Influenta caracteristicilor suprafetei de forfecare asupra cedarii unei probe de pamant prin metoda de forfecare directa

Lucrarea prezinta, in paralel, efectuarea unei serii de incercari de forfecare directa pe probe de pamant si modelarea acestora intr-un program de calcul care foloseste metoda elementului finit (Abaqus). Analiza comparativa permite o urmarire detaliata a variatiei ariei suprafetei de forfecare, cautand o explicatie pentru neuniformitatile acesteia inregistrate in functie de timp. Existenta unei legaturi intre aria suprefetei de contact si oscilatia punctelor de rupere (totale sau partiale) din interiorul unei probe de pamant forfecate poate conduce la stabilirea unor metodologii si proceduri de calcul aplicabile in cazul alunecarilor de teren existente sau in formare. 

Stabilitatea si rezistenta masivelor de pamant este influentata decisiv de rezistenta la forfecare a materialului granular din care sunt compuse. Rezistenta la forfecare a pamantului defineste rezistenta opusa la ruperea prin forfecare a legaturilor dintre particule, avand o valoare egala cu marimea tensiunii tangentiale care produce ruperea.

Folosind relatia lui Coulomb si legea frecarii, se exprima legatura dintre efortul vertical „σ” si efortul de forfecare „τ” sub forma:

• Pentru pamanturi necoezive:

t = σ*tgφ                                  (1)

Pentru pamanturi coezive:

t = σ*tgφ + c                 (2)

unde φ este unghiul frecarii interne, iar c este coeziunea. Daca se doreste o exactitate sporita in cazul pamanturilor coezive se poate lua in considerare si coeziunea datorata tensiunilor capilare in pamant. Dreapta corespunzatoare ecuatiilor (1) si (2) se numeste dreapta intrinseca a pamantului sau dreapta lui Coulomb. Studierea aceastei dreapte permite cunoasterea variatiei efortului unitar in jurul unui punct, care este importanta pentru a putea analiza conditiile in care se atinge starea limita de cedare in teren.

Incercarea de forfecare a pamanturilor in laborator necesita crearea unor conditii cat mai apropiate de cele intalnite in situ pe probele de pamant recoltate. Prima etapa a incercarii implica reconstituirea starii de tensiuni in care se afla proba inainte de prelevarea din teren (se numeste etapa de consolidare a pamantului). A doua etapa presupune incarcarea probei pana la producerea ruperii, pastrand starea de tensiuni a situatiei din teren.

Exista mai multe tipuri de aparaturi de laborator prin care se pot efectua incercari de forfecare, cum ar fi: aparatul de forfecare directa, forfecare monoaxiala si forfecare triaxiala.

Un factor care influenteaza incercarea de forfecare este apa din porii probei. Evacuarea sau pastrarea apei in proba, pe parcursul incercarii, distinge trei tipuri de incercare de forfecare (drenarea se poate efectua prin procedeul de consolidare sau prin viteza scazuta impusa pe durata incercarii):

• incercare neconsolidata – nedrenata (U-U): apa nu este drenata din proba, viteza de forfecare impusa este mare;
• incercarea consolidata – nedrenata (C-U): apa este evacuata doar in timpul consolidarii, viteza de forfecare impusa este, de asemenea, mare;
• incercarea consolidata – drenata (C-D): apa din pori este drenata atat in etapa de consolidare cat si in etapa de forfecare, viteza impusa fiind scazuta, astfel presiunea apei din pori se considera zero [1].

Prezentul studiu se axeaza pe determinarea influentei ariei de contact asupra variatiei parametrilor de cedare, in incercarea de forfecare directa. Conceput de Arthur Casagrande, forfecarea probei de pamant dupa un plan impus reprezinta cel mai simplu tip de incercare de laborator pentru determinarea parametrilor φ si c.

Principiul incercarii este dat de introducerea unei probe de pamant de forma regulata (in cazul nostru BxLxh = 6x6x2 [cm]) intr-o caseta de forfecare (fig. 1), a carei parte inferioara este fixata in aparatul de forfecare (fig. 2), si cuplata la motorul electric al aparatului, aceasta glisand fata de partea superioara, cu o viteza impusa, in functie de tipul incercarii. Pe linia cinematica formata din motor si partea inferioara a casetei de forfecare este amplasata o celula dinamometrica, ce indica forta (practic efortul de forfecare „t”) care este necesara pentru a deplasa caseta, si implicit de a forfeca proba la viteza de forfecare impusa in prealabil. Metodologia de lucru este foarte simpla si se poate asigura un drenaj corespunzator probei, respectiv un timp de consolidare relativ scurt (comparativ cu incercarile monoaxiale sau triaxiale de exemplu).

Dezavantajul metodei este ca nu se poate obtine o stare uniforma de tensiuni si deformatii. Aplicarea fortei orizontale produce modificarea ariei de forfecare, prin miscarea de translatie a celor doua parti ale casetei de forfecare, iar prin scaderea ariei de contact rezulta o modificare constanta a starii de tensiuni din interiorul probei. Tensiunile principale intermediare nu pot fi impuse pentru incercarile de forfecare a pamantului dupa un plan obligat, avand valori necunoscute [2].

Modelarea incercarii de forfecare directa

Datele initiale

Aparatul de forfecare directa, pe care s-au efectuat incercarile, este prevazut cu un sistem automatizat de citire a eforturilor si a deplasarilor, datele fiind transmise la calculator prin intermediul unui data logger. Rezultatele obtinute se prezinta in Tabelul 1.

In coloana A este reprezentata etapa incercarii. Aceasta poate sa aiba valorile 1 si 2, etapa 1 fiind consolidarea, iar etapa 2, forfecarea propriu-zisa. In cazul incercarilor neconsolidate exista o singura treapta, cea cu numarul 1 ce reprezinta forfecarea propriu-zisa.

Coloana B contine timpul (determinat in secunde) pentru fiecare pas. Incercarile efectuate in prezentul studiu s-au consolidat intr-un interval de timp de 2.000 de minute, adica 120.000 de secunde.

Coloana C cuprinde forta taietoare „T” inregistrata la fiecare pas, t_max = T/A, unde A reprezinta aria suprafetei probei, care a fost initial 6×6 [cm], iar inaltimea probei este de 2 cm, inaltimea planului de forfecare impus se situeaza la 1 cm (corespunzator inaltimii partii inferioare a casetei de forfecare).

Valorile coloanei D reprezinta forta normala „σ”, care este reprezentata in unitatea de masura kPa. Mentionam ca toate marimile de lungime au fost introduse in programul de calcul in metri, iar presiunile in kPa.

Coloana E reprezinta valorile deplasarilor pe orizontala, care la prima etapa in cazul incercarilor de tip consolidate indica valoarea de 0 mm, deoarece deplasarile pe orizontala incep sa aiba valori in etapa 2, adica etapa forfecarii.

Coloana F afiseaza valorile deplasarilor pe verticala, ceea ce in cazul nostru reprezinta tasarea probei de pamant. Incercarile de forfecare s-au efectuat pe esantioane de nisip argilos cafeniu (fig. 4), obtinandu-se o coeziune de 14,78 kPa, si un unghi de frecare de 21,23°.

Modelarea in Abaqus

Pentru determinarea parametrilor de forfecare directa a probei de argila s-a folosit criteriul de cedare Mohr-Coulomb. In Tabelul 2 se dau parametri casetei de forfecare (metalice), introduse in programul de modelare, in timp ce Tabelul 3 contine parametri de modelare a probei de argila.

In pasul urmator s-au definit toate suprafetele si contururile care aveau rezemari, forte sau suprafete ce actionau pe ele.

Am generat, pentru fiecare corp separat, aceste SET-uri si SURFACE-uri. SET-ul poate sa fie si suprafata. Principul generarii SET-urilor si SURFACE-urilor este acela ca reazemele se pot introduce numai prin intermediul SET-urilor; la fel si incarcarile. SURFACE-urile se folosesc la crearea suprafetelor corpurilor care o sa aiba interactiune cu alte suprafete [5]. Dupa definirea SET-urilor si SURFACE-urilor s-a trecut la definirea interactiunilor. La modelarea incercarii de forfecare directa s-au definit 6 interactiuni, dintre care numai una a implicat frecare (fig. 5). Meshul generat a fost mai des pentru proba de nisip argilos, pentru a exista minimum trei elemente pe inaltimea probei de argila [4]. Mesh-ul carcasei metalice a fost mai rar, intrucat se considera indeformabila.

STEP-urile setate au fost de tip dinamic, explicit. Timpul consolidarii a fost 120.000 de secunde. Ca incercarea sa nu parcurga intr-un interval prea lung, s-a impus un factor numit „Scale target time increment” cu valoare de 100, insemnand ca la verificarea rezultatelor pasul de timp al valorilor va fi de 100-uri mai mare [6] [7]. La STEP-ul de forfecare intervalul de timp al pasului a fost de 3.600 de secunde. Deoarece am setat intervalul de timp la 3.600 si deplasarea maxima am setat-o la 20% care reprezinta 12 mm de deplasare, concomitent am impus o viteza de forfecare care are valoarea de 3,3 e-7 [m/s]. Urmatorul pas este analiza rezultatelor. In figura 7a) si 7b) este reprezentata o forma nedeformata, respectiv deformata [4].

Rezultate

Parametrii relevanti pentru prezentul studiu sunt: S11 (tensiuni dupa directia orizontala), S33 (tensiuni dupa directia verticala), U1 (translatie orizontala/forfecare), U3 (translatie verticala/tasare) si Carea. Dintre toate acestea cel mai important este Carea, adica Contact Area, pe care se pot urmari eforturile normale si tangentiale pe suprafata de forfecare [3].

In figurile 9 a), b) si c) sunt prezentate rezultatele din incercarea consolidata-drenata, in cazul in care efortul normal aplicat la etapele de consolidare si forfecare are valoarea de 100, 200 si 300 kPa [3].

CONCLUZII SI DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE

La interpretarea rezultatelor obtinute in urma modelarii incercarii de forfecare directa s-a observat ca la diagramele obtinute din programul Abaqus exista o anumita vibratie a diferitelor valori, altfel spus, o neuniformitate in modificarile parametrilor. Dupa cum am observat, aceste vibratii au o amplitudine variabila, care se modifica in functie de efortul normal ales la solicitarea probei de argila in etapa de consolidare. Dupa analiza problemei in literatura de specialitate s-a constatat ca aceste vibratii au scopul de a semnala cedarile partiale in interiorul probei. Aceste aspecte apar cel mai vizibil pe diagramele de „Arie suprafata de contact – Timp”.

Rezultatele obtinute dupa analiza modelului numeric pot avea mai multe utilizari practice. Spre exemplu, daca studiem cazul unui taluz care se afla in pericol de alunecare am putea estima alunecarea acestuia numai prin urmarirea ariei suprafetei de alunecare. Acest lucru s-ar putea face la taluzuri noi prin amplasarea unor folii, prin care se pot urmari alungirile globale si locale ale acestora. La taluzurile vechi s-ar putea realiza ulterior o retea de senzori prin care sa se monitorizeze distantele relative fata de senzorii invecinati. Prin colectarea informatiilor, si asigurand o densitate sporita retelei de senzori, s-ar putea determina modificarile ariei suprafetei, iar prin incercari de forfecare efectuate in prealabil se poate decide daca taluzul este in pericol de alunecare.

O directie viitoare in acest sens ar fi analiza stabilitatii taluzurilor executate din pamant armat, amplasand la fiecare nod a geogrilei un emitator (material care reflecta semnalele magnetice). Planurile viitoare includ construirea unei machete din pamant armat, armarea realizandu-se cu geogrile echipate cu senzori la noduri. Solicitarea acestora prin inundare excesiva si solicitari exterioare accentuate ar putea conduce la estimarea cedarii structurii, din informatiile primite de la nodurile georgrilelor.

BIBLIOGRAFIE

1. STAS 8942-2/82c – Determinarea rezistentei pamanturilor la forfecare prin incercarea de forfecare directa;
2. Stanciu A., Lungu L., Cioara St., Evolutia tehnicilor si metodologiilor de determinare a rezistentei la forfecare a pamanturilor, Revista Constructiilor nr. 105, iulie 2014, 58-61;
3. Kisfaludi-Bak Zs., – Kozvetlen nyirasi kiserlet modellezese veges-elem eljarassal, Papers on technical science 5., martie 2016, 213-216, ISSN 2393-1280;
4. Kisfaludi-Bak Zs., – Modelarea incercarii de forfecare directa, Lucrare de disertatie, Universitatea Tehnica din Cluj-
   Napoca, iunie 2015;
5. Fodor V., – Lucrare de disertatie, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, iunie 2014;
6. »*», Abaqus Theory manual, 3DS Simulia Dassault Systemes;
7. »*», Abaqus Analysis User’s Manual, 3DS Simulia Dassault Systemes.

Autori:
Zsombor Kisfaludi-Bak,
Andor-Csongor Nagy – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca,  Facultatea de Constructii, Departamentul Mecanica Constructiilor 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 160 – iulie 2019, pag. 24