Егер байланысқан топырақтан цилиндр кесіп алып, оны қалыпты қысым P әсеріне салсақ (сур. 1), цилиндрде жаңа кернеулер, атап айтқанда тік қысу кернеуі σ және көлденең ығысу кернеуі пайда болады. Егер P қысымын біртіндеп арттырсақ, біраз уақыттан кейін цилиндрде қиғаш жарықтар пайда болады, ал содан кейін бірден цилиндр бұзылады. Бұзылу сәтінде цилиндр P қысымының әсерінен және ең аз кедергілі ығысу жазықтығы N-N бойымен ығысады.
Сур. 1. Когерентті топырақтан алынған цилиндрге қысымның әсері
Цилиндрдің P күшінің әсеріне қарсы бұзылу сәтінде топырақ көрсеткен кедергі топырақтың ығысу кедергісі деп аталады, ал ең аз кедергі жазықтығының горизонтальға қатысты α еңкею бұрышы топырақтың ығысуы бойынша ең аз кедергі жазықтығының бұрышы деп аталады.
Байланысқан топырақтың ығысуға кедергісі екі элементар кедергіден тұрады: қатты бөлшектер арасындағы ішкі үйкеліс және қатты бөлшектерді байланыстыратын когезия. Топырақтың ығысу беріктігі сыну сәтіндегі ең жоғары ығысу кернеуіне тең деп қабылданады және мына теңдеумен өрнектеледі
τf = c + σ tg_φ_
мұнда: τf — топырақтың ығысу беріктігі [kp/cm2],
c топырақтың когезиясы [kp/cm3],
σ топырақтың қалыпты кернеуі [kp/cm3],
φ — топырақтың ішкі үйкеліс бұрышы.
Жоғарыдағы формуланы француз Coulomb 1785. жылы ұсынған. Осы формула бойынша берілген топырақ үшін когезия c тұрақты және қалыпты қысымға тәуелсіз, ал үйкеліс кедергісі σ tg_ϕ_ кернеу σ-ға дәл пропорционал. Шын мәнінде берілген топырақ үшін когезия e тұрақты емес, ол да белгілі бір дәрежеде қалыпты кернеу σ-ға тәуелді, өйткені осы қысымның әсерінен қатты бөлшектерді қоршаған су қабықшасының қалыңдығы азаяды да, сол арқылы когезия артады. Coulomb формуласы өткізгіш топырақтарға қолданылады, онда қалыпты қысым әсерінен саңылаулардағы су кедергісіз ығыстырылады, бұл қиыршық тасты және құмды топыраққа тән, бірақ төмен өткізгіштігі бар байланысқан топыраққа тән емес, себебі онда саңылаулардағы су қиын ығыстырылады және P жүктемесінің әсерінен кернеулі кеуек су ретінде қалып қояды.
Топырақтағы тиімді және нейтрал кернеулер
Сур. 2. Топырақтағы тиімді және нейтрал кернеу
Егер ыдыстың түбіне топырақ үлгісін, мысалы құрғақ құмды, салып, оған белгілі бір масса, мысалы салмағы W қорғасын бытырасы арқылы жүк түсірсек, осы салмақтың бүкіл жүктемесін топырақтың қатты бөлшектері қабылдайды. Үлгі бетіне түсетін меншікті қысым p0 = W/A kp/cm3, мұнда A — үлгінің қима ауданы, үлгінің шөгуіне, яғни оның кеуектілігінің азаюына әкеледі, бірақ сонымен бірге үлгінің басқа физикалық қасиеттерінің өзгеруіне де себеп болады, мысалы, ығысу беріктігінің артуы, сығылу модулінің артуы және т.б. Бөлшектердің жанасу беттерінде болатын қысым тиімді немесе түйіраралық қысым σ’ деп аталады. Консолидацияға қол жеткізілген кезде, яғни үлгі p0 жүктемесі астында шөгуді тоқтатқанда, тиімді қысым топырақ қарастырылып отырған тереңдіктегі жалпы меншікті қысымға тең болады. Бұл жағдайда үлгі бетінің астындағы тереңдікте, сур. 2 σ’ = W/A + hzγ мұнда γ — үлгінің көлемдік салмағы.
Алайда, егер ыдыстағы үлгіні қорғасын бытырасының орнына h биіктігіне дейін сумен жүктесек және су үлгінің барлық кеуектерін толтырса, онда үлгінің үстіндегі су бағанының қысымы hγw, мұнда γw — судың көлемдік салмағы, үлгінің шөгуін және оның кеуектілігінің азаюын туғызбайды, сондай-ақ оның ығысуға беріктігін және сығылғыштық модулін де арттырмайды. Сондықтан гидростатикалық қысым hγw бейтарап қысым деп аталады. u деп белгіленетін бейтарап қысым үлгі арқылы барлық бағытта бірдей қарқынмен беріледі. Бұл қысым ығысуға беріктіктің артуын туғызбайды, өйткені судың өзі ығысуға ешқандай беріктікке ие емес.
Осылайша тиімді қысым σ’ топырақтың қатты бөлшектері арасындағы жанасу беттері арқылы беріледі, ал нейтрал қысым u қуыстардағы су арқылы беріледі. Егер ыдыстың төменгі бөлігі көлемдік салмағы γz болатын қаныққан топырақ үлгісімен толтырылған болса, ал үлгі бетінің үстінен N деңгейіне дейін ыдыс көлемдік салмағы γw болатын сумен толтырылған болса, онда үлгінің кез келген нүктесіндегі толық қысым σ мынаған тең болады: σ = σ’ + u.
hz тереңдікте, үлгі бетінің астында тиімді қысым σ = σ’ - u болады
мұнда σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Осылайша σ’ = hz γ’ болады
γ’ — суға батырылған топырақтың көлемдік салмағы.
Топырақтың ығысу беріктігінің жалпы теңдеуі
Егер байланысқан топыраққа P жүктемесін түсірсек, бұл жүктеме топырақтың отыруын туғызады және оның әсерінен алдымен кеуектерден ауа сығылады, сондықтан көп ұзамай кеуектерде тек су ғана қалады. Байланысқан топырақтың су өткізгіштігі төмен болғандықтан су бірден сығылып шыға алмайды, сондықтан ол кеуектерде кернеулі су ретінде қалады да, бастапқыда сыртқы P жүктемесін толық қабылдайды. Кейінгі уақытта P жүктемесінің әсерінен кеуектерден су ығыстырыла бастайды және қатты бөлшектердің жақындасуы жүреді, олар енді P жүктемесінің бір бөлігін қабылдайды. Сонда τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ мұнда σ — P жүктемесінен болатын жалпы қысым, u — кеуек суының қысымы.
Кеуек суының қысымы консолидацияның уақыт барысы, топырақтың өткізгіштігі, топыраққа түсетін жүктеменің шамасы және т.б. сияқты бірқатар факторларға байланысты. Топырақтың ығысу беріктігі кеуек суының қысымына тәуелді және ол u=0 кезінде ең үлкен болады, сол кезде топырақтың консолидациясы жүреді.
Топырақтың коллоидтық белсенділігі
Топырақтың ішкі кедергі элементтері ілінісу мен үйкеліс әртүрлі болуы мүмкін және топырақтың қатты бөлшектерінің ірілігіне және оның пластикалық қасиеттеріне едәуір тәуелді. Когерентті топырақтың ішкі үйкеліс кедергісіне қатысты ілінісу әсерін анықтау мақсатында Скемптон топырақтың коллоидтық белсенділігі _K_P ұғымын енгізді, ол пластикалылық индексі IP мен бүкіл массаның салмағының % есебімен 0,002 mm-ден кіші бөлшектер мөлшерінің арақатынасы ретінде көрсетілген. Бұл ретте мынадай критерий қабылданған (сур. 3):
Сур. 3. Топырақтың коллоидтық белсенділігі
KP < 0,75 болғанда саздар белсенді емес,
KP = 0,75 – 1,25 үшін қалыпты саздар,
Kp > 1,25 белсенді саз үшін.
KP артқан сайын когезияның әсері когерентті топырақтың ішкі үйкелісіне қатысты өседі.
Топырақтың сезімталдығы
Егер байланысқан топырақтан 3—3,4 cm диаметрлі, шамамен 5 cm биіктіктегі цилиндрді алып, оған нормаль жүк түсірсек, цилиндр бұзылған сәтте бұзылмаған күйдегі топырақтың қысымға беріктігін σ__ₙ: аламыз
σn = P/A kp/cm2 түрінде,
мұнда A — цилиндрдің көлденең қимасы.
Сынақ аяқталғаннан кейін сынған үлгіні жылжытамыз да, дәл сондай өлшемдегі цилиндр-қалыптың көмегімен, оның ылғалдылығы алдыңғы сынақ кезіндегідей сақтала отырып, сол үлгіні қайта дайындаймыз. Содан кейін қайта өңделген цилиндрді дайындаған бойда онымен сынақты бірден қайталаймыз, осылайша бұзылған күйдегі топырақтың қысуға беріктігі σ__ₚ. алынады.
Сезімталдық (сезімталдық) S__ₜ — бұзылмаған күйдегі сығылуға беріктік пен бұзылған күйдегі сығылуға беріктік қатынасы: St = σn/σp,
Бір критерийге сәйкес S__ₜ сезімталдығы былай бағаланады:
- S__ₜ = 1 — 2 кезінде саздың сезімталдығы төмен болады,
- S__ₜ = 2 — 4 кезінде саздың орташа сезімталдығы,
- S__ₜ = 4 — 8 кезінде саздың жоғары сезімталдығы байқалады,
- S__ₜ > 8 болғанда бұл сезімтал саз.
Табиғатта механикалық әсер, мысалы жер сілкінісі салдарынан, сазды топырақ кенеттен өзінің беріктігін жоғалтады, кейін тыныш күйде қайтадан алады. Бұл қасиет топырақтың тиксотропиясы деп аталады. Көптеген саздардың белгілі бір дәрежеде тиксотропиялық қасиеттері бар. Норвегияда, Швецияда және Финляндияда тиксотропиялық саздың ағуы салдарынан қазба беткейлерінің сырғу жағдайлары белгілі, мұнда зерттеу барысында бұл процесс кезінде саздың ылғалдылығы өзгермегені, яғни саздың ылғалдылығы ағуға дейін және кейін бірдей болғаны анықталған.