Se no solo cohesivo cortamos un cilindro e o sometemos á acción dunha presión normal P (fig. 1), aparecerán no cilindro novas tensións, concretamente unha tensión vertical de compresión σ e unha tensión horizontal de corte. Se aumentamos gradualmente a presión P, despois dun certo tempo aparecerán no cilindro fendas inclinadas, e inmediatamente despois producirase a rotura do cilindro. No momento da rotura, o cilindro é desprazado pola acción da presión P e ao longo do plano de corte de menor resistencia N-N.
Fig. 1. Efecto da presión sobre o cilindro extraído dun solo cohesivo
A resistencia que o solo opón ao efecto da forza P no momento da rotura denomínase resistencia ao cortante do solo, e o ángulo α de inclinación do plano de menor resistencia respecto da horizontal chámase ángulo do plano de menor resistencia ao cortante do solo.
A resistencia ao corte do solo cohesivo consta de dous elementos elementais: o rozamento interno entre as partículas sólidas e a cohesión que as une. A resistencia ao corte do solo considérase igual ao maior esforzo cortante no momento da rotura e exprésase mediante a ecuación
τf = c + σ tg_φ_
onde: τf resistencia ao cortante do solo [kp/cm2],
c cohesión do solo [kp/cm3],
σ tensión normal do solo [kp/cm3],
φ ángulo de rozamento interno do solo.
A fórmula superior foi proposta polo francés Coulomb 1785. ano. Segundo esta fórmula, para un solo dado a cohesión c é constante e independente da presión normal, mentres que a resistencia ao rozamento σ tg_ϕ_ é directamente proporcional á tensión σ. Na realidade a cohesión e non é constante para un solo dado, senón que tamén depende en certa medida da tensión normal σ, porque baixo a acción desa presión diminúe o espesor da película de auga que envolve as partículas sólidas e así a cohesión aumenta. A fórmula de Coulomb vale para solos permeables, nos que baixo a acción da presión normal a auga dos poros é expulsada sen resistencia, o que acontece nos solos graviñosos e areosos, pero non no caso dos solos cohesivos, que son pouco permeables, razón pola cal a auga dos poros é dificilmente expulsada e permanece como auga poral tensa baixo a acción da carga P.
Tensións efectivas e neutras no solo
Fig. 2. Tensión efectiva e neutra no solo
Se no fondo dun recipiente colocamos unha mostra de solo, por exemplo area seca, e a cargamos con algunha masa, por exemplo perdigóns de chumbo cun peso W, toda a carga dese peso será soportada polas partículas sólidas do solo. A presión específica sobre a superficie da mostra p0 = W/A en kp/cm3, onde A é a superficie da sección da mostra, provocará o asentamento da mostra, é dicir, a redución da súa porosidade, pero tamén provocará cambios noutras propiedades físicas da mostra, como o aumento da resistencia ao corte, o aumento do módulo de compresibilidade e outros. A presión que actúa nas superficies de contacto entre as partículas chámase efectiva ou intergranular presión σ’. Cando se alcanza a consolidación, é dicir, cando a mostra deixa de asentarse baixo a carga p0, a presión efectiva é igual á presión específica total que actúa á profundidade na que se observa o solo. Neste caso, á profundidade, por baixo da superficie da mostra na fig. 2 σ’ = W/A + hzγ onde γ é o peso volumétrico da mostra.
Porén, se cargamos a mostra no recipiente con auga ata a altura h, en vez de con perdigón de chumbo, de modo que esta encha todos os poros da mostra, a presión da columna de auga por riba da mostra hγw, onde γw é o peso específico da auga, non provocará o afundimento da mostra nin a diminución da súa porosidade nin aumentará a súa resistencia ao cisallamento e o seu módulo de compresibilidade. Por iso a presión hidrostática hγw chámase presión neutra. A presión neutra, designada con u, transmítese a través da mostra en todas as direccións coa mesma intensidade. Esta presión non provocará o aumento da resistencia ao cisallamento, porque a auga por si mesma non ten ningunha resistencia ao cisallamento.
Polo tanto, a presión efectiva σ’ transmítese a través das superficies de contacto entre as partículas sólidas do solo, e a presión neutra u transmítese pola auga dos poros. Se a parte inferior do recipiente está chea dunha mostra de solo saturado cuxo peso volumétrico é γz, e por riba da superficie da mostra ata o nivel N o recipiente está cheo de auga cuxo peso volumétrico é γw, entón a presión total σ en calquera punto da mostra será σ = σ’ + u.
A unha profundidade hz, debaixo da superficie da mostra, a presión efectiva será σ = σ’ - u
onde σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Polo tanto, será σ’ = hz γ’
γ’ é o peso volumétrico do solo mergullado na auga.
Ecuación xeral da resistencia ao corte do solo
Se cargamos o solo cohesivo cunha carga P, esta carga provocará o asentamento do solo e, ao principio, baixo a súa acción será expulsado o aire dos poros, de modo que axiña nos poros só quedará auga. Como, debido á baixa permeabilidade do solo cohesivo, a auga non pode ser expulsada de inmediato, esta permanece como auga en tensión nos poros e, nun primeiro momento, recibe a carga externa total P. No transcurso posterior do tempo, baixo a acción da carga P comeza a saír a auga dos poros e prodúcese o achegamento das partículas sólidas, que agora reciben unha parte da carga P. Entón temos τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ onde σ é a presión total debida á carga P, e u a presión da auga intersticial.
A presión da auga nos poros depende de máis factores, como o curso temporal da consolidación, a permeabilidade do solo, o tamaño da carga do terreo etc. A resistencia ao cisallamento do solo depende da presión da auga nos poros e é máxima para u=0, cando se produce a consolidación do solo.
Actividade coloidal do solo
Os elementos da resistencia interna do solo, a cohesión e o rozamento, poden ser diferentes e dependen en gran medida do tamaño das partículas sólidas do solo e das súas características plásticas. Co obxectivo de determinar a influencia da cohesión en relación coa resistencia do rozamento interno dun solo coherente, Skempton introduciu o concepto de actividade coloidal do solo _K_P, que se expresa pola relación do índice de plasticidade IP coa cantidade de partículas menores de 0,002 mm en % do peso de toda a masa. Para isto adoptouse o seguinte criterio (fig. 3):
Fig. 3. Actividade coloidal do solo
Para KP < 0,75 son arxilas inactivas,
para KP = 0,75 – 1,25 son arxilas normais,
para Kp > 1,25 da arxila activa.
Co aumento de KP crece a influencia da cohesión fronte ao rozamento interno do solo coherente.
Sensibilidade do solo
Se nun solo coherente extraemos un cilindro de diámetro 3—3,4 cm e altura ~ 5 cm e o sometemos a unha carga normal, no momento da rotura do cilindro obteremos a resistencia á compresión do solo en estado non alterado σ__ₙ:
σn = P/A en kp/cm2,
onde A é a sección transversal do cilindro.
Unha vez rematado o ensaio, a mostra quebrada desprázase e volve executarse un cilindro das mesmas dimensións, mediante o mesmo molde-cilindro, coidando de que a súa humidade permaneza a mesma que tiña no ensaio anterior. Despois, inmediatamente tras a elaboración do cilindro amasado, repítese con el o ensaio, de modo que se obteña a resistencia á compresión do solo en estado perturbado σ__ₚ.
A sensibilidade (sensitividade) S__ₜ é a relación entre a resistencia á compresión no estado intacto e a resistencia á compresión no estado perturbado: St = σn/σp,
Segundo un criterio, a sensibilidade S__ₜ avalíase do seguinte xeito:
- para S__ₜ = 1 — 2 é pequena a sensibilidade da arxila,
- para S__ₜ = 2 — 4 é unha sensibilidade media da arxila,
- para S__ₜ = 4 — 8 hai unha gran sensibilidade da arxila,
- para S__ₜ > 8 é arxila sensíbel.
Na natureza acontece que, debido a unha acción mecánica, por exemplo un sismo, o solo arxiloso perde de súpeto a súa resistencia, que logo recupera de novo en estado de repouso. Esta propiedade chámase tixotropía do solo. Moitas arxilas presentan, nunha certa medida, propiedades tixotrópicas. Son coñecidos casos de deslizamento de taludes de escavación debido á saída de arxila tixotrópica en Noruega, Suecia e Finlandia, onde se comprobou mediante ensaios que non houbo variación da humidade da arxila durante este proceso, é dicir, que a humidade da arxila permaneceu constante antes e despois da saída.