Ako u vezanom tlu izrežemo valjak i stavimo ga pod djelovanje normalnog pritiska P (sl. 1), u valjku će se pojaviti novi naponi i to vertikalni tlačni napon σ i horizontalni napon smicanja . Ako pritisak P postupno povećavamo, nakon nekog vremena pojavit će se na valjku kose pukotine, a odmah zatim nastat će lom valjka. U trenutku loma valjak je smaknut pod djelovanjem pritiska P a po smičnoj ravnini najmanjeg otpora N-N.
Sl. 1. Djelovanje tlaka na valjak izvađen iz koherentnog tla
Otpor tla koji je valjak pružio protiv djelovanja sile P u trenutku loma zove se otpor smicanja tla, a kut α nagiba ravnine najmanjeg otpora prema horizontali zove se kut ravnine najmanjeg otpora smicanja tla.
Otpor smicanja vezanog tla sastoji se od dva elementarna otpora: unutrašnjeg trenja između čvrstih čestica i kohezije koja veže čvrste čestice. Čvrstoća smicanja tla usvaja se kao jednaka najvećem naponu smicanja u trenutku loma i izražava se jednadžbom
τf = c + σ tg_φ_
gdje je: τf čvrstoća smicanja tla [kp/cm2],
c kohezivnost tla [kp/cm3],
σ normalno naprezanje tla [kp/cm3],
φ kut unutarnjeg trenja tla.
Gornji obrazac dao je Francuz Coulomb 1785. god. Prema ovom obrascu, za dato tlo je kohezija c konstantna i neovisna o normalnom pritisku, dok je otpor trenja σ tg_ϕ_ upravo proporcionalan s naponom σ. U stvarnosti kohezija e nije konstantna za dato tlo, već je i ona u određenoj mjeri ovisna o normalnom naponu σ, jer se pod djelovanjem tog pritiska smanjuje debljina vodenog filma koji obavija čvrste čestice i time kohezija povećava. Coulombov obrazac vrijedi za propusna tla, u kojima se pod djelovanjem normalnog pritiska voda iz pora istiskuje bez otpora, što je slučaj šljunkovitog i pjeskovitog tla, ali nije slučaj vezanog tla, koje je malo propusno, zbog čega se voda iz pora teško istiskuje i zaostaje kao napregnuta porna voda pod djelovanjem opterećenja P.
Efektivna i neutralna naprezanja u tlu
Slika 2. Efektivni i neutralni napon u tlu
Ako na dno posude stavimo uzorak tla, na primjer suhog pijeska, i opterećujemo ga nekom masom, na primjer olovnom sačmom težine W, cjelokupno opterećenje te težine primit će čvrste čestice tla. Specifični pritisak na površinu uzorka p0 = W/A u kp/cm3, gdje je A površina presjeka uzorka, izazvat će slijeganje uzorka, tj. smanjenje njegove poroznosti, ali će također izazvati promjene i drugih fizičkih svojstava uzorka kao što su povećanje čvrstoće na smicanje, povećanje modula stišljivosti i druge. Pritisak koji vlada na dodirnim površinama između čestica zove se efektivni ili intergranularni pritisak σ’. Kada je postignuta konsolidacija, tj. kada je uzorak prestao sjedati pod opterećenjem p0, efektivni pritisak jednak je ukupnom specifičnom pritisku koji vlada na dubini na kojoj se tlo promatra. U ovom slučaju je na dubini, ispod površine uzorka na sl. 2 σ’ = W/A + hzγ gdje je γ zapreminska težina uzorka.
Međutim ako uzorak u sudu umjesto olovnom sačmom opteretimo vodom do visine h, s tim da je ona ispunila sve pore uzorka, pritisak vodenog stupca iznad uzorka hγw, gdje je γw volumna težina vode, neće prouzročiti slijeganje uzorka i smanjenje njegove poroznosti niti će povećati njegovu čvrstoću smicanja i modul stišljivosti. Zbog toga se hidrostatički pritisak hγw zove neutralni pritisak. Neutralni pritisak koji se označuje sa u prenosi se kroz uzorak u svima pravcima jednakim intenzitetom. Ovaj pritisak neće prouzročiti povećanje čvrstoće smicanja, jer voda sama nema nikakvu čvrstoću smicanja.
Prema tome efektivni pritisak σ’ prenosi se preko dodirnih površina između čvrstih čestica tla, a neutralni pritisak u prenosi se kroz vodu u porama. Ako je donji dio suda ispunjen zasićenim uzorkom tla čija je zapreminska težina γz, a iznad površine uzorka do nivoa N je sud ispunjen vodom čija zapreminska težina je γw, onda će ukupan pritisak σ u ma kojoj tački uzorka biti σ = σ’ + u.
Na dubini hz, ispod površine uzorka, efektivni tlak bit će σ = σ’ - u
gdje je σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Prema tome bit će σ’ = hz γ’
γ’ je volumna težina potopljenog tla u vodi.
Opća jednadžba čvrstoće smicanja tla
Ako vezano tlo opteretimo opterećenjem P, ovo će opterećenje izazvati slijeganje tla i najprije će pod njegovim djelovanjem biti istisnut zrak iz pora, tako da će uskoro u porama ostati samo voda. Budući da zbog male vodopropusnosti vezanog tla voda ne može odmah biti istisnuta, ona ostaje kao napregnuta voda u porama i u početku preuzima ukupno vanjsko opterećenje P. U daljnjem vremenskom tijeku, pod djelovanjem opterećenja P počinje se istiskivati voda iz pora i nastaje zbližavanje čvrstih čestica, koje sada preuzimaju jedan dio opterećenja P. Tada imamo τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ gdje je σ ukupni tlak od opterećenja P, u tlak porne vode.
Pritisak porne vode u ovisi o više čimbenika, kao što su vremenski tok konsolidacije, propusnost tla, veličina opterećenja tla itd. Čvrstoća smicanja tla ovisi o pritisku porne vode i ona je najveća za u=0, kada nastaje konsolidacija tla.
Koloidna aktivnost tla
Elementi unutarnjeg otpora tla kohezije i trenja mogu biti različiti i u velikoj mjeri ovise o krupnoći čvrstih čestica tla i njegovim plastičnim svojstvima. Radi određivanja utjecaja kohezije u odnosu na otpor unutarnjeg trenja koherentnog tla, Skempton je uveo pojam koloidne aktivnosti tla _K_P, koji je prikazan odnosom indeksa plastičnosti IP prema količini čestica manjih od 0,002 mm u % težine cijele mase. Pri tome je usvojen sljedeći kriterij (sl. 3):
Sl. 3. Koloidna aktivnost tla
Kod KP < 0,75 gline su neaktivne,
za KP = 0,75 – 1,25 su obične gline,
za Kp > 1,25 za aktivne gline.
S porastom KP raste utjecaj kohezije u odnosu na unutarnje trenje koherentnog tla.
Osjetljivost tla
Ako u koherentnom tlu izvadimo valjak promjera 3—3,4 cm visine ~ 5 cm i opteretimo ga normalnim opterećenjem, u trenutku loma valjka dobit ćemo čvrstoću pritiska tla u neporemećenom stanju σ__ₙ:
σn = P/A izraženo u kp/cm2,
gdje je A poprečni presjek valjka.
Po završenom opitu slomljeni uzorak premjestimo i ponovno izradimo valjak istih dimenzija, pomoću istog cilindra-kalupa, s tim da njegova vlažnost ostane ona koja je bila pri prethodnom opitu. Zatim se odmah po izradi premešenog valjka ponovi opit s njime, tako da se dobije čvrstoća pritiska tla u poremećenom stanju σ__ₚ.
Osjetljivost (sensitivitet) S__ₜ je odnos čvrstoće pritiska u nepromijenjenom prema čvrstoći pritiska u poremećenom stanju: St = σn/σp,
Prema jednom kriteriju osjetljivost S__ₜ ocjenjuje se na sljedeći način:
- za S__ₜ = 1 — 2 je mala osjetljivost gline,
- za S__ₜ = 2 — 4 je srednja osjetljivost gline,
- za S__ₜ = 4 — 8 je velika osjetljivost gline,
- za S__ₜ > 8 je preosjetljiva glina.
U prirodi se događa da uslijed mehaničkog djelovanja, na primjer potresa, glinovito tlo odjednom izgubi svoju čvrstoću, koju zatim u stanju mirovanja ponovno dobije. Ova osobina zove se tiksotropija tla. Mnoge gline imaju u određenoj mjeri tiksotropna svojstva. Poznati su slučajevi klizanja kosina usjeka uslijed istjecanja tiksotropne gline u Norveškoj, Švedskoj i Finskoj, gdje je ispitivanjem utvrđeno da nije bilo promjene vlažnosti gline tijekom tog procesa, tj. da je vlažnost gline bila konstantna prije i poslije istjecanja.