Effect of shear rate and saturation on shear strength of mineral and anthropogenic soil

• Autorzy: Gruchot Andrzej , Zydroń Tymoteusz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.149853

Warianty tytułu

PL

Effect of shear rate and saturation on shear strength of mineral and anthropogenic soil

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the study was to determine the shear strength of mineral and anthropogenic soil of similar grain size as a function of the applied shear rate and water saturation. Stability calculations using the finite element method of the road embankment model were also carried out to demonstrate the variation in factor of safety values depending on the adopted values of the angle of internal friction and cohesion. The tests were carried out in a direct shear apparatus in a 100 x 100 mm box with a sample height of 20.5 mm. The samples were formed directly in the apparatus box at optimum moisture content until a compaction index of IS = 1.00 was obtained. Tests were carried out under conditions without and with water saturation at shear rates of 0.01, 0.05, 0.1, 0.5 and 1.0 mm·min-1 until 18% horizontal displacement was achieved. The results showed that the effect of shear rate on the strength parameters was not unequivocal and was much smaller than the changes caused by saturation of samples. An increase in shear rate resulted in small changes in the angle of internal friction with a tendency towards a decrease. In contrast, cohesion varied over a much larger range with increasing shear rate, with an apparent initial decrease and subsequent increase. The saturation of the samples resulted in a decrease in the angle of internal friction of the cohesive soil and an increase for the ash-slag mixture. The cohesion of both soils decreased. The results obtained from the road embankment model stability calculations confirmed that soil saturation had a greater influence on the factor of safety values obtained than the shear rate.

PL

Celem pracy było określenie wytrzymałości na ścinanie gruntu mineralnego i antropogenicznego w zależności od zastosowanych prędkości ścięcia i zawodnienia. Wykonano również obliczenia stateczności metodą elementów skończonych modelu nasypu drogowego w celu wykazania zmian w wartościach współczynnika stateczności w zależności od przyjętych wartości kąta tarcia wewnętrznego i spójności. Badania przeprowadzono w aparacie bezpośredniego ścinania w skrzynce o wymiarach 100 × 100 mm i wysokości próbki 20,5 mm. Próbki formowano bezpośrednio w skrzynce aparatu przy wilgotności optymalnej do uzyskania wskaźnika zagęszczenia IS = 1,00. Badania przeprowadzono w warunkach bez i z zawodnieniem przy prędkości ścięcia 0,01, 0,05, 0,1, 0,5 i 1,0 mm·min–1. Wyniki badań wykazały, że wpływ prędkości ścięcia na parametry wytrzymałości nie był jednoznaczny i był znacznie mniejszy niż zmiany spowodowane zawodnieniem próbek. Wzrost prędkości spowodował niewielkie zmiany kąta tarcia wewnętrznego z tendencją na jego zmniejszenie. Natomiast spójność wraz ze wzrostem prędkości ścięcia wahała się w znacznie większym zakresie, z widocznym początkowym jej zmniejszeniem, a następnie zwiększeniem. Uzyskane wyniki obliczeń stateczności modelu nasypu drogowego potwierdziły, że większy wpływ na uzyskiwane wartości współczynnika stateczności miało zawodnienie gruntu niż prędkość ścięcia.

Słowa kluczowe

EN

shear strength; shear rate; mineral soil; ash-slag mixture; direct shear apparatus; saturation

PL

wytrzymałość na ścinanie; prędkość ścinania; grunt mineralny; mieszanina popiołowo-żużlowa; aparat bezpośredniego ścinania; zawodnienie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 2
• Strony: 97--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Gruchot Andrzej

• University of Agriculture, Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, Department of Hydraulic Engineering and Geotechnics, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4752-3357

autor

Zydroń Tymoteusz

• University of Agriculture, Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, Department of Hydraulic Engineering and Geotechnics, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0413-5386

Bibliografia

• [1] J. Amšiejus, N. Dirgėlienė, A. Norkus, and Š. Skuodis, “Comparison of sandy soil shear strength parameters obtained by various construction direct shear apparatuses”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 14, no. 2, pp. 327-334, 2014, doi: 10.1016/j.acme.2013.11.004.
• [2] A. Gruchot, Utylizacja odpadów powęglowych i poenergetycznych do celów inżynierskich jako czynnik kształtowania i ochrony środowiska. Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołł˛ataja, Kraków, 2016.
• [3] G. Scaringi and C. Di Maio, “Influence of displacement rate on residual shear strength of clays”, Procedia Earth and Planetary Science, vol. 16, pp. 137-145, 2016, doi: 10.1016/j.proeps.2016.10.015.
• [4] G.Wrzesiński, “Anisotropy of soil shear strength parameters caused by the principal stress rotation”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 1, pp. 163-187, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.136467.
• [5] R. Kaczmarczyk and J. Czurczak, “Wpływ metody wyznaczania parametrów wytrzymałościowych gruntów na wyniki analiz stateczności skarp i zboczy”, Przegląd Geologiczny, vol. 68, no. 7, pp. 577-583, 2020, doi: 10.7306/2020.22.
• [6] A. Bek, G. Jeftić, S. Strelec, and J. Jug, “Influence of shear rate on the soil’s shear strength”, Environmental Engineering – Inženjerstvo okoliša, vol. 8, no. 1-2, pp. 39-47, 2021, doi: 10.37023/ee.8.1-2.6.
• [7] D. Stefanow and P. A. Dudzinski, “Soil shear strength determination methods. State of the art”, Soil & Tillage Research, vol. 208, art. no. 104881, pp. 1-15, 2021, doi: 10.1016/j.still.2020.104881.
• [8] J. Hendrick and W. Gill, “Soil reaction to high speed cutting”, Trans. ASAE, vol. 16, no. 3, pp. 401-403, 1973.
• [9] D. Fredlund and H. Rahardjo, Soil Mechanics for Unsaturated Soils. John Wiley & Sons, 1993.
• [10] M. Omidvar, M. Iskander, and S. Bless, “Stress-strain behavior of sand at high strain rates”, International Journal of Impact Engineering, vol. 49, pp. 192-213, 2012, doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.03.004.
• [11] A. W. Bishop, “The measurement of pore pressure in triaxial test”, in Proceedings of the conference on pore pressure suction in soils. 1960, pp. 38-46.
• [12] D. Ho and D. Fredlund, “Strain rates for unsaturated soil shear strength testing”, in Proceedings of the 7th Southeast Asian Geotechnical Conference, Hong Kong, vol. 1. Hong Kong, 1982, pp. 787-803.
• [13] PN-EN ISO 14688-2:2018-05 Rozpoznanie i badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania. Warszawa: PKN, 2018.
• [14] PN-EN ISO 17892-4:2017-01 Rozpoznanie i badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. Część 4: Badanie uziarnienia gruntów. Warszawa: PKN, 2017.
• [15] PN-B-04481:1988 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. Warszawa: Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości. Wydawnictwo Normalizacyjne „Alfa”, 1998.
• [16] PN-EN 13286-2:2010 Mieszanki niezwiązane i związane hydraulicznie. Część 2: Metody badań laboratoryjnych gęstości na sucho i zawartości wody. Zagęszczanie metodą Proktora. Warszawa: PKN, 2010.
• [17] PN-EN ISO 17892-10:2019-01 Rozpoznanie i badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. Część 10: Badania w aparacie bezpośredniego ścinania. Warszawa: PKN, 2019.
• [18] K. H. Head and R. J. Epps, Manual of soil laboratory testing. Volume 2: Permeability, Shear Strength and Compressibility tests, 3rd ed. Whittles Publishing, 2011.
• [19] PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne. Warszawa: PKN, 2008.
• [20] L. Wysokiński, Ocena stateczności skarp i zboczy. Zasady wyboru zabezpieczeń. Instrukcje, Wytyczne, Poradniki ITB, no. 424. Warszawa: ITB, 2011.
• [21] PN-S-02205:1998 Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania. Warszawa: PKN, 1998.
• [22] T. Zydroń and J. Dąbrowska, „The influence of moisture content on shear strength of cohesive soils from the landslide area around Gorlice”, AGH Journal of Mining and Geoengineering, vol. 36, no. 2, pp. 309-317, 2012.
• [23] E. Zawisza and T. Zydroń, „Badania wpływu zagęszczenia i wilgotności na wytrzymałość na ścinanie popiołów lotnych”, in Materiały z XI Międzynarodoej Konferencji „Popioły z energetyki”. Zakopane, 2004, pp. 255-265.
• [24] A. Gruchot and M. Łojewska, „Wpływ zagęszczenia, wilgotności i prędkości ścinania na wytrzymałość na ścinanie mieszaniny popiołowo-żużlowej”, Acta Scientiarum Polonorum, Formatio Circumiectus, vol. 10, no. 3, pp. 31-38, 2011.
• [25] A. Gruchot and E. Resiuła, „Wpływ zagęszczenia i nawodnienia na wytrzymałość na ścinanie mieszaniny popiołowo-żużlowej i stateczność wykonanego z niej nasypu”, Górnictwo i Geoinżynieria, vol. 2, pp. 257-264, 2011.
• [26] D. Li, K. Yin, T. Glade, and C. Leo, “Effect of over-consolidation and shear rate on the residual strength of soils of silty sand in the Three Gorges Reservoir”, Scientific Reports, vol. 7, art. no. 5503, pp. 1-11, 2017, doi: 10.1038/s41598-017-05749-4.
• [27] M. Beren, I. Çobanoglu, S. B. Çelik, and Ö. Ündül, “Shear rate effect on strength characteristics of sandy soils”, Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. 57, no. 4, pp. 281-287, 2020, doi: 10.1007/s11204-020-09667-y.
• [28] R. Radaszewski and K. Stefaniak, „Problem wyznaczania wytrzymałości na ścinanie gruntów przejściowych”, Przegląd Geologiczny, vol. 65, no. 10/2, pp. 864-872, 2017.
• [29] J. T. DeJong, R. A. Jaeger, R.W. Boulanger, M. F. Randolph, and D. A. J.Wahl, “Variable penetration rate cone testing for characterization of intermediate soils”, in Geotechnical and Geophysical Site Characterization 4, R. Coutinho and P. Mayne, Eds. London: Taylor & Francis Group, 2013, pp. 25-42.
• [30] A. Gruchot and T. Zydroń, “Shear strength of industrial wastes and their mixtures and stability of embankments made of these materials”, Applied Science, vol. 10, no. 1, art. no. 250, 2020, doi: 10.3390/app10010250.