Badania trójosiowe

by Zaneta Branna, on kwietnia 04, 2023

Badania trójosiowe są doskonałym sposobem pomiaru parametrów mechanicznych gruntów, skał i kruszyw, a wyniki są wykorzystywane do rozwiązywania szerokiego zakresu zagadnień z inżynierii geotechnicznej.

Badania trójosiowe przeprowadza się na próbkach wysokiej jakości o stosunku wysokości do średnicy około 2: 1; średnica próbek zwykle wynosi od 38 mm do 100 mm, chociaż także znacznie większe próbki, o średnicy do 0,5 m i wysokości 1 m, można badać w urządzeniach wielkoskalowych.

W niniejszym odcinku Andrew Lees odwiedza pierwszą maszynę do badań trójosiowych w Wielkiej Brytanii.

Procedura badania

Próbkę zamyka się w gumowej membranie, a następnie umieszcza w wypełnionej wodą komorze, która jest poddawana ciśnieniu w celu odtworzenia warunków ściskania in situ.

Naprężenie pionowe w próbce jest następnie zmniejszane lub, znacznie częściej, zwiększane za pomocą siłownika obciążającego, co powoduje powstawanie naprężeń ścinających w próbce. Różnica między ciśnieniem w komorze a naprężeniem pionowym nazywana jest naprężeniem dewiatorowym i może być zwiększana aż do zniszczenia próbki.

Rodzaje badania trójosiowego

Istnieją trzy główne typy badań w oparciu o to, czy dopływ wody do lub z próbki jest dozwolony podczas etapów konsolidacji i ścinania: z konsolidacją z odpływem (CD), z konsolidacją bez odpływu (CU) oraz bez konsolidacji bez odpływu (UU).

W testach CD i CU próbka jest nasycana przed rozpoczęciem badania i dozwolone jest rozproszanie nadciśnienia w porach podczas konsolidacji w celu osiągnięcia warunków równowagi. Celem jest przybliżenie próbki do warunków w stanie naturalnym w gruncie. W kolejnym etapie ścinania, gdy przyłożone są naprężenia dewiatorowe, rozproszenie nadciśnienia w porach jest dozwolone w testach CD (zwykle wykonywanych na piaskach), ale niedozwolone w testach CU (zwykle wykonywanych na glinach). Nadciśnienie w porach jest powszechnie mierzone w testach CU, aby można było określić naprężenie efektywne w próbce.

Badanie UU jest badaniem „naprężenia całkowitego ”, ponieważ naprężenia efektywne w próbce nie są znane. To sprawia, że jest to raczej przybliżona metoda określania właściwości mechanicznych gruntu. Jednak badanie ma dużą zaletę: nie ma etapu nasycania, a naprężenie jest przykładane szybko (i nie ma odpływu wody z porów), więc można go ukończyć w niecałe pół godziny, dlatego czasami nazywa się go badaniem „szybkim bez odpływu”, niemniej powinno być traktowane raczej jako badanie charakterystyki, aniżeli dokładna metoda pomiaru parametru.

Badania trójosiowe na dużą skalę mogą być również przeprowadzane na materiałach w stanie suchym, takich jak kruszywo, z naciskiem przy użyciu próżni zamiast wody z komory. Dodatkowo, badania ściskania bez ograniczenia bocznego, tzn. bez jakiegokolwiek nacisku ograniczającego, można przeprowadzać na gruntach spoistych, ale zwykle dają one zbyt konserwatywne wyniki.

Jak wykorzystywane są wyniki

Dane z badań trójosiowych można wykorzystać do uzyskania podstawowych właściwości materiału, w tym kąta tarcia wewnętrznego, spójności, kąta dylatancji oraz sztywności. Wyniki są wykorzystywane w prawie każdym aspekcie inżynierii geotechnicznej, od analizy stateczności skarpy, po projektowanie nawierzchni, budowy tuneli i obliczania nośności podłoża w robotach tymczasowych i projektowaniu fundamentów.