Ако в свързана почва изрежем цилиндър и го поставим под действие на нормално налягане P (сл. 1), в цилиндъра ще се появят нови напрежения, а именно вертикално напрежение на натиск σ и хоризонтално напрежение на срязване . Ако налягането P постепенно увеличаваме, след известно време върху цилиндъра ще се появят коси пукнатини, а непосредствено след това ще настъпи разрушаване на цилиндъра. В момента на разрушаване цилиндърът е срязан под действието на налягането P по равнината на най-малко съпротивление N-N.
Сл. 1. Действието на налягането върху цилиндър, изваден от кохерентна почва
Съпротивлението на почвата, което валякът е оказал срещу действието на силата P в момента на разрушаване, се нарича срязващо съпротивление на почвата, а ъгълът α на наклона на равнината на най-малко съпротивление спрямо хоризонталата се нарича ъгъл на равнината на най-малкото срязващо съпротивление на почвата.
Съпротивлението на срязване на свързаната почва се състои от два елементарни съпротивления: вътрешно триене между твърдите частици и кохезията, която свързва твърдите частици. Приема се, че якостта на срязване на почвата е равна на най-голямото срязващо напрежение в момента на разрушаване и се изразява с уравнението
τf = c + σ tg_φ_
където: τf е якостта на срязване на почвата [kp/cm2],
c кохезия на почвата [kp/cm3],
σ нормално напрежение на почвата [kp/cm3],
φ ъгъл на вътрешното триене на почвата.
Горната формула е дадена от французина Coulomb 1785. г. Според тази формула за дадена почва кохезията c е постоянна и независима от нормалното налягане, докато съпротивлението на триене σ tg_ϕ_ е точно пропорционално на напрежението σ. В действителност кохезията e не е постоянна за дадена почва, а и тя до известна степен зависи от нормалното напрежение σ, защото под действието на това налягане се намалява дебелината на водния филм, който обгръща твърдите частици, и така кохезията се увеличава. Формулата на Coulomb важи за пропускливи почви, в които под действието на нормалното налягане водата от порите се изтласква без съпротивление, което е случаят при чакълести и песъчливи почви, но не и при свързаните почви, които са малко пропускливи, поради което водата от порите трудно се изтласква и остава като напрегната порова вода под действието на натоварването P.
Ефективни и неутрални напрежения в почвата
Фиг. 2. Ефективно и неутрално напрежение в почвата
Ако на дъното на съда поставим проба от почва, например сух пясък, и я натоварваме с някаква маса, например оловни сачми с тегло W, цялото натоварване от това тегло ще бъде поето от твърдите частици на почвата. Специфичното налягане върху повърхността на пробата p0 = W/A в kp/cm3, където A е площта на напречното сечение на пробата, ще предизвика слягане на пробата, т.е. намаляване на нейната порьозност, но ще предизвика също и промени на други физични свойства на пробата, като увеличаване на якостта на срязване, увеличаване на модула на свиваемост и други. Налягането, което властва на допирните повърхности между частиците, се нарича ефективно или междузърнесто налягане σ’. Когато се постигне консолидация, т.е. когато пробата престане да се сляга под натоварване p0, ефективното налягане е равно на общото специфично налягане, което властва на дълбочината, на която се разглежда почвата. В този случай на дълбочина под повърхността на пробата на фиг. 2 σ’ = W/A + hzγ където γ е обемното тегло на пробата.
Но ако пробата в съда натоварим вместо с оловен шрот с вода до височина h, така че тя да е изпълнила всички пори на пробата, налягането на водния стълб над пробата hγw, където γw е обемното тегло на водата, няма да причини слягане на пробата и намаляване на нейната порьозност, нито ще увеличи нейната якост на срязване и модул на свиваемост. Поради това хидростатичното налягане hγw се нарича неутрално налягане. Неутралното налягане, което се означава с u, се предава през пробата във всички посоки с еднакъв интензитет. Това налягане няма да причини увеличение на якостта на срязване, защото водата сама по себе си няма никаква якост на срязване.
Следователно ефективното налягане σ’ се предава чрез контактните повърхности между твърдите частици на почвата, а неутралното налягане u се предава през водата в порите. Ако долната част на съда е запълнена с наситена проба почва, чиято обемна тежест е γz, а над повърхността на пробата до нивото N съдът е запълнен с вода, чиято обемна тежест е γw, тогава общото налягане σ във всяка точка на пробата ще бъде σ = σ’ + u.
На дълбочина hz, под повърхността на пробата, ефективното налягане ще бъде σ = σ’ - u
където σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Следователно ще бъде σ’ = hz γ’
γ’ е обемното тегло на потопената в вода почва.
Общо уравнение за якостта на срязване на почвата
Ако натоварим свързана почва с натоварване P, това натоварване ще предизвика слягане на почвата и най-напред под неговото действие ще бъде изтласкан въздухът от порите, така че скоро в порите ще остане само вода. Понеже поради малката водопропускливост на свързаната почва водата не може веднага да бъде изтласкана, тя остава като напрегната вода в порите и в началото поема цялото външно натоварване P. В по-нататъшния ход на времето, под действието на натоварването P започва да се изтласква водата от порите и настъпва сближаване на твърдите частици, които вече поемат една част от натоварването P. Тогава имаме τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ където σ е общото налягане от натоварването P, u е налягането на поровата вода.
Налягането на поровата вода u зависи от повече фактори, като например времевия ход на консолидацията, водопропускливостта на почвата, големината на натоварването на почвата и т.н. Якостта на срязване на почвата зависи от налягането на поровата вода и тя е най-голяма за u=0, когато настъпва консолидация на почвата.
Колоидна активност на почвата
Елементите на вътрешното съпротивление на почвата кохезия и триене могат да бъдат различни и в голяма степен зависят от едрина на твърдите частици на почвата и от нейните пластични свойства. С цел да се определи влиянието на кохезията спрямо съпротивлението на вътрешното триене на свързана почва, Скептън въведе понятието колоидна активност на почвата _K_P, която е представена чрез отношението на индекса на пластичност IP към количеството частици, по-малки от 0,002 mm, в % от теглото на цялата маса. При това е приет следният критерий (фиг. 3):
Фиг. 3. Колоидната активност на почвата
За KP < 0,75 са неактивни глините,
за KP = 0,75 – 1,25 са нормални глини,
за Kp > 1,25 на активните глини.
С увеличаването на KP нараства влиянието на кохезията спрямо вътрешното триене на кохерентната почва.
Чувствителност на почвата
Ако в свързана почва извадим цилиндър с диаметър 3—3,4 cm и височина ~ 5 cm и го натоварим с нормално натоварване, в момента на разрушаване на цилиндъра ще получим якостта на натиск на почвата в ненарушено състояние σ__ₙ:
σn = P/A в kp/cm2,
където A е напречното сечение на цилиндъра.
След завършване на опита счупеният образец се премества и отново се изработва цилиндър със същите размери, с помощта на същия цилиндър-форма, като влажността му остане тази, която е била при предишния опит. След това веднага след изработването на прегнетения цилиндър опитът с него се повтаря, така че да се получи якостта на натиск на почвата в нарушено състояние σ__ₚ.
Чувствителност (сензитивитет) S__ₜ е отношението на якостта на натиск в ненарушено към якостта на натиск в нарушено състояние: St = σn/σp,
Според един критерий чувствителността S__ₜ се оценява по следния начин:
- за S__ₜ = 1 — 2 е малка чувствителност на глината,
- за S__ₜ = 2 — 4 е средна чувствителност на глината,
- за S__ₜ = 4 — 8 е голяма чувствителност на глината,
- за S__ₜ > 8 е чувствителна глина.
В природата се случва така, че вследствие на механично въздействие, например земетресение, глинестата почва внезапно губи своята якост, която след това в състояние на покой отново възвръща. Това свойство се нарича тиксотропия на почвата. Много глини до известна степен имат тиксотропни свойства. Известни са случаи на свличане на откосите на изкопи вследствие на изтичане на тиксотропна глина в Норвегия, Швеция и Финландия, където чрез изследване е установено, че по време на този процес не е имало промяна на влажността на глината, т.е. влажността на глината е била постоянна преди и след изтичането.