Αν από συνεκτικό έδαφος κόψουμε έναν κύλινδρο και τον θέσουμε υπό την επίδραση κανονικής πίεσης P (σχ. 1), στον κύλινδρο θα εμφανιστούν νέες τάσεις, και συγκεκριμένα κατακόρυφη θλιπτική τάση σ και οριζόντια διατμητική τάση . Αν αυξάνουμε σταδιακά την πίεση P, μετά από κάποιο χρόνο θα εμφανιστούν στον κύλινδρο λοξές ρωγμές, και αμέσως μετά θα επέλθει θραύση του κυλίνδρου. Τη στιγμή της θραύσης ο κύλινδρος έχει αποκοπεί υπό την επίδραση της πίεσης P κατά τη διατμητική επιφάνεια ελάχιστης αντίστασης N-N.
Σχ. 1. Η επίδραση της πίεσης σε κύλινδρο που αποσπάστηκε από συνεκτικό έδαφος
Η αντίσταση του εδάφους που προβλήθηκε από τον κύλινδρο απέναντι στη δράση της δύναμης P τη στιγμή της θραύσης ονομάζεται αντοχή σε διάτμηση του εδάφους, και η γωνία α της κλίσης του επιπέδου ελάχιστης αντίστασης προς τον ορίζοντα ονομάζεται γωνία του επιπέδου ελάχιστης αντίστασης σε διάτμηση του εδάφους.
Η αντίσταση διάτμησης του συνεκτικού εδάφους αποτελείται από δύο στοιχειώδεις αντιστάσεις: την εσωτερική τριβή μεταξύ των στερεών σωματιδίων και τη συνοχή που συνδέει τα στερεά σωματίδια. Η αντοχή σε διάτμηση του εδάφους θεωρείται ίση με τη μέγιστη διατμητική τάση τη στιγμή της θραύσης και εκφράζεται με την εξίσωση
τf = c + σ tg_φ_
όπου: τf αντοχή σε διάτμηση του εδάφους [kp/cm2],
c συνοχή του εδάφους [kp/cm3],
σ κανονική τάση του εδάφους [kp/cm3],
φ γωνία εσωτερικής τριβής του εδάφους.
Ο παραπάνω τύπος δόθηκε από τον Γάλλο Coulomb το 1785. έτος. Σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, για το συγκεκριμένο έδαφος η συνοχή c είναι σταθερή και ανεξάρτητη από την κανονική πίεση, ενώ η τριβική αντίσταση σ tg_ϕ_ είναι ακριβώς ανάλογη της τάσης σ. Στην πραγματικότητα η συνοχή e δεν είναι σταθερή για το συγκεκριμένο έδαφος, αλλά εξαρτάται και αυτή σε κάποιο βαθμό από την κανονική τάση σ, επειδή υπό την επίδραση αυτής της πίεσης μειώνεται το πάχος του υμενίου νερού που περιβάλλει τα στερεά σωματίδια και έτσι αυξάνεται η συνοχή. Ο τύπος του Coulomb ισχύει για διαπερατά εδάφη, στα οποία υπό την επίδραση της κανονικής πίεσης το νερό των πόρων εξωθείται χωρίς αντίσταση, όπως συμβαίνει στα αμμοχαλικώδη και αμμώδη εδάφη, αλλά όχι στα συνεκτικά εδάφη, τα οποία είναι λίγο διαπερατά, γι’ αυτό το νερό των πόρων εξωθείται δύσκολα και παραμένει ως καταπονούμενο νερό πόρων υπό την επίδραση του φορτίου P.
Ενεργές και ουδέτερες τάσεις στο έδαφος
Σχ. 2. Ενεργός και ουδέτερη τάση στο έδαφος
Αν στον πυθμένα ενός δοχείου τοποθετήσουμε δείγμα εδάφους, για παράδειγμα ξηρή άμμο, και το φορτίζουμε με κάποια μάζα, για παράδειγμα με μολυβδένια σκάγια βάρους W, ολόκληρο το φορτίο αυτού του βάρους θα αναληφθεί από τα στερεά σωματίδια του εδάφους. Η ειδική πίεση στην επιφάνεια του δείγματος p0 = W/A σε kp/cm3, όπου A είναι η επιφάνεια διατομής του δείγματος, θα προκαλέσει καθίζηση του δείγματος, δηλαδή μείωση της πορώδους του, αλλά θα προκαλέσει επίσης μεταβολές και άλλων φυσικών ιδιοτήτων του δείγματος, όπως αύξηση της αντοχής σε διάτμηση, αύξηση του μέτρου συμπιεστότητας και άλλες. Η πίεση που επικρατεί στις επιφάνειες επαφής μεταξύ των σωματιδίων ονομάζεται effective ή intergranular pressure σ’. Όταν επιτευχθεί η στερεοποίηση, δηλαδή όταν το δείγμα πάψει να καθιζάνει υπό το φορτίο p0, η ενεργός πίεση είναι ίση με τη συνολική ειδική πίεση που επικρατεί στο βάθος στο οποίο εξετάζεται το έδαφος. Σε αυτή την περίπτωση, στο βάθος κάτω από την επιφάνεια του δείγματος στο σχ. 2 σ’ = W/A + hzγ όπου γ είναι το ογκομετρικό βάρος του δείγματος.
Ωστόσο, αν το δείγμα στο δοχείο, αντί να φορτιστεί με μολυβδόσφαιρα, φορτιστεί με νερό μέχρι το ύψος h, έτσι ώστε αυτό να έχει γεμίσει όλους τους πόρους του δείγματος, η πίεση της στήλης νερού πάνω από το δείγμα hγw, όπου γw είναι το ειδικό βάρος του νερού, δεν θα προκαλέσει καθίζηση του δείγματος και μείωση της πορώδους του ούτε θα αυξήσει την αντοχή του σε διάτμηση και το μέτρο συμπιεστότητάς του. Γι’ αυτό η υδροστατική πίεση hγw ονομάζεται ουδέτερη πίεση. Η ουδέτερη πίεση, που συμβολίζεται με u, μεταδίδεται μέσω του δείγματος προς όλες τις κατευθύνσεις με ίση ένταση. Αυτή η πίεση δεν θα προκαλέσει αύξηση της αντοχής σε διάτμηση, επειδή το νερό από μόνο του δεν έχει καμία αντοχή σε διάτμηση.
Συνεπώς η ενεργός πίεση σ’ μεταφέρεται μέσω των επιφανειών επαφής μεταξύ των στερεών σωματιδίων του εδάφους, ενώ η ουδέτερη πίεση u μεταφέρεται μέσω του νερού στους πόρους. Αν το κάτω μέρος του δοχείου είναι γεμάτο με κορεσμένο δείγμα εδάφους του οποίου το ογκομετρικό βάρος είναι γz, και πάνω από την επιφάνεια του δείγματος έως το επίπεδο N το δοχείο είναι γεμάτο με νερό του οποίου το ογκομετρικό βάρος είναι γw, τότε η συνολική πίεση σ σε οποιοδήποτε σημείο του δείγματος θα είναι σ = σ’ + u.
Σε βάθος hz, κάτω από την επιφάνεια του δείγματος, η ενεργός πίεση θα είναι σ = σ’ - u
όπου σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Επομένως θα είναι σ’ = hz γ’
γ’ είναι το ειδικό βάρος του κορεσμένου εδάφους μέσα στο νερό.
Γενική εξίσωση αντοχής του εδάφους σε διάτμηση
Αν φορτίσουμε το συνεκτικό έδαφος με το φορτίο P, αυτό το φορτίο θα προκαλέσει καθίζηση του εδάφους και αρχικά υπό την επίδρασή του θα εκτοπιστεί ο αέρας από τους πόρους, ώστε σύντομα στους πόρους να παραμείνει μόνο νερό. Επειδή, λόγω της μικρής υδατοπερατότητας του συνεκτικού εδάφους, το νερό δεν μπορεί να εκτοπιστεί αμέσως, παραμένει ως εγκλωβισμένο νερό στους πόρους και αρχικά δέχεται ολόκληρο το εξωτερικό φορτίο P. Σε μεταγενέστερο χρόνο, υπό την επίδραση του φορτίου P, αρχίζει να εκτοπίζεται το νερό από τους πόρους και επέρχεται προσέγγιση των στερεών σωματιδίων, τα οποία πλέον δέχονται ένα μέρος του φορτίου P. Τότε έχουμε τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ όπου σ η ολική πίεση από το φορτίο P, u η πίεση του πόρου νερού.
Η πίεση του πόρου του νερού εξαρτάται από περισσότερους παράγοντες, όπως είναι η χρονική πορεία της στερεοποίησης, η διαπερατότητα του εδάφους, το μέγεθος του φορτίου του εδάφους κ.λπ. Η διατμητική αντοχή του εδάφους εξαρτάται από την πίεση του πόρου του νερού και είναι μέγιστη για u=0, όταν επέρχεται στερεοποίηση του εδάφους.
Κολλοειδής δραστηριότητα του εδάφους
Τα στοιχεία της εσωτερικής αντίστασης του εδάφους συνοχής και τριβής μπορεί να είναι διαφορετικά και εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος των στερεών σωματιδίων του εδάφους και τις πλαστικές του ιδιότητες. Με σκοπό τον προσδιορισμό της επίδρασης της συνοχής σε σχέση με την αντίσταση της εσωτερικής τριβής συνεκτικού εδάφους, ο Skempton εισήγαγε την έννοια της κολλοειδούς δραστηριότητας του εδάφους _K_P, η οποία εκφράζεται με τη σχέση του δείκτη πλαστικότητας IP προς την ποσότητα σωματιδίων μικρότερων από 0,002 mm σε % του βάρους όλης της μάζας. Στη συνέχεια υιοθετήθηκε το ακόλουθο κριτήριο (σχ. 3):
Σχ. 3. Κολλοειδής δραστηριότητα του εδάφους
Για KP < 0,75 πρόκειται για αδρανείς αργίλους,
για KP = 0,75 – 1,25 είναι οι κανονικές άργιλοι,
για Kp > 1,25 της ενεργού αργίλου.
Με την αύξηση του KP αυξάνεται η επίδραση της συνοχής σε σχέση με την εσωτερική τριβή του συνεκτικού εδάφους.
Η ευαισθησία του εδάφους
Αν σε συνεκτικό έδαφος αποκόψουμε έναν κύλινδρο διαμέτρου 3—3,4 cm και ύψους ~ 5 cm και τον φορτίσουμε με κανονικό φορτίο, τη στιγμή της θραύσης του κυλίνδρου θα λάβουμε την αντοχή σε θλίψη του εδάφους στην αδιατάρακτη κατάσταση σ__ₙ:
σn = P/A σε kp/cm2,
όπου A είναι η διατομή του κυλίνδρου.
Μετά την ολοκλήρωση της δοκιμής, το θραυσμένο δοκίμιο μετατοπίζεται και κατασκευάζεται εκ νέου κύλινδρος των ίδιων διαστάσεων, με τον ίδιο κυλινδρικό τύπο-καλούπι, με την προϋπόθεση ότι η υγρασία του θα παραμείνει εκείνη που είχε κατά την προηγούμενη δοκιμή. Στη συνέχεια, αμέσως μετά την κατασκευή του αναπλασμένου κυλίνδρου, η δοκιμή επαναλαμβάνεται με αυτόν, ώστε να ληφθεί η αντοχή σε θλίψη του εδάφους σε διαταραγμένη κατάσταση σ__ₚ.
Η ευαισθησία (sensitivitet) S__ₜ είναι ο λόγος της θλιπτικής αντοχής στην αδιατάρακτη κατάσταση προς τη θλιπτική αντοχή στην διαταραγμένη κατάσταση: St = σn/σp,
Σύμφωνα με ένα κριτήριο η ευαισθησία S__ₜ αξιολογείται ως εξής:
- για S__ₜ = 1 — 2 είναι η μικρή ευαισθησία της αργίλου,
- για S__ₜ = 2 — 4 είναι η μέση ευαισθησία της αργίλου,
- για S__ₜ = 4 — 8 υπάρχει μεγάλη ευαισθησία της αργίλου,
- για S__ₜ > 8 είναι υπερευαίσθητος πηλός.
Στη φύση συμβαίνει, λόγω μηχανικής δράσης, για παράδειγμα σεισμού, το αργιλώδες έδαφος να χάνει ξαφνικά τη συνεκτικότητά του, την οποία στη συνέχεια ανακτά όταν βρίσκεται σε ηρεμία. Η ιδιότητα αυτή ονομάζεται θιξοτροπία του εδάφους. Πολλές άργιλοι παρουσιάζουν σε κάποιο βαθμό θιξοτροπικές ιδιότητες. Είναι γνωστές περιπτώσεις ολίσθησης πρανών εκσκαφών λόγω εκροής θιξοτροπικής αργίλου στη Νορβηγία, τη Σουηδία και τη Φινλανδία, όπου από δοκιμές διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρξε μεταβολή της υγρασίας της αργίλου κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, δηλαδή ότι η υγρασία της αργίλου παρέμεινε σταθερή πριν και μετά την εκροή.