Storskaliga skjuvförsök på grovkornig jord
Studier på finkorniga jordar har gjorts i åratal och de mekaniska egenskaperna är relativt välkända vid det här laget. Då just finkoriga jordars egenskaper ofta är den bakomliggande faktorn för stabilitetsproblem som sättningar, skred och ras lämpar det sig att göra tester på just dessa. De är dessutom enkla att utföra laborationer på då metoderna som används är väl beprövade. Att undersöka grovkorniga jordars mekaniska egenskaper är dock inte lika vanligt, dels för att det finns väldigt få apparater konstruerade för detta ändamål och dels för att arbetsbördan blir många gånger större. I Sverige är jordarten morän vanligast förekommande och den består av en blandning av stora och små partiklar. I dagsläget siktas en finare fraktion fram ut ett grovkornigt material som senare används för hållfasthetsbestämning. Huruvida dessa värden är representativa för en grovkornig jordart är i dagsläget oklart. Vid Luleå tekniska universitet har en storskalig skjuvapparat tagits fram, Gigaskjuv, vilken kan testa jordmaterial i sin helhet. Detta öppnar upp för möjligheter att undersöka hur stor inverkan de större partiklarna har för hållfastheten för en månggraderad jord som till exempel morän. Apparaten är en direkt skjuvapparat som skalats upp vilken klarar av provkroppar med 64 cm i diameter. Studiens fokus ligger på beräkning och jämförelse av friktionsvinklar. Mohr-Coulombs brotteori förklaras i teorikapitlet och ligger till grund för friktionsvinklarnas bestämning. Hållfasthet för jord, fenomenen dilatans och kontraktans samt morän som jordmaterial behandlas även de under teorikapitlet. Maskinen, Gigaskjuv, har utvärderats i ett tidigare examensarbete, grovkorniga jordars mekaniska egenskaper ? laboratorietester med storskalig skjuvapparat, där en av slutsatserna var att en jämförande studie mellan befintliga metoder och Gigaskjuv är nödvändig för att avgöra eventuella skaleffekter i utrustningen. Grunden till detta var att friktionsvinklarna, en hållfasthetsparameter, för de jordar som testades var ovanligt låga. Därför har en blandjord ifrån E.ONs damm i Edensforsen undersökts i en rad olika serier. Först testades materialet i sin helhet utan att packas i Gigaskjuv, serie 1. Friktionsvinkeln beräknades därefter till 19,4°. Serie 2 utfördes på en packad provkropp och friktionsvinkeln blev då 20,5°. Provkroppen för serie 3 och 4 bestod av finandelen av materialet och togs fram genom att alla partiklar som var större än 5 mm siktades bort. Detta gjordes för att dels kunna undersöka de grövre partiklarnas inverkan på friktionsvinkeln och dels för att få liknande förhållanden mellan Gigaskjuv och den vanliga direkta skjuvapparaten. Friktionsvinklar för serie 3 och 4 bestämdes till 20,6° respektive 21,2°. Alla dessa värden var betydligt lägre än de som beskrivs i litteraturen där en morän normal sägs ha en friktionsvinkel på 35°-45° beroende på packningsgrad. Visserligen kan materialet visa på lägre värden som beror på partiklarnas mikrostruktur, det vill säga att moränen helt enkelt är av ett lägre hållfast slag på grund av partiklarnas karaktär och eventuellt avrundade form. Serie 5 utfördes på samma finandel av materialet men i den beprövade direkta skjuvapparaten som vanligen används för bestämning av hållfastegenskaper. Detta gjordes för att få ett referensvärde att jämföra med. Friktionsvinkeln för serie 5 beräknades till 25,0° vilket i sig visar på att materialet i studien kan vara av ett mindre hållfast slag. Detta betydde dock att Gigaskjuv visade lägre värden än vad den bör göra. Syftet med studien var bland annat att utreda eventuella skaleffekter som kan inverka på resultatet. En av dessa antogs ha att göra med höjd-/diameterförhållandet som var olika mellan de båda försöksapparaterna. I den direkta skjuvapparaten var förhållandet ungefär ¼ och för Gigaskjuv är samma förhållande närmare 1/1. För att undersöka antagandet om att höjd-/diameterförhållandet påverkar resultatet kortades gummimembranet i Gigaskjuv ned i serie 6 till ett förhållande motsvarande ½. Materialets finandel testades fortfarande för att kunna relateras till serie 5. Friktionsvinkeln kunde nu beräknad till 23,1°. För att ytterligare undersöka provhöjdens inverkan kortades membranet ned till ett höjd- /diameterförhållande liknandes det för den direkta skjuvapparaten det vill säga 1/4. Det lägsta membranet testades i serie 7 som bestod av finandelen av blandjorden och friktionsvinkeln kunde bestämmas till 25,8°. Resultatet är jämförbart med det i serie 5 från den vanliga direkta skjuvapparaten. Detta innebar att höjden hade en viss inverkan på resultatet. Då problemet med höjden åtgärdats kunde moränen testas i sin helhet för att undersöka de grova partiklarnas inverkan på hållfastheten. Serie 8 gjordes därför med det minsta membranet och friktionsvinkeln bestämdes till 28,0°. Vid analys av data från serie 8 upptäcktes att skjuvkraften i det lägre spänningsintervallet uppträtt avvikande. Orsaken kan ha varit att gummimembranet tog upp en del av den axiella kraften på grund av dess fastspänning i toppstämpeln. I serie 9 testades samma provkropp därför utan att spännas fast i överkant. Resultatet visade på bättre värden för skjuvkraften i de låga spänningsintervallet och friktionsvinkeln bestämdes till 29,1°. Serie 10 utfördes för att se hur friktionsvinkeln påverkades om man blandade in en större andel sten i moränen. Toppstämpeln spändes ej fast och det låga membranet användes vilket gav en friktionsvinkel på 30,8°. Detta resultat bör ej representera materialet då det tillförts grovt material. Dock kan det ses som en anvisning på hur stor inverkan de grova partiklarna har för skjuvhållfastheten. Större delen av testerna gjordes därmed för att få bukt med skaleffekter hos Gigaskjuv och endast serie 9 och 10 kan anses visa hur mycket de grövre partiklarna i en jord påverkar hållfastheten. Med den direkta skjuvapparatens resultat som referens ökade friktionsvinkeln med cirka 4°-6° då materialet testades med grövre fraktioner i serie 9 och 10. Att andelen grövre material har inverkan på hållfastheten råder det därmed inget tvivel på. Olika spänningsintervall har även undersökts med avseende på friktionsvinklar.