Якщо у зв’язаному ґрунті вирізати циліндр і поставити його під дію нормального тиску P (рис. 1), у циліндрі з’являться нові напруження, а саме вертикальне напруження стиску σ і горизонтальне напруження зсуву . Якщо тиск P поступово збільшувати, через певний час на циліндрі з’являться косі тріщини, а одразу після цього настане руйнування циліндра. У момент руйнування циліндр зсунеться під дією тиску P по площині зсуву найменшого опору N-N.
Рис. 1. Дія тиску на циліндр, вийнятий із когерентного ґрунту
Опір ґрунту, який валик надав протидії дії сили P в момент руйнування, називається опором зсуву ґрунту, а кут α нахилу площини найменшого опору до горизонту називається кутом площини найменшого опору зсуву ґрунту.
Опір зсуву зв’язаного ґрунту складається з двох елементарних опорів: внутрішнього тертя між твердими частинками та когезії, що зв’язує тверді частинки. Міцність ґрунту на зсув приймають рівною найбільшому напруженню зсуву в момент руйнування і виражають рівнянням
τf = c + σ tg_φ_
де: τf — міцність ґрунту на зсув [kp/cm2],
c когезія ґрунту [kp/cm3],
σ нормальне напруження ґрунту [kp/cm3],
φ — кут внутрішнього тертя ґрунту.
Вищенаведену формулу запропонував француз Coulomb 1785. р. Згідно з цією формулою, для даного ґрунту зчеплення c є сталим і не залежить від нормального тиску, тоді як опір тертю σ tg_ϕ_ прямо пропорційний напруженню σ. Насправді зчеплення e не є сталим для даного ґрунту, а також певною мірою залежить від нормального напруження σ, оскільки під дією цього тиску зменшується товщина водяної плівки, що обгортає тверді частинки, і тим самим зчеплення збільшується. Формула Coulomb’a застосовна до проникних ґрунтів, у яких під дією нормального тиску вода з пор витискається без опору, що має місце для гравійного та піщаного ґрунту, але не стосується зв’язаного ґрунту, який мало проникний, через що вода з пор важко витискається і залишається як напружена порова вода під дією навантаження P.
Ефективні та нейтральні напруження в ґрунті
Рис. 2. Ефективне і нейтральне напруження в ґрунті
Якщо на дно посудини покласти зразок ґрунту, наприклад сухого піску, і навантажити його якоюсь масою, наприклад свинцевою дробиною вагою W, усе навантаження від цієї ваги сприймуть тверді частинки ґрунту. Питомий тиск на поверхню зразка p0 = W/A у kp/cm3, де A — площа поперечного перерізу зразка, спричинить осідання зразка, тобто зменшення його пористості, але також спричинить зміни й інших фізичних властивостей зразка, таких як підвищення міцності на зсув, підвищення модуля стисливості та інші. Тиск, що діє на поверхнях контакту між частинками, називається ефективним або міжзерновим тиском σ’. Коли досягнуто консолідації, тобто коли зразок перестав осідати під навантаженням p0, ефективний тиск дорівнює загальному питомому тиску, що діє на глибині, на якій розглядається ґрунт. У цьому випадку на глибині, під поверхнею зразка на рис. 2 σ’ = W/A + hzγ де γ — об’ємна вага зразка.
Проте, якщо зразок у посудині замість свинцевої дробини навантажити водою до висоти h, так що вона заповнила всі пори зразка, тиск водяного стовпа над зразком hγw, де γw — об’ємна вага води, не спричинить осідання зразка і зменшення його пористості, а також не збільшить його міцність на зсув і модуль стисливості. З цієї причини гідростатичний тиск hγw називають нейтральним тиском. Нейтральний тиск, який позначають u, передається через зразок в усіх напрямках з однаковою інтенсивністю. Цей тиск не спричинить збільшення міцності на зсув, бо сама вода не має жодної міцності на зсув.
Отже, ефективний тиск σ’ передається через контактні поверхні між твердими частинками ґрунту, а нейтральний тиск u передається через воду в порах. Якщо нижня частина посудини заповнена насиченим зразком ґрунту, питома вага якого γz, а над поверхнею зразка до рівня N посудина заповнена водою, питома вага якої γw, тоді загальний тиск σ у будь-якій точці зразка буде σ = σ’ + u.
На глибині hz, під поверхнею зразка, ефективний тиск буде σ = σ’ - u
де σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Отже, буде σ’ = hz γ’
γ’ — це об’ємна вага зануреного у воду ґрунту.
Загальне рівняння міцності ґрунту на зсув
Якщо зв’язаний ґрунт навантажити навантаженням P, це навантаження спричинить осідання ґрунту і спочатку під його дією буде витіснене повітря з пор, так що невдовзі в порах залишиться лише вода. Оскільки через малу водопроникність зв’язаного ґрунту вода не може одразу бути витіснена, вона залишається як напружена вода в порах і спочатку сприймає все зовнішнє навантаження P. У подальшому під дією навантаження P починає витискатися вода з пор і відбувається зближення твердих частинок, які тепер сприймають частину навантаження P. Тоді маємо τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ де σ — загальний тиск від навантаження P, u — тиск порової води.
Тиск порової води u залежить від багатьох факторів, таких як час перебігу консолідації, проникність ґрунту, величина навантаження на ґрунт тощо. Міцність ґрунту на зсув залежить від тиску порової води, і вона є найбільшою за u=0, коли відбувається консолідація ґрунту.
Колоїдна активність ґрунту
Елементи внутрішнього опору ґрунту зчеплення і тертя можуть бути різними й значною мірою залежать від крупності твердих частинок ґрунту та його пластичних властивостей. З метою визначення впливу зчеплення щодо опору внутрішнього тертя когерентного ґрунту Скептон увів поняття колоїдної активності ґрунту _K_P, яке виражається відношенням індексу пластичності IP до кількості частинок менших за 0,002 mm у % ваги всієї маси. При цьому було прийнято такий критерій (рис. 3):
Рис. 3. Колоїдна активність ґрунту
Для KP < 0,75 є неактивні глини,
для KP = 0,75 – 1,25 є нормальні глини,
для Kp > 1,25 активної глини.
Із підвищенням KP зростає вплив когезії порівняно з внутрішнім тертям когерентного ґрунту.
Чутливість ґрунту
Якщо в когерентному ґрунті витягнути циліндр діаметром 3—3,4 cm заввишки ~ 5 cm і навантажити його нормальним навантаженням, у момент руйнування циліндра отримаємо міцність ґрунту на стиск у непорушеному стані σ__ₙ:
σn = P/A у kp/cm2,
де A — поперечний переріз циліндра.
Після завершеного випробування зламаний зразок переміщуємо і знову виготовляємо циліндр тих самих розмірів за допомогою тієї самої циліндричної форми, причому його вологість залишається такою, якою була під час попереднього випробування. Потім одразу після виготовлення перем’ятого циліндра повторюють із ним випробування, щоб отримати міцність ґрунту на стиск у порушеному стані σ__ₚ.
Чутливість (сенситивітет) S__ₜ — це відношення міцності на стиск у непорушеному стані до міцності на стиск у порушеному стані: St = σn/σp,
За одним критерієм чутливість S__ₜ оцінюється так:
- для S__ₜ = 1 — 2 є мала чутливість глини,
- для S__ₜ = 2 — 4 є середня чутливість глини,
- для S__ₜ = 4 — 8 є велика чутливість глини,
- для S__ₜ > 8 є надчутливою глиною.
У природі трапляється, що внаслідок механічної дії, наприклад землетрусу, глинистий ґрунт раптово втрачає свою міцність, яку потім у стані спокою знову набуває. Цю властивість називають тиксотропією ґрунту. Багато глин певною мірою мають тиксотропні властивості. Відомі випадки зсувів схилів виїмок внаслідок витікання тиксотропної глини в Норвегії, Швеції та Фінляндії, де дослідженням було встановлено, що під час цього процесу не було зміни вологості глини, тобто вологість глини була сталою до і після витікання.