Ha kötött talajból hengert vágunk ki, és normál nyomás P hatása alá helyezzük (lásd 1. ábra), a hengerben új feszültségek jelennek meg, nevezetesen a függőleges nyomófeszültség σ és a vízszintes nyírófeszültség. Ha a P nyomást fokozatosan növeljük, bizonyos idő után a hengeren ferde repedések jelennek meg, majd közvetlenül ezután a henger törése következik be. Töréskor a henger a P nyomás hatására és a legkisebb ellenállású N-N nyírási sík mentén eltolódik.
Ábra 1. A nyomás hatása a koherens talajból kivett hengerre
A henger által a P erő hatásával szemben a törés pillanatában kifejtett talajellenállást nyíróellenállásnak nevezzük, a legkisebb ellenállás síkjának a vízszinteshez képest α hajlásszöge pedig a talaj nyírási legkisebb ellenállás síkjának szöge.
A kötött talaj nyírási ellenállása két elemi ellenállásból áll: a szilárd szemcsék közötti belső súrlódásból és a szilárd szemcséket összekötő kohézióból. A talaj nyírószilárdságát a törés pillanatában fellépő legnagyobb nyírófeszültséggel egyenlőnek vesszük, és az alábbi egyenlettel fejezzük ki
τf = c + σ tg_φ_
ahol: τf a talaj nyírószilárdsága [kp/cm2],
c a talaj kohéziója [kp/cm3],
σ talaj normálfeszültsége [kp/cm3],
φ a talaj belső súrlódási szöge.
A fenti összefüggést a francia Coulomb 1785. évben adta meg. E szerint az adott talajra a kohézió c állandó és független a normálnyomástól, míg a súrlódási ellenállás σ tg_ϕ_ éppen arányos a σ feszültséggel. Valójában az e kohézió nem állandó az adott talajnál, hanem bizonyos mértékben a σ normálfeszültségtől is függ, mert e nyomás hatására csökken a szilárd szemcséket körülvevő vízfilm vastagsága, és így a kohézió növekszik. A Coulomb-féle összefüggés áteresztő talajokra érvényes, amelyekben a normálnyomás hatására a pórusvíz ellenállás nélkül kiszorul; ez a kavicsos és homokos talaj esete, de nem igaz a kötött talajra, amely kevéssé áteresztő, ezért a pórusvíz nehezen szorul ki, és a P terhelés hatására feszített pórusvízként marad vissza.
Hatékony és semleges feszültségek a talajban
Ábra 2. Hatásos és semleges feszültség a talajban
Ha egy talajmintát helyezünk az edény aljára, például száraz homokot, és azt valamely tömeggel, például W tömegű ólomlövedékkel terheljük, az e tömeg által kifejtett teljes terhelést a talaj szilárd szemcséi veszik fel. A mintafelületre ható fajlagos nyomás p0 = W/A kp/cm3-ben, ahol A a minta keresztmetszeti területe, a minta ülepedését, azaz porozitásának csökkenését okozza, de a minta egyéb fizikai tulajdonságaiban is változásokat idéz elő, például a nyírószilárdság növekedését, a összenyomhatósági modulus növekedését és másokat. A szemcsék érintkezési felületein uralkodó nyomást effektív vagy intergranuláris nyomásnak nevezzük σ’. Amikor a konszolidáció bekövetkezik, azaz amikor a minta az p0 terhelés alatt már nem süllyed tovább, az effektív nyomás megegyezik azzal az összes fajlagos nyomással, amely azon a mélységen uralkodik, ahol a talajt vizsgáljuk. Ebben az esetben a minta felszíne alatti mélységben az ábr. 2 szerint σ’ = W/A + hzγ, ahol γ a minta térfogatsúlya.
Ha azonban a mintát az edényben ólomgolyók helyett vízzel terheljük meg h magasságig, úgy hogy az a minta valamennyi pórusát kitöltötte, a minta fölötti vízoszlop hγw nyomása, ahol γw a víz térfogatsúlya, nem okozza a minta ülepedését és porozitásának csökkenését, és nem növeli sem nyírószilárdságát, sem összenyomódási modulusát. Ezért a hidrosztatikus hγw nyomást semleges nyomásnak nevezik. A u-val jelölt semleges nyomás a mintán keresztül minden irányban azonos intenzitással terjed. Ez a nyomás nem okoz nyírószilárdság-növekedést, mert a víz önmagában semmiféle nyírószilárdsággal nem rendelkezik.
Ennek megfelelően a hatásos nyomás, σ’, a talaj szilárd szemcséi közötti érintkezési felületeken keresztül adódik át, a semleges nyomás, u, pedig a pórusvízen keresztül. Ha az edény alsó része olyan telített talajmintával van kitöltve, amelynek térfogatsúlya γz, és a minta felszíne fölött egészen N szintig az edény olyan vízzel van megtöltve, amelynek térfogatsúlya γw, akkor a minta bármely pontjában az össznyomás σ = σ’ + u.
hz mélységben, a minta felszíne alatt az effektív nyomás σ = σ’ - u lesz
ahol σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Eszerint σ’ = hz γ’
γ’ a vízbe merülő talaj térfogatsúlya.
A talaj nyírószilárdságának általános egyenlete
Ha a kötött talajt P terheléssel terheljük, ez a terhelés süllyedést idéz elő, és hatására először a pórusokból kiszorul a levegő, úgyhogy hamarosan a pórusokban már csak víz marad. Mivel a kötött talaj kis vízáteresztő képessége miatt a víz nem tud azonnal kiszorulni, a pórusokban feszített vízként marad, és kezdetben a teljes külső P terhelést felveszi. A további idő során a P terhelés hatására a víz kiszorul a pórusokból, és megindul a szilárd szemcsék közeledése, amelyek most a P terhelés egy részét veszik át. Ekkor τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ ahol σ a P terhelésből származó össznyomás, u pedig a pórusvíznyomás.
A pórusvíznyomás u több tényezőtől függ, mint például a konszolidáció időbeli lefolyásától, a talaj áteresztőképességétől, a talaj terhelésének nagyságától stb. A talaj nyírószilárdsága a pórusvíznyomástól függ, és akkor a legnagyobb, ha u=0, amikor a talaj konszolidációja bekövetkezik.
A talaj kolloidaktivitása
A talaj belső ellenállásának elemei, a kohézió és a súrlódás, eltérőek lehetnek, és nagymértékben függenek a talaj szilárd szemcséinek szemcseméretétől és plasztikus tulajdonságaitól. A koherens talaj belső súrlódási ellenállásához viszonyított kohézió hatásának meghatározására Skempton bevezette a talaj kolloidális aktivitásának _K_P fogalmát, amelyet a plaszticitási index IP és a 0,002 mm-nál kisebb szemcsék mennyiségének aránya fejez ki a teljes tömeg %-ában. Ennek során a következő kritériumot fogadták el (3. ábra 3):
Ábr. 3. A talaj kolloidaktivitása
A KP < 0,75 esetén az agyagok inaktívak,
KP = 0,75 – 1,25 esetén normál agyagok,
a Kp > 1,25 aktív agyagra.
A KP növekedésével a kohézió hatása a koherens talaj belső súrlódásához képest nő.
A talaj érzékenysége
Ha koherens talajból egy 3—3,4 cm átmérőjű, kb. 5 cm magasságú hengert veszünk ki, és azt normál terhelésnek tesszük ki, a henger törésének pillanatában a zavartalan állapotú talaj nyomószilárdságát kapjuk σ__ₙ:
σn = P/A kp/cm2-ben,
ahol A a henger keresztmetszete.
A vizsgálat befejezése után a törött mintát áthelyezzük, és ugyanazon hengerforma segítségével, azonos méretekkel ismét elkészítjük a hengert, úgy hogy nedvességtartalma megegyezzen az előző vizsgálatkor mért értékkel. Ezután azonnal megismételjük rajta a vizsgálatot, hogy megkapjuk a talaj nyomószilárdságát zavart állapotban σ__ₚ.
Az érzékenység (szenzitivitás) S__ₜ a zavartalan és a zavart állapotú nyomószilárdság hányadosa: St = σn/σp,
Egy kritérium szerint az S__ₜ érzékenységét a következőképpen értékeljük:
- at = 1 — 2 esetén az agyag érzékenysége kicsi,
- S__ₜ = 2 — 4 esetén az agyag közepes érzékenységű,
- S__ₜ = 4 — 8 esetén az agyag nagy érzékenységéről beszélünk,
- az S__ₜ > 8 esetén túlérzékeny agyag.
A természetben előfordul, hogy mechanikai hatásra, például földrengés következtében, az agyagos talaj hirtelen elveszíti szilárdságát, amelyet nyugalmi állapotban aztán ismét visszanyer. Ezt a tulajdonságot talaj tixotrópiájának nevezik. Számos agyag bizonyos mértékig tixotróp tulajdonságokkal rendelkezik. Ismertek olyan esetek, amikor Norvégiában, Svédországban és Finnországban bevágások rézsűi csúsztak meg a tixotróp agyag kifolyása miatt; a vizsgálatok kimutatták, hogy e folyamat során az agyag nedvességtartalma nem változott, vagyis a nedvességtartalom a kifolyás előtt és után állandó volt.