Jednoosá pevnost v tlaku

Zkouška pevnosti v tlaku prováděná na bentonitových prefabrikátech je speciální zkouškou. Pro zkoušení prefabrikátů slisovaných na vysokou objemovou hmotnost neexistuje příslušná norma. Lze použít normu pro zeminy ČSN 72 1025 Stanovení pevnosti jemnozrnných zemin v prostém tlaku nebo ČSN 72 1163 Stanovení pevnosti v tlaku přírodního stavebního kamene (tato norma je od ledna 2000 nahrazena evropskou normou ČSN EN 1926 Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení pevnosti v tlaku).

Popis zkoušky

Zkušební vzorky:

• bentonitové krychle o hraně 50 mm, r = 1900 kg/m³ (viz též příprava vzorku)
• rotační válce o průměru 38 mm a výšce 76 mm, r = 1900 kg/m³ (viz též příprava vzorku)
• dříve krychle sestavené z 2 ks bentonitových tvárnic o rozměrech 100 x 100 x 35 mm r = 1900 - 2000 kg/m³ (viz též příprava vzorku)

Zkušební přístroj: zatěžovací lis (s možností automatické řízení zkoušky) v kombinaci s počítačem vybaveným softwarem WINTRH 2.0.

Zkušební vzorek je nejprve zvážen a jsou změřeny jeho rozměry. Z těchto hodnot se vypočítá objemová hmotnost vzorku. Vzorek je umístěn do zatěžovacího zařízení tak, aby síla působila osově. Je zatěžován svisle, měří se přetvoření vzorku v závislosti na rostoucím zatížení a průběh síly v čase.

Průběh zkoušky lze definovat sadou vstupních parametrů. Některé parametry zkoušky mohou být řízenou veličinou, tzn. je možné zadat požadované hodnoty. Řízenou veličinou může být poloha, síla, deformace, prodloužení a relativní prodloužení.

Zkoušky jsou prováděny v sériích po 6 vzorcích. Série se od sebe liší materiálem pro přípravu vzorků, vlhkostí a také tím, zda vzorek prošel před zkouškou tepelným zatížením. V každé sérii jsou 3 vzorky zatěžovány ve směru hutnění (aplikovaného při výrobě prefabrikátů) a zbývající 3 kolmo na směr hutnění.Vzorek je zatěžován až do porušení. U porušeného vzorku je stanovena vlhkost, která slouží pro výpočet objemové hmotnosti vysušené zeminy r_d a váhové vlhkosti w.

V průběhu zkoušky je možné sledovat a zaznamenávat čas, přírostek působící síly (resp. napětí) a deformaci.

Výsledkem zkoušky je hodnota jednoosé pevnosti v tlaku R [MPa] a hodnota modulu deformace E_def [MPa].

V protokolu o zkoušce se uvádí:

• fyzikální parametry: vlhkost, objemová hmotnost
• údaje o druhu, přípravě a rozměrech zkoušeného vzorku
• údaje o rychlosti a způsobu zatěžování
• údaje o způsobu porušení
• graf znázorňující závislost napětí (svislá osa) na poměrné svislé deformaci (vodorovná osa).

Smyková pevnost

Smyková pevnost se stanovuje v krabicovém přístroji podle ČSN 72 1030 Laboratorní metody stanovení smykové pevnosti zemin krabicovým přístrojem. Tato norma se vztahuje na všechny druhy zemin, kromě štěrkovitých, s původní nebo změněnou strukturou a určuje způsoby stanovení vrcholové a reziduální smykové pevnosti zemin na konsolidovaných a odvodněných zkušebních vzorcích s plochou průřezu od 28 do 150 cm² (s výjimkou stanovení dlouhodobé smykové pevnosti).

První rovnici smykové pevnosti zemin, jejíž základní podoba platí doposud, uvedl v roce 1773 Coulomb:

t - tangencielní napětí na smykové ploše - smyková pevnost [kPa]
s - normálné napětí působící kolmo na smykovou plochu [kPa]
c - soudržnost zeminy [kPa]
j - úhel vnitřního tření zeminy [°]

Je zřejmé, že pevnost zeminy ve smyku závisí na vlastnostech zeminy charakterizovaných hodnotami c a j (t.zv. parametry smykové pevnosti zeminy) a velikosti normálného napětí působícího na smykové ploše. Vztah vyjadřuje rovnici přímky. Na základě toho, zda se jedná o zkoušku odvodněnou či neodvodněnou, rozlišujeme

a) totální parametry smykové pevnosti j_u, c_u - zkouška neodvodněná

a) efektivní parametry smykové pevnosti j_ef, c_ef - zkouška odvodněná

kde u je pórový tlak.

Pod pojmem pevnosti zemin se většinou rozumí maximální vrcholová pevnost t_f. U zemin - pokud nedojde k plastickému přetváření - po dosažení max. pevnosti odpor zeminy proti smykání klesá až dojde k ustálení odporu zeminy. Tento ustálený odpor nazýváme reziduální (zbytková) pevnost t_r. Obecně se vrcholová pevnost přisuzuje struktuře všesměrné nebo částečně ovlivněné podmínkami sedimentace, zatímco reziduální pevnost odpovídá odporu vysoce orientované struktury.

Při krabicové smykové zkoušce je zkušební vzorek namáhán v krabicovém přístroji rostoucím smykovým napětím t za konstantního normálného napětí s.

Normálové napětí je rovnoměrné zatížení, které vyvozuje smykový přístroj na zkušební vzorek ve směru normály ke smykové rovině předurčené přístrojem.

Smykové napětí je rovnoměrné zatížení, které vyvozuje smykový přístroj na zkušební vzorek v rovině rovnoběžné se smykovou rovinou, předurčenou přístrojem.

Popis zkoušky

Zkušební vzorky: mají čtvercový průřez o velikosti 84 x 84 mm (viz též příprava vzorku). Jejich výška nesmí být větší než 0,25 jejich příčného rozměru (21 mm) a po konsolidaci nesmí být menší než 0,10 jeho příčného rozměru (8,4 mm). U jílů se doporučuje používat zkušební vzorky s nejmenší výškou. Zkušební vzorky nesmí obsahovat nepřípustně hrubá zrna, ovlivňující výsledky zkoušek. Za nepřípustně hrubé zrno se považuje částice zeminy velikosti 0,1 výšky zkušebního vzorku a větší (2,1 mm).

sada smykových krabic ve smykovém přístroji

porušený vzorek po zkoušce

Zkušební vzorek se zatíží stálým normálovým napětím. Po konsolidaci vzorku se vnáší plynule vzrůstající smykové zatížení při konstantní rychlosti smykového posunutí. Zkouška je ukončena usmyknutím vzorku.

Rozhodujícími podmínkami zkoušky jsou doba konsolidace a rychlost smykového zatěžování. Musí být přizpůsobeny výšce zkušebního vzorku a vlastnostem zkoušené zeminy takovým způsobem, aby tlak vody v pórech zeminy neovlivňoval redukcí efektivního normálového napětí měřený odpor proti usmyknutí po celou dobu smykání.

Každá zkouška je prováděna pro 4 zkušební krabice, pro normálná napětí 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa a 200 kPa. Po vyvození normálného zatížení je zkušební vzorek zatěžován smykovou silou. Zkušební vzorek je zatěžován, dokud smykové posunutí nedosáhne hodnoty 0,1 jeho příčného rozměru, tj. ca 8,5 mm.

V průběhu smykání je automaticky pomocí měřicí ústředny zaznamenávána velikost smykové síly a posunu. Z těchto hodnot je zjištěna závislost smykového napětí t na posunu krabice l pro čtyři různá normálová napětí. Sestrojí se graf nárůstu smykové pevnosti v závislosti na posunu krabice. Na vodorovné ose je vynesen současně posun krabic i normálné napětí a na svislé ose je ve stejném měřítku vynesena smyková pevnost vrcholová zkušebního vzorku. Pokud z průběhu smykového napětí není patrna vrcholová pevnost, neboť křivka má vzestupný charakter bez výrazného vrcholu, je jako vrcholová pevnost uvažována hodnota, která odpovídá smykovému posunu, který je roven 0,1 příčného rozměru vzorku, t.j. 8,5 mm. Vrcholové smykové pevnosti pro všechny 4 krabice se proloží přímkou a jsou odečteny parametry smykové pevnosti – úhel vnitřního tření a soudržnost.

Pevnost ve střihu

Pro zjišťování pevnosti ve střihu neexistuje příslušná norma, zkoušky jsou prováděny podle „Směrnice pro provádění střihových zkoušek hornin v hornictví“.

Pevnost hornin ve střihu je tangenciální síla vztažená na velikost střihové plochy – plochy porušení. Poloha střihové plochy je předem dána konstrukcí zkušebního zařízení, její velikost je dána příslušnými rozměry vzorku i zkušebního zařízení.

Popis zkoušky

Zkušební vzorky:

• prefabrikáty 100 x 100 x 100 mm (viz též příprava vzorku)
• dříve používáno z 2 ks tvárnic 100 x 100 x 50 (viz též příprava vzorku)

porušený vzorek

Střihová pevnost je zkoušena v zařízení, které lze vložit do lisu, jehož síla postačí k porušení zkušebního prefabrikátu. Ke zkušebnímu zařízení náleží: šikmé matrice, 2 páry dřevěných klínů s úhlem 15° a 9°, podložní desky a ploché válečkové ložisko. Zkušební prefabrikát je umístěn do matric a celek je vložen mezi zatěžovací desky lisu. Na horní matrici se ukládá válečkové ložisko, aby byl umožněn vzájemný pohyb matric. Rychlost nárůstu zatěžovací síly F se volí tak, aby poměr této síly a střihové plochy činil 0,5 – 1 MPa/s. Tuto rychlost je třeba udržovat po celou dobu zkoušky. Při zkoušce dochází k porušení tangenciální silou (střihem), doprovázenou silou normální. Obě síly působí jako složky jediné zatěžující síly, jež je skloněna pod určitým úhlem ke střihové ploše vzorku. Valivý odpor ložiska lze zanedbat.

Pro zkoušky jsou k dispozici matrice se sklonem 45° a 2 páry klínů s úhlem 9° a 15°. Úhel lze tedy volit 30°, 36°, 45° nebo 60°. Pro každý úhel se zkouší vždy 3 prefabrikáty.

Pevnost v tahu za ohybu

Pro stanovení pevnosti bentonitu v tahu za ohybu byla použita metoda používaná pro horniny podle oborové normy ON 44 1114 Stanovení pevnosti hornin v tahu za ohybu.

Zkušební vzorky: trámky 40 x 40 x 200 mm (ve staré formě 25 x 25 x 100 mm - neodpovídá ON 44 1110, dodržen pouze předepsaný poměr stran) - viz též příprava vzorku. Nejmenší rozměr zkušebního tělesa musí být alespoň 10 násobkem rozměru největšího zrna. Povrch zkušebních těles musí být přesně opracován. Technologie přípravy zkušebních vzorků musí zajišťovat dodržení tolerancí tvaru a rozměrů podle ustanovení ON 44 1110 (Zkoušení fyzikálních vlastností hornin - Základní ustanovení). Rozměry příčného průřezu tělesa se uvádí s přesností na 0,1 mm, délky tělesa s přesností na 1 mm. Fyzikální stav zkoušeného tělesa (vlhkost) se určuje na úlomcích vzorku. Zkušební vzorky se tvarují podle účelu zkoušky podle přirozených ploch odlučnosti. Zkoušky jsou prováděny v sériích po 6 vzorcích, 3 vzorky jsou zatěžovány ve směru lisování při výrobě prefabrikátu, 3 ve směru kolmém.

Popis zkoušky

Pevností hornin v tahu za ohybu R_pt0 se rozumí nejvyšší napětí v tažených vláknech, při kterém se zlomí zkušební těleso namáhané ohybem ve střední třetině vzdálenosti podpor. Pevnost v tahu za ohybu se udává v MPa. Podstatou zkoušky je zjištění největšího napětí potřebného k porušení zkušebního tělesa namáhaného jako prostý nosník dvěma břemeny ve třetinách osové vzdálenosti podpor.

porušený vzorek

rozdíl porušení vzorku zatíženého před zkouškou 24 hod. teplotou 200 °C a vzorku nezatíženého

Na ohybovém můstku lisu se nastaví opěrné i zatěžovací válečky. Zkušební trámek se umístí centricky na můstek tak, aby přesahoval na každém konci maximálně o 5% své délky přes podporu a musí se dotýkat opěrných i zatěžovacích válečků po celé šířce svého příčného průřezu. Síla se zvyšuje plynule a rovnoměrně až do porušení (zlomení) zkušebního tělesa. Rychlost zatěžování se volí v mezích od 0,01 MPa do 0,1 MPa za sekundu nebo tak, aby zkouška trvala přibližně 3-5 minut. Nejvyšší dosažená síla se zaznamená.Vzorek je před zkouškou zvážen a jsou změřeny jeho rozměry. Vypočítá se objemová hmotnost vzorku.Vzorek je podepřen jako prostý nosník a je zatěžován ve třetinách svého rozpětí. Měří se maximální dosažená síla při porušení vzorku. Vzorky jsou zkoušeny v sériích po třech. V každé sérii jsou 3 vzorky zatěžovány ve směru hutnění aplikovaného při výrobě prefabrikátů a zbývající 3 kolmo na směr hutnění. Po skončení zkoušky se odebere část vzorku, vysuší se při 105 až 110°C do ustálené hmotnosti a stanoví se vlhkost vzorku.

Výpočet pevnosti v tahu za ohybu se liší podle toho, ve kterém místě zkušebního tělesa dojde k porušení.

Pevnost v triaxiálním tlaku

Zkoušky pevnosti v triaxiálním (prostorovém) tlaku se rozdělují na zkoušky "pravé", kdy je na vzorek tvaru krychle vyvozován tlak ve třech různých směrech (s₁ > s₂ > s₃), a na častější „nepravé triaxiální zkoušky“ (z technologických důvodů), kdy je válcový vzorek zatížen komorovým tlakem a osovým zatížením (s₁ = s₂ = s₃ = s_komorové).

Princip zkoušky spočívá ve vyvození bočního (komorového) tlaku a současném zvyšování svislého zatížení na podstavy válcového vzorku až k jeho porušení. Vzorek přitom musí být chráněn proti vniknutí tlakového media (oleje).

Význam triaxiální zkoušky spočívá především v prostorovém zatížení vzorku, které lépe simuluje skutečné zatížení materiálu v přírodě, než klasické jednoosé zkoušky pevnosti. Další výhodou je, že konstrukce zkušebního zařízení nepředurčuje plochu porušení vzorku a tento se poruší právě v takové ploše, kde vnitřní struktura materiálu má nejmenší pevnost.

Popis zkoušky

Pro horninový triaxiál používaný v CEG platí norma "Dokument č. 7/1977 - Navrhované metody určování pevnosti hornin v triaxiálním tlaku“

Tzv. horninový triaxiál umožňuje měření pevnosti válcového vzorku v triaxiálním tlaku až do 60 MPa. Více zkoušek pak umožňuje sestrojení pevnostní obálky a následné vypočtení velikosti úhlu vnitřního tření j a soudržnosti c. Dle naznačeného dělení zkoušek se zkušební zařízení řadí mezi nepravé triaxiály.

horninový triaxiál v průběhu zkoušky

ochrana vzorku silikonem

vzorek v tlakové buňce před provedením zkoušky

různé porušení vzorků po zkoušce

Zkušební vzorky:  válečky (Ø 28 mm, výška 68 mm) -  viz též příprava vzorku. Průměr válce má přitom být minimálně desetkrát větší než největší zrno horniny. Vzorek je nutno až do zkoušky uchovávat při původní vlhkosti. Doporučuje se vyzkoušet minimálně 5 tělísek z jednoho horninového vzorku.

Vzorek se nejdříve opatří silikonovou membránou, která zabraňuje vniknutí hydraulické kapaliny (oleje), a poté se osadí do tlakové buňky. Hydraulickou kapalinou se na vzorek vyvodí boční (komorový) tlak s₃. Poté se zvyšuje osové zatížení rychlostí 0,5-1 MPa/s až do porušení vzorku.

Pevnost v tlaku s₁ se vypočte z maximální osové síly vztažené k ploše příčného řezu (s₁-s₃) a z komorového tlaku (s₃). Pevnostní obálka se vynáší graficky - na svislou osu se vynáší s₁, na vodorovnou s₃. Ze zkoušky jednoho vzorku se tak získá bod, obalová křivka vznikne vynesením několika zkoušek:

Z praktických důvodů se křivka nahrazuje lomenou čárou, příslušný úhel vnitřního tření j a „zdánlivá“ soudržnost c se pak spočítá pro dané úsečky (rozsahy tlaků). m,b - viz. graf