«

»

Determinarea rezistentei la forfecare a pamanturilor prin incercari de laborator

Share

In majoritatea cazurilor intalnite in practica, cedarea masivelor de pamant se produce prin deplasarea unei parti a masivului, ca urmare a depasirii rezistentei la forfecare in lungul unor suprafete de cedare. Aceasta este o consecinta a faptului ca pamantul nu poseda, practic, rezistenta la intindere, iar la compresiune hidrostatica eforturile care se transmit masivelor de pamant sunt prea mici pentru a provoca strivirea particulelor materiale. Astfel, devine evident faptul ca, pentru inginerul geotehnician, cunoasterea parametrilor rezistentei la forfecare este esentiala pentru analiza stabilitatii terenului de fundare, a versantilor si respectiv a taluzurilor. Totodata, considerand ca parametrii rezistentei la forfecare pentru pamanturi variaza in functie de starea de tensiuni si deformatii, rezulta ca, in fiecare caz in parte, trebuie considerat me­canismul specific de cedare si alese acele incercari de laborator capabile sa reproduca in modul cat mai fidel aceste conditii. Ca urmare, in acest articol, se prezinta o analiza teoretica si asupra rezultatelor obtinute prin trei ti­puri de incercari, si anume forfecare directa, compresiune triaxiala si compresiune biaxiala.

 

Scopul incercarilor geotehnice de laborator este de a studia comportamentul fizico-mecanic al pa­manturilor in conditii similare celor existente in teren si de a furniza datele necesare pentru transpu­nerea acestui comportament intr-un set de ecuatii constitutive. In acest sens, se presupune ca proba de pamant studiata reprezinta un punct din masivul de pamant, ipoteza valida numai in cazul in care starea de tensiuni din proba este uniforma. De asemenea, pentru studiul proprietatilor mecanice ale pamanturilor se admit ipotezele de izotropie si omogenitate, insa aici, mai mult ca in cazul celorlal­te materiale de constructie, acestea nu sunt adevarate. De aici deriva necesitatea studiului pamantu­lui in diferite situatii punctuale de solicitare, in cadrul carora ipotezele mai sus amintite sa fie cat mai bine indeplinite. In consecinta, in practica se folosesc mai multe tipuri de incercari pentru determinarea rezistentei la forfecare.

Pentru incercarile la forfecare cu plan obligat, tensiunile principale nu pot fi impuse si au valori practic necunoscute. Mai mult, in timpul determinarilor, starile de tensiuni si deformatii care iau nastere in corpul probelor sunt neuniforme si, ca urmare, cedarea probelor se produce treptat si nu respecta directiile tensiunilor principale [1][6].

O parte dintre problemele amintite anterior sunt rezolvate cu aparatele de compresiune triaxiala. Aici, tensiunile principale pot fi impuse si, in consecinta, se pot realiza o gama larga de drumuri de efort. Acestea sunt, insa, limitate la stari de tensiuni axial simetrice, fapt ce nu corespunde situatiilor din teren. De asemenea, prin calcule numerice se evidentiaza faptul ca acest tip de incercare este predispus sa produca cedari plastice [4] [5].

Din cele spuse anterior, referitor la tipurile de incercari ce se practica in momentul de fata, se constata ca ele nu sunt reprezentative decat pentru anumite situatii de solicitare. Pentru contura­rea unei imagini cat mai clare in ceea ce priveste comportarea pamanturilor sub sarcini, este nevoie de aparate noi, care sa le completeze pe cele mentionate mai sus. In consecinta, in cadrul Facultatii de Constructii si Instalatii din Iasi a fost realizat un aparat de incercare a pamanturilor la compresi­une biaxiala, care a fost, initial, folosit pentru determinarea caracteristicilor mecanice ale probelor de pamant armat [1]. Instalatia de incercare (fig. 1) este alcatuita, in principal, din celula biaxiala si sis­teme de incarcare verticala si longitudinala.

Celula biaxiala (fig. 2) este executata dintr-o placa de baza metalica (1), dispusa la partea inferioa­ra, pe care sunt asezate doua placi laterale din plexiglas (2) de 20 mm grosime si celulele de presiune (3). Pozitia placilor din plexiglas este asigurata prin montarea lor in canelurile special prevazute la nivelul placii de baza, precum si cu ajutorul cornierelor (16). Celulele de presiune sunt montate, prin presare, pe canturile placilor de plexiglas, cu ajutorul unor prese cu surub (13) [2].

La partea superioara a celulei biaxiale este dispusa o placa metalica (8), prevazuta cu trei orificii cu piese de trecere (9), care au rolul de a permite culisarea pistonului de incarcare verticala (10). Unitatea celulei astfel alcatuite este asigurata, pe directie verticala, prin patru tiranti (15), care preseaza prin strangere placa de baza si placa superioara pe canturile placilor de plexiglas. Folosind acelasi principiu, se asigura pe directie longitudinala pozitia celulelor de presiune, cu ajutorul cadrului metalic (14) si a preselor cu surub (13) [2].

In varianta dimensionala conceputa in cadrul Facultatii de Constructii si Instalatii din Iasi, acest aparat permite testarea unor probe de pamant cu dimensiunile de 200 mm x 100 mm x 400 mm (fig. 3). Frecarile care apar la interfetele dintre probe si elementele celulei biaxiale (peretii laterali din plexiglas, placa de baza si pistonul celulei ) au fost reduse prin gresarea tuturor suprafetelor cu vaselina.

 

CARACTERISTICILE NISIPULUI FOLOSIT PENTRU INCERCARI

Pentru efectuarea incercarilor descrise in continuare s-a folosit un nisip ale carui caracteristici au fost determinate, in prealabil, prin incercari de laborator. In figura 4 este redata curba granulometrica pentru materialul folosit, din care reiese ca nisipul pentru incercari este foarte uniform.

Pentru toate tipurile de incercari, probele au fost confectionate prin compactare in straturi succe­sive, cu ajutorul unui piston. In felul acesta, s-a asigurat aducerea la starea de indesare maxima pen­tru nisipul folosit. Totodata, prin folosirea acelorasi metode pentru confectionarea probelor, s-a in­cercat obtinerea aceleiasi texturi pentru nisipul incercat.

 

INCERCAREA DE FORFECARE DIRECTA

Pentru determinarea unghiului de frecare interioara, prin incercari de forfecare directa, s-au efectuat 4 probe, admitand presiuni normale cuprinse intre 200 kPa si 800 kPa. Viteza de incercare la forfecare pentru toate probele a fost de 1 mm/min.

Din analiza figurii 5a, in care este redata relatia tensiuni-deformatii, se poate observa ca graficele obtinute au aluri asemanatoare pentru toate cele 4 probe. Astfel, toate curbele trasate prezinta un pa­lier initial crescator, portiune pe care rezistenta la forfecare a nisipului se mobilizeaza. Urmeaza, apoi, un punct de maxim si palierul de relaxare prin afanare. La finalul incercarii, nisipul ajunge in starea critica, valoarea unghiului de frecare interioara fiind practic constanta.

Pe baza rezultatelor obtinute (fig. 5b) se poate observa ca maximele in ceea ce priveste unghi­ul de frecare interioara se situeaza in jurul valorii de 35° iar pentru starea critica, in jurul a 27°-30° (Tabelul 1). De asemenea, odata cu cresterea tensiunii normale pe planul de forfecare, palierele de mobilizare se prelungesc, pastrand, insa, practic aceeasi alura. In consecinta si deplasarile orizontale care corespund valorilor maxime ale unghiului de frecare interioara cresc.

 

INCERCARILE TRIAXIALE

Pentru determinarea unghiului de frecare interioara, prin incercari triaxiale cu stare axial simetrica de tensiuni, s-au efectuat 8 probe, admitand presiuni de confinare cuprinse intre 100 kPa si 800 kPa.

In timpul incercarilor s-au observat doua tipuri de cedari. Majoritatea probelor au cedat plastic fara formarea unui plan de forfecare si fara evidentierea unui punct de maxim in ceea ce priveste forta verticala. Probele TA700 si TA800 au cedat cu evidentierea unui plan de forfecare. Analizand figura 6a se poate observa ca, pentru aceste probe, al doilea palier al graficului incepe sa prezinte o alura curba.

Spre deosebire de cazul incercarilor de forfecare directa, aici nu apare fenomenul de relaxare a nisipului si in consecinta, nu se pot estima valorile reziduale ale unghiurilor de frecare interioara. In ceea ce priveste rapoartele Rf calculate (fig. 6b), se poate spune ca, in medie, se situeaza in jurul va­lorii de 3,5. Curbele trasate pentru a reprezenta mobilizarile unghiurilor de frecare interioara au maxime situate in jurul valorii de 33° (fig. 7a).

 

INCERCARI IN APARATUL BIAXIAL

Principial, etapele unei incercari in stare plana de deformatii sunt aceleasi ca si la incercarile triaxiale cu stare axial simetrica de tensiuni (fig. 8). In prima etapa (fig. 8a) se impune, pe di­rectie longitudinala, o tensiune de confinare 03 ce va fi mentinuta constanta pana la finalul incerca­rii. In cea de-a doua etapa (fig. 8b) se actioneaza asupra probei cu un deviator Dt1. Valoarea ten­siunii s1 va fi crescuta constant pana in momentul in care proba cedeaza (fig. 8c) [8].

Pentru acest studiu comparativ s-au efectuat un numar de trei determinari in stare plana de de­formatii, diferentiate intre ele prin valoarea presiunii longitudinale s3 impuse in timpul incercarii. Astfel, pentru prima proba, s-a considerat o presiune s3 de 50 kPa, pentru a doua 80 kPa, iar pentru a treia proba valoarea presiunii longitudinale a fost de 110 kPa.

Probele au fost confectionate in interiorul celulei de compresiune biaxiala, nisipul fiind asternut in straturi succesive iar fiecare strat a fost compactat prin tamponare cu ajutorul unui piston.

Frecarile care apar la interfata dintre proba si elementele celulei biaxiale (peretii laterali din plexiglas, placa de baza si pistonul celulei) au fost reduse prin gresarea tuturor suprafetelor cu vaseli­na. Inainte de asezarea membranei, in interiorul careia se va confectiona proba de nisip, in celula biaxiala a fost asternuta o folie de polietilena care are rolul de a preveni absorbtia lubrifiantului de catre membrana de latex.

Incercarile au inceput prin impunerea presiunii s3 la valoarea dorita in interiorul rezervorului de apa cu ajutorul regulatorului de presiune montat pe parcursul circuitului de aer comprimat. Dupa ce a fost atinsa valoarea dorita in ceea ce priveste presiunea apei si a aerului, a fost deschis circuitul de apa de la partea inferioara a rezervorului, astfel incat apa sa umple celulele de presiune ale aparatu­lui biaxial. In aceasta faza, stuturile de aerisire ale celulelor de presiune au fost deschise, pentru a permite evacuarea aerului din instalatie. Dupa umplerea completa a instalatiei, se inchid stuturile de aerisire. Presiunea se mentine timp de 30 de minute, pentru a asigura consumarea frecarilor inainte de a porni presa pentru realizarea incarcarii verticale.

In figurile 9, 10 si 11 sunt redate modurile de cedare pentru probele incercate. Se poate observa faptul ca, pentru toate probele, cedarile sunt casante, insotite de formarea unor planuri de cedare ce cuprind intreaga masa de nisip. Referitor la inclinarea planurilor de forfecare, in urma masuratorilor efectuate s-a constatat ca unghiul format cu orizontala este constant in jurul valorii de 60°. Rezulta­tul prezentat aici confirma afirmatia facuta de Desrues care, in urma unor teste similare, constata ca pe interfetele probei cu aparatul de incercare planurile de cedare se reflecta sub acelasi unghi [7]. In urma analizei fotografiilor efectuate in timpul incercarilor se poate constata ca probele incercate ce­deaza prin acelasi mecanism. Astfel, dupa aparitia planurilor de forfecare, in corpul probelor se formeaza prismuri de indesare. Odata cu avansarea incercarii se observa ca, in aceste zone, nu apar modificari semnificative, deformatiile probei datorandu-se, aproape exclusiv, alunecarilor ce se pro­duc in lungul planurilor de forfecare.

Ca urmare, sub actiunea constanta a pistonului de incarcare verticala, prismurile laterale aluneca pe laturile prismului central, rezultand o tendinta de expulzare pe directie longitudinala. Este interesant de notat ca prismul central de indesare nu are intotdeauna aceeasi orientare, fapt ce se poate constata din analiza figurilor 9, 10 si 11.

Evolutia tensiunilor verticale, calculate pe baza fortelor de compresiune verticale inregistrate in timpul incercarilor, sunt reprezentate in figura 12. Se face mentiunea ca in calculul tensiunilor verti­cale nu s-a tinut cont de modificarea sectiunii probei. Acest aspect afecteaza precizia rezultatelor obtinute in special dupa inregistrarea valorii maxime a fortei de compresiune verticale, deoarece apare tendinta de alunecare a prismurilor laterale, iar sectiunea probelor se modifica considerabil.

Totusi, pana in acest punct se poate considera ca proba nu se deformeaza semnificativ. In conse­cinta, corectia ariei sectiunii probei nu este necesara.

Se remarca, din figura 12, faptul ca cele trei curbe au aluri diferite, in special in cazul curbei obti­nute pentru proba 2. In ceea ce priveste evolutia raportului tensiunilor principale, Rf, prezentata in figura observam ca proba 1 prezinta o deviere mare in raport cu probele 2 si 3. O posibila cauza pentru aceste anomalii ar putea fi lubrifierea insuficienta a suprafetelor celulei. Analizand datele prezentate in figura 12, precum si tabelul centralizator, se observa ca, odata cu cresterea presiunii de confinare (s3), valoarea fortei maxime (Fmaxim), respectiv a tensiunii verticale maxime (s1), este atinsa la valori mai mari ale deformatiei axiale (e1), fapt ce corespunde rezultatelor obtinute prin simularile numerice [9].

Ca si in cazul incercarilor triaxiale cu stare axial simetrica de tensiuni, se constata ca nisipul in­cercat nu prezinta fenomenul de relaxare dupa atingerea valorii maxime a fortei, cu toate ca aici ce­darea s-a produs cu aparitia unor planuri de forfecare.

Curbele de mobilizare prezentate in continuare (fig. 13a) s-au obtinut prin aplicarea aceluiasi rationament folosit si in cazul incercarilor triaxiale cu stare axial simetrica de tensiuni, folosind ur­matoarea formula:

unde: s1 – tensiunea verticala, s3 – tensiunea longitudinala

Prin aplicarea acestei formule, se admite implicit ca tensiunile verticale si cele longitudinale sunt tensiuni principale, iar directiile acestora nu sunt afectate de frecari. Totodata, prin structura formu­lei, se accepta faptul ca tensiunea principala maxima actioneaza pe directia verticala, iar tensiunea principala minima pe directie orizontala. Aceasta ipoteza nu este valabila in partea de inceput a in­cercarii, pe parcursul careia tensiunea principala maxima apare pe directia longitudinala a probei. Dupa ce se incepe actionarea probei prin deplasarea pistonului de incarcare verticala, tensiunile principale se rotesc si, la un moment dat, tensiunea principala maxima se stabileste dupa directie verticala, iar tensiunea principala minima dupa directie longitudinala. In consecinta formula utilizata este valabila numai dupa stabilirea tensiunii principale maxime pe directie verticala.

In figura 13b este redata reprezentarea cercurilor lui Mohr si a dreptei intrinseci pe baza datelor experimentale obtinute. Astfel, pentru nisipul incercat s-a obtinut o valoare a unghiului de frecare interioara de 50,14°.

 

CONCLUZII

In urma determinarilor prin cele trei metode constatam ca rezultatele nu coincid in ceea ce priveste valoarea unghiului de frecare interioara sau a curbelor de mobilizare a acestuia. Daca pentru incercarile de forfecare directa si cele de compresiune triaxiala cu stare axial simetrica de tensiuni, valorile determinate pentru unghiul de frecare interioara sunt foarte apropiate, pentru incercarile efectuate in aparatul de compresiune biaxiala, valorile obtinute au diferente mult mai mari. Acest aspect poate fi pus pe seama influentei tensiunii intermediare s2. Nu trebuie, insa, negli­jat nici aportul frecarilor care apar intre proba de pamant si piesele componente ale celulei biaxiale.

In ceea ce priveste modul de cedare a probelor supuse la incercari de compresiune, observam ca pentru determinarile triaxiale cu stare axial simetrica de tensiuni, cedarile sunt in principal plastice, fara aparitia unui plan de forfecare.

In acelasi timp, pentru incercarile efectuate in aparatul de com­presiune biaxiala toate probele au cedat prin evidentierea mai multor planuri de forfecare. Cu toate ca cedarile sunt diferite, fenomenul de relaxare a materialului nu apare pentru incerca­rile de compresiune biaxiala sau triaxiala. Cauza poate fi inteleasa daca analizam meca­nismul de cedare a nisipurilor indesate [3]. Astfel, in prima faza a forfecarii din cauza inclestarii dintre particulele de nisip, lunecarile sunt practic nule. Odata cu depasirea acestei etape prin dilatanta, apar lunecari intre particule iar pe masura ce deplasarile cresc, acestea tind sa se alinieze de o parte sau de alta a planului de forfecare format, acesta fiind momentul in care se inregistreaza valoarea reziduala a unghiului de frecare.

Pentru incercarile de compresiune, lipsa fenomenului de relaxare poate fi pusa pe seama deplasarilor insuficiente la nivelul planurilor de forfecare. Din acest punct de vedere, incercarile cu plan obligat de forfecare, au avantajul de a asigura atat formarea unui plan de forfecare, cat si faptul ca informatiile obtinute caracterizeaza direct planul de forfecare si nu starea de tensiuni generala din proba.

 

BIBLIOGRAFIE

  1. Stanciu A., Teza de doctorat, Contributii la dimensionarea lucrarilor din pamant armat, Institutul Politehnic Iasi, Facultatea de Constructii (1981);
  2. Stanciu A., Cioara, S, Cerere brevet de inventie nr. 2014 00465/20.06.2014, Aparat pentru determinarea caracteristicilor mecanice;
  3. Stanciu, A.; Lungu, L.; (2006) – Fundatii vol. l;
  4. D. Wanatowski J. Chu, Effect of specimen preparation method on the stress-strain behavior of sand in plane-strain compression tests, 2008;
  5. Peters J. F., Lade P. V. si Bro A., Shear band formation in triaxial and plane strain tests, Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP 977, 604-627 (1988);
  6. Saada A. S., Townsend F. C., State of the art: Laboratory strength testing of soils, ASTM-Laboratory shear strength of soils (1981);
  7. Desrues J., Hammand W., Shear banding dependency on mean stress level in sand, in Proceedings of the 2nd International Workshop on Numerical Methods for Localization and Bifurcation of Granular Bodies (1989);
  8. Cioara, S. Aparate de compresiune biaxiala pentru determinarea rezistentei la forfecare a pamanturilor, in Lucrarile celui de-al Vl-lea Simpozion national: „Creatii Universitare” – Tendinte actuale in inginerie civila si instalatii in constructii, Iasi, (2012);
  9. Cioara, S., Teza de doctorat, Aspecte privind determinarea rezistentei la forfecare a pamanturilor, Iasi, (2014).

Autori:
Stefan Cioara,
Anghel Stanciu,
Mircea Aniculaesi – Universitatea Tehnica „Gh. Asachi” din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Departamentul Cai de Comunicatii si Fundatii
Mugurel Ovidiu Laicu – Directia Regionala de Drumuri si Poduri Iasi 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 160 – iulie 2019, pag. 36

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2019/07/01/determinarea-rezistentei-la-forfecare-a-pamanturilor-prin-incercari-de-laborator/

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa de email nu va fi publicata.