Jeżeli w gruncie spoistym wytniesz walec i poddasz go działaniu nacisku normalnego P (rys. 1), w walcu pojawią się nowe naprężenia, a mianowicie pionowe naprężenie ściskające σ i poziome naprężenie ścinające . Jeżeli nacisk P stopniowo zwiększamy, po pewnym czasie na walcu pojawią się ukośne pęknięcia, a zaraz potem nastąpi zniszczenie walca. W chwili zniszczenia walec zostaje ścięty pod działaniem nacisku P wzdłuż płaszczyzny ścinania najmniejszego oporu N-N.
Rys. 1. Wpływ nacisku na walec wyjęty z gruntu koherentnego
Opór gruntu, jaki walec stawia działaniu siły P w chwili zniszczenia, nazywa się oporem ścinania gruntu, a kąt α nachylenia płaszczyzny najmniejszego oporu względem poziomu nazywa się kątem płaszczyzny najmniejszego oporu ścinania gruntu.
Odporność na ścinanie gruntu związanego składa się z dwóch elementarnych oporów: tarcia wewnętrznego między cząstkami stałymi oraz kohezji łączącej cząstki stałe. Przyjmuje się, że wytrzymałość gruntu na ścinanie jest równa największemu naprężeniu ścinającemu w chwili zniszczenia i wyraża się równaniem
τf = c + σ tg_φ_
gdzie: τf wytrzymałość gruntu na ścinanie [kp/cm2],
c kohezja gruntu [kp/cm3],
σ normalne naprężenie gruntu [kp/cm3],
φ kąt tarcia wewnętrznego gruntu.
Górny wzór podał Francuz Coulomb 1785. roku. Zgodnie z tym wzorem dla danego gruntu spójność c jest stała i niezależna od nacisku normalnego, natomiast opór tarcia σ tg_ϕ_ jest wprost proporcjonalny do naprężenia σ. W rzeczywistości spójność e nie jest stała dla danego gruntu, lecz również w pewnym stopniu zależy od naprężenia normalnego σ, ponieważ pod wpływem tego nacisku zmniejsza się grubość filmu wodnego otaczającego cząstki stałe i tym samym spójność wzrasta. Wzór Coulomba obowiązuje dla gruntów przepuszczalnych, w których pod wpływem nacisku normalnego woda z porów jest wyciskana bez oporu, co ma miejsce w przypadku gruntu żwirowego i piaszczystego, ale nie dotyczy gruntu spoistego, który jest mało przepuszczalny, wskutek czego woda z porów jest trudno wyciskana i pozostaje jako naprężona woda porowa pod wpływem obciążenia P.
Naprężenia efektywne i neutralne w gruncie
Rys. 2. Naprężenie efektywne i neutralne w gruncie
Jeżeli na dno naczynia umieścimy próbkę gruntu, na przykład suchego piasku, i obciążymy ją jakąś masą, na przykład śrutem ołowianym o ciężarze W, całe obciążenie tego ciężaru przejmą cząstki stałe gruntu. Nacisk jednostkowy na powierzchnię próbki p0 = W/A w kp/cm3, gdzie A jest polem przekroju próbki, spowoduje osiadanie próbki, tj. zmniejszenie jej porowatości, ale wywoła także zmiany innych właściwości fizycznych próbki, takich jak zwiększenie wytrzymałości na ścinanie, zwiększenie modułu ściśliwości i inne. Nacisk działający na powierzchniach styku między cząstkami nazywa się efektywnym lub międzyziarnowym naciskiem σ’. Gdy osiągnięta zostanie konsolidacja, tj. gdy próbka przestanie osiadać pod obciążeniem p0, nacisk efektywny jest równy całkowitemu naciskowi jednostkowemu działającemu na głębokości, na której rozpatruje się grunt. W tym przypadku na głębokości, pod powierzchnią próbki na rys. 2 σ’ = W/A + hzγ gdzie γ jest ciężarem objętościowym próbki.
Jeśli jednak próbkę w naczyniu zamiast śrutem ołowianym obciążymy wodą do wysokości h, przy czym woda wypełniła wszystkie pory próbki, nacisk słupa wody nad próbką hγw, gdzie γw jest ciężarem objętościowym wody, nie spowoduje osiadania próbki ani zmniejszenia jej porowatości, ani też nie zwiększy jej wytrzymałości na ścinanie i modułu ściśliwości. Dlatego ciśnienie hydrostatyczne hγw nazywa się ciśnieniem neutralnym. Ciśnienie neutralne, oznaczane symbolem u, przenosi się przez próbkę we wszystkich kierunkach z jednakowym natężeniem. Ciśnienie to nie spowoduje zwiększenia wytrzymałości na ścinanie, ponieważ sama woda nie ma żadnej wytrzymałości na ścinanie.
Zatem ciśnienie efektywne σ’ przenosi się przez powierzchnie styku między stałymi cząstkami gruntu, a ciśnienie neutralne u przenosi się przez wodę w porach. Jeżeli dolna część naczynia jest wypełniona nasyconą próbką gruntu, której ciężar objętościowy wynosi γz, a powyżej powierzchni próbki do poziomu N naczynie jest wypełnione wodą, której ciężar objętościowy wynosi γw, to całkowite ciśnienie σ w dowolnym punkcie próbki będzie σ = σ’ + u.
Na głębokości hz, pod powierzchnią próbki, ciśnienie efektywne będzie σ = σ’ - u
gdzie σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
A zatem będzie σ’ = hz γ’
γ’ jest ciężarem objętościowym gruntu zanurzonego w wodzie.
Ogólne równanie wytrzymałości gruntu na ścinanie
Jeżeli obciążymy grunt spoisty obciążeniem P, obciążenie to spowoduje osiadanie gruntu i najpierw pod jego działaniem zostanie wypchnięte powietrze z porów, tak że wkrótce w porach pozostanie już tylko woda. Ponieważ z powodu małej przepuszczalności wodnej gruntu spoistego woda nie może zostać od razu usunięta, pozostaje ona jako woda naprężona w porach i początkowo przejmuje całe zewnętrzne obciążenie P. W dalszym czasie, pod działaniem obciążenia P, zaczyna być wypychana woda z porów i następuje zbliżanie się cząstek stałych, które teraz przejmują część obciążenia P. Wtedy mamy τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ gdzie σ jest całkowitym naciskiem od obciążenia P, u ciśnieniem wody porowej.
Ciśnienie wody porowej u zależy od wielu czynników, takich jak przebieg czasowy konsolidacji, przepuszczalność gruntu, wielkość obciążenia gruntu itd. Wytrzymałość gruntu na ścinanie zależy od ciśnienia wody porowej i jest największa dla u=0, gdy następuje konsolidacja gruntu.
Aktywność koloidalna gleby
Elementy wewnętrznego oporu gruntu kohezji i tarcia mogą być różne i w dużej mierze zależą od wielkości stałych cząstek gruntu oraz jego właściwości plastycznych. W celu określenia wpływu kohezji w stosunku do oporu tarcia wewnętrznego gruntu kohezyjnego Skempton wprowadził pojęcie koloidalnej aktywności gruntu _K_P, które przedstawiono jako stosunek wskaźnika plastyczności IP do ilości cząstek mniejszych od 0,002 mm w % ciężaru całej masy. Przy tym przyjęto następujące kryterium (rys. 3):
Rys. 3. Koloidalna aktywność gleby
Dla KP < 0,75 gliny są nieaktywne,
dla KP = 0,75 – 1,25 są gliny normalne,
dla Kp > 1,25 gliny aktywnej.
Wraz ze wzrostem KP rośnie wpływ kohezji w stosunku do tarcia wewnętrznego gruntu spoistego.
Wrażliwość gleby
Jeśli w gruncie spoistym wyjmiemy walec o średnicy 3—3,4 cm i wysokości ~ 5 cm oraz obciążymy go obciążeniem normalnym, to w chwili zniszczenia walca uzyskamy wytrzymałość gruntu na ściskanie w stanie nienaruszonym σ__ₙ:
σn = P/A w kp/cm2,
gdzie A jest polem przekroju walca.
Po zakończeniu próby uszkodzoną próbkę usuwamy i ponownie wykonujemy walec o tych samych wymiarach, przy użyciu tego samego cylindra-formy, z tym że jego wilgotność pozostaje taka, jaka była przy poprzedniej próbie. Następnie zaraz po wykonaniu przeformowanego walca powtarza się z nim próbę, tak aby otrzymać wytrzymałość gruntu na ściskanie w stanie naruszonym σ__ₚ.
Czułość (sensitivitet) S__ₜ jest stosunkiem wytrzymałości na ściskanie w stanie nienaruszonym do wytrzymałości na ściskanie w stanie naruszonym: St = σn/σp,
Według jednego kryterium wrażliwość S__ₜ ocenia się następująco:
- dla S__ₜ = 1 — 2 jest mała wrażliwość gliny,
- dla S__ₜ = 2 — 4 jest średnią wrażliwością gliny,
- dla S__ₜ = 4 — 8 występuje duża wrażliwość gliny,
- dla S__ₜ > 8 jest gliną nadwrażliwą.
W przyrodzie zdarza się, że wskutek działania mechanicznego, na przykład trzęsienia, grunt gliniasty nagle traci swoją wytrzymałość, którą następnie w stanie spoczynku odzyskuje. Ta właściwość nazywa się tiksotropią gruntu. Wiele glin ma w pewnym stopniu właściwości tiksotropowe. Znane są przypadki zsuwania się skarp wykopów wskutek wypływu gliny tiksotropowej w Norwegii, Szwecji i Finlandii, gdzie badania wykazały, że podczas tego procesu nie nastąpiła zmiana wilgotności gliny, tj. wilgotność gliny była stała przed i po wypływie.