Si en un sòl cohesiu tallem un cilindre i el sotmetem a l’acció d’una pressió normal P (fig. 1), al cilindre apareixeran noves tensions, és a dir, una tensió vertical de compressió σ i una tensió horitzontal de tall. Si augmentem progressivament la pressió P, al cap d’un cert temps apareixeran al cilindre esquerdes inclinades, i immediatament després es produirà la ruptura del cilindre. En el moment de la ruptura, el cilindre es desplaça sota l’acció de la pressió P i al llarg del pla de tall de menor resistència N-N.
Fig. 1. Efecte de la pressió sobre el cilindre extret d’un sòl cohesiu
La resistència que el sòl oposà contra l’acció de la força P en el moment de la ruptura s’anomena resistència al cisallament del sòl, i l’angle α d’inclinació del pla de mínima resistència respecte a l’horitzontal s’anomena angle del pla de mínima resistència al cisallament del sòl.
La resistència al tall del sòl cohesiu consta de dos elements elementals: fregament intern entre les partícules sòlides i la cohesió que uneix les partícules sòlides. S’accepta que la resistència al tall del terreny és igual a la tensió tallant màxima en el moment de la ruptura i s’expressa amb l’equació
τf = c + σ tg_φ_
on: τf és la resistència al cisallament del sòl [kp/cm2],
c cohesió del sòl [kp/cm3],
σ tensió normal del terreny [kp/cm3],
φ angle de fricció interna del sòl.
La fórmula anterior la va proposar el francès Coulomb 1785. any. Segons aquesta fórmula, per a un sòl determinat la cohesió c és constant i independent de la pressió normal, mentre que la resistència al fregament σ tg_ϕ_ és directament proporcional a la tensió σ. En realitat, la cohesió e no és constant per a un sòl determinat, sinó que també depèn fins a cert punt de la tensió normal σ, perquè sota l’acció d’aquesta pressió disminueix el gruix de la pel·lícula d’aigua que envolta les partícules sòlides i, d’aquesta manera, la cohesió augmenta. La fórmula de Coulomb és vàlida per a sòls permeables, en què sota l’acció de la pressió normal l’aigua dels porus és expulsada sense resistència, com és el cas del sòl gravós i sorrenc, però no és el cas dels sòls cohesius, que són poc permeables, motiu pel qual l’aigua dels porus s’expulsa amb dificultat i queda com a aigua porosa sotmesa a pressió sota l’acció de la càrrega P.
Tensions efectives i neutres al sòl
Fig. 2. Tensió efectiva i neutra en el sòl
Si col·loquem una mostra de sòl al fons d’un recipient, per exemple sorra seca, i la carreguem amb una massa, per exemple perdigons de plom de pes W, tota la càrrega d’aquest pes serà suportada per les partícules sòlides del sòl. La pressió específica sobre la superfície de la mostra p0 = W/A en kp/cm3, on A és la superfície de la secció de la mostra, provocarà l’assentament de la mostra, és a dir, la disminució de la seva porositat, però també produirà canvis en altres propietats físiques de la mostra, com ara l’augment de la resistència al tall, l’augment del mòdul de compressibilitat i d’altres. La pressió que actua a les superfícies de contacte entre les partícules s’anomena pressió efectiva o intergranular σ’. Quan s’ha assolit la consolidació, és a dir, quan la mostra ha deixat d’assentar-se sota la càrrega p0, la pressió efectiva és igual a la pressió específica total que actua a la profunditat a la qual es considera el sòl. En aquest cas, a la profunditat, sota la superfície de la mostra a la fig. 2 σ’ = W/A + hzγ on γ és el pes volumètric de la mostra.
Però si la mostra al recipient, en lloc de carregar-la amb perdigons de plom, la carreguem amb aigua fins a l’alçada h, de manera que aquesta ompli tots els porus de la mostra, la pressió de la columna d’aigua per damunt de la mostra hγw, on γw és el pes específic de l’aigua, no provocarà l’assentament de la mostra ni la reducció de la seva porositat, ni augmentarà la seva resistència al tall i el mòdul de compressibilitat. Per això la pressió hidrostàtica hγw s’anomena pressió neutral. La pressió neutral, que es designa amb u, es transmet a través de la mostra en totes les direccions amb la mateixa intensitat. Aquesta pressió no provocarà un augment de la resistència al tall, perquè l’aigua per si sola no té cap resistència al tall.
Per tant, la pressió efectiva σ’ es transmet a través de les superfícies de contacte entre les partícules sòlides del sòl, i la pressió neutra u es transmet a través de l’aigua dels porus. Si la part inferior del recipient està plena d’una mostra de sòl saturada la pesantor volumètrica de la qual és γz, i per sobre de la superfície de la mostra fins al nivell N el recipient està ple d’aigua la pesantor volumètrica de la qual és γw, aleshores la pressió total σ en qualsevol punt de la mostra serà σ = σ’ + u.
A la profunditat hz, sota la superfície de la mostra, la pressió efectiva serà σ = σ’ - u
on σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Per tant, serà σ’ = hz γ’
γ’ és el pes volumètric del sòl submergit en aigua.
Equació general de la resistència al tall del sòl
Si carreguem el sòl cohesiu amb una càrrega P, aquesta càrrega provocarà l’assentament del sòl i, primer, sota la seva acció serà expulsat l’aire dels porus, de manera que aviat als porus només hi quedarà aigua. Com que, a causa de la baixa permeabilitat del sòl cohesiu, l’aigua no pot ser expulsada immediatament, roman com a aigua sotmesa a pressió als porus i al principi rep la càrrega externa total P. Amb el pas del temps, sota l’acció de la càrrega P, comença a ser expulsada l’aigua dels porus i es produeix l’apropament de les partícules sòlides, que ara assumeixen una part de la càrrega P. Aleshores tenim τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ on σ és la pressió total procedent de la càrrega P, i u la pressió de l’aigua intersticial.
La pressió de l’aigua intersticial u depèn de diversos factors, com ara l’evolució temporal de la consolidació, la permeabilitat del terreny, la magnitud de la càrrega del sòl, etc. La resistència al tall del terreny depèn de la pressió de l’aigua intersticial i és màxima per a u=0, quan es produeix la consolidació del terreny.
Activitat col·loïdal del sòl
Els elements de la resistència interna del sòl, cohesió i fricció, poden ser diferents i depenen en gran mesura de la mida de les partícules sòlides del sòl i de les seves propietats plàstiques. Amb la finalitat de determinar la influència de la cohesió en relació amb la resistència al fregament intern del sòl coherent, Skempton va introduir el concepte d’activitat col·loïdal del sòl _K_P, que s’expressa per la relació entre l’índex de plasticitat IP i la quantitat de partícules menors de 0,002 mm en % del pes de la massa total. Per a això, es va adoptar el criteri següent (fig. 3):
Fig. 3. Activitat col·loïdal del sòl
Per a KP < 0,75 són argiles inactives,
per a KP = 0,75 – 1,25 són argiles normals,
per a Kp > 1,25 de l’argila activa.
Amb l’augment del KP, creix la influència de la cohesió en relació amb la fricció interna del sòl cohesiu.
Sensibilitat del sòl
Si en un sòl cohesiu extreiem un cilindre de diàmetre 3—3,4 cm d’alçada ~ 5 cm i l’aterrem amb una càrrega normal, en el moment de la ruptura del cilindre obtindrem la resistència a compressió del sòl en estat no alterat σ__ₙ:
σn = P/A en kp/cm2,
on A és la secció transversal del cilindre.
Després d’acabar l’assaig, traslladem la mostra trencada i tornem a elaborar un cilindre de les mateixes dimensions, amb el mateix motlle cilíndric, de manera que la seva humitat continuï essent la que tenia en l’assaig anterior. Tot seguit, immediatament després d’elaborar el cilindre remenat, es repeteix l’assaig amb ell, de manera que s’obté la resistència a compressió del sòl en estat alterat σ__ₚ.
La sensibilitat (sensitivity) S__ₜ és la relació entre la resistència a compressió en estat no alterat i la resistència a compressió en estat alterat: St = σn/σp,
Segons un criteri, la sensibilitat S__ₜ s’avalua de la manera següent:
- per a S__ₜ = 1 — 2 és una sensibilitat baixa de l’argila,
- per a S__ₜ = 2 — 4 és la sensibilitat mitjana de l’argila,
- per a S__ₜ = 4 — 8 hi ha una gran sensibilitat de l’argila,
- per a S__ₜ > 8 és una argila sensible.
A la natura passa que, a causa d’una acció mecànica, per exemple un terratrèmol, un sòl argilós perdi de cop la seva consistència, que després recupera en repòs. Aquesta propietat s’anomena tixotropia del sòl. Moltes argiles presenten fins a cert punt propietats tixotròpiques. Es coneixen casos d’esllavissades de talussos d’excavacions a causa de l’aflorament d’argila tixotròpica a Noruega, Suècia i Finlàndia, on les proves van demostrar que no hi havia hagut canvi d’humitat de l’argila durant aquest procés, és a dir, que la humitat de l’argila era constant abans i després de l’aflorament.