Dacă în solul coeziv tăiem un cilindru și îl supunem acțiunii unei presiuni normale P (fig. 1), în cilindru vor apărea noi tensiuni, și anume tensiunea verticală de compresiune σ și tensiunea orizontală de forfecare. Dacă mărim treptat presiunea P, după un anumit timp vor apărea pe cilindru fisuri oblice, iar imediat după aceea va surveni ruperea cilindrului. În momentul ruperii, cilindrul este tăiat sub acțiunea presiunii P de-a lungul planului de forfecare cu rezistența minimă N-N.
Fig. 1. Acțiunea presiunii asupra cilindrului extras din sol coerent
Rezistența solului pe care cilindrul a opus-o acțiunii forței P în momentul ruperii se numește rezistență la forfecare a solului, iar unghiul α de înclinare al planului de rezistență minimă față de orizontală se numește unghiul planului de rezistență minimă la forfecare a solului.
Rezistența la forfecare a solului coeziv este alcătuită din două rezistențe elementare: frecarea internă dintre particulele solide și coeziunea care leagă particulele solide. Rezistența la forfecare a solului se consideră egală cu tensiunea maximă de forfecare în momentul ruperii și se exprimă prin ecuația
τf = c + σ tg_φ_
unde: τf rezistența la forfecare a solului [kp/cm2],
c coeziunea solului [kp/cm3],
σ tensiunea normală a terenului [kp/cm3],
φ unghiul de frecare internă al solului.
Modelul de mai sus a fost dat de francezul Coulomb în anul 1785. Conform acestui model, pentru un sol dat coeziunea c este constantă și independentă de presiunea normală, în timp ce rezistența la frecare σ tg_ϕ_ este direct proporțională cu tensiunea σ. În realitate, coeziunea e nu este constantă pentru un sol dat, ci este și ea într-o anumită măsură dependentă de tensiunea normală σ, deoarece sub acțiunea acestei presiuni scade grosimea filmului de apă care înconjoară particulele solide și astfel coeziunea crește. Modelul lui Coulomb este valabil pentru solurile permeabile, în care, sub acțiunea presiunii normale, apa din pori este expulzată fără rezistență, ceea ce este cazul solurilor pietroase și nisipoase, dar nu și al solurilor coezive, care sunt puțin permeabile, motiv pentru care apa din pori este expulzată cu greu și rămâne ca apă interstițială sub presiune sub acțiunea încărcării P.
Tensiuni efective și neutre în sol
Fig. 2. Tensiunea efectivă și neutră în sol
Dacă la fundul unui vas așezăm o probă de sol, de exemplu nisip uscat, și o încărcăm cu o anumită masă, de exemplu alice de plumb cu greutatea W, întreaga sarcină a acestei greutăți va fi preluată de particulele solide ale solului. Presiunea specifică pe suprafața probei p0 = W/A în kp/cm3, unde A este suprafața secțiunii probei, va provoca tasarea probei, adică reducerea porozității ei, dar va determina și modificări ale altor proprietăți fizice ale probei, precum creșterea rezistenței la forfecare, creșterea modulului de compresibilitate și altele. Presiunea care acționează pe suprafețele de contact dintre particule se numește presiune efectivă sau intergranulară σ’. Când s-a atins consolidarea, adică atunci când proba a încetat să se mai taseze sub încărcarea p0, presiunea efectivă este egală cu presiunea specifică totală care acționează la adâncimea la care este analizat solul. În acest caz, la adâncimea de sub suprafața probei din fig. 2 σ’ = W/A + hzγ unde γ este greutatea volumică a probei.
Însă dacă în vas încărcăm eșantionul cu apă până la înălțimea h, astfel încât aceasta să fi umplut toți porii eșantionului, presiunea coloanei de apă deasupra eșantionului hγw, unde γw este greutatea volumică a apei, nu va provoca tasarea eșantionului și reducerea porozității sale și nici nu-i va mări rezistența la forfecare și modulul de compresibilitate. De aceea presiunea hidrostatică hγw se numește presiune neutră. Presiunea neutră, notată cu u, se transmite prin eșantion în toate direcțiile, cu aceeași intensitate. Această presiune nu va provoca creșterea rezistenței la forfecare, deoarece apa în sine nu are nicio rezistență la forfecare.
Prin urmare, presiunea efectivă σ’ se transmite prin suprafețele de contact dintre particulele solide ale solului, iar presiunea neutră u se transmite prin apa din pori. Dacă partea inferioară a vasului este umplută cu o probă de sol saturată, a cărei greutate volumică este γz, iar deasupra suprafeței probei până la nivelul N vasul este umplut cu apă a cărei greutate volumică este γw, atunci presiunea totală σ în orice punct al probei va fi σ = σ’ + u.
La adâncimea hz, sub suprafața probei, presiunea efectivă va fi σ = σ’ - u
unde σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Prin urmare va rezulta σ’ = hz γ’
γ’ este greutatea volumică a terenului saturat scufundat în apă.
Ecuația generală a rezistenței la forfecare a solului
Dacă încărcăm solul coeziv cu încărcarea P, această încărcare va provoca tasarea solului și, mai întâi, sub acțiunea ei va fi expulzat aerul din pori, astfel încât în curând în pori va rămâne numai apa. Deoarece, din cauza permeabilității reduse la apă a solului coeziv, apa nu poate fi eliminată imediat, ea rămâne ca apă sub presiune în pori și la început preia întreaga încărcare exterioară P. În evoluția ulterioară, sub acțiunea încărcării P, începe să fie eliminată apa din pori și are loc apropierea particulelor solide, care acum preiau o parte din încărcarea P. Atunci avem τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ unde σ este presiunea totală datorată încărcării P, iar u presiunea apei din pori.
Presiunea apei din pori depinde de mai mulți factori, cum ar fi evoluția în timp a consolidării, permeabilitatea solului, mărimea încărcării solului etc. Rezistența la forfecare a solului depinde de presiunea apei din pori și este maximă pentru u=0, când are loc consolidarea solului.
Activitatea coloidală a solului
Elementele rezistenței interne a solului, coeziunea și frecarea, pot fi diferite și depind în mare măsură de granulația particulelor solide ale solului și de proprietățile sale plastice. În scopul determinării influenței coeziunii în raport cu rezistența la frecare internă a solului coerent, Skempton a introdus noțiunea de activitate coloidală a solului _K_P, care este reprezentată prin raportul dintre indicele de plasticitate IP și cantitatea particulelor mai mici de 0,002 mm în % din greutatea întregii mase. În acest sens a fost adoptat următorul criteriu (fig. 3):
Fig. 3. Activitatea coloidală a solului
Pentru KP < 0,75 sunt argile inactive,
pentru KP = 0,75 – 1,25 sunt argile normale,
pentru Kp > 1,25 argilă activă.
Odată cu creșterea KP, crește influența coeziunii în raport cu frecarea internă a solului coerent.
Sensibilitatea solului
Dacă dintr-un sol coeziv extragem un cilindru cu diametrul 3—3,4 cm și înălțimea ~ 5 cm și îl supunem unei sarcini normale, în momentul ruperii cilindrului vom obține rezistența la compresiune a solului în stare nedisturbată σ__ₙ:
σn = P/A în kp/cm2,
unde A este secțiunea transversală a cilindrului.
După terminarea încercării, eșantionul rupt îl mutăm și confecționăm din nou un cilindru cu aceleași dimensiuni, folosind același cilindru-matriță, cu condiția ca umiditatea lui să rămână aceeași ca la încercarea precedentă. Apoi, imediat după realizarea cilindrului refăcut, se repetă încercarea asupra lui, astfel încât să se obțină rezistența la compresiune a solului în stare perturbată σ__ₚ.
Sensibilitatea (sensitivitate) S__ₜ este raportul dintre rezistența la compresiune în stare nederanjată și rezistența la compresiune în stare deranjată: St = σn/σp,
Potrivit unui criteriu, sensibilitatea S__ₜ se apreciază astfel:
- pentru S__ₜ = 1 — 2 este sensibilitatea redusă a argilei,
- pentru S__ₜ = 2 — 4 este sensibilitatea medie a argilei,
- pentru S__ₜ = 4 — 8 este o sensibilitate mare a argilei,
- pentru S__ₜ > 8 este argilă foarte sensibilă.
În natură se întâmplă ca, în urma unei acțiuni mecanice, de exemplu un cutremur, solul argilos să își piardă brusc rezistența, pe care apoi o recapătă în stare de repaus. Această proprietate se numește tixotropia solului. Multe argile au într-o anumită măsură proprietăți tixotropice. Sunt cunoscute cazuri de alunecare a taluzurilor săpăturilor din cauza curgerii argilei tixotropice în Norvegia, Suedia și Finlanda, unde prin cercetări s-a constatat că nu a existat nicio schimbare a umidității argilei în timpul acestui proces, adică umiditatea argilei a fost constantă înainte și după curgere.