Opis stanowiska badawczego

Stanowisko badawcze, zaprojektowane i zbudowane na potrzeby niniejszej pracy, stanowi wielkowymiarowy aparat bezpośredniego ścinania (WABS) o następujących parametrach:

• wymiary komory badawczej 1000 (1200) x 1000 x 480 mm

• objętość załadunkowa ok. 0,45 (0,54) m³,

• stała prędkość ścinania, regulowana w zakresie od 0,2 do 2 mm/min; prędkość powrotu na biegu jałowym 12 mm/min.

• maksymalna siła pozioma H = 200 kN,

• maksymalna siła pionowa N = 200 kN, (teoretyczna 630 kN – maksymalny nacisk prasy Schenck)

• system wibracyjnego zagęszczania materiału; elektrowibratory na dwóch bokach dolnej ramy komory badawczej,

• oprzyrządowanie pomiarowe stanowi moduł GEODATALOG, firmy Wykeham Farrance (15), wraz z przetwornikami peryferyjnymi: tensometrycznymi przetwornikami sił klasy 0,5 (0-200 kN) i potencjometrycznymi przetwornikami drogi o zasięgu od 50 do 100 mm i dokładności ± 0,002 mm.

Zasady działania i prowadzenia badań na tym stanowisku są podobne jak dla klasycznego (małego) aparatu bezpośredniego ścinania, których opis można znaleźć w wielu pracach, np.

(Piaskowski 1979; Germaine i Germaine 2009) oraz normach, np. (PKN-CEN ISO/TS 17892-10:2009; ASTM D3080; BS 1377-7:1990). WABS (rys. 4.2) wyróżnia się jednak gabarytami:

komora badawcza ma wymiary 100 x 100(120) x 48 cm, a więc prawie 0,5 m³ objętości załadunkowej. Przy czym obie części komory, tj. skrzynia dolna i rama górna mają po 240 mm wysokości.

Rys. 4.2. Widok WABS od strony stanowiska sterowania na pozycji badania: 1 -skrzynia aparatu na pozycji badania, 2 - napęd stanwiska, 3 - siłownik ydrauliczny do zadawania obciążeń pionowych, 4 stanowisko sterowania, 4a -GEODATALOG, 4c - sterownika napędu stanowiska, 4b - sterownik prasy SHEANCK

Wysokość ram jest dostosowana do badania geokraty komórkowej o maksymalnej szerokości taśm h = 200 mm. Jednocześnie zachowane są proporcje wymiarów (wysokość ramki/szerokość komory oraz wysokość/szerokość badanej próbki) skrzynek klasycznych, znormalizowanych aparatów bezpośredniego ścinania. Dzięki temu, w trakcie badania przy uwzględnieniu maksymalnej dopuszczalnej średnicy zastępczej cząstek badanego materiału, strefa izolowanej linii poślizgu (pkt. 3.4.2) może osiągnąć „naturalną” grubość w strefie aktywnej z jednoczesnym zachowaniem dużej grubości stref biernych (wynikającej jedynie z mechanizmów ścinania ośrodka, a nie ograniczeń przestrzennych komory aparatu). Przez

analogię do wymagań badań znormalizowanych, ustalono maksymalny wymiar zastępczy cząstek badanego w WABS materiału dmax ≤ 46 mm. Porównanie wymaganych wymiarów skrzynek i badanych próbek z parametrami komory badawczej WABS, na podstawie wybranych norm przedstawiono w tab. 4.2. Jak widać z zawartego w niej zestawienia, WABS spełnia proporcje występujące w skrzynkach standardowych aparatów bezpośredniego ścinania, jedynie nieznacznie jest poniżej proporcji „large shearbox apparatus” (305 x 305 mm) wg (BS 1377-7:1990). Poza wymiarami skrzyni WABS, oprzyrządowanie aparatu umożliwiające zadawanie i kontrolę obciążeń oraz przemieszczeń spełnia, niejednokrotnie z naddatkiem, wymagania przywołanych norm.

Tabela 4.2. Porównanie skrzynek aparatów normowych z komorą WABS

Norma Wymiary boków BS 1377-7:1990 60 x 60 mm

100 x 100 mm

1) – jednocześnie wewnętrzne wymiary skrzynki,

2) – wysokość ramki nie jest bezpośrednio określona w normie; wartości podano na podstawie wymiarów skrzynek klasycznych aparatów, spełniających wymagania danej normy, firm: a1 – ZAN Kraków, Aparat bezpośredniego ścinania AB-2a, a2 – Wykeham Farrance, DIGISHEAR 27-T2060,

3) – kryteria odnośnie dopuszczalnej maksymalnej średnicy cząstek badanego materiału są różnie definiowane w poszczególnych normach: u1 – nie więcej niż 5% ziarn (w stosunku do masy) o średnicy 2÷4 mm, a według (Wiłun, Grabowski et al. 1978) 1÷2 mm; u2 – nie więcej niż 5% ziarn (w stosunku do masy) o średnicy 4÷8 mm, a według cytowanych autorów 2÷4 mm, u3 – udział cząstek o wymiarach większych od 1/10 wysokości próbki, ale mniejszych od 20 mm, nie może przekraczać 15% w stosunku do suchej masy.

Na etapie projektowania aparatu, mając na uwadze uniwersalność stanowiska badawczego, zróżnicowano wymiary ram dolnej i górnej. Skrzynie dolną wydłużono o 20 cm w stosunku do ramy górnej, co już teraz pozwala na wyznaczanie właściwości ciernych geosyntetyków w badaniu bezpośredniego ścinania przy stałej powierzchni kontaktu (zgodnie z PN-EN ISO 12957-1). W dalszej perspektywie, po wprowadzeniu nieznacznych modyfikacji, stanowisko może zostać przystosowane do wyznaczania oporu na wyciąganie geosyntetyku z gruntu (według EN 13738, ASTM D6706).

Wyróżnia się dwa główne położenia skrzyni aparatu: pozycja badania – skrzynia ustawiona pod siłownikiem prasy Schenck (rys. 4.2) oraz pozycja załadunek/min.) rozładunek – na czas preparowania próbek, a po skończonym badaniu ich wyjmowania – skrzynia wypchnięta spod prasy (rys. 4.3). Zmiana położenia skrzyni odbywa się dzięki zainstalowanemu podwoziu, które składa się z czterech opuszczanych kół stalowych kołnierzowych ustawionych na szynach prowadzących, które stanowią dwa dwuteowniki HEB 200.

Napęd stanowiska, do zadawania względnego przemieszczenia poziomego ram skrzyni aparatu, zaprojektowano i zbudowano na bazie śruby pociągowej, przekładni ślimakowej, silnika elektrycznego, falownika i sterownika. Dla realizowanych badań istotne są parametry pracy tego napędu. Pozwala on na zadawanie przemieszczenia z prędkością regulowaną w ciągłym zakresie 0,2 ÷ 2,0 mm/min pod obciążeniem oraz powrót na biegu jałowym z prędkością 12 mm/min. Maksymalny uciąg śruby pociągowej wynosi 200 kN.

Ze względów ekonomicznych zrezygnowano z budowy zintegrowanego z WABS, dedykowanego systemu zadawania obciążeń pionowych na próbkę. Wykorzystano do tego celu stanowisko prasy hydraulicznej Schenck wraz z systemem jej sterowania, znajdujące się w Laboratorium Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Poznańskiej (rys. 4.2 - oznaczenie 3 oraz 4a).

Zagęszczanie materiału zasypowego może odbywać się wibracyjnie, dzięki parze elekrowibratorów zamocowanych na dwóch równoległych bokach dolnej ramy (rys. 4.3 -oznaczenie 4). Na czas wibracji komora badawcza ustawiana jest na sprężynach elastomerowych, które ograniczają przekazywanie drgań na szyny prowadzące. Możliwe są także inne sposoby zagęszczania materiału w komorze, jak np. ubijanie gruntu, zastosowanie małych zagęszczarek płytowych, czy tzw. skoczków. Istnieje też możliwość statycznego zagęszczania próbki obciążeniem przeciążającym (konsolidacyjnym).

Na stanowisku WABS do pomiaru sił oraz przemieszczeń zaadoptowano i rozbudowano system pomiarowy GEODATALOG, wykorzystywany przy klasycznym aparacie bezpośredniego ścinania, firmy Wykeham Farrance DIGISHEAR 27-T2060 w Laboratorium Mechaniki Gruntów, Zakładu Geotechniki i Geologii Inżynierskiej. Rozbudowa polegała na doposażeniu go o odpowiednie tensometryczne przetworniki siły 0-200 kN oraz drogi 0-50 mm, 0-100 mm. Tym samym system pomiarowy spełnia, a ze względu na wielkowymiarową skalę WABS, nawet znacznie przewyższa wymagania stawiane odnośnie dokładności pomiarów przy badaniu bezpośredniego ścinania gruntów.

Rys. 4.3. Widok WABS z boku na pozycji załadunek/min.) rozładunek; już po przygotowaniu próbki, jeszcze przed jej zagęszczeniem: 1 rama (skrzynia) dolna, 2 rama górna, 3 płyta dociskowa, 4 -elektrowibrator, 5 - szyny prowadzące, 6 - podwozie (koła jezdne), 7 – rolki ślizgowe

Podobne, indywidualnie projektowane wielkowymiarowe aparaty skrzynkowe budowane są na ogół w celu badania wytrzymałości na ścinanie gruntów gruboziarnistych i kamienistych lub właściwości ciernych pomiędzy gruntem, a geosyntetykiem. Opisy takich stanowisk można znaleźć w wielu pracach (np. cytowanych w tab. 4.3), różnią się one konstrukcją, sposobem przekazywania obciążeń i rejestracji wyników. Jednak dla wszystkich jako miarodajny parametr porównawczy można przyjąć wielkości komór badawczych – ich porównanie dla wybranych aparatów pokazano w tab. 4.3. Znacznie liczniejszą grupę stanowią publikacje opisujące badania w dużych normowych, skrzynkach aparatów (ok. 300 x 300 x H mm). Są to chociażby prace (Bąkowski, Król et al. 2007; Bagherzadeh-Khalkhali i Mirghasemi 2009; Zekkos, Athanasopoulos et al. 2010; Sayeed, Ramaiah et al. 2014). Jako jedną z ciekawszych prac można tu wskazać (Simoni i Houlsby 2006), w której opisywana duża skrzynka (254 x 152 x 150 mm) została wyposażona w przeszkloną ściankę boczną, co pozwala na bezpośrednią obserwację strefy ścinania (ale tylko na jej kontakcie ze ścianą aparatu).

Tabela 4.3. Porównanie wymiarów komór badawczych wielkowymiarowych aparatów bezpośredniego ścinania 2 (Krahn, Blatz et al. 2007) 1000 x 1000 x 1000 1,00 3 (Matsushima, Mohri et al. 2007) 800 x 500 x 600 0,40

4 (Wang, Chen et al. 2008) 500 x 500 x 400 0,25

5 (Alfaro, Blatz et al. 2009) 1200 x 600 x 420 0,72

6 (Liu, Ho et al. 2009) 450 x 450 x 130 0,202

7 (Pisarczyk 2009); w pracy tej opisano aparaty z lat 60-tych i 70-tych ubiegłego wieku

1. 500 x 500 x 160 + 160* + 160,

* - 6 przesuwnych ramek na rolkach, 2. 1200 x 800 x 800** mm,

Warto podkreślić, że zbudowane dla potrzeb niniejszej pracy stanowisko należy do grupy największych (wg powierzchni kontaktu ścinanej próbki gruntu) z powołanych (tab. 4.3), dodatkowo jest wyposażone w wibracyjny system zagęszczania badanej próbki.