Aparat trójosiowego ściskania

Aparat trójosiowego ściskania wykorzystywany do laboratoryjnych badań wytrzymałości gruntu.

Badania laboratoryjne

Wytrzymałość gruntu najdokładniej badać można w laboratorium przy wykorzystaniu takich testów jak badanie w aparacie bezpośredniego ścinania (aparacie skrzynkowym) czy w aparacie trójosiowego ściskania (aparacie trójosiowym).

Aparat trójosiowego ściskania

W aparacie trójosiowego ściskania próbka gruntu w kształcie walca otaczana jest cienką, gumową membraną, a następnie umieszczana w komorze aparatu. W przypadku standardowych badań (tzw. badania z konsolidacją i drenażem, „consolidated drained”, CD ) komora aparatu trójosiowego ściskania wypełniana jest wodą, które wywiera równomierne ciśnienie na pobocznicy próbki σ_x = σ_y oraz na jej podstawach. Ciśnienie wody w komorze utrzymywane jest na stałym poziomie przez cały czas trwania badania. Ta początkowa faza badania trwa tak długo, aż nadmiar ciśnienia wody w porach gruntu ulegnie dyssypacji (rozproszeniu), a próbka ulegnie konsolidacji. Po zakończeniu pierwszej fazy badania, próbkę ściska się pionowo za pomocą tłoka przesuwającego się ze stałą, niewielką prędkością, co wywołuje naprężenie σ_z.

Schemat próbki gruntu umieszczonej w komorze aparatu trójosiowego ściskania i działających na nią naprężeń zewnętrznych zobrazowany poniżej.

Niewielka prędkość odkształcania próbki ma na celu umożliwienie odpływu wody z porów gruntu i niedopuszczenie do wzrostu ciśnienia wody w porach.

Aparat trójosiowego ściskania swoją nazwę zawdzięcza temu, że na próbkę działają naprężenia we wszystkich trzech osiach: X, Y oraz Z. Ponieważ ciśnienie w komorze aparatu działa zarówno w kierunkach X jak i Y tak samo, często naprężenie na pobocznicy próbki utożsamia się z ciśnieniem w komorze aparatu i oznacza pojedynczym symbolem σ₀. W trakcie badania kontrolowane (narzucane) są takie parametry jak ciśnienie wody w komorze aparatu i prędkość przesuwu tłoka, a notowane są takie wartości jak odkształcenia pionowe próbki, siła, z jaką tłok działa na próbkę czy zmiany ciśnienia wody w porach gruntu i zmiany objętości próbki.

Ponadto badania w aparacie trójosiowego ściskania można wykonywać według innych procedur niż CD. Jeśli w drugiej fazie badania zablokujemy możliwość odpływu wody z próbki (badania z konsolidacją, bez drenażu, „consolidated undrained”, CU), odkształcenia próbki spowodują wzrost ciśnienia wody w porach gruntu i powiększającą się różnicę między naprężeniami całkowitymi i efektywnymi.
Trzecią możliwością jest przeprowadzenie badania bez wstępnej konsolidacji i z zablokowaną możliwością odpływu wody z próbki („unconsolidated undrained”, UU).

Co dzieje się z próbką gruntu umieszczoną w aparacie trójosiowym? Wydaje się, że próbka poddana badaniu opisanemu powyżej podlega tylko i wyłącznie ściskaniu: ciśnieniem wody w komorze i tłokiem. Mówiliśmy jednak, że grunt jest w stanie przenieść bardzo duże naprężenia ściskające. Zatem dlaczego gdyby w trakcie badania obserwować naprężenia pionowe, wywoływane przesuwaniem tłoka, początkowo zobaczylibyśmy wzrost naprężeń pionowych, który w pewnym momencie zatrzymałby się, a potem spadł i wreszcie, po odkształceniu próbki o kilkadziesiąt procent, ustabilizował? Otóż wraz ze wzrostem naprężeń ściskających wzrastają też naprężenia ścinające, i to one decydują o wytrzymałości próbki gruntu. Wyidealizowana krzywa przedstawiająca wynik badania zagęszczonej próbki gruntu w aparacie trójosiowym. Wykres przedstawia naprężenie pionowe z w funkcji odkształcenia pionowego „z (skrócenia próbki)

W tym materiale poznaliśmy jeden z aparatów do badań laboratoryjnych, w kolejnym poradniku zostanie przedstawiony kolejne narzędzie do badań gruntu, jakim jest aparat bezpośredniego ścinania.