Stanovenie súdržnosti a uhla vnútorného trenia

Dnes sa Savo Kusić zameriava na drevené okná, drevo-hliníkové okná, okná na mieru, dvere a žiadosti o cenovú ponuku. Tento text zostáva ako geotechnický archív a nie je ponukou na laboratórne skúšanie, geotechnický návrh alebo zemné práce.

Existuje niekoľko spôsobov, ako určiť prvky vnútorného odporu pôdy, súdržnosti a uhla vnútorného trenia pomocou laboratórnych experimentov, z ktorých najznámejšie sú testy priameho šmyku a triaxiálnej kompresie.

Skúsenosti s priamym strihom

Skúška sa vykonáva na prístroji s pravouhlým prierezom typu A. Casagrandea alebo na kruhovom aparáte typu Hvorsleva. Opíšeme experiment so zariadením pravouhlého prierezu, ktoré je najpoužívanejšie. V oboch prípadoch sa skúška vykonáva s nenarušenou vzorkou, prípadne s narušenou vzorkou na hranici klzu, pričom skúška má v tomto prípade porovnávaciu hodnotu.

Zariadenie na priame strihanie pravouhlého profilu (obr. 1)

Obr. 1_Priečny rez Casagrandeho prístrojom na priame strihanie_

Zariadenie sa skladá z dvoch častí, horného a spodného rámu, pričom spodný je statický, zatiaľ čo horný je pohyblivý a na spodnom sa dá posúvať vplyvom horizontálnej sily Z, ktorá pôsobí na rovinu dotyku horného a spodného rámu.

Vzorka pôdy sa umiestni do oceľového obdĺžnikového prstenca, zvyčajne s veľkosťou 100 × 100 × 30 mm, alebo s rozmermi pri presnom zoškrabaní. Filtračné kamene sa umiestnia na hornú a spodnú časť vzorky a potom sa všetko umiestni do prstenca prístroja, ktorý sa potom naplní vodou. Na vzorku sa umiestni zariadenie na vertikálne zaťaženie. Horný filtračný kameň je napojený na systém vertikálneho zaťaženia vzorky, zatiaľ čo spodný je napojený na vodné kanáliky, pomocou ktorých môže byť vzorka počas testu udržiavaná v nasýtenom stave, aby sa vylúčila zdanlivá súdržnosť.

Aby sa vylúčilo trenie na styčných plochách medzi horným a spodným rámom, existujú zariadenia so skrúteným horným rámom, pomocou ktorých sa horný rám pohybuje pôsobením horizontálnej šmykovej sily. Styčné plochy horného a spodného rámu sú navyše potiahnuté vazelínou. V zariadení je zahrnutý ďalší komparátor 2 na registráciu vertikálnych a horizontálnych deformácií.

Test priameho šmyku

Existujú hlavne 2 typy priameho šmykového testu: rýchly a pomalý test. Quick test spočíva v zaťažení vzorky určitým vertikálnym tlakom, ktorý zvyčajne predstavuje 0,50, po vložení do prístroja; 1,0; 2,0; 3,0 a 4,0 kp/cm2, počkajte na konsolidáciu, o ktorej sa predpokladá, že bola dosiahnutá, ak vyrovnanie počas 24 hodín Δh ≤ 0,02 mm, a potom použite horizontálnu šmykovú silu Z 1/20 alebo 1/40 časť vertikálnej sily P, ktorá sa každú minútu zvyšuje o rovnakú hodnotu, až kým sa zem nezlomí. Počas pôsobenia horizontálnej šmykovej sily sa priebežne sleduje priebeh pohybu horného rámu odčítaním na komparátore a vodorovné deformácie sa zaznamenávajú do guľatiny bezprostredne pred každým novým zaťažením. Okamih, v ktorom komparátor ukazuje náhly pohyb, sa považuje za prelomový.

Rýchly test sa aplikuje na ílovité pôdy, ktorých prirodzené spevnenie pri novom zaťažení je pomalé a zodpovedá tomuto spôsobu vykonania testu.

Slow test sa vykonáva podobným spôsobom ako predtým, len s tým rozdielom, že horizontálna šmyková sila rastie v dlhšom časovom intervale, ktorý môže byť 2, 5 a 15 mminút alebo do konsolidácie, t.j. kým sa horizontálne deformácie nestanú úplne bezvýznamnými Priebeh konsolidácie pôsobením horizontálnej sily sa sleduje na komparátore 9 (obr. 1).

Pomalý test sa aplikuje na piesčitú alebo prašnú pôdu, kde by v prípade zvýšenia horizontálnej šmykovej sily v krátkom časovom intervale došlo k zrýchleniu strihu vzorky v aparatúre vplyvom namáhanej vody v póroch, čo by nezodpovedalo prirodzenému procesu. Preto sa časový interval zväčšuje s jemnosťou neviazaných pôdnych častíc, aby sa umožnilo vyrovnanie tlaku vody v póroch pôdy s vonkajším tlakom vody. Toto vyrovnanie sa dosiahne tak, že sa pri každej úrovni horizontálneho zaťaženia nechá dostatok času, aby sa prebytočná voda v póroch vytlačila cez filtračný kameň.

Okrem uvedených skúšok sa v určitých prípadoch vykonáva rýchla skúška bez spevnenia pri vertikálnom zaťažení, t.j. horizontálna šmyková sila sa aplikuje ihneď po vložení vzorky do prístroja a zaťažení vertikálnym zaťažením. Tento spôsob vykonávania sa však používa za špeciálnych podmienok, ako je prípad čerstvo inštalovaného násypu z ílovitej zeminy, ktorý je zaťažený bezprostredne po násype bez predchádzajúceho zhutnenia.

Určenie uhla vnútorného trenia a súdržnosti

Na základe výsledkov testu sa vypočíta šmykové napätie

τ=Z/A v kp/cm²,

, ktorá sa získa z šmykovej sily Z v kp v momente porušenia a plochy prierezu vzorky A ​​v cm². Test sa vykonáva pomocou prístroja 3 až 4 zaťaženého rôznym normálnym tlakom σ=P/A v kp/cm², kde P je vertikálne zaťaženie vzorky v kp. Zvyčajne sa berú tieto hodnoty normálneho tlaku: 1,0; 2,0; 3,0 a 4,0 kp/cm².

Obr. 2. Diagram horizontálnych deformácií

Na základe diagramu prvkov vnútorného trenia sa získajú dva typy diagramov 1 a diagram horizontálnych deformácií (obr. 2).

Diagram horizontálnych deformácií sa získa aplikáciou horizontálneho posunutia ΔL v mm horného rámu zariadenia na spodný na osi x, ktorá sa získa odčítaním komparátora 9, a na osi y zodpovedajúceho šmykového napätia cm²τ na obr. 2).

V závislosti od zhutnenia pôdy sa získa diagram 1 pre zhutnený a diagram 2 pre sypký materiál.

Pre zhutnený materiál narastá šmykové napätie τ spočiatku dosť prudko vo vzťahu k horizontálnemu posunutiu ΔL až po hranicu úmernosti P, potom pomalšie, čím sa krivka diagramu 1 zväčšuje a dosahuje maximálnu výšku B, po ktorej sa diagram po určitej dĺžke zmenšuje, až nakoniec dosiahne horizontálny tok. Za oblasť elastickej deformácie sa považuje zóna priameho stúpania diagramu horizontálnej deformácie, v ktorej je zvýšenie šmykového napätia úmerné zvýšeniu deformácie. Za hranicou P sa nárast šmykového napätia znižuje podľa nárastu deformácií ΔL až po najvyšší bod B diagramu. V tejto zóne materiál začína „tečúť“ a prijíma sa ako oblasť plastickej deformácie. Najvyšší bod B diagramu 1 predstavuje maximálne šmykové napätie max τ a predpokladá sa, že v tomto bode nastáva zlom pôdy, t.j. bod B je bod zlomu. Za bodom B je materiál v kvapalnom stave, pevnosť v šmyku klesá a predpokladá sa, že v tejto zóne, kde je spojenie medzi časticami porušené, je len klzný odpor, ktorý je proti horizontálnej šmykovej sile. Bod G, v ktorom sa diagram 1 otáča do horizontálneho smeru, je prijatý ako posuvná hranica.

Napätie v šmyku na hranici porušenia B sa nazýva pevnosť v šmyku alebo čistá pevnosť v šmyku τf, zatiaľ čo šmykové napätie na hranici klzu G sa nazýva pevnosť v sklze τg.

Pre sypký materiál má diagram vodorovného posunu tiež elastickú oblasť s limitom proporcionality P, ale po prúde je plastická oblasť až po limit sklzu G, t.j. maximálne šmykové napätie sa rovná limitnej pevnosti, kĺzavosti (τ=τg), za ktorou je tekutý stav materiálu.

Sl.3. Smykový diagram, a) pre koherentné zeminy, b) pre nesúdržné zeminy

Šmykový diagram sa získa, keď sa na os x aplikuje normálny tlak σ v kp/cm2a na zvislej osi zodpovedajúca pevnosť v šmyku τf v kp/cm2, kde sú obe tieto hodnoty aplikované v rovnakej mierke (obr.3). Pretože pevnosť v šmyku τf pôdy rastie s normálnym tlakom σ, bude pre rôzne tlaky σ1 získajte body A, B, C a D, ktoré predstavujú zodpovedajúce pevnosti v šmyku.

Získať jednotlivé body A, B, C a D na diagrame3pre súdržné pôdy (obr.3a), je prijatá klzná pevnosť _τ_g. V prípade ílovitej pôdy však materiál začne tiecť dlho pred dosiahnutím šmykovej hranice G a existuje tendencia prijať šmykovú pevnosť na hranici proporcionality P na určenie súdržnosti c a uhla vnútorného trenia pôdy, ale keďže je relatívne malá, často sa preberá šmyková pevnosť, pre ktorú je deformácia ΔL na diagrame.2dvakrát väčšia ako deformácia v predchádzajúcom štádiu zaťaženia v aparatúre. Táto sila je niekde medzi hranicou P a B, teda G (obr.2).

Spojenie bodov A, B, C a D na diagrame 76a dáva šmykový diagram, ktorý je v úspešných testoch priamkou. Predĺžením diagramu k priesečníku s osou ordináta pre σ = 0 sa na základe Coulombovho vzoru τf = c+σ tgϕ získa, že τf = c = súdržnosť pôdy, zatiaľ čo sklon diagramu smerom k horizontále udáva uhol vnútorného trenia. Rozšírením šmykového diagramu na druhú stranu zvislej osi sa získa napätie v dôsledku súdržnosti pk na osi x, keď veľkosť súdržnosti c je vyjadrená ako ekvivalent trecieho odporu:

c = pk tgϕ, odkiaľ pk = c/tgϕ

Pre nesúdržné pôdy, ako je piesok, diagram na obr. 3b, ktorý prechádza počiatkom súradníc, keďže pre σ = 0 dostaneme τ = 0. Ak je však piesok jemnozrnný a mokrý, zobrazí sa schéma podobná tej na obr. 3a, s menšou súdržnosťou c, čo predstavuje zjavnú súdržnosť. V tomto prípade napätie pk na predĺženej osi x na druhej strane začiatku súradníc predstavuje kapilárne napätie.

Treba si uvedomiť, že stanovenie súdržnosti a trenia pôdy priamym šmykovým testovaním má niekoľko nevýhod, z ktorých najdôležitejšie sú, že k porušeniu pôdy dochádza na vopred stanovenom šmykovom povrchu a nie na povrchu najmenšieho šmykového odporu, že pri strihaní vzorky v prístroji sa šmyková plocha zmenšuje v dôsledku pohybu horného rámu, ktorý je potom možné sledovať len pri deformáciách na spodnej časti vzorky. takže šmykový odpor za hranicou nemôže v dostatočnej miere kontrolovať lom, najmä v prípade mäkkej pôdy, keď sú deformácie pri strihu veľké atď.

Test triaxiálnej kompresie

Test sa vykonáva na triaxiálnom prístroji, ktorý má rôzne konštrukcie, ale všetky sú založené na rovnakom princípe, ktorý je nasledovný. Neporušená vzorka vo forme valčeka je umiestnená vertikálne na stojane a vystavená bočnému tlaku tekutej hmoty zo všetkých strán a následne vertikálnemu tlaku, ktorý sa postupne zvyšuje, až kým nedôjde k prasknutiu vzorky na povrchu najmenšieho šmykového odporu. Na základe pevnosti v šmyku pri pretrhnutí sa vypočíta súdržnosť a uhol vnútorného trenia pôdy.

Popis trojosového zariadenia

Obr. 4. Triaxiálny aparát

Trojosový aparát (obr. 4) pozostáva zo spodnej časti základnej dosky komory, na ktorej spočíva stojan vzorky, a z hornej časti piesta na vertikálne zaťaženie vzorky a hornej dosky, ktorá komoru uzatvára. Najbežnejšie rozmery vzorky sú priemer ϕ=36 mm, výška h=2,2-2,5_ϕ_. Priemer komory je D=135mm, výška H = 180 mm. Zo stredu stojana na vzorky vychádza úzka trubica K1 na odvádzanie vzorky zospodu, ktorá prijíma vodu zo vzorky cez poréznu dosku a odvádza ju mimo komory do vertikálnej sklenenej trubice C1. Ak sa test vykonáva bez vypustenia vzorky, slúži tento kanál na meranie tlaku vody v póroch. V bronzovej základni komory je kanál K2 na prívod tekutej hmoty za účelom naplnenia komory a dosiahnutia bočného tlaku v komore na vzorku.

Cez hornú dosku komory prechádza rukoväť piestu na vloženie vzorky. Vzorka v komore je obklopená gumovou membránou, ktorá je na oboch koncoch predĺžená a je spojená s piestom a základňou pomocou gumových krúžkov. V strede piesta je kanál K3 na odvádzanie vzorky z hornej strany.

Boky komory sú hermeticky utesnené plexisklom, ktorý je pripevnený k hornej a dolnej doske komory pomocou gumených krúžkov.

Komora je umiestnená na pevnom podklade. Normálne zaťaženie vzorky sa vykonáva pomocou páky so závažiami, ktorých pomer je najčastejšie 1: 10. Systém na dosiahnutie laterálneho tlaku na vzorku v komore pozostáva z fľaše s kvapalnou hmotou B, ktorá sa do komory privádza pomocou trubice, manometra na meranie tlaku vzduchu a fľaše so stlačeným vzduchom. Nad piestom je umiestnený komparátor na zaťaženie vzorky na meranie usadzovania vzorky pri zaťažení.

Bočný tlak kvapalnej hmoty v komore je možné ľubovoľne nastaviť pomocou tlaku vzduchu vo fľaši B prostredníctvom ventilov V1 a V2. Tento tlak spôsobuje horizontálne napätia vo vzorke σ2 a σ3, ktoré sa v dôsledku kruhového prierezu vzorky vyrovnávajú σ2 = σ3.

Kvapalnou hmotou môže byť destilovaná voda alebo olej, čo je výhodné pre lepšie utesnenie, pretože voda môže prechádzať cez skrutky. Kvapalná hmota pod vplyvom tlaku vzduchu vo fľaši B naplní komoru až po ventil V6, ktorý sa následne uzavrie. Vertikálne zaťaženie vzorky P, ktoré sa takmer bez trenia prenáša na vzorku cez rukoväť piestu, delené plochou prierezu vzorky A dáva vertikálne napätie σ1 = P/A

Vykonanie testu trojosovej kompresie

Pre skúšobnú vzorku sa spracuje v samostatnom prístroji tak, že sa získa valec s priemerom 36 mm, výškou 78 mm alebo 90 mm, na ktorý sa zhora a zdola umiestnia filtračné kamene a nasadí sa gumená membrána. Potom sa vzorka spolu s filtračnými kameňmi umiestni na stojan v komore, konce, gumové membrány sa pretiahnu cez stojan a nakladací piest a zaistia sa gumovými krúžkami. Podľa praxe určitých laboratórií, ako je prof. Skempton v Londýne, sa odvodnenie vzorky v komore počas testu urýchli obložením strán vzorky filtračným papierom, ktorý sa umiestni pred natiahnutím gumovej membrány. Keď sa vzorka vloží do prístroja a plexisklový valec je upevnený v hornej a dolnej doske, je možné vykonať testy, ktoré možno vykonať niekoľkými spôsobmi, ako napríklad:

1. Skúšky bez vypustenia vody. Pri týchto skúškach nie je vypúšťanie vzorky počas aplikácie laterálnej a vertikálnej skúšky povolené, zatiaľ čo ventily V4 a V5 sú zatvorené.

2. Neodvodnené testy s konsolidáciou. Počas aplikácie bočného tlaku sa vzorka vypustí (ventily V4 a V5 sú otvorené), zatiaľ čo počas aplikácie vertikálneho tlaku nie je odvodnenie povolené (V4 a V5 sú zatvorené).

3_) Odčerpané vzorky_. Vzorka je po celú dobu testu odvodňovaná (ventily V4 a V5 sú otvorené), aby pri pôsobení vertikálneho tlaku σ1 došlo k úplnému spevneniu a v póroch nevznikla namáhaná voda. Táto skúška trvá dlho, najmä pri slabo priepustnej zemine, pretože vertikálne zaťaženie σ1 sa musí vykonávať vo veľkom počte malých etáp a v každej fáze treba čakať na spevnenie. Okrem toho je možné uvedené testy vykonať s saturovanými a čiastočne nasýtenými vzorkami_._

Vzhľadom na vyššie uvedené možnosti je možné vykonať trojosové tlakové skúšky v rôznych variantoch a upraviť ich podľa typu pôdy v podmienkach zaťaženia.

Popísané zariadenia, procedúry, jednotky, hodnoty a vzory sú prenesené z historického zdroja. Text nie je geotechnickou štúdiou, laboratórnym protokolom, projektom založenia, dokladom stability svahu ani výkopovým plánom. Výber vzorky a skúšobnej metódy, stav odvodnenia a spevnenia, podzemná voda, režim zaťaženia, seizmické vplyvy a bezpečnosť výrubu musia byť stanovené pre konkrétnu zeminu a stavbu podľa platných predpisov s príslušným laboratóriom a autorizovaným geotechnickým expertom.