Jika pada tanah kohesif kita memotong sebuah silinder dan meletakkannya di bawah pengaruh tekanan normal P (gbr. 1), pada silinder akan muncul tegangan baru, yaitu tegangan tekan vertikal σ dan tegangan geser horizontal . Jika tekanan P dinaikkan secara bertahap, setelah beberapa waktu akan muncul retakan miring pada silinder, dan segera sesudah itu silinder akan mengalami keruntuhan. Pada saat runtuh, silinder bergeser akibat pengaruh tekanan P dan sepanjang bidang geser dengan tahanan terkecil N-N.
Gbr. 1. Pengaruh tekanan pada silinder yang diambil dari tanah kohesif
Tahanan tanah yang diberikan silinder terhadap gaya P pada saat patah disebut tahanan geser tanah, dan sudut α kemiringan bidang tahanan minimum terhadap horizontal disebut sudut bidang tahanan geser tanah minimum.
Tahanan geser tanah terikat terdiri atas dua tahanan elementer: gesekan internal antara partikel padat dan kohesi yang mengikat partikel padat. Kuat geser tanah dianggap sama dengan tegangan geser terbesar pada saat patah dan dinyatakan dengan persamaan
τf = c + σ tg_φ_
di mana: τf kekuatan geser tanah [kp/cm2],
c kohesi tanah [kp/cm3],
σ tegangan normal tanah [kp/cm3],
φ sudut gesek dalam tanah.
Rumus di atas dikemukakan oleh orang Prancis Coulomb 1785. tahun. Menurut rumus ini, untuk tanah tertentu kohesi c adalah konstan dan tidak bergantung pada tekanan normal, sedangkan tahanan gesek σ tg_ϕ_ berbanding lurus dengan tegangan σ. Pada kenyataannya kohesi e tidak konstan untuk tanah tertentu, melainkan juga dalam tingkat tertentu bergantung pada tegangan normal σ, karena di bawah pengaruh tekanan tersebut ketebalan lapisan air yang menyelimuti partikel padat berkurang dan dengan demikian kohesi meningkat. Rumus Coulomb berlaku untuk tanah permeabel, di mana di bawah pengaruh tekanan normal air pori terdorong keluar tanpa hambatan, yang merupakan kasus tanah kerikil dan berpasir, tetapi bukan kasus tanah kohesif yang sedikit permeabel, sehingga air pori sulit terdorong keluar dan tertinggal sebagai air pori bertegangan di bawah pengaruh beban P.
Tegangan efektif dan netral pada tanah
Gbr. 2. Tegangan efektif dan netral dalam tanah
Jika pada dasar bejana kita meletakkan sampel tanah, misalnya pasir kering, lalu membebaninya dengan suatu massa, misalnya butiran timbal dengan berat W, seluruh beban dari berat ini akan diterima oleh partikel-partikel padat tanah. Tekanan spesifik pada permukaan sampel p0 = W/A dalam kp/cm3, dengan A sebagai luas penampang sampel, akan menyebabkan penurunan sampel, yaitu berkurangnya porositasnya, tetapi juga akan menimbulkan perubahan pada sifat fisik lainnya dari sampel, seperti peningkatan kuat geser, peningkatan modulus kemampatan, dan lain-lain. Tekanan yang bekerja pada bidang kontak antarp butir disebut tekanan efektif atau tekanan intergranular σ’. Ketika konsolidasi tercapai, yaitu ketika sampel berhenti mengalami penurunan di bawah beban p0, tekanan efektif sama dengan tekanan spesifik total yang berlaku pada kedalaman tempat tanah ditinjau. Dalam hal ini pada kedalaman, di bawah permukaan sampel pada gambar 2 σ’ = W/A + hzγ dengan γ adalah berat volume sampel.
Namun, jika contoh di dalam bejana diberi beban air alih-alih butiran timbal hingga setinggi h, dengan syarat air telah mengisi semua pori contoh, tekanan kolom air di atas contoh hγw, di mana γw adalah berat isi air, tidak akan menyebabkan penurunan contoh dan pengurangan porositasnya, juga tidak akan meningkatkan kuat geser dan modulus kemampatan. Oleh karena itu tekanan hidrostatis hγw disebut tekanan netral. Tekanan netral yang dinyatakan dengan u diteruskan melalui contoh ke segala arah dengan intensitas yang sama. Tekanan ini tidak akan menyebabkan peningkatan kuat geser, karena air sendiri tidak mempunyai kuat geser.
Karena itu tekanan efektif σ’ diteruskan melalui bidang kontak antara partikel padat tanah, sedangkan tekanan netral u diteruskan melalui air di dalam pori-pori. Jika bagian bawah bejana diisi oleh sampel tanah jenuh dengan berat isi γz, dan di atas permukaan sampel sampai ke tingkat N bejana diisi air dengan berat isi γw, maka tekanan total σ pada titik mana pun dalam sampel adalah σ = σ’ + u.
Pada kedalaman hz, di bawah permukaan sampel tekanan efektif akan menjadi σ = σ’ - u
di mana σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Dengan demikian akan diperoleh σ’ = hz γ’
γ’ adalah berat volumetrik tanah yang terendam dalam air.
Persamaan umum kekuatan geser tanah
Jika tanah kohesif dibebani dengan beban P, beban ini akan menyebabkan penurunan tanah dan mula-mula udara dari pori-pori akan terdorong keluar olehnya, sehingga segera hanya air yang tersisa di dalam pori-pori. Karena rendahnya daya tembus air pada tanah kohesif, air tidak dapat segera terdorong keluar, sehingga tetap berada sebagai air bertekanan di dalam pori-pori dan pada awalnya menerima seluruh beban luar P. Dalam perkembangan waktu berikutnya, di bawah pengaruh beban P air mulai terdesak keluar dari pori-pori dan terjadi pendekatan partikel-partikel padat, yang kini menerima sebagian beban P. Maka berlaku τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ di mana σ adalah tekanan total dari beban P, u tekanan air pori.
Tekanan air pori u bergantung pada beberapa faktor, seperti jalannya konsolidasi dari waktu ke waktu, permeabilitas tanah, besarnya beban tanah, dll. Kekuatan geser tanah bergantung pada tekanan air pori dan nilainya paling besar pada u=0, ketika terjadi konsolidasi tanah.
Aktivitas koloidal tanah
Unsur-unsur tahanan dalam tanah kohesi dan gesekan dapat berbeda dan sangat bergantung pada ukuran butir partikel padat tanah serta sifat plastisnya. Untuk menentukan pengaruh kohesi terhadap tahanan gesekan dalam tanah kohesif, Skempton memperkenalkan konsep aktivitas koloidal tanah _K_P, yang dinyatakan dengan perbandingan indeks plastisitas IP terhadap jumlah partikel yang lebih kecil dari 0,002 mm dalam % berat seluruh massa. Untuk itu, kriteria berikut diambil (gambar 3):
Gbr. 3. Aktivitas koloid tanah
Untuk KP < 0,75 adalah lempung tidak aktif,
untuk KP = 0,75 – 1,25 adalah lempung normal,
untuk Kp > 1,25 lempung aktif.
Dengan meningkatnya KP, pengaruh kohesi terhadap gesekan dalam tanah kohesif semakin besar.
Kepekaan tanah
Jika pada tanah kohesif kita mengambil silinder berdiameter 3—3,4 cm dengan tinggi ~ 5 cm dan membebaninya dengan beban normal, pada saat silinder runtuh kita akan memperoleh kuat tekan tanah dalam keadaan tak terganggu σ__ₙ:
σn = P/A dalam kp/cm2,
di mana A adalah penampang melintang silinder.
Setelah pengujian selesai, sampel yang hancur dipindahkan dan kembali dibuat silinder dengan dimensi yang sama, menggunakan cetakan silinder yang sama, dengan syarat kadar airnya tetap sama seperti pada pengujian sebelumnya. Kemudian segera setelah silinder yang diuleni selesai dibuat, pengujian diulang padanya, sehingga diperoleh kuat tekan tanah dalam keadaan terganggu σ__ₚ.
Sensitivitas (sensitivitas) S__ₜ adalah perbandingan kekuatan tekan pada keadaan tak terganggu terhadap kekuatan tekan pada keadaan terganggu: St = σn/σp,
Menurut salah satu kriteria, kepekaan S__ₜ dinilai sebagai berikut:
- untuk S__ₜ = 1 — 2 adalah sensitivitas lempung yang kecil,
- untuk S__ₜ = 2 — 4 adalah sensitivitas sedang dari lempung,
- untuk S__ₜ = 4 — 8 terdapat kepekaan tanah liat yang besar,
- untuk S__ₜ > 8 adalah tanah liat yang terlalu peka.
Di alam terjadi bahwa akibat pengaruh mekanis, misalnya gempa, tanah liat tiba-tiba kehilangan kekuatannya, kemudian pada keadaan diam mendapatkannya kembali. Sifat ini disebut tiksotropi tanah. Banyak lempung memiliki sifat tiksotropik sampai tingkat tertentu. Dikenal kasus-kasus longsor lereng galian akibat keluarnya lempung tiksotropik di Norwegia, Swedia, dan Finlandia, di mana melalui pengujian ditetapkan bahwa tidak terjadi perubahan kadar air lempung selama proses ini, yaitu kadar air lempung tetap konstan sebelum dan sesudah keluarnya.