cm2, unde ambele aceste valori sunt aplicate la aceeași scară (fig.3). Deoarece rezistența la forfecare τf a solului crește cu presiunea normală σ, pentru diferite presiuni σ1 obțineți punctele A, B, C și D, care reprezintă rezistența la forfecare corespunzătoare.

Pentru a obține punctele individuale A, B, C și D pe diagramă3pentru soluri coerente (Fig.3a), se adoptă rezistența la alunecare _τ_g. Totuși, în cazul solului argilos, materialul începe să curgă cu mult înainte de atingerea limitei de alunecare G și există tendința de a adopta rezistența la forfecare la limita proporționalității P pentru a determina coeziunea c și unghiul de frecare internă a solului, dar întrucât este relativ mic, rezistența la forfecare pentru care se adoptă adesea deformarea ΔL pe diagrama _ΔL_2de două ori mai mare decât deformarea din etapa anterioară de încărcare în aparat. Această forță se află undeva între granița lui P și B, adică G (fig.2).

Conectând punctele A, B, C și D pe diagramă 76a oferă o diagramă de forfecare, care este o linie dreaptă în testele reușite. Prin extinderea diagramei până la intersecția cu axa ordonatelor, pentru σ = 0, se obține pe baza modelului Coulomb τf = c+σ tgϕ că τf = c = coeziunea solului, în timp ce panta diagramei spre orizontală dă unghiul de frecare internă. Prin extinderea diagramei de forfecare pe cealaltă parte a axei ordonatelor se obține efortul datorat coeziunii pk pe axa absciselor, când mărimea coeziunii c este exprimată ca echivalent al rezistenței de frecare:

c = pk tgϕ, de unde pk = c/tgϕ

Pentru soluri incoerente, precum nisipul, diagrama din fig. 3b, care trece prin originea coordonatelor, deoarece pentru σ = 0 obținem τ = 0. Dacă însă nisipul este cu granulație fină și umed, o diagramă asemănătoare cu cea din fig. 3a, cu o coeziune mai mică c, care reprezintă coeziune aparentă. În acest caz, stresul pk pe axa extinsă a absciselor de pe cealaltă parte a originii coordonatelor reprezintă stresul capilar.

De remarcat că determinarea coeziunii și frecării solului prin încercarea directă la forfecare are mai multe dezavantaje, dintre care cele mai importante sunt că ruperea solului are loc pe o suprafață de forfecare predeterminată și nu pe suprafața cu cea mai mică rezistență la forfecare, că la forfecarea probei în aparat, mișcarea de forfecare a cadrului este redusă apoi din cauza deformațiilor inferioare ale cadrului. proba la forfecare poate fi monitorizată doar pe o lungime scurtă, astfel încât rezistența la alunecare dincolo de limită să nu poată controla fractura într-o măsură suficientă, mai ales în cazul solului moale când deformațiile la forfecare sunt mari etc.

Test de compresie triaxială

Testul se efectuează pe un aparat triaxial, care are construcții diferite, dar toate se bazează pe același principiu, care este următorul. Proba netulburată sub formă de rolă se așează vertical pe suport și se expune la presiunea laterală a masei lichide din toate părțile și apoi la presiunea verticală, care crește treptat, până când se produce ruperea probei pe suprafața cu cea mai mică rezistență la forfecare. Pe baza rezistenței la forfecare la rupere se calculează coeziunea și unghiul de frecare internă a solului.

Descrierea dispozitivului triaxial

Fig. 4. Aparat triaxial

Aparatul triaxial (fig. 4) constă în partea inferioară a plăcii de bază a camerei, pe care se sprijină suportul de probă, și în partea superioară a pistonului pentru încărcarea verticală a probei și placa superioară care închide camera. Cele mai comune dimensiuni ale eșantionului sunt diametrul ϕ=36 mm, înălțimea h=2,2-2,5_ϕ_. Diametrul camerei este D=135mm, înălțimea H = 180 mm. Un tub îngust K1 pentru drenarea probei de la fund începe din centrul suportului de probă, care primește apa din probă printr-o placă poroasă și o drenează în afara camerei într-un tub vertical de sticlă C1. Dacă testul se efectuează fără scurgerea probei, acest canal servește la măsurarea presiunii apei în pori. În baza de bronz a camerei există un canal K2 pentru alimentarea cu masă lichidă pentru a umple camera și a realiza presiune laterală în camera pe eșantion.

Prin placa superioară a camerei trece mânerul pistonului pentru încărcarea probei. Proba din cameră este înconjurată de o membrană de cauciuc, care este extinsă la ambele capete și este conectată la piston și la bază prin intermediul unor inele de cauciuc. În mijlocul pistonului există un canal K3 pentru scurgerea probei din partea superioară.

Laturile camerei sunt sigilate ermetic cu un cilindru din plexiglas care este fixat de plăcile superioare și inferioare ale camerei prin inele de cauciuc.

Camera este așezată pe o bază solidă. Încărcarea normală a probei se face printr-o pârghie cu greutăți, al cărei raport este cel mai adesea 1: 10. Sistemul de realizare a presiunii laterale asupra probei din camera consta dintr-o sticla cu masa lichida B, care este adusa in camera prin intermediul unui tub, un manometru pentru masurarea presiunii aerului si o sticla cu aer comprimat. Un comparator este plasat deasupra pistonului pentru încărcarea probei pentru a măsura tasarea probei sub sarcină.

Presiunea laterală a masei lichide din cameră poate fi reglată după dorință folosind presiunea aerului din sticla B, prin supapele V1 și V2. Această presiune provoacă tensiuni orizontale în eșantion σ2 și σ3, care datorită secțiunii circulare a probei sunt egalizate σ2 = σ3.

Masa lichidă poate fi apă distilată sau ulei, care este de preferat pentru o etanșare mai bună, deoarece apa poate trece prin șuruburi. Sub influența presiunii aerului din sticla B, masa lichidă umple camera până la supapa V6, care apoi se închide. Sarcina verticală a probei P, care este transferată aproape fără frecare la eșantion prin intermediul mânerului pistonului, împărțită la aria secțiunii transversale a probei A dă tensiunea verticală σ1 = P/A

Efectuarea testului de compresie triaxială

Pentru proba de testat se prelucrează într-un aparat separat, astfel încât se obține o rolă cu diametrul 36 mm, înălțimea 78 mm sau 90 mm, pe care se pun pietre de filtrare de sus și de jos și se pune o membrană de cauciuc. Apoi proba împreună cu pietrele filtrante este așezată pe suportul din cameră, capetele, membranele de cauciuc sunt trase peste suport și pistonul de încărcare și se fixează cu inele de cauciuc. Conform practicii anumitor laboratoare, precum prof. Skempton din Londra, scurgerea probei în cameră în timpul testului este accelerată prin căptușirea părților laterale ale probei cu hârtie de filtru, care este plasată înainte ca membrana de cauciuc să fie trasă. Când proba este introdusă în aparat și cilindrul de plexiglas este fixat în plăcile superioare și inferioare, este posibil să se efectueze teste, care pot fi efectuate în mai multe moduri, cum ar fi următoarele:

1. Incercări nedrenate. În aceste încercări, drenarea probei nu este permisă în timpul aplicării testului lateral și vertical, în timp ce supapele V4 și V5 sunt închise.

2. Incercări nedrenate cu consolidare. În timpul aplicării presiunii laterale, proba este drenată (vanele V4 și V5 sunt deschise), în timp ce în timpul aplicării presiunii verticale, drenajul nu este permis (V4 și V5 sunt închise).

3_) Probe drenate_. Proba este drenată pe toată durata testului (supapele V4 și V5 sunt deschise), astfel încât să aibă loc o consolidare completă și să nu se creeze apă solicitată în pori în timpul aplicării presiunii verticale σ1. Această încercare durează mult, mai ales în cazul solului slab permeabil, deoarece încărcarea verticală σ1 trebuie efectuată într-un număr mare de etape mici și trebuie așteptată consolidarea la fiecare etapă. În plus, testele menționate pot fi efectuate cu probe saturate și parțial saturate._

Avand in vedere posibilitatile mentionate mai sus, testele de compresie triaxiale pot fi efectuate in diferite variante si ajustate in functie de tipul de sol in conditii de sarcina.

Dispozitivele, procedurile, unitățile, valorile și modelele descrise sunt transferate dintr-o sursă istorică. Textul nu este un studiu geotehnic, protocol de laborator, proiect de fundare, dovada stabilității taluzului sau plan de excavare. Alegerea probei și a metodei de încercare, starea de drenaj și consolidare, apa subterană, regimul de încărcare, influențele seismice și siguranța excavației trebuie stabilite pentru solul și construcția specifică, conform reglementărilor în vigoare, cu laboratorul corespunzător și expert geotehnic autorizat.