Ef við skerum út sívalning úr bundnum jarðvegi og leggjum hann undir eðlilegan þrýsting P (mynd 1), myndast ný spenna í sívalningnum, nefnilega lóðrétt þrýstispenna σ og lárétt skerspenna . Ef við aukum þrýstinginn P smám saman, munu eftir nokkurn tíma skástæðar sprungur koma fram á sívalningnum og strax á eftir verður sívalningurinn brotinn. Við brot er sívalningurinn skemmdur vegna þrýstingsins P eftir skersléttunni minnsta viðnáms N-N.
Mynd 1. Áhrif þrýstings á strokka tekinn úr samloðandi jarðvegi
Viðnám jarðvegsins sem strokkurinn veitti gegn áhrifum kraftsins P á brotstundu kallast skurðviðnám jarðvegsins, og hornið α sem hallar plani minnsta viðnámsins við lárétt kallast hornið á plani minnsta skurðviðnáms jarðvegsins.
Skriðviðnám bundins jarðvegs samanstendur af tveimur frumviðnámum: innri núningi milli föstu agnanna og samloðuninni sem bindur föstu agnirnar. Skriðstyrkur jarðvegs er talinn jafn mesta skriðspennu á brotstund og er tjáð með jöfnunni
τf = c + σ tg_φ_
þar sem: τf skerstyrkur jarðvegs [kp/cm2],
c jarðvegsviðloðun [kp/cm3],
σ eðlileg spenna jarðvegs [kp/cm3],
φ horn innri núnings jarðvegsins.
Franska maðurinn Coulomb setti fram ofangreinda formúlu árið 1785. Samkvæmt þessari formúlu er samloðun c fyrir tiltekinn jarðveg föst og óháð normalþrýstingi, en núningsviðnámið σ tg_ϕ_ er einmitt í réttu hlutfalli við spennuna σ. Í raun er samloðun e ekki föst fyrir tiltekinn jarðveg, heldur er hún einnig að einhverju marki háð normalspennunni σ, því undir áhrifum þessa þrýstings minnkar þykkt vatnsfilmunnar sem umlykur föstu agnirnar og samloðunin eykst þannig. Formúla Coulombs gildir fyrir gegndræpan jarðveg, þar sem vatn úr svitaholum þrýstist út án mótstöðu undir áhrifum normalþrýstings, sem á við um malar- og sandjarðveg, en ekki bundinn jarðveg, sem er lítt gegndræpur, þess vegna þrýstist vatn úr svitaholum erfitt út og situr eftir sem spennuð holuvatn undir áhrifum álagsins P.
Virkir og hlutlausir spennaþættir í jarðvegi
Mynd. 2. Virkt og hlutlaust álag í jarðvegi
Ef við setjum jarðvegssýni, til dæmis þurran sand, í botn íláts og hleðjum það með einhverri þyngd, til dæmis blýkúlum að þyngd W, tekur fasti hluti jarðvegsins við allri þessari álagningu. Sérstakur þrýstingur á yfirborð sýnisins p0 = W/A í kp/cm3, þar sem A er þversniðsflatarmál sýnisins, veldur sigi sýnisins, þ.e. minnkun á holrýmd þess, en veldur einnig breytingum á öðrum eðlisfræðilegum eiginleikum sýnisins, svo sem aukinni skersstyrk, aukinni þjöppunarstuðli og fleiru. Þrýstingur sem ríkir á snertiflötum milli agna kallast virki eða millikornþrýstingur σ’. Þegar samþjöppun hefur náðst, þ.e. þegar sýnið hefur hætt að síga undir álaginu p0, er virki þrýstingurinn jafnt heildar sértæka þrýstingnum sem ríkir á dýpi þar sem jarðvegurinn er skoðaður. Í þessu tilviki er á dýpinu, undir yfirborði sýnisins á mynd 2 σ’ = W/A + hzγ þar sem γ er rúmþyngd sýnisins.
Hins vegar, ef sýninu í ílátinu er í stað blýkúlna hlaðið með vatni upp í hæð h, þannig að það hafi fyllt allar svitaholur sýnisins, mun þrýstingur vatnssúlunnar fyrir ofan sýnið hγw, þar sem γw er rúmþyngd vatns, hvorki valda seti sýnisins né minnkun á holrýmd þess né auka skerspennustyrk þess og þjöppunarstuðul. Þess vegna er vökvastatikki þrýstingurinn hγw kallaður hlutlaus þrýstingur. Hlutlausi þrýstingurinn, sem táknaður er með u, berst um sýnið í allar áttir með jafnri stærð. Þessi þrýstingur veldur ekki aukningu á skerspennustyrk, því vatn eitt sér hefur engan skerspennustyrk.
Því er virki þrýstingurinn σ’ fluttur um snertifleti milli fastra agna jarðvegsins, en hlutlausi þrýstingurinn u fluttur í gegnum vatnið í holunum. Ef neðri hluti ílátsins er fylltur mettuðu jarðvegssýni með rúmþyngd γz, og ofan við yfirborð sýnisins upp að stigi N er ílátið fyllt vatni með rúmþyngd γw, þá verður heildarþrýstingurinn σ í hvaða punkti sem er í sýninu σ = σ’ + u.
Á dýpi hz, undir yfirborði sýnisins verður virki þrýstingurinn σ = σ’ - u
þar sem σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Samkvæmt því verður σ’ = hz γ’
γ’ er rúmþyngd sökts jarðvegs í vatni.
Almenn jafna skersstyrks jarðvegs
Ef við leggjum á bundinn jarðveg álagið P, mun þetta álag valda sigi jarðvegsins og fyrst undir áhrifum þess verður loftinu í svitaholunum þrýst út, þannig að brátt verður einungis vatn eftir í svitaholunum. Þar sem vatnið getur ekki þrýstst út strax vegna lítillar vatnsleiðni bundna jarðvegsins, helst það sem spennuvatn í svitaholunum og tekur í upphafi við öllu ytra álaginu P. Síðar, undir áhrifum álagsins P, byrjar vatn að þrýstast út úr svitaholunum og þá verða föstu agnirnar þéttari, og þær taka nú við hluta álagsins P. Þá höfum við τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ þar sem σ er heildarþrýstingurinn af álaginu P, u poruvatnsþrýstingurinn.
Porevatnsþrýstingur u veltur á mörgum þáttum, svo sem tímaferli samþjöppunar, gegndræpi jarðvegs, stærð álags á jarðveg o.s.frv. Skúfstyrkur jarðvegs ræðst af porevatnsþrýstingi og er mestur við u=0, þegar samþjöppun jarðvegs á sér stað.
Kóloíð virkni jarðvegs
Þættir innri viðnáms jarðvegs, samloðun og núnings, geta verið mismunandi og ráðast að miklu leyti af grófleika föstu agnanna í jarðveginum og plasteiginleikum hans. Til þess að ákvarða áhrif samloðunar miðað við viðnám innri núnings í samloðnu jarðvegi setti Skempton fram hugtakið kolloidal virkni jarðvegsins _K_P, sem er táknuð sem hlutfall mýktarvísitölunnar IP og magns agna minni en 0,002 mm í % af heildarþyngdinni. Þar var eftirfarandi viðmiðun tekin upp (mynd 3):
Mynd 3. Lísköpuð virkni jarðvegs
Fyrir KP < 0,75 eru leirarnir óvirkir,
fyrir KP = 0,75 – 1,25 eru venjulegir leirar,
fyrir Kp > 1,25 virks leirs.
Með aukningu KP vex áhrif samloðunar í samanburði við innri núning samloðandi jarðvegs.
Næmni jarðvegs
Ef við tökum í samloðandi jarðvegi út sívalning með þvermál 3—3,4 cm og hæð ~ 5 cm og hleðjum hann með lóðréttri álagningu, fáum við við brot sívalningsins þrýstistyrk jarðvegsins í ótrufluðu ástandi σ__ₙ:
σn = P/A í kp/cm2,
þar sem A er þversnið strokksins.
Að lokinni prófun er brotna sýnið fært til og strokka með sömu málum er mótaður að nýju, með sama sílindríska móti, þannig að rakinn verði áfram sá sami og við fyrri prófun. Síðan er prófunin endurtekin strax eftir að hinn endurmótaði strokkur er búinn til, þannig að fáist þrýstiþol jarðvegsins í trufluðu ástandi σ__ₚ.
Viðkvæmni (sensitivitet) S__ₜ er hlutfall þrýstistyrks í ótrufluðu ástandi og þrýstistyrks í trufluðu ástandi: St = σn/σp,
Samkvæmt einu viðmiði er viðkvæmni S__ₜ metin á eftirfarandi hátt:
- fyrir S__ₜ = 1 — 2 er lág næmni leirsins,
- fyrir S__ₜ = 2 — 4 er meðalnæmni leirs,
- fyrir S__ₜ = 4 — 8 er mikil viðkvæmni leirsins,
- fyrir S__ₜ > 8 er ofnæm leir.
Í náttúrunni gerist það að vegna vélræns álags, til dæmis jarðskjálfta, missir leirkenndur jarðvegur skyndilega fastleikann, sem hann síðan fær aftur í kyrrstöðu. Þessi eiginleiki kallast þiksótrópía jarðvegs. Margar leirtegundir hafa að einhverju leyti þiksótrópíska eiginleika. Þekkt eru dæmi um skrið hlíða í skurðum vegna útflæðis þiksótrópísks leirs í Noregi, Svíþjóð og Finnlandi, þar sem rannsókn sýndi að engin breyting hafði orðið á raka leirsins á meðan þessu ferli stóð, þ.e. að rakinn í leirnum var stöðugur fyrir og eftir útflæði.