Sarta: BUDOWNICTWO *. 74 Nr kol. 1127
Staniaław PISARCZYK Politechnika Warazawaka
MOŻLIWOŚĆ ZASTOSOWANIA APARATOt/ WIELKOWYMIAROWYCH DO BADANIA CECH MECHANICZNYCH TŁUCZNIA
S t r e sz cz en ie. W referacie omówiono aparaty wielkowymiarowe (edo- eetr 1 aparat skrzynkowy) do badania materiałów gruboziarnistych.
Przedstawiono tez wy ni ki badaó modułów ściśliwości i sprężystości oraz wytrzymałości na ścinanie tłucznia stosowanego na podsypkę.
1. WSTĘP
Przy projektowaniu nawierzchni kolejowej £ll] konieczna jest a.in. z n a
jomość geotechnicznych cech mechanicznych podsypki tłuczniowej, a sianowi- cie cech sprężystych (modułu sprężystości E i współczynnika Poissona V) oraz cech określających nośność podsypki (kęta tarcia wewnętrznego 0 1 oporu spójności c).
Obecnie do oceny tych parametrów stosuje się przede wszystkim oznaczenia polowe (próbne obciężenis [V] ) na wykonanej podsypce w nawierzchni kole
jowej lub przyjmuje na podstawie danych podanych w normatywach lub lite
raturze i bardzo rzadko na podstawie badaó laboratoryjnych.
Na etapie projektowania nawierzchni wykonanie badaó polowych jest bar
dzo kosztowne, a czasami wręcz niemożliwe, natomiast cachy mechaniczne bardzo łatwo można oznaczyć na podstawie badaó laboratoryjnych w aparatach wielkowymiarowych. Można taż, w zależności od wymagaó projektowych, dobrać odpowiedni materiał na podsypkę, nie stosujęc kosztownych badaó polowych.
Ma to duże znaczenie przy ocenie właściwości nowych aaterlałów, np. kru
szywa żużlowego (żużla pomiedziowego lub Innych odpadów hutniczych [i, 2, 5. 10J.
Większość laboratoriów badawczych w kraju dysponuje jedynie aparaturę małowyaiarowę. Sę to seryjnie produkowane edometry z pierścieniem 0 65 aa, aparaty trójosiowe do badania próbek 0 36} 38 i 65 ma oraz aparaty s k rz yn
kowe o przekroju skrzynek 60 x 60 aa i 100 x 100 aa. W aparatach tych można jedynie badać materiał drobnoziarnisty.
Podsypkę tłuczniowę pod względem uzlarnlenia można zaliczyć do gruntów gruboziarnistych 1 kamienistych, które to ze względu na wymiary ziaren do badaó wymagaj* stosowania specjalnej aparatury wielkowymiarowej. Aparaty
48 S. Pisarczyk
wielkowymiarowe służące do badania cech mechanicznych gruntów gruboziar
nistych 1 k a a l e n i a t y c h , a więc 1 tłucznia po winny spełniać pad względem wyalarów badanych próbek odpowiednie wyaagania. Większość badaczy ¡J2, 6, 13, 14, 16] przyjmuj*, Ze przy badaniu ściśliwości (modułów ściśliwości i sprężystości) średnica próbki 0 powinna być do nejnniej pięć razy większa od średnicy aakeyaalnych ziaren w gruncie *i!8ax (0/d(|BX» 5-8), a wysokość próbki h równa jej średnicy (h « D).
Do badać ściśliwości stosowane są edoaetry o różnej konstrukcji! es om et ry cylindryczne ze etałya i ruchoaya dnea, edoaetry pierścieniowe z ruchomy*
dnea 1 edoaetry dwudzielne. Przy tych wymiarach 1 typach adoaetrów elimi
nuj a się odpowiednio wiała czynników mających wpływ na wartość oznaczanych modułów [ 2, e].
Ap ar at y trój osiowe do badać wytrzymałości na ścinanie gruntów grubo
ziarnistych i kaaleniatych powinny spełniać następujące warunki: 5 i h/D » 2-3, a aparaty bezpośredniego ścinania 0/ d Bax " 5-10 i h/ 8« 0,5-1,0 {j6, 13]. Pojedynczymi egzemplarzami takich aparatów w Polsce dysponuję nieliczne ośrodki badawcze, jak; Instytut Dróg i Mostów Politechniki Wa r
szawskiej (]i3 , 14 , 16], Instytut Meteorologii i Gospod ar ki Wodnej [8,15], Politechnika Ślaska [3,5,lo], Politechnika Wrocławska C 2]« Politechnika Lubelska 1 Akademia Rolnicza w Krakowie £12].
W referacie tym autor przedstawia wi el ko wy mi ar ow y edoaetr i w i e l ko wy- ei*rowy aparat skrzynkowy będący obecnie w posiadaniu Instytutu Dróg i Mo st ów Politechniki Warszawskiej oraz w y ni ki badać mo dułów ściśliwości i sprężystości, Jek również wytrzymałości na ścinanie tłucznia używanego na podsypkę.
2, BADANIE MO DUŁÓW ŚCIŚLIWOŚCI X SPRĘŻYSTOŚCI TŁUCZNIA W EOOMETRZE WIELKOWYMIAROWYM
2.1. Opis mdornatru wielkowymiarowego
Wielkowymiarowy edonetr (rys. l) konstrukcji autora składa się z nastę
pujących elementów! metalowego cylindrycznego pojemnika (l) o średnicy we
wnętrznej 490 mm 1 wysokości 60 0 mm, ramy (2) i urządzenia do zadawania obciążenia na grunt, przez cztery sprężyny, za pomocą podnośnika hy dr au
licznego (3) oraz czujników do pomiaru osiadać (4). W aparacie nożna ba
dać materiał o uilarnieniu d_ *£ 100 mm.*ax
2.2. Wyniki badań ściśliwości tłucznia
W omówionym adometrze wykonano m.in. badania tłucznia z Centralnej M a gistrali Kolejowej dla odcinka Zawiercie-Radzice [7], Badaniami objęto 2 próbki tłucznia) jedną pobraną z wykonanej podsypki, a drugą z wagonu.
Badany tłuczeć pochodził ze skał węglanowych (wapieć 1 dolomit). Uziarnle
nie badanych próbek podano w tablicy 1,
Ryo. 1. Edoaetr wielkowymiarowy Fig. 1. Large-alze adoaetr
Tablica 1 U z i e m i a n i e próbak tłucznia badanych w aparatach wlelkowyalaroaych
Rodzaj próbki
Procantoaw zawartość frakcji tłucznia d [aa]
80-60 60-40 40-20 20-10 10-5
CMK (z podaypki) 9.6 60.8 28,4 1.1 0.1
CM K (z wagonu) 9,2 61.0 29.1 0.5 0.2
Skiarniowica (tłuczeń atary) 5.0 60.0 31.0 4.0 -
Skierniewice (tłuezeó nowy) - 50,0 40,0 7.0 3.0
50 S. Pisarczyk
Próbki do badań zagęszczano na stola wlbracyjnya (wysokość próbki h0 ■ 49,4 ca, a gęstość objętościowa szkieletu ę d - 1625 kg/n3 ). Obcię- Zenle próbek do 0,5 MPa przeprowadzano atopnlaal. Wy ni ki badań zależności oaladań próbki od obclężenia podano na rys. 2.
Rys. 2. Zależność oaladań od obclęZenia dla tłucznia Fig. 2. Ralatlonshlp settlenent due to load for breakstona
Edoaetryczna aoduły ściśliwości pierwotnej M fl w zakresie obclęZeń O , 1-0,5 MPa odpowiednio wynoszę:
a) dla próbki z podsypki M 0 » 448,9 MPa, b) dla próbki z wagonu M 0 « 359,1 MPa.
Edoaetryczna aoduły sprężystości obliczone na podstawie drugiej krzy
wej odprężania w zakresie odciężeń O , 5-0,1 MPa odpowiednio wynoszę:
a) dla próbki z podsypki E - 3946,3 MPa, b) dla próbki z wa go nu E ■ 3945,4 MPa.
Należy zaznaczyć, ża prowadzęc równolegle z obciężeniea plonowya po mi a
ry odkształceń obwodowych pierścienia za poaocę tensometrów aożna w y z n a czyć współczynnik Poissona V f2].
3. BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCINANIE TŁUCZNIA W WIELKOWYMIAROWYM AP ARACIE SKRZYNKOWYM
3.1. Opis wialkowyalarowago aparatu skrzynkowaao
Wi elkowymiarowy aparat skrzynkowy (bezpośredniego śclnsnie) konstruk
cji autora służy do okraślsnis wytrzymałości na ścinania gruntów grubo
ziarnistych i kamienistych 100 aa). Aparat tan (rys. 3) składa się z dwóch skrzyć o wymiarach 50 * 50 x 16 ca, poalędzy którymi ułożo
nych Jest 6 przesuwanych ramek na rolkach o łęcznaj wysokości 16,5 ca, oraz z raay pozwalajęcej wywierać na grunt obciążenie pionowa 1 poziome ścinajęce za pomocę podnośników hydraulicznych o udźwigu 250 kN.
Rys. 3. Wielkowymiarowy aparat skrzynkowy Fig. 3. Large-slze ehearlng-box apparstus
W czasla badania podnośnik pionowy przekazuje za pośrednietwea pokrywy określony nacisk na grunt, a podnośnik pozloay napędzany za poaocę pompy od prasy hydraulicznej, powoduje przesuw poziomy skrzyni górnsj. Ciśnie
nie odczytuje się na manometrach, ścinanie próbki gruntu następuje w etre- fls, a nie wzdłuż jednej wymuszonej powierzchni ścinania. Jak to występuje w aparatach tradycyjnych. Prędkość ścinanls wynosi 2 cm/min.
3.2. Wyniki badart wytrzymałości na ścinanie tłucznia
Przykładowo przedstawiono wyniki badaó dwóch próbok tłucznia za stacji Skierniewice; Jsdna próbka tłucznia starego i druga próbko tłucznia nowego.
Tłuczeń stery akładał elf z ziarnt piaekowca. g r e n i t u , wapienia i mułowce.
52 S. Pisarczyk
Tłuczeń nowy zawierał ziarna piaskowca 1 aułowca £9]. Uzlarniania badanych próbek podano w tablicy 1.
Próbki do badań w skrzynkach aparatu zagęszczono do gęstości
<pd ■ 1700 kg /a3 . W calu oznaczania kęta tarcia wewnętrznego p 1 oporu spójności c dla każdego rodzaju tłucznia ścinano 4 próbki przy obclę- Zenlach pionowych 6 » 0 , 0 5 j 0,1; 0,2 1 0,4 MPa. Wyniki badań podano na rya. 4 1 5 .
Rys. 4. Zależność naprężać śclnajęcych t od przemieszczeń A l dla tłucznia Fig. 4. Re la ti on sh ip shearing strains E due to displacements A l for
breskstone
Rys. 5. Zależność wytrzymałości na ścinanie t. id naprężeń normalnych 6 dla tłucznia
Fig. 5. Relationship shear strength E, due to normal etress 6 for breaks
tone
Na rys. 4 przedstawiono przykładowo zależność naprężeń śclnajęcych od prze
sunięcia względea siebie skrzynek aparatu, a na rys. 5 przedstawiono zależ
ność oporu na ścinanie od nacisku pionowego 6. Z przedstawionych da
nych na rys. 5 wynika, że kęt tarcia wewnętrznego dla tłucznia starego 0 ■ 39°, a dla tłucznia nowego 33°. Opór spójności (właściwie opór wytrzy
małości na ścinanie przy f> « O) dla tłucznia starego c ■ 0,05 M P a , s dla tłucznia nowego c • 0,07 MPa. Opór spójności wynika nie z właściwej spój
ności, a z zaklinowania ziarn tłucznia.
4. UWAGI KOŃCOWE
Na podstawie przedstawionych wyników badań oraz cytowanej w referacie literatury aożna przyjęć, że ietniejęca w uczelniach i instytutach badaw
czych w kraju wielkowyaiarowa aparatura pozwala przyjaować geotechniczne cechy aechanlczne tłucznia podsypki na podstawie badań laboratoryjnych.
W edoaetrach wielkowymiarowych aożna wyznaczać moduły ściśliwości i sprężystości oraz współczynniki Poissona badanych tłuczni. Najodpowied
niejszym aparatem do badania (9 1 c tłucznia jeat wielkowymiarowy aparat skrzynkowy (strefowy). Aparat trójoelowy nla jast odpowiedni do badania 0 i c tłucznia, gdyż przy zagęszczeniu próbek 1 w czasie ścinania nastę
puje niszczenie osłon gumowych oraz ostre krawędzie ziarn tłucznia. W apa
ratach wielkowymiarowych możns też badać właściwości fizyczna 1 mechanicz
ne innych gruboziarnistych materiałów atosowanych do budowy nasypów kole
jowych.
LITERATURA
Grabowski Z . , ŁOwkls A . , Ma kowski 3., Piearczyk S . , Własności geo
techniczne odpadów hutniczych z punktu widzenia możliwości ich za
stosowania do budowy nasypów kolejowych. Materiały z sympozjum nt.
"Składowanie 1 zagospodarowanie odpadów energetycznych i hutniczych".
Wyd. Geologiczne, Warszawa 1973.
|^2j Grzebeka Z . , Cechy kruszyw drogowych oznaczane w wielkowymiarowym edometrze w warunkach powtarzalnych obclężeń statycznych. Praca dok
torska. Politechnika Wrocławska, Wrocław 1975.
£3] Kawalec B. , śliwa 3. , Badania własności mechanicznych odpadów kopal
nianych w aparatach różnowymiarowych. Wzbogacanie 1 Utylizacja Kopa
lin nr 2, 1973.
£4] Norma Branżowa BN-64/8931-02. Drogi samochodowe. Oznaczania aodułu odkształcenia nawierzchni podatnych i podłoża przez obclężenle płytę.
f5[] Pieczyrek 3. , Właściwości odpadów kopalnianych w świetle badań labo
ratoryjnych. Materiały VI Krajowej Konferencji MGiF, NOT, Warszawa 1981.
[ś] Pisarczyk S . , Badania wytrzymałości na ścinania gruntów gruboziar
nistych. Inżynieria 1 Budownictwo, nr 2, 1973.
54 S. Pisarczyk
[V]
Pisarczyk S. , Badania techniczna tłocznia na Centralnej Magistrali Kolejowej, Drogi Kolejowe nr 4, 1978.[V] Rogowska I., Pisarczyk S . , Mo delowe badania ściśliwości gruntów gru
boziarnistych stosowanych do budowy nasypów hydrotechnicznych, Go s p o darka Wodna, nr 4, 1989.
[9j Politechnika Warszawska, Instytut Dróg i Mostów: Analiza moćslu pod
torza kolejowego w reżimie obciężeń d y n a m i c z n y c h , różnych obciążeń i rodzaju gruntów w podtorzu (maszynopis). Warszawa 1981.
flO^ Sękowski 0., ZagęszczaIność odpadów kopalnianych. Materiały VII Kra
jowej Konferencji MG1F, NOT, Poznsrt 1984.
¡^11 j Siewczyhskl Ł. , Zagadnienia współpracy nawierzchni kolejowej z po d
torzem gruntowym, Politechnika Poznańska, Rozprawy nr 66, Poznań 1974.
[]l2J Skarżyńska K. , Michalski P. , Badania cech geotechnicznych odpadów górnictwa węglowego pod kętem zastosowania ich w inżynierii wodnej.
Materiały z narady naukowo-technicznej nt. "Nowe materiały w budo w
nictwie i ich zastosowanie", NOT - SITW1M, Warszawa 1980.
£l3j Wiłun Z . , Pisarczyk S. , Badania gruntów gruboziarnistych w aparatach wielkowymiarowych, Archiwum H y d r o t a c h n i k l , T. XVI, z. 3, 1?69.
¡_ 14 ~j wiłun Z., Pachoweki 0., Pisarczyk S. , Geotechnical studies, investl-
?
stion on mechanicai propertles and physical propertiea of compacted iii soils, XIV World Congress-Prapue, 1971.[15] Wiłun Z . , Pisarczyk S. , Wstępne badania ściśliwości gruntów grubo
ziarnistych w wielkowymiarowym edometrze i za pomocę próbnych obcię
łaś w Wiśle-Czarnem, Materiały Badawcze IGW, nr 6, Warszawa 1972,
¡J.6J Wiłun Z., Pisarczyk S. , Ap ar at ur y wielkowymiarowa do badania gruntów gruboziarnistych. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Budownic
two, nr 25, 1974.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Maciej Gryczmański
Wp łynęło do Redakcji 8,02.1991 r.
POSSIBILITIES OF APPLICATION OF LARGE-SIZE APPARATUSES FOR TESTING MECHANICAL CHARACTERISTICS OF BREAKSTONE
S u m m e r y
The paper preeente the lerge-slze apparetuses (edometer and shearlng- -box apparatus (for testing coarse-grained materials.
The peper contelns also the results of tests of compressibility modulus end modulus of elasticity as well as the shear strength of breakstone ueed tor ballast.
B 03U 0SH 0CTB UPHMEHEHHfl KPynHOMACIMAEHHX AIFiAPATOB M « HCCJESftOBlBHa MIXAHHHECKHX CBOHCTB DtSEHS
B o s s u e
B iri-iytob» oroBapHBasTca KpynHoaacmraÓHHe a n n a p a m lcoacoaHAoaeip b an n a - pax a m BcnnmaHBH a a cpK3 a m accAOAOBaHaa KpynH03epHHciHi aaiepaaaoB , OpeAciaBAOHO ro x e p esy ab T am HccaeAOBaHzi aoA oaei cxaaaeaocTH a ynpyrociH a Taicxe npo'iHocTE a a cabht a e ö a a n p aa ea ae ao ro aax ö aa aa ciH u t a a o l .
