Czym jest wytrzymałość gruntu na ścinanie? [Badania i wzór]

Wytrzymałość gruntu na ścinanie to jeden z kluczowych parametrów geotechnicznych, istotny w każdej inwestycji budowlanej. Wszystkie budynki i budowle muszą w jakiś sposób kontaktować się z gruntem – i przekazywać na niego obciążenia. Do pierwszych kroków podczas projektowania powinno zawsze należeć przeanalizowanie czynników wpływających na wytrzymałość gruntu oraz wyrażenie jej liczbowo.

W tym poradniku najpierw przyjrzymy się znaczeniu wytrzymałości gruntu na ścinanie, a następnie przeanalizujemy wpływ poziomu wód gruntowych oraz stanu gruntu na ten parametr. Na końcu omówimy badania wytrzymałości gruntu na ścinanie oraz opisujący ją wzór.

Korzystając z poniższych łączy, mogą Państwo przejść od razu do wybranego rozdziału:

• Co oznacza termin „wytrzymałość gruntu na ścinanie”?
• Znaczenie wytrzymałości gruntu na ścinanie w geotechnice
• Jakie czynniki wpływają na wytrzymałość gruntu na ścinanie?
• Wpływ wód gruntowych na wytrzymałość gruntu na ścinanie
• Związek między stanem gruntu sypkiego a jego wytrzymałością na ścinanie
• Badania wytrzymałości na ścinanie
• Wzór na wytrzymałość gruntu na ścinanie

 

Co oznacza termin „wytrzymałość gruntu na ścinanie”?

Wytrzymałość gruntu na ścinanie odzwierciedla jego opór na zniszczenie pod wpływem naprężeń stycznych (tnących). Grunt posiadający wyższą wytrzymałość na ścinanie będzie charakteryzował się korzystniejszą kombinacją oporu tarcia suwnego i obrotowego ziaren oraz kohezji. Badanie wytrzymałości gruntu na ścinanie jest nieodzownym elementem wielu przedsięwzięć geotechnicznych, takich jak wyliczanie nośności podłoża czy projektowanie ścian oporowych, skarp i nasypów.
 

Znaczenie wytrzymałości gruntu na ścinanie w geotechnice

Zrozumienie sensu wytrzymałości gruntu na ścinanie jest w geotechnice warunkiem właściwego określenia sposobu pracy konstrukcji oraz reakcji gruntu na różne obciążenia. Znajomość wytrzymałości gruntu pozwala nam wyznaczać nośność podłoża podczas projektowania fundamentów, nawierzchni czy tymczasowych dróg dojazdowych – Wytrzymałość na ścinanie jest równie ważna w analizach stateczności ścian oporowych, skarp i nasypów.

Wzrost wytrzymałości gruntu na ścinanie można zapewnić procesami mechanicznymi i chemicznymi, jak również poprzez zastosowanie materiałów zbrojących grunt. W przypadku stwierdzenia niedostatecznej wytrzymałości na ścinanie, projektanci mogą udoskonalić swoje projekty, stosując odpowiednie georuszty lub systemy ścian oporowych i skarp.
 

Jakie czynniki wpływają na wytrzymałość gruntu na ścinanie?

Wytrzymałość gruntu na ścinanie zależna jest od wielu czynników, pośród których fundamentalnym elementem jest rodzaj gruntu. Same ziarna i cząstki większości gruntów są co do zasady nieściśliwe, a masyw gruntu nie posiada wytrzymałości na rozciąganie. Mechanizmem zniszczenia gruntu jest poślizg jednego bloku gruntu względem drugiego, przy wzajemnym ruchu ziaren w strefie poślizgu.

Mechanizm ten zwany jest ścięciem. Gdy ziarna przesuwają się po sobie, ruchowi temu przeciwstawia się opór tarcia wewnętrznego. Zależy on od właściwości gruntu, w tym od wymiaru, kształtu, orientacji i rozkładu wielkości ziaren, jak również od stanu naprężeń naprężenia w danym punkcie ośrodka gruntowego.

Odcinek 5 serii „Zapytaj Andrew” w Tensar Ground Coffee: Andrew Lees wyjaśnia, czym jest wytrzymałość gruntu na ścinanie.

Tarcie

Kluczowym elementem wytrzymałości gruntu na ścinanie jest tarcie. Siła tarcia między obiektami przesuwającymi się względem siebie w danej płaszczyźnie uzależniona jest od nacisku działającego na nie prostopadle do tej płaszczyzny (od naprężeń normalnych). Wraz ze wzrostem naprężeń normalnych wzrasta również opór tarcia wewnętrznego gruntu. Wynika z tego jasno, że wytrzymałość gruntu na ścinanie nie może być stałą wartością; jest ona zależna od stanu naprężeń naprężenia w gruncie. W przypadku gruntów sypkich dominującym parametrem opisującym liniową zależność między naprężeniami normalnymi a stycznymi jest kąt tarcia wewnętrznego (φ).

Kąt tarcia wewnętrznego gruntu

W analizach wytrzymałości gruntu na ścinanie ważna jest znajomość kąta tarcia wewnętrznego gruntu, jak również naprężeń, które wystąpią w ośrodku gruntowym. W przypadku porównań różnych rodzajów gruntów niespoistych, kąt tarcia wewnętrznego jest jedynym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość. Kąt tarcia wewnętrznego ma fundamentalne znaczenie przy doborze materiału zasypowego do budowli ziemnych z gruntu zbrojonego oraz w takich zastosowaniach jak platformy robocze czy dolne warstwy nawierzchni. Należy również mieć na uwadze, że każda zmiana kąta tarcia wewnętrznego może spowodować konieczność weryfikacji i zmiany projektu.

Wytrzymałość na ścinanie gruntów spoistych

Grunty spoiste również składają się z ziaren i cząstek, ale wpływ na ich właściwości ma znacząca obecność ekstremalnie małych cząstek. Między tymi drobnymi cząstkami występują oddziaływania elektrostatyczne (przyciąganie), a ponadto siły napięcia powierzchniowego wody porowej mogą utrzymywać cząstki razem nawet przy braku zewnętrznego skrępowania; stąd grunty spoiste wykazują pewną wytrzymałość na ścinanie również przy zerowych naprężeniach normalnych. Rozpatrując wytrzymałość na ścinanie gruntów sypkich, nawet tych z pewną zawartością cząstek ilastych, można zasadniczo pominąć kohezję, kluczowy jest bowiem kąt tarcia wewnętrznego.

Wpływ wód gruntowych na wytrzymałość gruntu na ścinanie

Występowanie wody gruntowej również ma znaczący wpływ na wytrzymałość gruntu na ścinanie. Zrozumienie znaczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie bez odpływu wody jest kluczowe dla określenia, jak duże obciążenie może być przeniesione przez grunt. Grunt może być całkowicie nasycony wodą – co oznacza, że wszystkie wolne przestrzenie między ziarnami są nią wypełnione – lub znajdować się w innym stanie zawilgocenia, w którym w wolnych przestrzeniach oprócz wody jest również obecne powietrze. Ciśnienie porowe wody wpływa na naprężenie efektywne w szkielecie gruntowym, a zatem na tarcie między ziarnami gruntu. Gdy do gruntu nasyconego wodą przyłożone zostanie obciążenie, ciśnienie wody w porach natychmiast wzrasta, ponieważ woda jest nieściśliwa.

Grunty sypkie mają stosunkowo duże i dobrze połączone wolne przestrzenie. Kiedy obciążenie przykładane jest powoli – a tak zwykle bywa podczas budowy – można założyć, że woda odpływa swobodnie, nadmiar ciśnienia porowego wody szybko maleje, a obciążenie przenoszone jest przez szkielet gruntowy. W związku z tym wpływ ciśnienia porowego może być pominięty.

Grunty spoiste zachowują się odmiennie, ponieważ wolne przestrzenie są mikroskopijne i słabo połączone. Odpływ wody jest więc znacznie ograniczony i odbywa się powoli; po przyłożeniu obciążenia do gruntu spoistego nie zachodzi szybkie wyrównanie nadmiaru ciśnienia porowego. Jako że woda jest nieściśliwa, przenosi ona obciążenie, a naprężenia efektywne w szkielecie gruntowym nie wzrastają momentalnie. Krótkoterminowa wytrzymałość na ścinanie bez odpływu jest zatem w gruncie spoistym wartością stałą, oznaczaną cu albo su.

Gdy rozpatrujemy nośność gruntów spoistych, wytrzymałość na ścinanie bez odpływu jest wartością krytyczną. Sytuacja ta jest bardzo częsta w Wielkiej Brytanii, gdzie na wielu budowach spotyka się grunty o istotnej zawartości cząstek ilastych. Z czasem również z gruntu spoistego odpływa nadmiar wody, nadwyżka ciśnienia porowego ulega stopniowej redukcji, a wytrzymałość gruntu na ścinanie wzrasta – proces ten zachodzi jednak w dłuższej perspektywie czasowej.

Związek między stanem gruntu sypkiego a jego wytrzymałością na ścinanie

Kolejnym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość na ścinanie gruntu sypkiego jest jego stan, zależny od stopnia zagęszczenia. Gdy obciążamy luźny, niezagęszczony grunt, jego ziarna zbliżają się do siebie. W miarę zagęszczania gruntu jego wytrzymałość na ścinanie wzrasta, aż wreszcie osiąga stały poziom, gdy objętość (stopień zagęszczenia) się ustali.

Jeśli grunt sypki był już dobrze zagęszczony przed obciążeniem, nie dochodzi do znacznych zmian objętości, a ziarna gruntu są już wzajemnie zazębione. Przy wzrastającym obciążeniu – zanim będzie mogło dojść do poślizgu ziaren – ziarna w strefie poślizgu muszą się rozsunąć, tracąc zazębienie. Rozsunięcie to zwane jest dylantacja. Naprężenie ścinające niezbędne do wywołania dylatancji na powierzchni poślizgu i przezwyciężenia zazębienia zwane jest ‘maksymalnym oporem przy ścinaniu. Po nastąpieniu dylatancji niezaklinowane ziarna mogą przesuwać się po sobie z większą łatwością, a więc już pod wpływem mniejszych naprężeń ścinających – zwanych oporem na ścinanie przy ustalonej stałej objętości.

W sytuacji, gdy nie jest spodziewane ścięcie – na przykład w materiale zasypowym wbudowanym w ścianie z gruntu zbrojonego – w projektowaniu jako wytrzymałość na ścinanie można użyć wartości maksymalnego oporu przy ścinaniu. Jeśli spodziewamy się stanów naprężeń bardziej zbliżonych do krytycznego, lepiej w projektowaniu jako wytrzymałość na ścinanie przyjąć wartość oporu przy ustalonej stałej objętości. Istotne jest upewnienie się, że w wynikach z badań gruntu podana jest wielkość odpowiednia do danej sytuacji projektowej.

Zapraszamy do odwiedzenia strony poświęconej systemom ścian oporowych i skarp z gruntu zbrojonego TensarTech gdzie znajdą Państwo więcej informacji o wykorzystaniu rozwiązań systemowych w konstrukcjach oporowych, posadowieniach nasypów i platformach roboczych.

Badania wytrzymałości na ścinanie

Wytrzymałość gruntu na ścinanie może być badana na wiele sposobów. Należą do nich:

• Badanie obrotową sondą krzyżakową
• Badanie presjometryczne
• Badanie w aparacie bezpośredniego ścinania
• Badanie w aparacie trójosiowego ściskania
• Badanie ściskania bez skrępowania bocznego (UCC)

Badanie obrotową sondą krzyżakową 

Jest to badanie terenowe pozwalające na oznaczenie wytrzymałości na ścinanie bez odpływu dla gruntów spoistych, może jednak być wykonywane tylko w gruntach o wytrzymałości na ścinanie do ok. 50 kPa. Po zagłębieniu sondy na odpowiednią głębokość dokonuje się ścięcia gruntu przez obrót końcówki i rejestruje jego opór.

Badanie presjometryczne

Kolejne badanie pozwalające na oznaczenie wytrzymałości na ścinanie miękkoplastycznych gruntów spoistych. Do odwiertu opuszcza się końcówkę, która następnie rozszerza się pod wpływem powietrza wtłaczanego pod ciśnieniem. Na podstawie parametrów badania i odkształceń gruntu możliwe jest oszacowanie wytrzymałości gruntu na ścinanie.>

Badanie w aparacie bezpośredniego ścinania 

To nieskomplikowane badanie laboratoryjne polega na ścięciu próbki w aparacie „skrzynkowym” wzdłuż zadanej płaszczyzny poziomej. Najpierw poddaje się próbkę konsolidacji pod różnymi obciążeniami normalnymi, mierząc odpowiadające im naprężenia styczne. Następnie – podczas właściwego badania – poddaje się próbkę rosnącemu naprężeniu ścinającemu wzdłuż określonej poziomej powierzchni poślizgu, aż do ścięcia próbki.

Badanie w aparacie trójosiowego ściskania

To badanie laboratoryjne można przeprowadzać na gruntach wszystkich rodzajów – z odpływem wody lub bez niego. Aparat jest zwany „trójosiowym”, ponieważ próbka jest poddana ściskaniu ze wszystkich stron. Jeśli chcą Państwo uzyskać więcej informacji, zapraszamy do zapoznania się z naszym przewodnikiem po badaniu trójosiowego ściskania.

Badanie ściskania bez skrępowania bocznego (UCC) test 

W tym specyficznym trybie badania w aparacie trójosiowym zadane ciśnienie boczne jest zerowe. Badanie to może być przeprowadzone tylko na nasyconych wodą gruntach spoistych. 

Wzór na wytrzymałość gruntu na ścinanie

Wzór na wytrzymałość na ścinanie opisuje tzw. prostą Coulomba (będącą liniowym przybliżeniem obwiedni granicznych kół Mohra). Według tej zależności liniowej wytrzymałość na ścinanie stanowi sumę kohezji (c) oraz oporu tarcia wewnętrznego (σ’tanφ). A zatem wzór na wytrzymałość gruntu na ścinanie to: τ = c + σ’tanφ

τ = wytrzymałość gruntu na ścinanie [kPa]

c = kohezja [kPa]

σ’ = efektywne naprężenia normalne [kPa]

φ = kąt tarcia wewnętrznego

Kolejne kroki

W tym poradniku wyjaśniliśmy, co rozumiemy pod pojęciem wytrzymałości gruntu na ścinanie, jakie jest jej znaczenie w geotechnice, jakie czynniki na nią wpływają, jakimi metodami można ją wyznaczać oraz z jakiego wzoru ją wyliczać.

Ten artykuł był przydatny? Zapraszamy do lektury innych materiałów:

• Korzyści z odpowiedniego rozpoznania warunków gruntowych
• Badania trójosiowe
• Wodoprzepuszczalność gruntów

Tensar wytwarza szeroką gamę rozwiązań geotechnicznych – zapraszamy do odwiedzenia naszych stron poświęconych georusztom oraz systemom ścian oporowych i skarp z gruntu zbrojonego.
 

Masz palące pytanie dotyczące geotechniki?

Przyślij nam e-maila na tensarinfo-pl@cmc.com a być może odpowiedź na Twoje pytanie pojawi się w kolejnym odcinku Tensar Ground Coffee!