Timpe (%)DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 38.DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 8.1.Scopul ncercarii. Definitii si clasificari Prin rezistenta la forfecare a pamnturilor se ntelege efortul tangential maxim ce poate fi preluat de acestea. Conform teoriei lui Coulomb depinde de efortul unitar normal pe planul de forfecare si de parametrii rezistentei la forfecare care sunt: unghiul de frecare interna si coeziunea. n eforturi efective rezistenta la forfecare se calculeaza cu relatia: ' ' tg ' cf? ? ? ? ? ?(8-1) unde ? este efortul unitar normal pe planul de forfecare calculat cu relatia: u ? ? ? ? ' (8-2) ? este efortul unitar total normal pe planul de forfecare u este presiunea apei n porii epruvetei de pamnt ? este unghiul de frecare interna corespunzator exprimarii n eforturi efective c este coeziunean eforturi efective n eforturi totale rezistenta la forfecare se calculeaza cu relatia cf? ? ? ? ? ? tg (8-3) ? este efortul unitar total normal pe planul de forfecare ? este unghiul de frecare interna corespunzator exprimarii n eforturi totale c este coeziunean eforturi totale GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 4Determinarea parametrilor rezistentei la forfecare n laboratorul geotehnic se face pe epruvete de pamnt de mici dimensiuni care sunt supuse la o solicitare compusa de compresiune cu forfecare, pna la rupere. Variatia eforturilor unitare n proba pna la cedare poate fi facuta fie prin ncercari cu eforturi impuse fie prin ncercari cu deformatie impusa. n primul caz metodologia de ncercare permite aplicarea pe proba a unor eforturi unitare controlate si masurarea deformatiilor corespunzatoare stabilizate pna la rupere. n al doilea caz se impun deformatii de forfecare pe directie orizontala sau de compresiune pe directie verticala corelate cu eforturi unitare controlate pe celelalte directii. Din punct de vedere al consolidarii probelor sub starea de eforturi din teren si al conditiilor de drenaj pe parcursul forfecarii ncercarile de laborator pot fi: -ncercari neconsolidat nedrenate (U.U.); -ncercari consolidat nedrenate (C.U.); -ncercari consolidat drenate (C.D.). Daca consolidarea se face izotrop atunci ncercarile consolidat nedrenate se noteaza C.I.U., iar cele drenate C.I.D. Daca consolidarea se face anizotrop cu eforturi unitare efective corespunzatoare starii de repaus (adica legate prin coeficientul mpingerii n stare de repaus K0) atunci ncercarile consolidat nedrenate se noteaza C.K0.U. iar cele drenate C.K0.D. n prezent parametrii rezistentei la forfecare ai pamnturilor se determina prin doua metode care sunt descrise n continuare. 8.2.Forfecarea directa 8.2.1.Principiul metodei Epruveta de pamnt de forma prismatica avnd de regula o sectiune patrata cu latura de 6 cm si o naltime de 2 cm este supusa unei solicitari de compresiune cu forfecare (vezi Figura 8-1).Epruveta de pamnt este obligata sa se foarfece dupa planul orizontal median ca urmare a actiunii fortei taietoare F. Eforturile unitare tangentiale care apar pe planul de forfecare impus se calculeaza cu relatia: DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 5AFf? ?(8-4) n care A este sectiunea probei dupa directia solicitarii. Pentru o valoare anumita, maxima, a efortului unitar tangential, epruveta de pamnt se rupe dupa planul a a, portiunea inferioara alunecnd de-a lungul acestui plan (vezi Figura 8-1). Tinnd seama de metodologia de ncercare, forfecarea directa este o ncercare cu deplasare impusa si efort masurat. n timpul consolidarii epruvetelor de pamnt se masoara deformatia verticala iar n timpul forfecarii de regula se masoara la diverse intervale de timp de plasarea ? n planul de forfecare, deformatia pe verticala si respectiv forta taietoare corespunzatoare ce actioneaza asupra epruvetei. Figura 8-1 Sectiune prin epruveta de pamnt 8.2.2.Pregatirea epruvetelor Din fiecare proba de pamnt se supun ncercarii de forfecare minimum trei epruvete. n cazuri speciale, cnd se cere o mai mare precizie n determinarea parametrilor rezistentei la forfecare, numarul de epruvete supuse ncercarii se va marii, ncercarile suplimentare efectundu-se sub presiuni normale cu valori intermediare. Epruvetele cu structura naturala se obtin numai din pamnturi coezive, recoltate din tuburi carotiere sau din monoliti. n acest caz epruvetele ce vor fi supuse ncercarii de forfecare se vor preleva astfel: -direct din stante de sectiune patrata cu latura egala cu cea a casetei aparatului de forfecare, atunci cnd prin prelevarenu se produce o deranjare a structurii pamntului. n acest caz epruveta se va introduce n caseta aparatului de forfecare prin mpingere cu pistonul de alama, sprijinind stanta de rama superioara a casetei; GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 6-folosind o stanta cilindrica, cu diametrulcel putin egal cu diagonala stantei patrate, atunci cnd prin prelevare directa se produce deranjarea structurii pamntului. n acest caz se extrage mai nti proba n stanta suplimentara cilindrica, dupa care se decupeaza epruveta de ncercat prin taiere cu un cutit bine ascutit. Se cntareste epruveta, iar din materialul din care aceasta a fost preparata se extrage o proba pentru determinarea umiditatii. Probele cu structura deranjata pot fi preparate att din pamnturi coezive ct si din cele necoezive. n cazul pamnturilor coezive epruvetele pot fi confectionate n doua moduri: 1.se prepara mai nti, dupa metodologia si cu aparatura de compactare recomandate n lucrarea referitoare la ncercarea PROCTOR, probe cu umiditatea si densitatea dorita dupa care se decupeaza epruvete cu sectiunea patrata; 2.se prepara epruvetele direct din stante cu sectiunea patrata, sau chiar n caseta aparatului de forfecare, prin presarea cantitatii necesare de pamnt pna la obtinerea unor epruvete de densitatea si umiditatea dorita. n cazul pamnturilor necoezive epruvetele se prepara direct n caseta aparatului de taiere, prin compactare la densitatea si umiditatea la care urmeaza sa se faca ncercarea. Si ntr-un caz si n altul epruvetele se cntaresc, iar din materialul folosit la confectionarea acestora se extrage o proba pentru determinarea umiditatii. 8.2.3.Aparatura si materiale necesare Aparatura de laborator necesara efectuarii ncercarii de forfecare directa este constituita din: a)aparat de forfecare directa, alcatuit, conform figurii, din: -caseta de alama (1), de regula de sectiune patrata cu latura de 6 cm si naltimea de 4 cm, compusa din 2 rame, superioara si inferioara, ce pot fi solidarizate ntre ele prin doua suruburi (2); -cutie paralelipipedica de alama (3), n care se fixeaza rama inferioara a casetei; -piston de alama (4), de ncarcare, avnd sectiunea patrata cu latura de 6 cm si naltimea de minimum 2 cm; DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 7-doua placi poroase patrate (5), cu grosimea de 8 mm si latura de 6 cm; -doua placi striate (6), de alama, cu latura de 6 cm. Striurile vor avea adncimea de 1,5 mm si profilul conform figurii; -doua placi striate perforate (7), identice, ca dimensiuni si material, celor de mai sus; -dispozitiv de aplicare a ncarcarii normale de epruveta (8); -dispozitiv (9) pentru realizarea deplasarii ramei inferioare a casetei cu vitezele constante indicate mai jos; -inele dinamometrice (10), cu o precizie de 3 N, pentru forte pna la 800 N si de 7 N pentru forte ntre 800 N si 3000 N; -comparator (11) pentru urmarirea si masurarea deformatiei epruvetei, cu precizia de 0,01 mm/minut. b)stante pentru prelevarea epruvetelor de pamnt: cilindrice cu diametrul de 9 cm si patrate cu sectiunea de 6 x 6 cm, prevazute cu cutit si guler prelungitor; c)set de greutati care sa permita aplicarea ncarcarilor verticale; d)balanta farmaceutica cu precizie de 0,01 g; e)balanta analitica cu precizie de 0,01 g; f)etuva termoreglabila n intervalul 105 ... 110?C; g)presa pentru scos probe din stuturi; h)exsicatoare; i)ceas de laborator; j)geamuri de ceas; k)cutite de laborator. GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 812 Figura 8-2 Aparatul de forfecare directa 1 caseta de alama; 2 suruburi; 3 cutie de alama; 4 piston de alama; 5 placi poroase; 6, 7 placi striate de alama perforate; 8 dispozitiv de aplicare a ncarcarii normale; 9 dispozitiv pentru realizarea deplasarii ramei inferioare a casetei (1); 10 inele dinamometrice; 11 micrometru comparator; 12 epruveta de pamnt. 8.2.4.Mod de lucru Aparatul de forfecare se instaleaza n pozitie orizontala, ntr-o ncapere n care nu lucreaza utilaje producatoare de vibratii sau trepidatii. La instalarea aparatului se vor lua urmatoarele masuri: -dispozitivul de actionare sa nu produca vibratii sau trepidatii ale casetei de taiere; -jugul de ncarcare sa permita ncarcarea epruvetei fara socuri; -rama inferioara a casetei sa se deplaseze usor cu viteza constanta necesara. 8.2.4.1.Pregatirea aparatului n vederea efectuarii ncercarii se vor verifica: -cursa libera a dispozitivului de actionare a casetei; DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 9-functionarea normala a comparatorului de masurare a deformatiei verticale a epruvetei precum si a celui de nregistrare a fortei de forfecare; -suruburile de solidarizare a ramelor casetei sa poata fi scoase cu usurinta din locasurile lor. Se asambleaza cele doua rame ale casetei de forfecare prin introducerea suruburilor de solidarizare n locasurile lor, dupa care se introduce caseta n cutia paralelipipedica a aparatului. Se regleaza viteza de forfecare corespunzator tipului de ncercare ce urmeaza a se efectua. 8.2.4.2.Efectuarea ncercarii Executarea ncercarii de forfecare directa consta din: -introducerea epruvetei n aparat; -aplicarea ncarcarii verticale; -inundarea epruvetei n cazul ncercarii de forfecare consolidate; -consolidarea epruvetei sub aceasta ncarcare, n cazul ncercarii de forfecare consolidate; -ncercarea de forfecare propriu zisa. 8.2.4.2.1ncercarea de forfecare consolidata drenata (CD) Se parcurg urmatoarele etape de lucru: a)Introducerea epruvetei n aparat: -n caseta (1) montata n cutia paralelipipedica se introduce mai nti placa poroasa (5) si placa striata perforata inferioara (6) cu striurile orientate n sus transversal pe directia de taiere si cu nclinarea orientata n directia deplasarii casetei; -se introduce epruveta n caseta prin mpingerea pistonului de alama (4) n cazul epruvetelor prelevate n stante cu sectiunea patrata, sau direct n cazul epruvetelor obtinute prin decupare; -se aseaza cea de-a doua placa striata perforata (6) cu striurile orientate n jos, transversal pe directia de taiere si nclinate n directia opusa deplasarii casetei; -se introduce placa poroasa superioara (5) si pistonul de alama pentru aplicarea ncarcarii verticale, apasndu-se usor pentru ca striurile placilor striate sa patrunda n epruveta; -se nchide rostul dintre cele doua rame ale casetei si spatiul dintre rama superioara si pistonul de ncarcare, cu mastic de GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 10bitum cauciuc, n vederea prevenirii uscarii epruvetei n timpul ncercarii; -se aseaza cutia paralelipipedica mpreuna cu caseta, continnd epruveta, pe sasiul aparatului de taiere, sub dispozitivul de ncarcarecu sarcina verticala; -se aduce n contact dispozitivul de taiere cu cutia paralelipipedica, dupa care se scot suruburile de asamblare a casetei. b)Aplicarea ncarcarii verticale ncarcarea verticala se aplica prin intermediul dispozitivului de ncarcare perpendicular pe planul de forfecare, fara socuri, pentru ca apa din pori sa aiba posibilitatea sa se dreneze pe toata durata ncercarii. Aceste ncarcari vor avea urmatoarele marimi: -50 kPa, 100 kPa, 150 kPa, pentru pamnturi argiloase n stare de consistenta plastic moale si pentru nisipuri n stare afnata; -100 kPa, 200 kPa, 300 kPa, pentru pamnturi argiloase n stare plastic-consistenta si plastic vrtoasa, precum si pentru nisipuri n stare de ndesare medie; -200 kPa, 300 kPa, 400 kPa, pentru pamnturi argiloase n stare tare si pentru nisipuri n stare ndesata. c)Inundarea epruvetei Inundarea epruvetei se face turnnd apa (de preferinta distilata) n cutia paralelipipedica n jurul casetei, pna la un nivel ce corespunde aproximativ fetei superioare a epruvetei. Inundarea se face numai atunci cnd probele sunt prelevate de sub nivelul hidrostatic sau cnd este de asteptat o ridicare a nivelului apelor subterane n timpul exploatarii constructiilor. d)Consolidarea epruvetei Consolidarea epruvetei sub ncarcarea verticala aplicata se urmareste prin nregistrarea deformatiilor verticale a epruvetei n formularul din buletinul de ncercare. Epruveta se considera consolidata n momentul n care trei citiri succesive facute la intervale de 20 minute nu difera cu mai mult de 0,01 mm. e)Forfecarea Forfecarea propriu-zisa se ncepe, dupa terminarea consolidarii sub ncarcarea verticala aplicata, prin punerea n functiune a dispozitivului de taiere reglat n prealabil cu o viteza de: -1... 1,5 mm/min pentru nisipuri mari si mijlocii; -0,5 mm/min pentru nisipuri fine; -0,1 mm/min pentru prafuri; -0,05 mm/min pentru pamnturi argiloase; DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 11-0,01 mm/min pentru argile grase. Indicatia comparatorului inelului dinamometric (forta de forfecare), deformatia orizontala si deformatia verticala a epruvetei se nregistreaza n formularul din buletinul de ncercare dupa cum urmeaza: -pentru nisipuri mari, mijlocii, fine si prafuri la: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 ... min., pna n momentul forfecarii epruvetei; -pentru pamnturi argiloase la: 10, 20, 30, ... min. pna la momentul forfecarii epruvetei; -pentru argile grase la: h, 1h, 1 h, ... pna n momentul forfecarii epruvetei. Forfecarea epruvetei se considera realizata n momentul cnd are loc o scadere evidenta a fortei de forfecare sau cnd aceasta ramne constanta la o deplasare a casetei, de circa 5 mm. Dupa ncercare, epruveta este scoasa din caseta si examinata din punct de vedere al eventualilor macropori sau granule cu diametrul mai mare de 2 mm ce ar fi putut influenta rezistenta la forfecare. Constatarile se nregistreaza n buletinul de ncercare. Din planul de forfecare se recolteaza o proba pentru a determina umiditatea finala a epruvetei. 8.2.4.2.2ncercarea de forfecare consolidata nedrenata (C.U.) Operatiile a ? d, de introducere a epruvetei n aparat, de aplicare a ncarcarii verticale, de inundare a epruvetei si de consolidare a acesteia se executa conform celor relatate anterior. e)Forfecarea Forfecarea propriu zisa se ncepe dupa consolidarea sub ncarcarea verticala perpendiculara pe planul de forfecare, prin punerea n functiune a dispozitivului de taiere, reglat n prealabil pentru o viteza de 1,0 ... 1,5 mm/min. Operatiunea de forfecare se efectueaza rapid, fara a da posibilitatea drenarii apei din pori. ncercarea se executa n continuare conform celor expuse anterior cu singura deosebire ca indicatiile comparatorului inelului dinamometric ca si deformarile orizontala si verticala a epruvetei se nregistreaza n formularul din buletinul de ncercare, la intervale de 15 s. GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 128.2.4.2.3ncercarea de forfecare neconsolidata nedrenata (U.U.) Operatiile a ? d, de introducere a epruvetei n aparat, de aplicare a ncarcarii verticale, de inundare a epruvetei si de consolidare a acesteia se executa conform celor relatate anterior. e)Forfecarea Forfecarea propriu-zisa se executa imediat dupa aplicarea ncarcarii verticale perpendiculare pe planul de forfecare iar operatiunea de forfecare se efectueaza rapid, prin punerea n functiunea a dispozitivului de forfecare reglat n prealabil pentru o viteza de 1 ... 1,5 mm/min pentru a nu da posibilitatea apei din pori sa se dreneze n timpul ncercarii. n continuare ncercarea se executa conform celor relatate anterior cu urmatoarele deosebiri: -n locul placilor striate perforate se vor monta placi striate neperforate; -nu se executa operatii de inundare si de consolidare, trecndu-se la executarea ncercarii de forfecare propriu-zisa imediat dupa aplicarea ncarcarii verticale. Indicatiile comparatorului inelului dinamometric se nregistreaza n buletinul de ncercare la intervale de 15 s. 8.2.5.Interpretarea rezultatelor Pe baza rezultatelor ncercarilor de forfecare directa se stabilesc parametrii rezistentei la forfecare ai pamnturilor si se obtine relatia efort- deformatie corespunzatoaren sistemul de axe ??? (? este deplasarea n planul obligat de forfecare). Ecuatia dreptei intrinsece (9-1) este functie de modul de ncercare si anume: -n cazul ncercarii de forfecare consolidata-drenata, ecuatia este data de relatiile: pentru pamnturi argiloase` ` ' c tgf? ? ? ? ? ?(8-5) pentru pamnturi fara coeziune (nisipuri) ` ' ? ? ? tgf? ?(8-6) n care: -?f efortul de forfecare pe planul de forfecare; -? - efortul total normal; DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 13-? si c parametrii rezistentei la forfecare (unghiul de frecare interna efectiv si respectiv coeziunea efectiva) ai pamntului ncercat n cazul ncercarii (CD). n cazul ncercarii de forfecare consolidata - nedrenata, ecuatiaeste data de relatia: c tgf? ? ? ? ? ?(8-7) n care: ? si c parametrii rezistentei la forfecare ai pamntului n eforturi totale n cazul ncercarii de forfecare neconsolidata - nedrenata, ecuatia este data de relatia: u u fc tg ? ? ? ? ? ?(8-8) n care: ?u si cu parametrii rezistentei la forfecare ai pamntului ncercat n cazul ncercarii UU. Masuratorile efectuate n timpul ncercarii la forfecare directa se vor nregistra n buletinul de ncercare n felul urmator: -date privitoare la identificarea si caracterizarea fizica a epruvetei (ANEXA 8.1); -date privitoare la caracteristicile epruvetelor dupa consolidare (ANEXA 8.2); -date privitoare la ncercarea de forfecare (ANEXA 8.3); -rezultatele ncercarilor la forfecare executate sub diferite ncarcari verticale (ANEXA 8.4); -relatia efort deformatie corespunzatoare pamntului (ANEXA 8.5). -diagrama ncercarii la forfecare (dreapta intrinseca a pamntului) (ANEXA 8.6). Calculele legate de completarea buletinului de ncercare se refera la: -efortul unitar de compresiune, n kPa; -efortul unitar de forfecare, n kPa; -caracteristicile fizice ale epruvetei ncercate. GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 148.3.ANEXA 8.1 - DATE PRIVITOARE LA IDENTIFICAREA SI CARACTERIZAREA FIZICA A EPRUVETELOR Epruveta Nr. 123 Caracteristicile initiale ale epruvetelor Simbol U.M. initial final initial final initial final SectiuneAcm2 naltimehcm VolumVcm3 Nr. geam de ceas Masa umeda + masa geam ceas mug Masa uscata + masa geam de ceas mdg Masa geam de ceas mcg Masa apamu-mdg Masa uscatamd-mcg Umiditate 100 % ????c dd um mm mw % Nr. stanta Masa epruveta umeda + masa stanta Mug Masa stantaMcg Masa epruveta umeda Mu- Mcg DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 15 Epruveta Nr. 123 Caracteristicile initiale ale epruvetelor Simbol U.M. initial final initial final initial final Densitatea pamntului VM Mc u ?? ?g/cm3 Densitatea uscata 1001wd???? g/cm3 Porozitatea 100 1 % ? ? ?sdn?? % Indicele porilor nne??1 Grad de saturatie 100 ? ???wsrewS?? Observatii asupra aspectului si naturii epruvetelor .. GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 168.4.ANEXA 8.2 - CARACTERISTICILE EPRUVETELOR DUPA CONSOLIDARE Epruveta (caseta) Nr.Caracteristicile epruvetelor dupa consolidare SimbolU.M. 123 Deformatia epruvetei? hcm naltimea epruvetei hf = h - ? h hfcm Volumul epruvetei Vf = ? hf Vfcm3 Densitatea uscata?dfg/cm3 Porozitatenf% 8.5.ANEXA 8.3 - DATE PRIVIND REZISTENTA LA FORFECARE Epruveta Nr.123 Efortul vertical perpendicular pe planul de forfecare (presiune normala) ?? = ...kPa ? = ...kPa ? = ...kPa Citire pe comparator pentru efortul de forfecare P Constanta inelului dinamometric DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 17C Solicitarea maxima de forfecare F = P?C Efortul de forfecare maxim?f = F / A GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 188.6.ANEXA 8.4 - DATE PRIVITOARE LA NCERCAREA DE FORFECARE Epruveta (caseta) Nr. 123 Timp n minute Citire microcomparator pentru efortul de forfecare F Citire microcomparator pentru deformatie verticala a epruvetei ?h 1/100mm Deformatia verticala h-?h mm Deformatia orizontala ? mm Timp n minute Citire microcomparator pentru efortul de forfecare F Citire microcomparator pentru deformatie verticala a epruvetei ?h 1/100 mm Deformatia verticala h-?h mm Deformatia orizontala ? mm Timp n minute Citire microcomparator pentru efortul de forfecare F Citire microcomparator pentru deformatie verticala a epruvetei ?h 1/100 mm Deformatia verticala h-?h mm Deformatia orizontala ? mm DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 19 Epruveta (caseta) Nr. 123 Timp n minute Citire microcomparator pentru efortul de forfecare F Citire microcomparator pentru deformatie verticala a epruvetei ?h 1/100mm Deformatia verticala h-?h mm Deformatia orizontala ? mm Timp n minute Citire microcomparator pentru efortul de forfecare F Citire microcomparator pentru deformatie verticala a epruvetei ?h 1/100 mm Deformatia verticala h-?h mm Deformatia orizontala ? mm Timp n minute Citire microcomparator pentru efortul de forfecare F Citire microcomparator pentru deformatie verticala a epruvetei ?h 1/100 mm Deformatia verticala h-?h mm Deformatia orizontala ? mm 8.7.ANEXA 8.5 DIAGRAMA DEFORMATIILOR DE ALUNECARE LA FORFECARE DIRECTA Aparat nr. . Inel dinamometric nr. Suprafata epruveta A = cm2 MPa11? ? ?AP? MPa22? ? ?AP? MPa33? ? ?AP?t [min] d [mm] n [mm] T [N] ATf? ?1001? [Mpa] t [min] d [mm] n [mm] T [N] ATf? ?1001? [Mpa] t [min] d [mm] n [mm] T [N] ATf? ?1001? [Mpa] Deformatia de alunecare d (mm)Efort unitar de forfecare t (Mpa)8.8.ANEXA 8.6 - NCERCAREA DE FORFECARE DIRECTA Tulburat / Netulburat Consolidat-drenat (CD) Consolidat-nedrenat (CU) Neconsolidat-nedrenat (UU) c' = [kPa] ?' = .[grade] c = .[kPa] ? = .. [grade] cu = [kPa] ?u = .[grade] ?(kPa)? (kPa) Epruveta (caseta Nr.)Caracteristicile epruvetelor SimbolulUnitate de masura 123 Porozitate initialani% Porozitate finalanf% Umiditate initialawi% Umiditate finalawf% Observatii asupra aspectului si naturii epruvetelor Efort unitar normal? kPa Efort de taiere?fkPa Viteza de forfecaremm/min. ? = . .[grade] ? = . ...[grade] ?u = . ..[grade] c = [kPa] c = .[kPa] cu = [kPa] DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 22 8.9. ncercarea de compresiune triaxiala 8.9.1.Introducere. Definitii ncercare de compresiune triaxiala prezinta, n comparatie cu ncercarea de forfecare directa, avantajul ca permite o modelare mai corecta a starii de eforturi din terenul de fundare, sau din constructiile de pamnt, inclusiv a efectului presiunii apei din porii pamntului, u. Metoda de determinare a caracteristicilor rezistentei la forfecare prin compresiune triaxiala se aplica probelor cilindrice din pamnt avnt structura naturala sau fiind compactate, la o stare de ndesare si umiditate impusa. Dimensiunea maxima a fractiunilor care alcatuiesc epruveta ce urmeaza a fi ncercata nu trebuie sa depaseasca 1/6 din diametrul acesteia, fiind conditionata de dimensiunea aparatului folosit. Dimensiunile uzuale ale epruvetelor cilindrice de pamnt, functie de marimea fractiunilor componente sunt date n Tabelul 8-1. De regula, raportul dimensiunilor epruvetelor trebuie sa fie H/d = 2?2,5. Tabelul 8-1 Dimensiunile epruvetelor (mm)Nr. crt. Dimensiunea fractiunii maxime (mm)Diametrul d naltimea H 1.535?4080 2.10100200 3.15150300 Epruveta de pamnt, nvelita ntr-o membrana de cauciuc, este introdusa ntr-o celula triaxiala (vezi Figura 8-4), cu pereti transparenti. Proba este fixata ntre postamentul celulei si pistonul, ce culiseaza prin orificiul de la partea superioara a celulei. GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 23 n fluidul (apa, glicerina, aer) ce umple celula, se creeaza o presiune hidrostatica ?3, iar prin intermediul pistonului poate fi aplicata, la partea superioara a epruvetei, o presiune suplimentara ? ? . n ncercarile curente se folosesc aparate de compresiune triaxiala la care starea de eforturi este axial simetrica (?2 =?3, vezi Figura 8-5). Starea de eforturi aplicata poate fi considerata ca rezultanta a unui: -tensor sferic: efortul hidrostatic ?2 =?3, si a unui -tensor deviator: 3 1? ? ? ? ? ?(veziFigura 8-5) n general, ncercarea triaxiala se desfasoara n urmatoarele etape posibile: -consolidare n care se aplica eforturile unitare initiale efective, corespunzatoare starii de eforturi din teren; -saturare n care proba este saturata prin aplicare de back pressure; -forfecare n care proba este condusa la rupere drenat sau nedrenat pe un drum de efort care cauta sa muleze ct mai fidel schimbarile induse de lucrarea inginereasca asupra starii de eforturi initiale din teren. Pentru ca rezultatele obtinute sunt influentate n mod hotartor de presiunea apei n pori, ncercarea triaxiala trebuie condusa n asa fel nct sa modeleze ct mai fidel nu numai starea de eforturi, dar si conditiile de drenare a apei din pori, din terenul de fundare sau din cuprinsul constructiei de pamnt. Din punct de vedere al conditiilor de drenare, ncercarile triaxiale curente se grupeaza conform cu Tabelul 8-2 n trei categorii. n ncercarea de tip UU, la care lipsesc etapele de consolidare si saturare, drenajul probei nu este permis n stadiul de forfecare. n ncercarea de tip CU eforturile unitare de consolidare se aplica, n trepte si dupa fiecare treapta se asteapta un interval de timp suficient pentru ca apa din pori sa fie drenata, iar eforturile aplicate sa devina eforturi efective; dupa aplicare eforturilor de consolidare drenajul probei este nchis si forfecarea are loc n conditii nedrenate, cu masurarea presiunii apei din pori. DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 24 Figura 8-3 Aparat triaxial folosit pentru ncercarile cu deformatie impusa si efort masurat Figura 8-4 Aparat triaxial folosit pentru ncercarile cu efort impus si deformatie masurata GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 25 Figura 8-5 Starea de eforturi pe o proba solicitata n aparatul de compresiune triaxiala Figura 8-6 Instalatia de compresiune triaxiala cu deformatie impusa DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 28 Tabelul 8-2 Nr. crt. Tip ncercareNotatie Parametrii obtinuti pentru rezistenta la forfecare Corespondenta practica 1 Neconsolidat nedrenat UU?u = 0;Executia rapida a unei constructii sau lucrari de pamnt pe un teren neconsolidat putin permeabil 2 Consolidat nedrenat CU ?u; cu

? = ?; c Supraetajarea unei cladiri sau supranaltarea unei lucrari de pamnt. Stabilitatea imediata a taluzurilor sau versantilor 3 Consolidat drenat CD?; c Stabilitatea n timp a taluzurilor si versantilor. Realizarea n timp lent a unor constructii sau lucrari de pamnt pe terenuri permeabile Notatii: -?u unghi de frecare interna aparenta, -cu coeziune aparenta, -? unghi de frecare interna efectiv, -c coeziune efectiva, -?- unghi de frecare interna -c coeziune n ncercare de tip CD drenajul apei din pori este permis att n timpul stadiului de consolidare, ct si n timpul forfecarii. n ncercarile uzuale ncarcarea probei pna la rupere se poate face n doua feluri: -cu efort impus (vezi Figura 8-4) -cu deformatie impusa (vezi Figura 8-3). De obicei n stadiul de consolidare ncarcarea probei se face n tehnica cu efort impus (?3 ca presiune n celula si ?1 aplicat cu ajutorul unui cadru metalic pe care sunt plasate greutati si care reazema pe piston, sau, n cazul unui aparat de compresiune triaxiala hidraulic, cu ajutorul unui dispozitiv autocompensator Bishop (vezi Figura 8-4 si Figura 8-6), n timp ce, n GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 29 stadiul de forfecare ncarcarea probei se poate face fie cu deformatie impusa, fie cu efort impus, n functie de drumul de efort impus pentru a conduce proba de pamnt la rupere. n stadiul de forfecare proba este supusa forfecarii pe diferite drumuri de efort (vezi Figura 8-7). n cazul ncercarilor cu deformatie impusa si efort masurat, aplicarea efortului unitar vertical ?1 se face cu ajutorul motorului presei triaxialului, prin intermediul inelului dinamometric (vezi Figura 8-3) n timp ce efortul unitar lateral ?3 ramne constant pna la rupere. Ca urmare drumul de efort parcurs de proba pna la cedare poate fi numai de tipul 1 (vezi Figura 8-7) si face cu orizontala un unghi de 45?. n cazul ncercarilor cu efort impus si deformatie masurata pot fi folosite toate cele trei tipuri de drumuri de efort. Alegerea modificarilor ? ?3 si ? ?1 pentru a urmari drumurile de efort alese se poate face pe baza urmatoarei scheme de calcul: -se alege o panta a drumului de efort 1:n unde stn??? (8-9) -daca eforturile unitare ?3 si ?1sunt modificate cu ? ?3 si, respectiv, ? ?1, atunci componenta sferica ? S sideviatorica ? T se modifica corespunzator: 23 1? ? ? ? ?? ? s (8-10) 23 1? ? ? ? ?? ? t (8-11) -folosind relatia (9.9), legatura cautata dintre ? ?1 si ? ?3 este : 113 1??? ? ? ?nn? ? (8-12) DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 30 23 1? ? ?? s23 1? ? ?? tFigura 8-7 De remarcat ca relatia (9-12) nu poate fi folosita pentru drumurile de efort de tip 3, iar pentru drumurile de efort de tip 2 trebuie avut n vedere faptul ca panta n este negativa. Figura 8-8 8.9.2.Mod de lucru n cazul ncercarilor de tip CU si CD, prima etapa la care este supusa epruveta de pamnt este etapa de consolidare. Aceasta consta n aplicarea asupra probei de pamnt a unor eforturi 0 1` ` pc? ?si c ck1 0 3` ` ? ? ? ?unde p0 este efortul vertical efectiv la care GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 31 epruveta de pamnt a fost supusa n teren, iar k0 este coeficientul mpingerii laterale n stare de repaus. Efortul vertical efectiv, p0, este calculat ca suma a produselor dintre greutatea unitara si grosimea fiecarui strat de la suprafata terenului, pna la cota de recoltare a probei. Pentru straturile situate deasupra nivelului apei subterane, greutatea unitara va fi egala cu greutatea volumica la umiditatea naturala: ) 1 ( ) 1 ( w ns? ? ? ? ? ? ? (8-13) n timp ce pentru straturile situate sub nivelul apei subterane, greutatea unitara va fi egala cu greutatea volumica n stare imersata, cu subpresiune: ) 1 ( ) ( ` nw s? ? ? ? ? ? ? (8-14) n relatiile de mai sus s-au facut notatiile: -n porozitatea pamntului; -?s greutatea specifica a scheletului solid; -?w greutatea specifica a apei; -w umiditatea pamntului. ncarcarea verticala va fi mentinuta cel putin 24 ore sau pna la stingerea tasarii din consolidare primara. Timpul corespunzator ncheierii procesului de consolidare primara, t100, se determina prin constructia Cassagrande. n timpul fazei de consolidare vor fi nregistrate: -variatia naltimii probei, ? h, masurata cu microcomparatorul, pentru miscarea verticala a pistonului; -variatia volumului probei, ? V, masurata cu un dispozitiv alcatuit din doua biurete, care permite nregistrarea separata a volumelor de aer si apa, expulzate din proba; dispozitivul va fi atasat la drenajul de la partea superioara a probei. Stadiul de saturare prin aplicare de back pressure, existent numai n cazul ncercarilor de tip CU consta n nchiderea drenajului probei catre dispozitivul cu doua biurete si conectarea probei la un dispozitiv de presiune constanta, prin legatura de la baza probei. Dispozitivul aplica concomitent o presiune n apa din porii probei, uBp, si o crestere egala a presiunii exterioare din celula, Bp cu ?3` ? , astfel nct efortul efectiv pe proba, 0 0 3 3 3 3` ` ` ` k p u u uc Bp Bp c? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(8-15) sa ramna constant. Valoarea presiunii back pressure se ridica n trepte de cte un daN/cm2, la fiecare treapta fiind nregistrate: -variatia naltimii probei, ? h; -cantitatea de apa intrata n porii probei, ? V; DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 32 Fiecare treapta trebuie mentinuta cel putin 5 ore, la fiecare jumatate de ora fiind efectuate citiri pentru ? h si ? V. La sfrsitul fiecarei trepte de aplicare de back pressure se testeaza parametrul Skempton, B, dupa cum urmeaza: -se nchid toate caile de drenaj ale probei; -se ridica presiunea din celula cu ? ?3 (cca 0,2 daN/cm2); -se asteapta cca 10 min.; -se masoara presiunea apei din pori, de preferinta la capatul de sus al probei, ? u; -se determina parametrul B; 3? ???uB (8-16) daca parametru B are o valoare mai mare de 0,9 stadiul de aplicarede back pressure poate fi considerat ncheiat; daca B ? 0,9 se aplica nca o treapta de 1 daN/cm2 back pressure. n cazul tuturor tipurilor de ncercari n aparatul triaxial exista stadiul de forfecare. Epruveta de pamnt este supusa forfecarii nedrenate, cu masurarea presiunii apei din pori, u, (ncercari CU si UU) sau forfecari drenate, cu masurarea variatiei volumului ? V (ncercari CD), pe drumuri de efort specifice lucrarii pentru analiza careia se efectueaza ncercarile de laborator n aparatul triaxial. n toate ncercarile triaxiale, pe parcursul stadiului de forfecare se masoara, pe lnga elementele specifice precizate anterior, si variatia naltimii probei ? h. Plecnd de la parametrii ?si a (vezi Figura 8-8), corespunzatori liniei kf redata n sistemul de axe S?T, n care se pot reprezenta drumurile de efort, si folosind relatiile din Figura 8-7, se determina parametrii rezistentei la forfecare (unghiul de frecare interna, ? si coeziunea, c), specifici fiecarui tip de ncercare. n cadrul Laboratorului de Geotehnica si Fundatii pentru realizarea ncercarilor triaxiale conform modului de lucru descris mai sus, se folosesc aparate cu efort impus (Figura 8-4) respectiv cu deformatie impusa (Figura 8-3), incluse ntr-un montaj ca cel din Figura 8-6. n Tabelul 8-3 se prezinta sintetic modul de utilizare al montajului prezentat n Figura 8-6, n vederea realizarii tipurilor uzuale de ncercari triaxiale. GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 33 Tabelul 8-3 ncercari cu deformatie impusa(Figura 8-3 si Figura 8-6) ncercari cu efort impus(Figura 8-4 si Figura 8-6) Robinete deschise n etapa de:Robinete deschise n etapa de: Tip de ncercare Consolidare Saturare Forfecare Consolidare Saturare Forfecare UU-- 2, 3, 5, 9, 12 -- 2, 3, 5, 9, 11*, 12, 15 CU 2, 3, 5, 9, 10, 14 2, 3, 5, 9, 11, 12 2, 3, 5, 9, 12 2, 3, 5, 9, 10, 14, 11*, 15 2, 3, 5, 9, 10, 11*, 12, 13, 15 2, 3, 5, 9, 11*, 12, 15 CD 2, 3, 5, 9, 10, 14 - 2, 3, 5, 9, 10, 14 2, 3, 5, 9, 10, 11*, 14, 15 - 2, 3, 5, 9, 10, 11*, 14, 15 Notatii: -- - lipseste etapa respectiva -*- n cazul ncercarilor cu efort impus se fac urmatoarele precizari: -cu dispozitivul autocompensator I (Figura 8-6) se aplica presiunea corespunzatoare efortului unitar ?1, iar cu dispozitivul autocompensator III efortul unitar ?3 (vezi Figura 8-6) -n timpul etapei de saturare, cresterea presiunii apei din porii probei se aplica simultan cu cresterea efortului unitar ?3, utiliznd dispozitivul autocompensator III (vezi Figura 8-6). 8.9.3.Interpretarea rezultatelor Indiferent de tipul de ncercare si metodologia experimentala folosita n continuare se propune o tehnica de determinare a parametrilor rezistentei la forfecare. Se determina mai nti valorile eforturilor unitare principale n eforturi totale si / sau efective pe parcursul drumului de efort solicitat. DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 34 n cazul ncercarii cu deformatie impusa si efort masurat se determina urmatoarele: -deformatia specifica: HH ?? ? (8-17) -aria sectiunii transversale: H HV VA? ?? ?? (8-18) -efortul unitar vertical: ??????? ? ???AaAK N13 1? ?(8-19) n care: N este forta verticala care se obtine cu relatia: ic P N ? ? (8-20) n care P este citirea pe microcomparatorul inelului dinamometric ci este constanta de deformare a inelului dinamometric K este masa totala a pieselor asezate pe epruveta, n kg a este aria sectiunii transversale a pistonului, n cm2 -deviatorul eforturilor n plan: 2` `` sau23 1 3 1? ? ? ? ???? t t-efortul sferic plan: 2` `` sau23 1 3 1? ? ? ? ???? s sn care: u ? ?1 1` ? ? (8-21) u ? ?3 3` ? ? (8-22) Cu valorile calculate si nregistrate n ANEXA 8.7, se traseaza functie de deformatia specifica axiala ?, urmatoarele diagrame: -efortul deviator -raportul eforturilor principale efective -presiunea apei din pori u indicndu-se valoarea presiunii laterale ?3, folosite la ruperea fiecarei epruvete Cu ajutorul acestor diagrame se stabileste pentru fiecare epruveta momentul cedarii, care corespunde efortului deviator maxim, sau raportului eforturilor principale efective maxime. Cu aceste valori se construieste cercul lui Mohr pentru fiecare proba, centru si raza cercului lui Mohr stabilindu-se cu urmatoarele relatii: -centrele cercurilor pentru reprezentarea n eforturi totale: GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 35 23 10? ? ?? C (8-23) -centrele cercurilor pentru reprezentarea n eforturi efective: fu C ???2`3 10? ?(8-24) -raza cercului pentru reprezentarea n eforturi totale si efective: 23 1? ? ?? r (8-25) 8.10.ANEXA 8.7 - NCERCAREA DE FORFECARE PRIN COMPRESIUNE TRIAXIALA. DETERMINAREA REZISTENTEI LA FORFECARE A PAMNTURILOR 36 FORMULARE PENTRU NREGISTRAREA DATELOR SI CALCULE Caracteristicile epruvetei Epruveta 1Epruveta 2Epruveta 3 Nr. crt. Denumire initial final initial final initial final 1Diametrul epruvetei, cm 2naltimea epruvetei H, cm 3 Aria transversala a epruvetei S0 cm2 4Volumul epruvetei V, cm3 5Sticla de ceas nr. 6Masa epruvetei umede A, g 7Masa epruvetei uscate B, g 8Masa sticlei de ceas C, g 9A - B 10B C 11 Diferenta A C 12 Umiditatea [%] 100 ????c BB Aw GEOTEHNICA MANUAL PENTRU LUCRARILE DE LABORATOR 37 Caracteristicile epruvetei Epruveta 1Epruveta 2Epruveta 3 Nr. crt. Denumire initial final initial final initial final 15 Porozitatea [%] 100 1 ???????????? ?VC Bns? 16Indicele porilor e 17 Gradul de umiditate [%]100 ??? ???ewSsr Date nregistrate n timpul determinarii Epruveta 1Epruveta 2Epruveta 3 t [min] P[mm] ?H [mm] u [MPa] ?V [cm3] ?3 [MPa] t [min] P[mm] ?H [mm] u [MPa] ?V [cm3] ?3 [MPa] t [min] P[mm] ?H [mm] u [MPa] ?V [cm3] ?3 [MPa] Date nregistrate n timpul determinarii Epruveta 1Epruveta 2Epruveta 3 t [min] P[mm] ?H [mm] u [MPa] ?V [cm3] ?3 [MPa] t [min] P[mm] ?H [mm] u [MPa] ?V [cm3] ?3 [MPa] t [min] P[mm] ?H [mm] u [MPa] ?V [cm3] ?3 [MPa] Capacitatea inelului dinamometric, N Constanta inelului dinamometric, k Aria pistonului, s Masa pieselor pe epruveta, K . Epruveta nr. Date pentru exprimarea rezultatelor P k N ? ?[N] 100 ???HH?[%] VV ? [%] H HV VS? ?? ??[cm2] ??????? ? ???SsSK N13 1? ?[MPa] 23 1? ? ? [MPa] 31``?? Date pentru exprimarea rezultatelor P k N ? ?[N] 100 ???HH?[%] VV ? [%] H HV VS? ?? ??[cm2] ??????? ? ???SsSK N13 1? ?[MPa] 23 1? ? ? [MPa] 31``?? 8.11.ANEXA 8.8 DIAGRAMA EFORTULUI DEVIATOR 23 1? ? ? MPa? (%) 8.12.ANEXA 8.9 DIAGRAMA PRESIUNII APEI DIN PORI u (Mpa)? (%) 8.13.ANEXA 8.10 DIAGRAMA DRUMULUI DE EFORT st= 8.14.ANEXA 8.11 DIAGRAMA EFORTURILOR UNITARE LA COMPRESIUNEA TRIAXIALA 60