Badania parametrów wytrzymałościowych materiałów zasypowych

zestawionych w tab. 4.1, wykonano przeważnie 2 serie, po 3 ścięcia w serii, w przedziale naprężeń normalnych od ok. 18 do ok. 103 kPa, przy prędkości ścinania v = 1 mm/min.

Każdorazowo materiał zasypowy zagęszczano wibracyjnie (na starcie) do stanu ID = 0,7 ÷ 0,8, z wyjątkiem keramzytu geotechnicznego (KG). Dla keramzytu przyjęto kryterium zagęszczenia – objętościowe, które zostanie opisane w dalszej części tego punktu.

Szczegółowe informacje na temat liczby ścięć i gęstości badanych materiałów zamieszczono w zał. C.1, w tab. C.1. Obciążenia pionowe zadawano prasą hydrauliczną Schenck, utrzymując w trakcie badania stałą siłę nacisku (Nsch.). Rzeczywiste obciążenie próbki było powiększone o wartość ciężaru płyty dociskowej Npł. = 1,5 kN. Obciążenie normalne w płaszczyźnie ścinania dodatkowo powiększał ciężar własny materiału zasypowego Nzas., zalegającego w przestrzeni górnej ramy aparatu. Ponadto ze względu na dylatowanie tego materiału i unoszenie górnej ramy aparatu, ciężar ramy również wpływał na pionowe obciążenie płaszczyzny ścinania, zwiększając siłę nacisku o kolejne 1,5 kN. Wartość całkowitego obciążenia pionowego wynosiła:

N = Nsch. + Npł. + Nram. + Nzas. [kN], (4.1)

gdzie:

Nsch. – siła przykładana do płyty dociskowej aparatu, [kN], Npł. – ciężar własny płyty dociskowej; wartość stała = 1,5 [kN], Nram. – ciężar własny górnej ramy; wartość stała = 1,5 [kN],

Nzas. – ciężar własny materiału zasypowego, zalegającego w przestrzeni górnej ramy, każdorazowo obliczany według wzoru:

Ngr. = 1,0 ∙ hg ∙ γz [kN], (4.2)

gdzie:

hg – grubość warstwy zasypki w górnej części skrzyni [m], γz – ciężar objętościowy tej zasypki [kN/m³].

Ze względu na przekrój próbki równy 1,0 m², wartość siły odpowiadała wartości naprężenia normalnego do płaszczyzny ścinania σn (N / 1,0 m²).

Procedura preparowania próbek obejmowała trzy zasadnicze elementy:

• kontrolę masy materiału zasypowego,

• zagęszczanie przez wibrację,

• oraz kontrolę uzyskiwanego stanu zagęszczenia; w praktyce była to kontrola wysokości próbki.

Ze względu na skalę badań (duża masa i objętość zasypek) stosowano dwa sposoby kontroli masy: przez zważenie materiału w workach typu „big-bag” na wadze hakowej i/lub ważenie materiału porcjami w wanienkach murarskich na wadze platformowej. Zważone kruszywo przesypywano do skrzyni ustawionej na „pozycji załadunek” - do wysokości 1÷2 cm poniżej górnej krawędzi skrzyni. Próbkę przykrywano płytą dociskową, a następnie wibracyjnie zagęszczano.

Zgodnie z założeniami za miarę stanu zagęszczenia przyjęto stopień zagęszczenia ID, który w mechanice gruntów opisany jest wzorem:

I_D= e_max−e

e_max−e_min [-] ^{. (4.3)}

Znając wskaźniki porowatości maksymalnej emax i minimalnej emin (Zał. B.3.) oraz oczekiwaną wartość stopnia zagęszczenia, można wyprowadzić potrzebną wartość wskaźnika porowatości e badanej zasypki:

e=e_max−I_D⋅(e_max−e_min) [-] . (4.4)

Ponieważ badano grunt powietrznie-suchy (w = 0%) to gęstość objętościowa szkieletu gruntowego była równa gęstości objętościowej (ρd = ρ), a zatem wskaźnik porowatości zasypki e można obliczyć jako:

e=ρs−ρd

ρd =ρs−ρ

ρ [-] ^{. (4.5)}

Dla badanych kruszyw mineralnych, niespoistych wartość gęstości właściwej szkieletu gruntowego była stała i wynosiła ρs = 2,65 g/cm³. Znając wartość e ze wzoru (4.5) wyprowadzono wartość gęstości objętościowej ρ (ρd):

ρ = ρs

e+1 [g/cm³] . (4.6)

Wysokość badanej próbki hp, odpowiadająca tak obliczonej wartości ρ, dla próbki o polu powierzchni przekroju poziomego równym 1 m², czyli objętości V = hp · 1,0 [m³], będzie wynosiła:

h_p= m_z

ρ⋅1,0 m² [m] , (4.7)

gdzie:

mz = masa materiału zasypowego w [Mg] a ρ w [Mg/min.) m³].

Zagęszczanie realizowano w cyklach 30 sekundowych. Po każdym cyklu kontrolowano przemieszczenia płyty dociskowej w czterech jej narożach i obliczano średnią wysokość próbki. Proces kontynuowano aż do osiągnięcia wymaganej wysokości próbki hp. Liczba cykli potrzebna do uzyskania wymaganego zagęszczenia wynosiła od 5 do 7. Należy dodać, że niemożliwe było za każdym razem doprowadzenie wysokości zagęszczanej próbki dokładnie do wartości hp obliczonej ze wzoru (4.7). Jednak uzyskiwane wysokości, w większości przypadków, przekładały się na wartości stopnia zagęszczenia mieszczące się w ustalonym z góry przedziale 0,7 ÷ 0,8 (70% ÷ 80%). Wartości uzyskanych parametrów zagęszczenia (ρ, ID) dla wszystkich przebadanych próbek zestawiono w załączniku B.4. Po spreparowaniu próbki skrzynię przesuwano na „pozycję badania” i pozycjonowano (zerowano) czujniki przemieszczeń. Na płytę dociskową przykładano przewidzianą dla danego badania siłę pionową i przystępowano do procedury ścinania.

Dla keramzytu geotechnicznego przyjęto objętościowe kryterium zagęszczenia, stosowane często w praktyce inżynierskiej. Za materiał zagęszczony uznaje się tutaj taki, który w wyniku procesu zagęszczania zmniejszył swoją objętość o 10 % w stosunku do stanu początkowego (luźno usypanego).

Badania grubości strefy ścinania

Dodatkowo, dla zasypek z piasku średniego Ps, kruszywa frakcjonowanego Ż1 2÷8 mm, Ż2 8÷16 mm oraz dla keramzytu geotechnicznego KG wykonano badania grubości strefy ścinania. W tym celu umieszczano w próbce materiału zasypowego markery poliuretanowe (styropianowe) o przekroju poprzecznym 1x1 cm i długości do 43 cm, rozmieszczone symetrycznie w siatce 25 na 25 cm, tak, aby po zakończeniu badania można było zidentyfikować granice strefy ścinania; grubość strefy aktywnej oraz grubości stref biernych

górnej i dolnej. Schemat oraz widok rozmieszczonych markerów w próbce na stanowisku badawczym pokazano na rys. 4.4a) i b), a na rys. 4.4c) i d) pokazano schemat przekroju przez próbkę gruntu przed i po ścięciu.

Rys. 4.4. Markery styropianowe w próbce gruntu: a) schemat siatki rozmieszczenia markerów, b) widok główek markerów po usunięciu części gruntu poza górną granicą strefy ścinania, fot. A.

Duda, c) schemat przekroju przez próbkę gruntu z zainstalowanymi markerami, d) schemat przekroju przez próbkę po ścięciu.

Badanie wymagało umieszczenia markerów w preparowanej próbce gruntu. Do ich instalacji wykorzystano rurki PVC Ø35 mm, które ustawiano na dnie komory, zgodnie z przyjętą siatką (rys. 4.5a). Następnie komorę wypełniano materiałem zasypowym (obsypywano rurki prowadzące) do ok. połowy wysokości ramy; rurki pionowano, po czym zasypywano do wysokości 1÷2 cm poniżej górnej krawędzi skrzyni (rys. 4.5b). W dalszej kolejności w rurki wprowadzano markery, ustawiając je znaczonym bokiem równolegle do kierunku ścinania (rys. 4.5c). Po ustawieniu markerów na dnie, delikatnie unoszono (wyciągano) rurki z zasypki, pozostawiając zainstalowane znaczniki w próbce. Po wyciągniętych rurkach pozostawały ślady w postaci kraterów i niejednokrotnie widoczna główka markera (rys. 4.5d).

Miejsca te uzupełniano kruszywem i wyrównywano powierzchnię całej próbki. Biorąc pod uwagę niewielką, sumaryczną powierzchnię przekroju poprzecznego użytych markerów

w stosunku do przekroju ścinanej próbki (9 cm² / 10 000 cm²) oraz wiotkość/podatność markerów należy uznać, że nie miały one wpływu na uzyskane wyniki badań τ. Jednocześnie warto podkreślić, że przyjęta metoda – markerów – okazała się prostym i pewnym sposobem identyfikacji strefy ścinania.

Rys. 4.5. Kolejne etapy instalowania markerów do pomiaru grubości strefy ścinanej: a) ustawienie rurek prowadzących na dnie komory zgodnie z przyjętą siatką punktów, b) wypełnianie skrzyni zasypką i pionowanie rurek prowadzących, c) umieszczanie markerów w rurkach, d) wyciąganie rurek; strzałką wskazano widoczne główki markerów zainstalowanych w zasypce

Dalszy tok postępowania był zgodny z procedurą badań I opisaną w pkt. 4.4.3. Wyniki badań zamieszczono w Zał. C.1.