Ja saistītā augsnē izgriežam cilindru un pakļaujam to normālam spiedienam P (att. 1), cilindrā parādīsies jauni spriegumi, proti, vertikālais spiedes spriegums σ un horizontālais bīdes spriegums. Ja spiedienu P pakāpeniski palielinām, pēc zināma laika uz cilindra parādīsies slīpas plaisas, un tūlīt pēc tam notiks cilindra lūzums. Lūzuma brīdī cilindrs ir nobīdīts spiediena P iedarbībā pa bīdes plakni ar vismazāko pretestību N-N.
Att. 1. Spiediena iedarbība uz no kohērentas augsnes izņemta cilindra paraugu
Augsnes pretestību, ko veltnis izrādījis pret spēka P iedarbību lūzuma brīdī, sauc par augsnes bīdes pretestību, bet leņķi α starp vismazākās pretestības plaknes slīpumu un horizontāli sauc par augsnes vismazākās bīdes pretestības plaknes leņķi.
Saistītās grunts bīdes pretestība sastāv no divām elementārām pretestībām: iekšējās berzes starp cietajām daļiņām un kohēzijas, kas saista cietās daļiņas. Grunts bīdes stiprību pieņem vienādu ar maksimālo bīdes spriegumu lūzuma brīdī, un to izsaka ar vienādojumu
τf = c + σ tg_φ_
kur: τf grunts bīdes stiprība [kp/cm2],
c augsnes kohēzija [kp/cm3],
σ normālais grunts spriegums [kp/cm3],
φ augsnes iekšējās berzes leņķis.
Šo augšējo formulu 1785. gadā izstrādāja francūzis Kulons 1785. Pēc šīs formulas dotai gruntij kohēzija c ir konstanta un neatkarīga no normālā spiediena, savukārt berzes pretestība σ tg_ϕ_ ir tieši proporcionāla spriegumam σ. Patiesībā kohēzija e dotai gruntij nav konstanta, bet arī tā zināmā mērā ir atkarīga no normālā sprieguma σ, jo šā spiediena ietekmē samazinās ūdens plēves biezums, kas aptver cietās daļiņas, un tādējādi kohēzija palielinās. Kulona formula ir spēkā caurlaidīgām gruntīm, kurās normālā spiediena iedarbībā ūdens no porām tiek izspiests bez pretestības, kas ir grants un smilts gadījums, bet nav saistītās grunts gadījums, kas ir maz caurlaidīga, tāpēc ūdens no porām tiek grūti izspiests un paliek kā saspriegots poru ūdens slodzes P iedarbībā.
Efektīvie un neitrālie spriegumi augsnē
Att. 2. Efektīvais un neitrālais spriegums gruntī
Ja trauka apakšā ievietojam augsnes paraugu, piemēram, sausu smilti, un to noslogojam ar kādu masu, piemēram, svina skrotīm ar svaru W, visu šīs masas slodzi uzņems augsnes cietās daļiņas. Specifiskais spiediens uz parauga virsmu p0 = W/A kp/cm3, kur A ir parauga šķērsgriezuma laukums, izraisīs parauga sēšanos, t. i., tā porainības samazināšanos, bet radīs arī izmaiņas citās parauga fizikālajās īpašībās, piemēram, bīdes stiprības pieaugumu, saspiežamības moduļa pieaugumu un citas. Spiedienu, kas valda starp daļiņu saskares virsmām, sauc par efektīvo jeb starpgranulu spiedienu σ’. Kad ir panākta konsolidācija, t. i., kad paraugs vairs nesēžas pie slodzes p0, efektīvais spiediens ir vienāds ar kopējo specifisko spiedienu, kas valda dziļumā, kurā augsne tiek aplūkota. Šajā gadījumā dziļumā zem parauga virsmas att. 2 σ’ = W/A + hzγ kur γ ir parauga tilpummasa.
Tomēr, ja paraugu traukā lodīšu svina vietā noslogojam ar ūdeni līdz augstumam h, tādā veidā, ka tas ir aizpildījis visas parauga poras, ūdens staba spiediens virs parauga hγw, kur γw ir ūdens tilpummasa, neradīs parauga sēšanos un tā porainības samazināšanos, kā arī nepalielinās tā bīdes stiprību un saspiežamības moduli. Tāpēc hidrostatisko spiedienu hγw sauc par neitrālo spiedienu. Neitrālais spiediens, ko apzīmē ar u, caur paraugu tiek pārnests visos virzienos vienādā intensitātē. Šis spiediens neizraisīs bīdes stiprības palielināšanos, jo ūdenim pašam nav nekādas bīdes stiprības.
Tādējādi efektīvais spiediens σ’ tiek pārnests caur saskares virsmām starp grunts cietajām daļiņām, bet neitrālais spiediens u tiek pārnests caur ūdeni porās. Ja trauka apakšējā daļa ir piepildīta ar piesātinātu grunts paraugu, kura tilpuma svars ir γz, bet virs parauga virsmas līdz līmenim N trauks ir piepildīts ar ūdeni, kura tilpuma svars ir γw, tad kopējais spiediens σ jebkurā parauga punktā būs σ = σ’ + u.
Dziļumā hz zem parauga virsmas efektīvais spiediens būs σ = σ’ - u
kur σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Tātad būs σ’ = hz γ’
γ’ ir ūdenī iegremdētas augsnes tilpuma svars.
Vispārīgais grunts bīdes stiprības vienādojums
Ja saistīto grunti noslogojam ar slodzi P, šī slodze izraisīs grunts sēšanos, un vispirms tās iedarbībā no porām tiks izspiests gaiss, tā ka drīz porās paliks tikai ūdens. Tā kā saistītās grunts mazās ūdens caurlaidības dēļ ūdeni nevar uzreiz izspiest, tas porās paliek kā saspriegts ūdens un sākumā uzņem visu ārējo slodzi P. Turpmākajā laikā slodzes P ietekmē sākas ūdens izspiešana no porām un notiek cieto daļiņu tuvināšanās, kas tagad uzņem daļu no slodzes P. Tad mums ir τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ kur σ ir kopējais spiediens no slodzes P, u — porūdens spiediens.
Poru ūdens spiediens u ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, konsolidācijas laika gaitas, grunts caurlaidības, grunts slodzes lieluma utt. Grunts bīdes stiprība ir atkarīga no poru ūdens spiediena, un tā ir vislielākā pie u=0, kad notiek grunts konsolidācija.
Augsnes koloidālā aktivitāte
Zemes iekšējās pretestības elementi kohēzija un berze var būt dažādi un lielā mērā ir atkarīgi no augsnes cieto daļiņu rupjuma un tās plastiskajām īpašībām. Lai noteiktu kohēzijas ietekmi attiecībā pret koherentas augsnes iekšējās berzes pretestību, Skemptons ieviesa augsnes koloidālās aktivitātes jēdzienu _K_P, kas izteikts ar plastiskuma indeksa IP attiecību pret daļiņu daudzumu, kas mazākas par 0,002 mm % no visas masas svara. Tika pieņemts šāds kritērijs (att. 3):
Att. 3. Augsnes koloidālā aktivitāte
Pie KP < 0,75 ir neaktīvas māla augsnes,
pie KP = 0,75 – 1,25 ir normāli māli,
pie Kp > 1,25 aktīvai mālai.
Pieaugot KP, kohēzijas ietekme palielinās salīdzinājumā ar kohezijas grunts iekšējo berzi.
Augsnes jutīgums
Ja kohērentā augsnē izņemam cilindru ar diametru 3—3,4 cm un augstumu ~ 5 cm un noslogojam to ar normālu slodzi, lūzuma brīdī iegūsim neskartā stāvoklī esošas augsnes spiedes stiprību σ__ₙ:
σn = P/A kp/cm2,
kur A ir cilindra šķērsgriezums.
Pēc pabeigtā mēģinājuma salauzto paraugu pārvietojam un atkārtoti izgatavojam tāda paša izmēra cilindru, izmantojot to pašu cilindra veidni, saglabājot tā mitrumu tādu, kāds tas bija iepriekšējā mēģinājumā. Pēc tam uzreiz pēc pārrullētā cilindra izgatavošanas ar to atkārto mēģinājumu, lai iegūtu augsnes spiedes stiprību traucētā stāvoklī σ__ₚ.
Jutība (sensitivitāte) S__ₜ ir attiecība starp spiedes stiprību nedeformētā stāvoklī un spiedes stiprību deformētā stāvoklī: St = σn/σp,
Pēc viena kritērija jutīgumu S__ₜ vērtē šādi:
- pie S__ₜ = 1 — 2 ir neliela māla jutība,
- ja S__ₜ = 2 — 4 ir māla vidēja jutība,
- pie S__ₜ = 4 — 8 ir liela māla jutība,
- lielāka par S__ₜ > 8 ir jutīga māla.
Dabā mēdz notikt, ka mehāniskas iedarbības, piemēram, zemestrīces, rezultātā mālaina grunts pēkšņi zaudē savu stiprību, ko pēc tam miera stāvoklī atkal atgūst. Šo īpašību sauc par grunts tiksotropiju. Daudzām mālēm zināmā mērā piemīt tiksotropas īpašības. Ir zināmi nogāžu noslīdējumi izrakumu nogāzēs tiksotropas māla izplūšanas dēļ Norvēģijā, Zviedrijā un Somijā, kur izpētē tika konstatēts, ka šī procesa laikā māla mitrums nebija mainījies, t. i., māla mitrums pirms un pēc izplūšanas bija nemainīgs.