Ministerul Educaţiei, Cercetării şi inovării

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi

F A C U L T A T E A D E C O N S T R U C Ţ I I S I I N S T A L A Ţ I I

Investigarea terenului şi exigenţe geotehniceÎncercarea de forfecare pe plan obligat

Masteranzi:Ciuntuc Ionuţ - LucianRacariu BogdanRotaru Iulian Nicolae

- Anul 2012 -

1

1. Încercarea de forfecare pe plan obligat

1.1. Generalităţi

Sub acţiunea încărcărilor exterioare asupra unui masiv de pământ, la nivelul contactelor dintre particulele solide iau naştere eforturi unitare normale şi eforturi unitare tangenţiale.

Ruperea masivului de pământ se produce datorită eforturilor unitare tangenţiale din aceste zone, în cazul în care valoarea încărcării depăşeşte o valoare limită, numită rezistenţa la forfecare a pământului (f).

Rezistenţa la forfecare se exprimă cu ajutorul legii lui Coulomb, în următoarea formă:- pentru pământuri coezive:

f = tg + c

- pentru pământuri necoezive: f = tg

în care:f - rezistenţa la forfecare; - efortul unitar normal pe planul de forfecare;- unghiul de frecare interioară a pământului;c - coeziunea pământului.Aceste relaţii reprezintă într-un sistem de axe, câte o dreaptă, numită dreapta intrinsecă a

pământului. Mărimile c şi sunt parametrii rezistenţei la forfecare.

Sunt abordate următoarele încercări de rezistenţă în laborator:- încercarea de compresiune cu deformare laterală liberă;- încercarea de compresiune triaxială neconsolidată - nedrenată;- încercarea de compresiune triaxială consolidată;- încercarea de forfecare în casetă cu translaţie şi încercarea de forfecare în casetă cu torsiune (forfecare inelară).

Obiectul încercărilor este de a stabili parametrii rezistenţei la forfecare drenată şi/sau nedrenată.

Locaţia şi orientarea probei trebuie luată în considerare cu grijă astfel încât să reproducă cât mai fidel cu putinţă condiţiile in situ. În caseta de forfecare de translaţie şi în încercările de forfecare inelară, ruperea este obligată să se producă pe sau în apropierea unui plan orizontal situat în mijlocul probei de încercat.

Pentru determinarea rezistenţei la forfecare a pământurilor argiloase, prăfoase şi organice

este necesar să fie folosite probe netulburate (clasa de calitate 1). Pentru unele pământuri sau pentru unele scopuri speciale, încercările pot fi efectuate asupra unor probe reconstituite sau remaniate.

În cazul prafurilor şi nisipurilor, probele de încercat pot fi recompactate sau reconstituite este necesar să se aleagă cu atenţie o metodă de pregătire care să reproducă cu fidelitate structura şi densitatea relevantă pentru proiect.

În cazul probelor recompactate sau reconstituite, compoziţia, densitatea şi umiditatea probelor preparate, cu relevanţă pentru condiţiile in situ, şi metoda de pregătire a probelor trebuie specificate.

2

Atunci când se determină rezistenţa la forfecare a unui strat, trebuie luate în considerareurmătoarele:

- tipul de forfecare;- metoda de pregătire a probei;- necesitatea unor încercări de clasificare suplimentare.

Dacă sunt încercate probe având clasa de calitate 2, este indicat ca la interpretarea rezultatelor să se ia în considerare efectele tulburării probei.

Încercările în caseta de translaţie şi în caseta cu torsiune (forfecare inelară) este indicat să fieutilizate pentru încercarea pământului în condiţii drenate.

Pentru a se realiza încercarea în condiţii drenate, viteza de forfecare trebuie să fie suficient de redusă pentru a permite disiparea presiunilor apei în pori. De asemeni presiunile apei în pori negative sau pozitive datorată forfecării trebuie evitate în timpul încercării căci acestea nu pot să fie măsurate şi luate în considerare la interpretarea încercării.

Încercarea la forfecare directă, se efectuează în aparatul de forfecare care se compune dintr-o casetă alcătuită din două părţi: una fixă şi una deplasabilă pe direcţie orizontală. Proba de pământ supusă încercării se introduce în caseta aşezată între cele două pietre poroase, care permit introducerea apei pentru a elimina efectul capilar, sau când este cazul, eliminarea surplusului de apă în timpul încercării.

Fig. 1 Principiul forfecării pe plan obligat

3

Se înregistrează mărimea forţei Tmax la care se produce forfecarea probei în lungul planului obligat de separaţie, între cele două jumătăţi ale casetei.

Raportând încarcările N si Tmax la secţiunea A a probei, se obţin efortul normal σ=

NA si

efortul tangential f=

T max

A , care corespunde ruperii.În sistemul de coordonate σo, cele două eforturi reprezintă coordonatele unui punct care

aparţin dreptei intrinseci.Incercarea se repetă cu o altă încărcare normala N , căreia îi corespunde un alt Tmax şi un

alt punct al dreptei intrinseci.De obicei se efectuează trei încercări. Dreapta care trece prin cele trei puncte este dreapta

intrinsecă a pământului.Se măsoară înclinarea acesteia faţă de orizontală pentru a se afla unghiul de frecare

interioară ф şi ordonata la origine pentru a se afla valoarea coeziunii c în cazul terenurilor coezive (fig .2) .

Fig. 2 Prezentarea rezultatelor încercării de forfecare directă pentru pământuri coezive

Practica a arătat că până la un efort unitar normal de 5÷10 daN/cm2 diagrama este curbilinie şi are forma unui segment de dreaptă pentru valori cuprinse între 5÷10 şi 40÷50 daN/cm2.

Rezultatele obţinute în aparatul de forfecare pe plan obligat se abat într-o oarecare măsură de realitate datorită frecării care se produce pe pereţii verticali şi pe marginile orizontale ale jumătăţii sale mobile.

De asemenea repartizarea eforturilor unitare tangenţiale (de forfecare) nu se face uniform de-a lungul suprafeţei orizontale, planul de forfecare variind în timpul încercării. În procesul de forfecare suprafaţa de contact se micşorează şi ruperea nu are loc simultan în toate punctele suprafeţei potenţiale de forfecare, ea începe la ambele capete şi se dezvoltă la mijloc.

În aparatul de forfecare pe plan obligat se porneşte de la ipoteza că forfecarea se produce în problema plană cu toate că în realitate există o stare triaxială de eforturi unitare.

4

τ f=σtg∅+c

Cu toate inconvenientele, care au fost menţionate, încercarea a găsit o largă întrebuinţare în practică, în calculele inginereşti luându-se valorile medii a mai multor determinări, considerându-se că precizia acestora ar fi suficient de bună.

1.2. Proceduri de încercare

Încercarea de forfecare directă (forfecare în casetă sau forfecare inelară) este întreprinsă de preferinţă pentru pământuri şi condiţii de stabilitate când se aşteaptă dezvoltarea unui plan distinct de rupere sau când se determină condiţiile de rezistenţă ale unei interfeţe.

Studii comparative au arătat că rezultatele încercării de forfecare directă (rectilinie) în casetă şi încercările de forfecare inelară sunt în bună concordanţă. Pregătirea probei este mai uşoară înîncercarea de forfecare rectilinie în casetă. Eforturile sunt mai omogene în încercarea de forfecare inelară, dar deformaţiile nu sunt uniforme. Este mai uşor să se producă deformaţii mari şi astfel să se determine rezistenţa reziduală a pământului în aparatul de forfecare inelară decât în aparatul de forfecare rectilinie în casetă.

Este indicat să se preleveze din pământ de două ori mai mult material necesar pentru probele de încercat.NOTÂ - O listă a documentelor care furnizează exemple de proceduri pentru încercările de forfecare directă este indicată în SR EN 1997-2 Anexa X.4.4.4.

1.3. Numărul de încercări

Tabelul 1 cuprinde indicaţii privind numărul minim recomandat de încercări cerut în funcţie de variabilitatea pământului şi de experienţa comparabilă cu acel tip de pământ. Aceste recomandări se aplică în cazul în care se utilizează doar încercări de forfecare directă pentru determinarea rezistenţei la forfecare a unui strat de pământ.

Tabel 1: Încercarea de forfecare direct. Numărul minim de încercări recomandat de încercări pentru un pământ.

1.4. Stabilirea şi utilizarea rezultatelor încercării

Valorile sunt unghiul efectiv de frecare internă şi coeziunea efectivă. valorili ce pot fi utilizate în calculele de stabilitate.

5

2. Încercarea la forfecare pe plan obligat conform

STAS 8942/2-82

2.1 Consideraţii teoretice

Funcţie de caracterul solicitării de forfecare (rapidă sau lentă) şi de starea pământului sub acţiunea încărcărilor normale aplicate (umiditate, grad de consolidare, porozitate), încercarea de forfecare directă se execută prin:

forfecare consolidată- drenată (C.D.); forfecare consolidată- nedrenată (C.U.); forfecare neconsolidat- nedrenată (U.U.).

Cea mai frecventă încercare de forfecare este neconsolidată şi nedrenată.

2.2. Pregătirea epruvetelor

Probele cu structura naturală se obţin numai din pământuri coezive recoltate sub formă de monoliţi, epruvetele ce vor fi supuse încercării se vor preleva astfel:

-direct în ştanţe de secţiune pătrată, atunci când prin prelevare nu se produce o deranjare a structurii pământului;

-folosind o ştanţă cilindrică, cu diametrul cel puţin egal cu diagonala ştanţei pătrate cu latura de 6 cm, atunci când prin prelevare directă se produce deranjarea structurii pământului.

În cazul pământurilor necoezive, epruvetele se prepară direct în caseta aparatului de tăiere, prin compactare la umiditatea şi densitatea la care urmează să se facă încercarea. În ambele cazuri se cântăresc epruvetele, iar pentru materialul folosit la confecţionarea lor se determină umiditatea.

2.3. Aparatura necesară

Aparatura necesară încercării de forfecare directă se compune din:a. Aparat de forfecare directă, alcătuit din:

Casetă de alamă (1), cu latura de 6 cm şi înălţimea de 4 cm, compusă din două rame, superioară şi inferioară;

Cutia paralelipipedică de alamă (3), în care se fixează rama inferioară a casetei; Piston de alamă (4), de încărcare, având secţiunea pătrată cu latura de 6cm şi

înălţimea de min. 2cm; Două plăci poroase pătrate (5), cu grosimea de 8mm şi latura de 6cm; Două plăci striate (6), de alamă, cu latura de 6cm; Două plăci striate perforate (7); Dispozitiv de aplicare a încărcării normale pe epruvetă (8); Dispozitiv (9) pentru realizarea deplasării ramei inferioare a casetei; Inele dinamometrice (10) pentru măsurarea forţei de forfecare; Comparator (11) pentru urmărirea şi măsurarea deformaţiei epruvetei.

6

Fig. 3 Aparat de forfecare directă

- Ştanţe pentru prelevarea epruvetelor de pământ: cilindrice cu diametrul de 9cm şi pătrate cu secţiunea 6 x 6 cm2, prevăzute cu cuţit şi prelungitor;

- Set de greutăţi pentru aplicarea încărcărilor verticale;- Balanţă analitică cu precizie de 0,01g;- Etuvă termoreglabilă în intervalul 1050-1100C;- Exicator;- Cuţite de laborator.

Aparatul de forfecare se instalează în poziţie orizontală, într-o încăpere în care nu există vibraţii.

Se asamblează cele două rame ale casetei de forfecare, după care, caseta se introduce în cutia paralelipipedică a aparatului.

Se reglează viteza de forfecare corespunzător tipului de încercare ce urmează a se executa. Aceste viteze sunt următoarele:

a. 1-1,5mm/minut pentru încercarea neconsolidată-nedrenată (U.U.) şi pentru cea consolidată-nedrenată (C.U.):

b. În cazul încercării consolidate-drenate (C.D.) vitezele sunt: 1-1,5mm/min, pentru nisipuri mari şi mijlocii; 0,5mm/min, pentru nisipuri fine; 0,10 mm/min, pentru prafuri; 0,05 mm/min, pentru pământuri argiloase; 0,01 mm/min, pentru argile grase.

2.4. Desfăşurarea lucrării

7

Efectuarea încercării de forfecare directă constă din: Introducerea epruvetei în aparat; Aplicarea încărcării verticale; Inundarea epruvetei în cazul încercării de forfecare consolidată; Consolidarea epruvetei sub această încărcare în cazul încercării de forfecare

consolidată; Încercarea de forfecare propriu-zisă.

2.5. Încercarea de forfecare propriu-zisă

În timpul forfecării, se înregistrează forţa de forfecare şi deformaţia pe verticală a epruvetei. Forfecarea epruvetei se consideră terminată în momentul când are loc o scădere evidentă a forţei de forfecare sau când acesta rămâne constantă la o deplasare a casetei de cca 5mm.

După încercare, epruveta este scoasă din casetă, examinată din punct de vedere al eventualilor macropori sau granule cu diametru mai mare de 2 mm, ce ar fi putut influenţa rezistenţa la forfecare. Citirile la comparator se fac la intervale de 15 sec.

2.6. Calculul şi interpretarea rezultatelor

Pe baza încercărilor de forfecare directă se stabilesc parametrii rezistenţei la forfecare a pământurilor prin:

metoda grafică; metoda analitică.În acest scop, pentru fiecare probă de pământ este necesar să se supună încercării la

forfecare minimum trei epruvete.

A. Metoda grafică

8

Metoda grafică constă în trasarea dreptei intrinseci prin punctele de coordonate( , f) în sistemul de axe 0. Unghiul dreptei intrinseci cu axa orizontală este unghiul frecării interne , iar ordonata la origine a acesteia reprezintă coeziunea pământului c, în condiţiile tipului de încercare efectuat.

Fig. 12.4

B. Metoda analiticăMetoda analitică constă în determinarea prin calcul a parametrilor rezistenţei la

forfecare cu relaţiile:

- unghiul de frecare interioară a pământului; c - coeziunea pământului, kPa i – eforturile verticale sub care se execută forfecarea epruvetelor, kPa; fi – eforturile de forfecare corespunzătoare, kPa;

n – numărul de determinări

9

tg φ=n∑

1

n

σ i τ fi−∑1

n

σ i∑1

n

τ fi

n∑1

n

σ i2−(∑

1

n

σ i)2

(12 . 3 )

c=∑

1

n

σ i2∑

1

n

τ fi−∑1

n

σ i τ fi∑1

n

σ i

n∑1

n

σ i2−(∑

1

n

σ i)2

(12 . 4 )