Če v vezanih tleh izrežemo valj in ga izpostavimo delovanju normalnega tlaka P (sl. 1), se v valju pojavijo novi napetostni stanja, in sicer vertikalna tlačna napetost σ in horizontalna strižna napetost . Če tlak P postopno povečujemo, se po določenem času na valju pojavijo poševne razpoke, takoj zatem pa nastopi porušitev valja. V trenutku porušitve je valj odrezan pod vplivom tlaka P po strižni ravnini najmanjšega odpora N-N.
Sl. 1. Učinek tlaka na valj, izkopan iz koherentne zemlje
Upor tal, ki ga je valj nudil proti delovanju sile P v trenutku loma, se imenuje strižni upor tal, kot α naklona ravnine najmanjšega upora glede na horizontalo pa se imenuje kot ravnine najmanjšega strižnega upora tal.
Odpornost proti strigu vezanih tal je sestavljena iz dveh elementarnih uporov: notranjega trenja med trdnimi delci in kohezije, ki veže trdne delce. Za strižno trdnost tal se prevzame, da je enaka največji strižni napetosti v trenutku loma in se izraža z enačbo
τf = c + σ tg_φ_
kjer je: τf strižna trdnost tal [kp/cm2],
c kohezija tal [kp/cm3],
σ normalna napetost tal [kp/cm3],
φ kot notranjega trenja tal.
Zgornjo formulo je leta 1785. podal Francoz Coulomb. Po tej formuli je za dano tla kohezija c konstantna in neodvisna od normalnega pritiska, medtem ko je trenjska odpornost σ tg_ϕ_ prav sorazmerna z napetostjo σ. V resnici kohezija e za dano tla ni konstantna, temveč je tudi ta v določeni meri odvisna od normalne napetosti σ, ker se pod vplivom tega pritiska zmanjša debelina vodnega filma, ki obdaja trdne delce, s čimer se kohezija poveča. Coulombova formula velja za prepustna tla, v katerih se pod vplivom normalnega pritiska voda iz por iztisne brez upora, kar velja za prodnato in peščeno tla, ne pa za vezana tla, ki so malo prepustna, zaradi česar se voda iz por težko iztiska in ostaja kot napeta porna voda pod vplivom obremenitve P.
Efektivni in nevtralni napetosti v tleh
Sl. 2. Efektivna in nevtralna napetost v tleh
Če na dno posode položimo vzorec tal, na primer suh pesek, in ga obremenjujemo z neko maso, na primer s svinčeno šibrno težo W, bo celotno obremenitev te teže prevzel trdni del tal. Specifični tlak na površino vzorca p0 = W/A v kp/cm3, kjer je A presek vzorca, povzroči posedanje vzorca, tj. zmanjšanje njegove poroznosti, hkrati pa tudi spremembe drugih fizikalnih lastnosti vzorca, kot so povečanje strižne trdnosti, povečanje modula stisljivosti in druge. Tlak, ki vlada na stikih med delci, se imenuje efektivni oziroma intergranularni tlak σ’. Ko je dosežena konsolidacija, tj. ko se vzorec pod obremenitvijo p0 neha posedati, je efektivni tlak enak skupnemu specifičnemu tlaku, ki vlada na globini, na kateri opazujemo tla. V tem primeru je na globini, pod površino vzorca na sl. 2 σ’ = W/A + hzγ kjer je γ prostorninska teža vzorca.
Vendar pa, če vzorec v posodi namesto s svinčeno šibrano obtežimo z vodo do višine h, pri čemer je ta zapolnila vse pore vzorca, pritisk vodnega stolpca nad vzorcem hγw, kjer je γw prostorninska teža vode, ne bo povzročil posedanja vzorca in zmanjšanja njegove poroznosti niti ne bo povečal njegove strižne trdnosti in modula stisljivosti. Zato se hidrostatični tlak hγw imenuje nevtralni tlak. Nevtralni tlak, ki ga označujemo z u, se skozi vzorec prenaša v vseh smereh z enako intenziteto. Ta tlak ne bo povzročil povečanja strižne trdnosti, ker voda sama nima nobene strižne trdnosti.
Zato se efektivni pritisk σ’ prenaša prek stičnih površin med trdnimi delci tal, nevtralni pritisk u pa se prenaša skozi vodo v porah. Če je spodnji del posode napolnjen z nasičenim vzorcem tal, katerega prostorninska teža je γz, nad površino vzorca do nivoja N pa je posoda napolnjena z vodo, katere prostorninska teža je γw, bo skupni pritisk σ v kateri koli točki vzorca σ = σ’ + u.
Na globini hz pod površino vzorca bo efektivni tlak σ = σ’ - u
kjer je σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Torej velja σ’ = hz γ’
γ’ je prostorninska teža z vodo nasičene zemlje.
Splošna enačba strižne trdnosti tal
Če vezano tla obremenimo z obremenitvijo P, bo ta obremenitev povzročila posedanje tal, pri čemer bo najprej pod njenim delovanjem iz por iztisnjen zrak, tako da bo kmalu v porah ostala le še voda. Ker se zaradi majhne vodoprepustnosti vezanega tal voda ne more takoj iztisniti, ostane kot napeta voda v porah in sprva prevzame celotno zunanje obremenitev P. V nadaljnjem časovnem poteku začne pod delovanjem obremenitve P iz por izhajati voda in nastane zbliževanje trdnih delcev, ki sedaj prevzemajo del obremenitve P. Tedaj imamo τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ kjer je σ celotni tlak od obremenitve P, u tlak porne vode.
Pritisk porne vode u je odvisen od več dejavnikov, kot so časovni potek konsolidacije, prepustnost tal, velikost obremenitve tal itd. Strižna trdnost tal je odvisna od pritiska porne vode in je največja pri u=0, ko nastopi konsolidacija tal.
Koloidna aktivnost tal
Elementi notranjega odpora tal kohezije in trenja so lahko različni in so v veliki meri odvisni od velikosti trdih delcev tal in njegovih plastičnih lastnosti. Z namenom določanja vpliva kohezije glede na odpornost notranjega trenja koherentnih tal je Skempton uvedel pojem koloidne aktivnosti tal _K_P, ki je prikazana z razmerjem indeksa plastičnosti IP proti količini delcev, manjših od 0,002 mm, v % teže celotne mase. Pri tem je bil sprejet naslednji kriterij (sl. 3):
Sl. 3. Koloidna aktivnost tal
Za KP < 0,75 so neaktivne gline,
za KP = 0,75 – 1,25 so normalne gline,
pri Kp > 1,25 za aktivno glino.
Z naraščanjem KP narašča vpliv kohezije v primerjavi z notranjim trenjem koherentnega tal.
Občutljivost tal
Če v koherentnih tleh izrežemo valj s premerom 3—3,4 cm in višino ~ 5 cm ter ga obremenimo z normalno obremenitvijo, bomo v trenutku porušitve valja dobili tlačno trdnost tal v nespremenjenem stanju σ__ₙ:
σn = P/A v kp/cm2,
kjer je A prečni prerez valja.
Po končanem preskusu zlomljen vzorec prestavimo in ponovno izdelamo valj enakih dimenzij, z istim valjem-kalupom, pri čemer njegova vlažnost ostane takšna, kot je bila pri prejšnjem preskusu. Nato se takoj po izdelavi pregnetenega valja z njim ponovi preskus, tako da se dobi tlačna trdnost tal v porušenem stanju σ__ₚ.
Občutljivost (senzitivnost) S__ₜ je razmerje med tlačno trdnostjo v neporušenem stanju in tlačno trdnostjo v porušenem stanju: St = σn/σp,
Po enem merilu se občutljivost S__ₜ ocenjuje takole:
- za S__ₜ = 1 — 2 je majhna občutljivost gline,
- za S__ₜ = 2 — 4 je srednja občutljivost gline,
- za S__ₜ = 4 — 8 je velika občutljivost gline,
- za S__ₜ > 8 je preobčutljiva glina.
V naravi se dogaja, da zaradi mehanskega delovanja, na primer potresa, glinasta tla nenadoma izgubijo svojo trdnost, ki jo nato v stanju mirovanja ponovno pridobijo. Ta lastnost se imenuje tiksotropija tal. Mnoge gline imajo v določeni meri tiksotropne lastnosti. Znani so primeri drsenja brežin izkopov zaradi iztekanja tiksotropne gline na Norveškem, Švedskem in Finskem, kjer je bilo z raziskavo ugotovljeno, da med tem procesom ni bilo spremembe vlažnosti gline, tj. da je bila vlažnost gline pred in po iztekanju konstantna.