Pokud v soudržné půdě vyřízneme válec a vystavíme jej působení normálního tlaku P (obr. 1), objeví se ve válci nové napětí, a to svislé tlakové napětí σ a vodorovné smykové napětí . Pokud tlak P postupně zvyšujeme, po určité době se na válci objeví šikmé trhliny a vzápětí dojde k porušení válce. V okamžiku porušení je válec smykově posunut působením tlaku P po smykové rovině nejmenšího odporu N-N.
Obr. 1. Účinek tlaku na válec vyjmutý z koherentní půdy
Odpor zeminy, který válec poskytl proti působení síly P v okamžiku porušení, se nazývá smykový odpor zeminy a úhel α sklonu roviny nejmenšího odporu k horizontále se nazývá úhel roviny nejmenšího smykového odporu zeminy.
Odpor proti smyku vázané půdy se skládá ze dvou základních odporů: vnitřního tření mezi pevnými částicemi a koheze, která pevné částice spojuje. Za smykovou pevnost půdy se považuje největší smykové napětí v okamžiku porušení a vyjadřuje se rovnicí
τf = c + σ tg_φ_
kde je: τf pevnost zeminy v smyku [kp/cm2],
c koheze půdy [kp/cm3],
σ normální napětí zeminy [kp/cm3],
φ úhel vnitřního tření půdy.
Horní vzorec uvedl Francouz Coulomb 1785. roku. Podle tohoto vzorce je pro danou zeminu soudržnost c konstantní a nezávislá na normálním tlaku, zatímco třecí odpor σ tg_ϕ_ je přímo úměrný napětí σ. Ve skutečnosti soudržnost e není pro danou zeminu konstantní, ale je do určité míry také závislá na normálním napětí σ, protože vlivem tohoto tlaku se zmenšuje tloušťka vodního filmu obklopujícího pevné částice a tím se soudržnost zvětšuje. Coulombův vzorec platí pro propustné zeminy, v nichž je pod vlivem normálního tlaku voda z pórů vytlačována bez odporu, což je případ štěrkovité a písčité zeminy, nikoli však soudržné zeminy, která je málo propustná, a proto se voda z pórů vytlačuje obtížně a zůstává jako napjatá pórová voda pod vlivem zatížení P.
Efektivní a neutrální napětí v půdě
Obr. 2. Efektivní a neutrální napětí v půdě
Když na dno nádoby vložíme vzorek zeminy, například suchého písku, a zatěžujeme jej nějakou hmotou, například olověnými broky o hmotnosti W, veškeré zatížení této hmotnosti přenesou pevné částice zeminy. Měrný tlak na povrch vzorku p0 = W/A v kp/cm3, kde A je plocha průřezu vzorku, způsobí sedání vzorku, tj. snížení jeho pórovitosti, ale zároveň vyvolá i změny dalších fyzikálních vlastností vzorku, jako je zvýšení smykové pevnosti, zvýšení modulu stlačitelnosti a další. Tlak, který panuje na styčných plochách mezi částicemi, se nazývá efektivní neboli mezičásticový tlak σ’. Když je dosaženo konsolidace, tj. když vzorek přestal sedat pod zatížením p0, je efektivní tlak roven celkovému měrnému tlaku, který panuje v hloubce, v níž se zemina posuzuje. V tomto případě je v hloubce pod povrchem vzorku na obr. 2 σ’ = W/A + hzγ kde γ je objemová tíha vzorku.
Jestliže však vzorek v nádobě místo olověnou broky zatížíme vodou do výšky h, přičemž tato voda vyplnila všechny póry vzorku, tlak vodního sloupce nad vzorkem hγw, kde γw je objemová tíha vody, nezpůsobí sedání vzorku a snížení jeho pórovitosti ani nezvýší jeho smykovou pevnost a modul stlačitelnosti. Proto se hydrostatický tlak hγw nazývá neutrální tlak. Neutrální tlak, označovaný u, se přenáší vzorkem ve všech směrech stejnou intenzitou. Tento tlak nezpůsobí zvýšení smykové pevnosti, protože voda sama nemá žádnou smykovou pevnost.
Proto se efektivní tlak σ’ přenáší přes styčné plochy mezi pevnými částicemi zeminy a neutrální tlak u se přenáší skrz vodu v pórech. Je-li dolní část nádoby vyplněna nasyceným vzorkem zeminy, jehož objemová tíha je γz, a nad povrchem vzorku až do úrovně N je nádoba vyplněna vodou, jejíž objemová tíha je γw, pak bude celkový tlak σ v kterémkoli bodě vzorku σ = σ’ + u.
V hloubce hz, pod povrchem vzorku, bude efektivní tlak σ = σ’ - u
kde je σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Proto bude σ’ = hz γ’
γ’ je objemová hmotnost ponořené zeminy ve vodě.
Obecná rovnice smykové pevnosti zeminy
Pokud zatížíme soudržnou půdu zatížením P, vyvolá toto zatížení sedání půdy a nejprve bude jeho působením vytlačen vzduch z pórů, takže v pórech brzy zůstane jen voda. Protože se voda kvůli malé vodopropustnosti soudržné půdy nemůže okamžitě vytlačit, zůstává jako napjatá voda v pórech a zpočátku přebírá celé vnější zatížení P. V dalším časovém průběhu začíná působením zatížení P vytlačování vody z pórů a dochází ke sbližování pevných částic, které nyní přebírají část zatížení P. Pak máme τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ kde σ je celkový tlak od zatížení P, u tlak pórové vody.
Pórový tlak vody u závisí na více faktorech, jako jsou časový průběh konsolidace, propustnost zeminy, velikost zatížení zeminy atd. Smyková pevnost zeminy závisí na pórovém tlaku vody a je nejvyšší při u=0, kdy dochází ke konsolidaci zeminy.
Koloidní aktivita půdy
Prvky vnitřního odporu půdy koheze a tření mohou být různé a do značné míry závisí na zrnitosti pevných částic půdy a jejích plastických vlastnostech. Za účelem určení vlivu koheze ve vztahu k odporu vnitřního tření soudržné zeminy zavedl Skempton pojem koloidní aktivity půdy _K_P, který je vyjádřen poměrem indexu plasticity IP k množství částic menších než 0,002 mm v % hmotnosti celé masy. Přitom bylo přijato následující kritérium (obr. 3):
Obr. 3. Koloidní aktivita půdy
Pro KP < 0,75 jsou neaktivní jíly,
pro KP = 0,75 – 1,25 jsou normální jíly,
pro Kp > 1,25 aktivní jíly.
Se zvyšujícím se KP roste vliv koheze ve srovnání s vnitřním třením soudržné zeminy.
Citlivost půdy
Když v soudržné zemině vyjmeme válec o průměru 3—3,4 cm a výšce ~ 5 cm a zatížíme jej normálním zatížením, v okamžiku porušení válce získáme pevnost v tlaku zeminy v neporušeném stavu σ__ₙ:
σn = P/A v kp/cm2,
kde A je průřez válce.
Po skončené zkoušce přemístíme rozlomený vzorek a znovu zhotovíme váleček stejných rozměrů pomocí stejného válcového formy, s tím, že jeho vlhkost zůstane stejná, jaká byla při předchozí zkoušce. Poté se ihned po zhotovení hněteného válečku zkouška s ním zopakuje, aby se získala pevnost v tlaku zeminy v porušeném stavu σ__ₚ.
Citlivost (senzitivita) S__ₜ je poměr pevnosti v tlaku v neporušeném stavu k pevnosti v tlaku ve stavu porušeném: St = σn/σp,
Podle jednoho kritéria se citlivost S__ₜ hodnotí takto:
- pro S__ₜ = 1 — 2 je malá citlivost jílu,
- pro S__ₜ = 2 — 4 je střední citlivost jílu,
- pro S__ₜ = 4 — 8 je velká citlivost jílu,
- pro S__ₜ > 8 je přecitlivělá hlína.
V přírodě se stává, že v důsledku mechanického působení, například zemětřesení, jílovitá zemina náhle ztratí svou pevnost, kterou pak v klidovém stavu znovu získá. Tato vlastnost se nazývá tixotropie zeminy. Mnohé jíly mají do určité míry tixotropní vlastnosti. Jsou známy případy sesuvů svahů výkopů v důsledku vytékání tixotropního jílu v Norsku, Švédsku a Finsku, kde bylo zkoumáním zjištěno, že během tohoto procesu nedošlo ke změně vlhkosti jílu, tj. že vlhkost jílu byla před vytékáním i po něm konstantní.