Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywa się opór, jaki stawia grunt naprężeniom stycznym w rozpatrywanym punkcie ośrodka.
Opór gruntu τf działa w tej samej powierzchni co i naprężenie styczne τ, lecz w przeciwnym kierunku. Wartość oporu wyznacza się z wzoru Coulomba :
τf = Ϭn · tgØ + c
Badania oporu gruntu τf przeprowadza się w laboratorium w aparacie trójosiowego ściskania lub w aparacie skrzynkowym.
Fot. 1, 2. Aparat trójosiowego ściskania i aparat skrzynkowy
Rys.1. Wytrzymałość gruntu na ścinanie w zależności od wartości naprężeń normalnych Ϭn oraz Ø i c
Rys.2. Rozkład naprężeń przy ścinaniu próbki gruntu w aparacie trójosiowym:
a) schemat naprężeń, b) wyznaczanie Ø i c za pomocą granicznych kół Mohra.
Rys.3. Składowe naprężenia efektywnego w badaniu w aparacie trójosiowego ściskania.
Fot. 3. Walcowe próbki gruntu po ścięciu
Jeśli grunt jest całkowicie nasycony wodą i ścinanie odbywa się bez odsączania wody z porów gruntu, to wartość oporu ścinania jest niezależna od całkowitego naprężenia normalnego przyłożonego do gruntu i będzie wynosiła τ = cu.
W tym przypadku cu ( tzw. spójność niedrenowana) nie charakteryzuje wewnętrznej właściwości gruntu, a jest oporem tylko ścinania przy stałej jego wilgotności.
Fot. 4. Sonda krzyżakowa
Tym samym naprężenia efektywne są równoważne naprężeniom całkowitym pomniejszonym o ciśnienie w porach.
Ich wpływ jest decydujący na właściwości gruntu, a szczególnie na ściśliwość i wytrzymałość. Z tego też powodu naprężenie efektywne Ϭ’ często nazywane jest naprężeniem międzyziarnowym.
Rodzaje I stanu granicznego to :
- wypieranie podłoża,
- osuwisko lub zsuw,
- przesunięcie w poziomie.
Rys.4. Podstawowe problemy związane z posadawianiem nasypów na gruntach słabonośnych. [1]
Utrata nośności podłoża pod podstawą nasypu powoduje powstanie pod nim strefy uplastycznienia, w której wystąpił stan graniczny.
Za stan graniczny naprężenia w podłożu gruntowym uważa się taki stan, gdy w każdym punkcie obszaru występują naprężenia styczne równe wytrzymałości na ścinanie. Grunt w tym stanie nie może stawiać oporu wzrastającym naprężeniom ścinającym. Wraz ze wzrostem obciążenia zewnętrznego zakres stref uplastycznienia rośnie, co może w końcu doprowadzić do wyparcia gruntu. Stan ten pociąga za sobą przyrost osiadania pod nasypami. Kształt i zakres strefy uplastycznienia nie są dokładnie znane, stąd w zależności od przyjętej teorii lub kryterium mogą być zastosowane różne metody obliczeń obciążeń granicznych. Zanim w podłożu zostaną osiągnięte naprężenia graniczne, co najczęściej kończy się wyparciem gruntu uplastycznionego spod budowli, narasta proces osiadania wskutek ściśliwości i wypierania odkształcalnych warstw.
Przyjmuje się, że w przypadku gruntów silnie odkształcalnych zniszczenie podłoża pod nasypem jest podobne do zniszczenia podłoża pod ciągłym fundamentem sztywnym. Stąd bierze się wykorzystywanie schematów Terzaghiego, Prandtla, Meyerhoffa i in.
Rys. 5. Schemat stref sprężysto-plastycznych w warunkach granicznego stanu naprężeń [2]
W praktyce nasypy najczęściej budowane są z gruntów mineralnych niespoistych, które charakteryzują się modułami odkształcenia kilkaset razy większymi od modułów gruntów silnie odkształcalnych ( szczególnie organicznych ). W związku z tym odkształcenia własne nasypów są tak małe w stosunku do odkształceń bardzo ściśliwego podłoża, że wydaje się uzasadnione w pewnych przypadkach traktować nasypy właśnie jak sztywny fundament.
Posadowienie nasypu w kształcie trapezu na gruntach słabonośnych wiąże się z długotrwałymi osiadaniami i wyporem gruntu przy przekroczeniu stanu granicznego nośności.
Rys. 6. Charakterystyczne strefy naprężeń pod nasypem
Sytuację taką można porównać do ławy fundamentowej, ale bez odsadzek:
Inaczej sprawa przedstawia się w przypadku budowy nasypu z kontrbankietami. Boczne ławy dociskowe poprawiają nośność układu i hamują rozwój stref plastycznego płynięcia.
Rys. 7. Charakterystyczne strefy naprężeń pod nasypem
W tym przypadku sytuację taką można porównać do ławy fundamentowej z odsadzkami :
Wybór wariantu należy do projektanta konstrukcji.
Literatura :
- Koerner R.M. Designing with geosynthetics, (Fifth edition) Prentice Hall 2005,
- Wiłun Z.: Zarys Geotechniki. WKŁ 1982