Kui lõikame seotud pinnasesse silindri ja asetame selle normaalse rõhu P mõju alla (joon. 1), tekivad silindris uued pinged, nimelt vertikaalne survepinge σ ja horisontaalne nihkepinge . Kui rõhku P järk-järgult suurendame, ilmuvad mõne aja pärast silindrile kaldu praod ning kohe seejärel toimub silindri purunemine. Purunemise hetkel on silinder nihkunud rõhu P toimel piki vähima vastupanu nihkepinda N-N.
Joon. 1. Rõhu mõju koherentmullast välja võetud silindrile
Pinnase vastupanu, mida valts avaldas jõu P mõjul purunemise hetkel, nimetatakse pinnase nihkekindluseks, ning nurka α, mis näitab vähima vastupanu tasandi kaldenurka horisontaali suhtes, nimetatakse pinnase vähima nihkekindluse tasandi nurgaks.
Sidusa pinnase nihketakistus koosneb kahest elementaarsest takistusest: sisemisest hõõrdumisest tahkete osakeste vahel ja koossiduvusest, mis seob tahkeid osakesi. Pinnase nihketugevus võetakse võrdseks suurima nihkepingega purunemise hetkel ja seda väljendatakse võrrandiga
τf = c + σ tg_φ_
kus: τf on pinnase nihketugevus [kp/cm2],
c pinnase kohesioon [kp/cm3],
σ pinnase normaalpinge [kp/cm3],
φ pinnase sisehõõrdenurk.
Ülaltoodud valemi esitas prantslane Coulomb 1785. aastal. Selle valemi järgi on antud pinnase puhul sidusus c konstantne ja normaalrõhust sõltumatu, samas kui hõõrdetakistus σ tg_ϕ_ on täpselt võrdelises seoses pingega σ. Tegelikult ei ole sidusus e antud pinnase puhul konstantne, vaid sõltub teatud määral ka normaalpingest σ, sest selle rõhu toimel väheneb tahkeid osakesi ümbritseva veekile paksus ja seeläbi sidusus suureneb. Coulombi valem kehtib läbilaskvate pinnaste puhul, kus normaalrõhu toimel surutakse pooridest vesi takistuseta välja, nagu see on kruusa- ja liivase pinnase puhul, kuid mitte seotud pinnase puhul, mis on halvasti läbilaskev, mistõttu vesi pooridest surutakse välja raskelt ja jääb koormuse P mõjul pingestatud pooriveena alles.
Efektiivsed ja neutraalsed pinged mullas
Joon. 2. Efektiivne ja neutraalne pinge pinnases
Kui asetame nõu põhja mulla proovi, näiteks kuiva liiva, ja koormame seda mingi massiga, näiteks pliipadruniga kaaluga W, võtab selle raskuse kogu koormuse vastu mulla tahke osa. Proovi pinnale mõjuv erirõhk p0 = W/A kp/cm3, kus A on proovi ristlõike pindala, põhjustab proovi vajumise, st selle poorsuse vähenemise, kuid toob kaasa ka muudatusi proovi teistes füüsikalistes omadustes, nagu nihketugevuse suurenemine, kokkusurutavusmooduli suurenemine ja muud. Osakeste kokkupuutepindadel valitsevat rõhku nimetatakse efektiivseks ehk intergranulaarseks rõhuks σ’. Kui konsolideerumine on saavutatud, s.t kui proov on koormuse p0 all vajumise lõpetanud, on efektiivne rõhk võrdne koguerirõhuga, mis valitseb sügavusel, kus mulda vaadeldakse. Sel juhul on sügavusel, proovi pinna all joon. 2 σ’ = W/A + hzγ, kus γ on proovi mahukaal.
Ent kui koormame anumas oleva proovi pliipadruni asemel veega kõrguseni h, nii et see täidab kõik proovi poorid, siis proovi kohal oleva veesamba rõhk hγw, kus γw on vee ruumkaal, ei põhjusta proovi vajumist ega selle poorsuse vähenemist ega suurenda ka selle nihketugevust ja kokkusurutavusmoodulit. Seetõttu nimetatakse hüdrostaatilist rõhku hγw neutraalseks rõhuks. Neutraalne rõhk, mida tähistatakse u-ga, kandub läbi proovi kõigis suundades ühe ja sama intensiivsusega. See rõhk ei põhjusta nihketugevuse suurenemist, sest veel endal ei ole mingit nihketugevust.
Seega kandub efektiivne rõhk σ’ pinnase tahkete osakeste vaheliste kokkupuutepindade kaudu, neutraalne rõhk u aga poorides oleva vee kaudu. Kui anuma alumine osa on täidetud küllastunud pinnaseprooviga, mille ruumalaühiku kaal on γz, ja proovi pinnast kuni tasemeni N on anum täidetud veega, mille ruumalaühiku kaal on γw, siis on kogurõhk σ mis tahes punktis proovis σ = σ’ + u.
Sügavusel hz, proovi pinna all, on efektiivne rõhk σ = σ’ - u
kus σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Seega on σ’ = hz γ’
γ’ on veesuunatud pinnase mahukaal.
Pinnase nihketugevuse üldvõrrand
Kui koormame seotud pinnast koormusega P, põhjustab see koormus pinnase sundumist ja algul surutakse selle mõjul pooridest õhk välja, nii et varsti jääb pooridesse ainult vesi. Kuna seotud pinnase väike veeleläbilaskvus ei lase veel kohe välja suruda, jääb see pooridesse pingestatud veena ning võtab algul vastu kogu väliskoormuse P. Edasisel ajal hakkab koormuse P mõjul pooridest vesi välja pressitama ja tahkete osakeste lähendumine, mis nüüd võtavad vastu osa koormusest P. Siis on meil τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ kus σ on koormusest P tulenev kogurõhk, u poorivee rõhk.
Poorivee rõhk u sõltub mitmest tegurist, nagu konsolideerumise ajaline kulg, pinnase läbilaskvus, pinnase koormuse suurus jne. Pinnase nihketugevus sõltub poorivee rõhust ja on suurim u=0, kui toimub pinnase konsolideerumine.
Mulla kolloidne aktiivsus
Mulla sisemise vastupanu koesiooni ja hõõrdumise elemendid võivad olla erinevad ja sõltuvad suures ulatuses mulla tahkete osakeste jämedusest ning selle plastilistest omadustest. Et määrata koesiooni mõju sidusa pinnase sisemise hõõrde vastupanu suhtes, võttis Skempton kasutusele mulla kolloidse aktiivsuse mõiste _K_P, mis on esitatud plastilisusindeksi IP suhtena osakeste kogusega, mis on väiksemad kui 0,002 mm, kogu massi kaalu %‑des. Seejuures võeti kasutusele järgmine kriteerium (joon. 3):
Joon. 3. Mulla kolloidsed omadused
Kui KP < 0,75, on tegemist mitteaktiivsete savidega,
KP = 0,75 – 1,25 puhul on tegemist normaalsete savidega,
kui Kp > 1,25 aktiivsav.
KP suurenedes kasvab sidususe mõju võrreldes sidusa pinnase sisemise hõõrdumisega.
Mulla tundlikkus
Kui kohesioonilises mullas lõikame välja silindri läbimõõduga 3—3,4 cm ja kõrgusega ~ 5 cm ning koormame seda normaalkoormusega, saame silindri purunemise hetkel häirimata olekus mulla survetugevuse σ__ₙ:
σn = P/A kp/cm2-s,
kus A on silindri ristlõige.
Pärast katse lõppu nihutame purustatud proovi ja valmistame samade mõõtmetega silindri uuesti samas vormis, nii et selle niiskus jääb samaks, nagu see oli eelmise katse ajal. Seejärel korratakse kohe pärast ümbermõõdetud silindri valmistamist katset sellega, et saada pinnase survetugevus häiritud seisundis σ__ₚ.
Tundlikkus (sensitiivsus) S__ₜ on survetugevuse suhe häirimata seisundis survetugevusse häiritud seisundis: St = σn/σp,
Ühe kriteeriumi järgi hinnatakse tundlikkust S__ₜ järgmiselt:
- kui S__ₜ = 1 — 2 on savi väike tundlikkus,
- S__ₜ = 2 — 4 on savi keskmine tundlikkus,
- S__ₜ = 4 — 8 korral on savi suur tundlikkus,
- S__ₜ > 8 korral on tegemist tundliku saviga.
Looduses juhtub, et mehaanilise mõju, näiteks maavärina tõttu, kaotab savipinnas äkitselt oma tugevuse, mille ta siis puhkeseisundis uuesti taastab. Seda omadust nimetatakse pinnase tiksotroopiaks. Paljudel savidel on teatud määral tiksotroopsed omadused. On teada nõlvade varingute juhtumeid kaevetistes tiksotroopse savi väljavoolu tõttu Norras, Rootsis ja Soomes, kus uurimisel leiti, et selle protsessi käigus ei toimunud savi niiskuses muutust, s.t. et savi niiskus oli enne ja pärast väljavoolu konstantne.