Ako u vezanom tlu izrežemo valjak i stavimo ga pod djelovanje normalnog pritiska P (sl. 1), u valjku će se pojaviti novi naponi, i to vertikalni napon pritiska σ i horizontalni napon smicanja . Ako pritisak P postepeno povećavamo, nakon izvjesnog vremena na valjku će se pojaviti kose pukotine, a odmah zatim nastat će lom valjka. U trenutku loma valjak je smaknut pod djelovanjem pritiska P, duž smičuće ravni najmanjeg otpora N-N.
Sl. 1. Djelovanje pritiska na valjak izvađen iz koherentnog tla
Otpor tla koji je valjak pružio protiv djelovanja sile P u trenutku loma naziva se otpor smicanja tla, a ugao α nagiba ravni najmanjeg otpora prema horizontali naziva se ugao ravni najmanjeg otpora smicanja tla.
Otpor smicanja vezanog tla sastoji se iz dva elementarna otpora: unutrašnjeg trenja između čvrstih čestica i kohezije koja vezuje čvrste čestice. Čvrstoća smicanja tla usvaja se da je jednaka najvećem naponu smicanja u trenutku loma i izražava se jednačinom
τf = c + σ tg_φ_
gdje je: τf čvrstoća smicanja tla [kp/cm2],
c kohezija zemljišta [kp/cm3],
σ normalno naprezanje tla [kp/cm3],
φ kut unutarnjeg trenja tla.
Gornji obrazac dao je Francuz Coulomb 1785. god. Prema ovom obrascu, za dato tlo je kohezija c konstantna i nezavisna od normalnog pritiska, dok je otpor trenja σ tg_ϕ_ upravo proporcionalan sa naponom σ. U stvarnosti kohezija e nije konstantna za dato tlo, već je i ona u izvjesnoj mjeri zavisna od normalnog napona σ, jer se pod dejstvom tog pritiska smanjuje debljina vodenog filma koji obavija čvrste čestice i time kohezija povećava. Coulombov obrazac važi za propustljiva tla, u kojima se pod dejstvom normalnog pritiska voda iz pora istiskuje bez otpora, što je slučaj šljunkovitog i pjeskovitog tla, ali nije slučaj vezanog tla, koje je malo propustljivo, zbog čega se voda iz pora teško istiskuje i zaostaje kao napregnuta porna voda pod dejstvom opterećenja P.
Efektivni i neutralni naponi u zemljištu
Slika 2. Efektivni i neutralni napon u tlu
Ako na dno suda stavimo uzorak tla, na primjer suvog pijeska, i opterećujemo ga nekom masom, na primjer olovnom sačmom težine W, cjelokupno opterećenje ove težine primiće čvrste čestice tla. Specifični pritisak na površinu uzorka p0 = W/A u kp/cm3, gdje je A površina presjeka uzorka, izazvaće slijeganje uzorka, tj. smanjenje njegove poroznosti, ali će takođe izazvati promjene i drugih fizičkih osobina uzorka kao što su povećanje čvrstoće smicanja, povećanje modula stišljivosti i druge. Pritisak koji vlada na dodirnim površinama između čestica zove se efektivni ili intergranularni pritisak σ’. Kada je postignuta konsolidacija tj. kada je uzorak prestao da se sleže pod opterećenjem p0, efektivni pritisak je jednak ukupnom specifičnom pritisku koji vlada na dubini u kojoj se tlo posmatra. U ovom slučaju je na dubini, ispod površine uzorka na sl. 2 σ’ = W/A + hzγ gdje je γ zapreminska težina uzorka.
Međutim, ako uzorak u sudu umjesto olovnom sačmom opteretimo vodom do visine h, s tim da je ona ispunila sve pore uzorka, pritisak vodenog stuba iznad uzorka hγw, gdje je γw zapreminska težina vode, neće prouzrokovati sleganje uzorka i smanjenje njegove poroznosti niti će povećati njegovu čvrstoću smicanja i modul stišljivosti. Zbog toga se hidrostatički pritisak hγw zove neutralni pritisak. Neutralni pritisak koji se označuje sa u prenosi se kroz uzorak u svim pravcima jednakim intenzitetom. Ovaj pritisak neće prouzrokovati povećanje čvrstoće smicanja, jer voda sama nema nikakvu čvrstoću smicanja.
Prema tome efektivni pritisak σ’ prenosi se preko dodirnih površina između čvrstih čestica tla, a neutralni pritisak u prenosi se kroz vodu u porama. Ako je donji dio suda ispunjen zasićenim uzorkom tla čija je zapreminska težina γz, a iznad površine uzorka do nivoa N je sud ispunjen vodom čija je zapreminska težina γw, onda će ukupan pritisak σ u ma kojoj tački uzorka biti σ = σ’ + u.
Na dubini hz, ispod površine uzorka efektivni pritisak će biti σ = σ’ - u
gdje je σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Stoga će biti σ’ \= hz γ’
γ’ je volumna težina tla potopljenog u vodi.
Opća jednadžba čvrstoće tla na smicanje
Ako vezano tlo opteretimo opterećenjem P, ovo opterećenje izazvaće slijeganje tla i najpre će pod njegovim dejstvom biti istisnut vazduh iz pora, tako da će uskoro u porama ostati samo voda. Pošto zbog male vodopropustljivosti vezanog tla voda ne može odmah da se istisne, to ona ostaje kao napregnuta voda u porama i u početku prima ukupno spoljno opterećenje P. U daljem vremenskom toku, pod dejstvom opterećenja P počinje da se istiskuje voda iz pora i nastaje zbližavanje čvrstih čestica, koje sada primaju jedan dio opterećenja P. Tada imamo τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ gdje je σ ukupan pritisak od opterećenja P, u pritisak porne vode.
Pritisak porne vode zavisi od više faktora, kao što su vremenski tok konsolidacije, propustljivost tla, veličina opterećenja tla itd. Čvrstoća smicanja tla zavisi od pritiska porne vode i ona je najveća za u=0, kada nastaje konsolidacija tla.
Koloidna aktivnost tla
Elementi unutrašnjeg otpora tla kohezije i trenja mogu biti različiti i u velikoj mjeri zavise od krupnoće čvrstih čestica tla i njegovih plastičnih osobina. U cilju određivanja uticaja kohezije u odnosu na otpor unutrašnjeg trenja koherentnog tla, Skempton je uveo pojam koloidalne aktivnosti tla _K_P, koji je predstavljen odnosom indeksa plastičnosti IP prema količini čestica manjih od 0,002 mm u % težine cijele mase. Pri tome je usvojen sljedeći kriterijum (sl. 3):
Sl. 3. Koloidna aktivnost zemljišta
Za KP < 0,75 gline su neaktivne,
za KP = 0,75 – 1,25 smatraju se normalne gline,
za Kp > 1,25 od aktivne gline.
Povećanjem KP raste uticaj kohezije u odnosu na unutrašnje trenje koherentnog tla.
Osjetljivost tla
Ako iz koherentnog tla izvadimo valjak prečnika 3—3,4 cm i visine ~ 5 cm te ga opteretimo normalnim opterećenjem, u trenutku loma valjka dobit ćemo tlačnu čvrstoću tla u neporemećenom stanju σ__ₙ:
σn = P/A izraženo u kp/cm2,
gdje je A poprečni presjek valjka.
Po završenom opitu slomljeni uzorak premjestimo i ponovo izradimo valjak istih dimenzija, pomoću istog cilindra-kalupa, s tim da njegova vlažnost ostane ona koja je bila pri prethodnom opitu. Zatim se odmah po izradi premešenog valjka ponovi opit sa njime, tako da se dobije čvrstoća pritiska tla u poremećenom stanju σ__ₚ.
Osjetljivost (sensitivitet) S__ₜ je odnos čvrstoće pritiska u neporemećenom prema čvrstoći pritiska u poremećenom stanju: St = σn/σp,
Prema jednom kriteriju osjetljivost S__ₜ ocjenjuje se na sljedeći način:
- za S__ₜ = 1 — 2 je mala osjetljivost gline,
- za S__ₜ = 2 — 4 je srednja osjetljivost gline,
- za S__ₜ = 4 — 8 je velika osjetljivost gline,
- za S__ₜ > 8 je preosjetljiva glina.
U prirodi se dešava da usljed mehaničkog djelovanja, na primjer potresa, glinovito tlo odjednom izgubi svoju čvrstoću, koju zatim u stanju mirovanja ponovo dobije. Ova osobina zove se tiksotropija tla. Mnoge gline imaju u izvjesnoj mjeri tiksotropne osobine. Poznati su slučajevi klizanja kosina useka usljed isticanja tiksotropne gline u Norveškoj, Švedskoj i Finskoj, gdje je ispitivanjem utvrđeno da nije bilo promjene vlažnosti gline u toku ovog procesa, tj. da je vlažnost gline bila konstantna prije i poslije isticanja.