5. Rezultaty badań i ich analiza
5.2. Wyniki oporów ścinania w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych
Wyniki oporów ścinania w strefie kontaktowej dotyczą zakresu badań opisanego w pkt. 4.4.4 i 4.4.5. Wartości uzyskanych kątów tarcia wewnętrznego φk i spójności ck, na kontakcie warstw konstrukcyjnych (bez łączników), zamieszczono w tab. 5.3. Opór ścinania w strefie kontaktowej wyrażony jest wzorem:
τf ; k=σn⋅tgφk+ck . (5.2)
Zasady obliczania φk i ck są takie same jak dla φz i cz i zostały już opisane (pkt. 5.1).
Tabela 5.3. Wartości wybranych parametrów dla strefy kontaktowej Symbol
* W trakcie przygotowywania próbek zasypki Ż3 do badań oporów tarcia w strefie kontaktowej nie uzyskano takiego samego zagęszczenia jak w badaniach wytrzymałości na ścinanie samego materiału zasypowego.
** Przy ścinaniu warstw konstrukcyjnych geokraty komórkowej wypełnionej kamieniem łamanym, stwierdzono stateczny kształt charakterystyki materiałowej, w odróżnieniu od charakterystyk niestatecznych cechujących pozostałe rodzaje zasypek. W związku z tym wytrzymałość na ścinanie (opory tarcia) ustalono dla przemieszczenia względnego ε=10%.
Charakterystyki wytrzymałościowe oraz ich interpretację, na płaszczyźnie naprężeń Mohra, zamieszczono w postaci szczegółowych wykresów w Załączniku D.
Zgodnie z przedstawionym w pkt. 4.2.4 programem badań, dla zasypek Ż2 i Ż3, dokonano analizy porównawczej, w zakresie wytrzymałości na ścinanie modeli warstw konstrukcyjnych bez łączników i z łącznikami. W Zał. E.2 zamieszczono wykresy ścinania (τ – sh) w strefie kontaktowej powiązanych warstw konstrukcyjnych oraz wykresy deformacji pionowych (Sv – Sh). Ponadto, dla porównania, zamieszczono zbiory wykresów ścinania (τ – sh) uzyskanych w badaniach warstw konstrukcyjnych bez (badania typu II) i z przewiązkami (badania typu III), odpowiednio dla zasypki Ż2 na rys. E.4, a dla zasypki Ż3 na rys. E.7. Porównując, na rys. E.4 wartości naprężeń stycznych w strefie kontaktowej bez łączników (II) i z łącznikami (III), można zauważyć wzrost tych drugich dla przemieszczeń Sh
większych od przemieszczeń odpowiadających naprężeniom maksymalnym - „pikom” z badań bez łączników (II). Na rys. E.7. dla zasypki Ż3, wzrost naprężeń stycznych (z badań III) można zaobserwować na odcinku wartości rezydualnych. Należy również odnotować, w obu rozpatrywanych przypadkach, że wartości naprężeń stycznych w strefie początkowych odkształceń (do osiągnięcia wartości maksymalnych) są porównywalne.
W celu dokonania szczegółowej analizy charakterystyk wytrzymałościowych, uzyskanych w badaniach (typu II i III), wartości parametrów materiałowych modelu Coulomba, kąta tarcia φk;p i pseudospójności ck;p, wyznaczono dla oporów ścinania odpowiednio dla odkształceń ε = 1-3% („pik”) i 7% – co odpowiada przemieszczeniom Sh = 10÷30 mm i 70 mm, dla zasypki Ż2. Natomiast dla zasypki Ż3 – dla odkształceń ε = 5% i 10%, co odpowiada przemieszczeniom Sh = 50 mm i 100 mm.
Interpretację wyników badań dla niepowiązanych warstw konstrukcyjnych, wypełnionych zasypką Ż2, opisanych zależnością (5.2), pokazano na rys. 5.3. Natomiast interpretację wyników dla warstw konstrukcyjnych powiązanych przewiązkami, dla których równanie Coulomba zapisano wzorem:
τf ; k ; p=σn⋅tgφk ; p+ck ; p , (5.3)
gdzie ck;p wyraża umowną pseudospójność ośrodka, zamieszczono na rys. 5.4.
Rys. 5.3. Interpretacje wyników badań ścinania na płaszczyźnie Mohra dla zasypki Ż2 w strefie kontaktowej bez łączników
Rys. 5.4. Interpretacje wyników badań ścinania na płaszczyźnie Mohra dla zasypki Ż2 w strefie kontaktowej z łącznikami
Wartości parametrów materiałowych dla obu modeli warstw konstrukcyjnych bez przewiązek i z przewiązkami, wypełnionych zasypką Ż2, zamieszczono w tab. 5.4.
Tabela 5.4. Wartości parametrów oporów tarcia w strefie kontaktowej w badaniach typu II i III zasypki Ż2
Symbol której zbiorcze zestawienie wykresów ścinania z badań typu II i III, przedstawiono na rys.
E.7. Opory ścinania wyznaczono dla odkształceń ε = 5% i 10% (przemieszczeń Sh = 50 mm i 100 mm). Interpretację wyników badań na płaszczyźnie Mohra pokazano odpowiednio dla niepowiązanych warstw konstrukcyjnych na rys. 5.5, a dla powiązanych na rys. 5.6.
Rys. 5.5. Interpretacje wyników badań ścinania na płaszczyźnie Mohra dla zasypki Ż3 w strefie kontaktowej bez łączników
Wartości parametrów materiałowych dla obu modeli warstw konstrukcyjnych bez przewiązek i z przewiązkami, wypełnionych zasypką Ż3, zamieszczono w tab. 5.5.
Rys. 5.6. Interpretacje wyników badań ścinania na płaszczyźnie Mohra dla zasypki Ż3 w strefie kontaktowej z łącznikami
Tabela 5.5. Wartości parametrów oporów tarcia w strefie kontaktowej w badaniach typu II i III zasypki Ż3
Symbol a dotyczących samych zasypek oraz w tab. 5.3 – odnoszącej się do warstw konstrukcyjnych z tym samym rodzajem zasypek, należy zauważyć wzrost kątów tarcia wewnętrznego w przypadku warstw konstrukcyjnych dla wszystkich zasypek za wyjątkiem piasku średniego.
Ponadto, jak wskazują wyniki zamieszczone w tab. 5.4, występuje tutaj dodatkowy przyrost oporów ścinania w przypadku zastosowania łączników warstw konstrukcyjnych. W tabeli 5.6 zestawiono uzyskane z badań wartości kątów φz i φk oraz obliczone wartości tangensów tgφz, tgφk i przyrostów Δφ, Δtgφ. Jak łatwo zauważyć, dla zasypki z piasku średniego (najdrobniejszej) nie odnotowano przyrostu oporów ścinania. Dla pozostałych zasypek obliczone przyrosty kątów tarcia wewnętrznego wynoszą od 9,9 do 16,3 %.
Tabela 5.6. Porównanie przyrostów wartości kątów tarcia wewnętrznego
-Ż1 38,6 0,798 44,9 0,997 6,3 0,199 16,3 24,9
Ż2 40,4 0,851 45,8 1,028 5,4 0,177 13,4 20,8
Ż3* 46,5 1,054 49,1 1,154 2,6 0,10 5,6 9,5
K 46,2 1,043 51,6 1,262 5,4 0,219 11,7 21
KG 44,6 0,986 49 1,15 4,4 0,164 9,9 16,6
* - w trakcie badań stan zagęszczenia zasypki w komórkach nie odpowiadał (był mniejszy) od stanu zagęszczenia wzorca.
Porównując wyniki badań, zamieszczone w tab. 5.4 i 5.5, dotyczące oporów tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych bez i z łącznikami, należy zauważyć wzrost spójności pozornej (pseudospójności) w przypadku powiązanych warstw konstrukcyjnych.
Maksymalna wartość tego wzrostu występuje na odcinku oporów rezydualnych.
Odnosząc się do wyników badań zamieszczonych w literaturze (Bathurst i Crowe 1992), a dotyczących zasypki zbliżonej do badanej zasypki Ps, należy również stwierdzić brak wzrostów oporów tarcia w strefie kontaktowej warstw konstrukcyjnych. Natomiast w odniesieniu do pozostałych rodzajów badanych zasypek uzyskane rezultaty (wzrost oporów tarcia) są częściowo zgodne z wynikami opublikowanymi w pracy (Wang, Chen et al. 2008), gdzie również wykazano wzrost oporów tarcia w strefie kontaktowej geokraty komórkowej, wypełnionej zasypką w postaci żwiru drobnego z pyłem i iłem; jednak odmienna jest interpretacja przyczyny tego wzrostu. W cytowanej pracy przyrost oporów tarcia wynika ze znacznego wzrostu spójności pozornej, przy niewielkim wzroście kąta tarcia. Natomiast wyniki przeprowadzonych badań własnych wskazują, że znacznie wzrasta wartość kąta tarcia φk (nawet o kilkanaście %), a zmiany wartości spójności są małe. W nawiązaniu do badań oporów tarcia warstw konstrukcyjnych z łącznikami, z uwagi na brak w literaturze informacji o badaniach tego typu, nie można dokonać odpowiednich porównań.