Charakterystyka kształtu cząstek drobnoziarnistych gruntów niespoistych i jej znaczenie w ocenie wytrzymałości

• Autorzy: Parylak K.

Warianty tytułu

EN

Charakteristic of particles shape of fine - graded cohesionless soils and its significance in strength assessment

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W spotykanych w literaturze studiach i badaniach kształtu i nieregularności nie przedstawiono dotychczas propozycji liczbowego wyrażenia cech geometrycznej struktury cząstek jednoparametrowym wskaźnikiem. W opisach używane są ogólne i subiektywnie wprowadzone określenia, jak np. cząstki kuliste, wydłużone, płaskie lub zaokrąglone, dobrze zaokrąglone, nieregularne. W ocenach szorstkości powierzchni - gładkie lub chropowate. Trochę dokładniejszym sposobem są opracowane przez Krumbeina wzorcowe tablice kształtów i zaokrąglenia powierzchni. Stąd wielu autorów podkreśla potrzeby badań w tym kierunku (Bell i inni, 1987; Homand - Etienne i inni, 1989). Badania ostatniego dziesięciolecia to rozwój zagadnień wymiaru fraktalnego, który daje możliwości dokładnego, ale skomplikowanego pomiaru nierówności powierzchni. W niniejszej pracy wykonano badania stopnia kulistości, stopnia zaokrąglenia naroży, ostrokrawędzistości cząstek i szorstkości. Pomiary cech kształtu wykonano na mikroskopowych zdjęciach o 300- i 700-krotnym powiększeniu. Szorstkość powierzchni określono zaproponowanym przez autora sposobem pomiaru wskaźnikiem - Ia (wzór 9). Wprowadzono wskaźnik nieregularności kształtów cząstek dzetaocI i dzetasocII uzyskane z obliczonych średnich wartości wymienionych cech. Wykazano, że stosowane w dalszych interpretacjach wartości wskaźnika dzetaocII zmieniają się od 1,0 dla kulek szklanych do 0,58 dla nieregularnych cząstek popiołów. Badania zagęszczalności i wytrzymałości na ścianie wykonano na 4 suchych gruntach o jednakowym uziarnieniu, zbliżonym składzie mineralnym i zróżnicowanej powierzchni. Różnice emax i emin powodowane nieregularnością i szorstkością cząstek jednakowo uziarnionych gruntów wynosiły 12% i 14% (rys. 15). Wykazano także, że zmienność dzetasocII o 0,42 przy wskaźniku zagęszczenia 0,65 powoduje zmianę stopnia zagęszczenia o 0,95. Różnice te powodowane były nierównościami powierzchni cząstek, utrudniającymi ich wzajemne przemieszczanie. Badania wytrzymałości na ścianie każdego gruntu wykonano w aparacie trójosiowego ściskania w zakresie naprężeń sigma3 1 - 200 kPa w dwóch seriach. W pierwszej, wszystkie próbki zagęszczono do jednakowej porowatości początkowej. W drugiej serii badano je w stanie luźnym, tj. o jednakowym wskaźniku zagęszczenia Id = 0,03 - 0,06. Kąty tarcia interpretowano metodą stycznych do obwiedni kół Mohra (tabl.19) i metodą uśrednionej wartości kąta phi s określonej wzorem Maksimovica (tabl. 20). Zmienność uśrednionej wartości kąta tarcia wewnętrznego phi s powodowana kształtem i nieregularnością powierzchni cząstek dla zakresu naprężeń sigma3 = 0 - 3-kPa przy wskaźniku porowatości 0,65 wynosiła 10,1 stopni Celsjusza, a w stanie luźnym 8,7 stopni Celsjusza. W tym drugim przypadku uzyskane wyniki odpowiadają wytrzymałości na ścianie w warunkach stanu krytycznego. Przyrosty wartości kąta tarcia są efektem obrotowego przemieszczania się cząstek, które w stanie krytycznym nie powinno mieć miejsca. Powoduje to zahaczanie się występów nierówności cząstek, co wymusza ruchy obrotowe. Krzywizny obwiedni Mohra są wynikiem efektu mniejszej ilości kontaktów międzycząstkowych, co powodowane jest zróżnicowaniem kształtów i nierówności powierzchni. Podawane w literaturze różnice kątów tarcia dla szacowanych nieregularności cząstek nie przekraczają 9 stopni Celsjusza. Badania wykazały, że różnica ta jest wyraźnie większa i zależna od wartości składowej naprężeń normalnych. Próbki o jednakowej porowatości badano także na rozrywanie. Uzyskane wyniki potwierdziły małe wytrzymałości na rozrywanie, które w popiołach dały odciętą spójności 4 kPa, a w gruncie o niższej nieregularności cząstek (pył piaszczysty z Granicznej) - 3 kPa. Przedstawione zagadnienia mają duże znaczenie praktyczne (p. 9), a liczbowe określenie stopnia nieregularności cząstek umożliwi kwalifikację przydatności gruntów w różnych zagadnieniach geotechniki.

EN

In investigations of particles shapes, degree of angularity and roundness presented in many papers, there is no proposition of these parameters determination by single index. In practical tests only visuals and general qualification like: sphere, bulkly, flakey and elongated are used to define these parameters. Surfaces of particles are also described by such visual names as: rounded, well rounded, angular, or subangular. More exact are standard charts, describing degree of sphericity and roundness of particles, which were introduced by Rittenhouse's and Krumbein's in 1941. The roughness of surfaces is also defined visually, and described as smooth or rough. That is why many authors claim that there is necessity of making tests in this direction (Bell and all., 1989; Homand - Etienne and all., 1989). In last years fractal dimension problems were investigated, which has resulted in more exact, but complicated measurement methods of surfaces unevenness has allowed to develope. Degrees of sphericities, roundness, angularity and roughness of particles were analyzed in this paper. Sphericity, roundness and angularity were tested with Wadell,s and Lees'es methods (Lees 1964). Roughness of particles and aspherity index were determined methods proposed by the author (formula 9). These parameters of particles were determined on the base of microscopy photographs made by 300 and 700 x magnification. Total index of shapes and angularity of particles surface dzetaocI and dzetaocII were introduced (formulas 11, and 12). These indexes were next used for interpretations of the tests. Values dzetaocII obtained for tested materials varied from 1,0 glass ballotini to 0,58 for irregular fly ash particles. The compatibility and shear tests were carried out on four oven dry sandy - silt mixture materials which have very similar mineralogical composition, the same grain size distribution, and mostly different shapes and surfaces. Extreme differences between values for tested soils reached 12% for emax and 14% by emin which was evoked by different smothness of particles (fig. 15). These have proved, that extrema difference between dzetasocII values is 0,42 caused much grater difference (0,95) extreme Dr values. These differences were caused by smoothness of particles surfaces, which make difficult they rearrangement. Shear strength tests in triaxial apparatus in stress range from 1 kPa to 200 kPa, were performed. They were carried out in two main series i.e. by the same initial porosity, and in the same initial relative density. The angles of internal friction were interpreted by lines tangent to Mohr's envelope. They were determined by formulas of median angels proposed by Maksimovic (tab. 19, 20). Variability of median angles of internal friction tested in stress range 0-300 kPa, is caused by changes of shapes and surfaces described by dzetasocII, which varied from 1,0 to 0,58, and by constant void ratio 0,65 was 10,1celsius. The results obtained from tests in loose state (relative density Dr = 0,03), gave phi s different about 8,7 celsius. In the second case results are near or equal of angles in critical state phi cv. Increase of angle of internal friction in critical state versus decreasing dzetaocII index are caused by rotational rearrangement of particles, which theoretically should not be observed in this state. It is caused by grate hooking of particle projections, which caused volumetric changes in plane shearing. Obtained curvatures of Mohr's envelope are caused mainly by differences of confining pressure sigma 3", which influenced compaction and number of onterparticle contacts in samples. The bigger curvatures were observed in soils, which index dzetaocII was smaller, and increasing number of interparticle contacts in sample was greater when angularity of particles was bigger. As we can see in geotechnical papers differences of internal shearing angle involved by angularity differences, roundness and particles are generally smaller than 9 celsius. These tests have shown bigger influence of particles angularity on shear strenght parameters. Samples with the same initial porosity were also tested on tension in specially constructed cylinder (fig. 28). Obtained results have proved that in soils with angular particles interlocking. In tested fly ash cohesion intercept is 4 kPa, and in silty - sand mixture from Graniczna - 3kPa. Analyzed problems have very important practical meaning in many geotechnical cases. Some of the most important are: stability of compactibility, compressibility, permeability, skid resistance of road surfaces, transportation of particles by wind and water etc.

Słowa kluczowe

PL

cząstki drobnoziarniste; grunty niespoiste; tablice Krumbeina; geotechnika

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Budownictwo / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2000
• Tom: z. 90
• Strony: 3--130
• Opis fizyczny: bibliogr. 137 poz.

Twórcy

autor

Parylak K.