Nếu trong đất kết dính ta cắt một trụ và đặt nó dưới tác dụng của áp lực pháp tuyến P (hình 1), trong trụ sẽ xuất hiện các ứng suất mới, cụ thể là ứng suất nén thẳng đứng σ và ứng suất cắt ngang. Nếu tăng dần áp lực P, sau một thời gian nhất định trên trụ sẽ xuất hiện các vết nứt xiên, và ngay sau đó trụ sẽ bị phá hủy. Tại thời điểm phá hủy, trụ bị cắt trượt dưới tác dụng của áp lực P theo mặt cắt có sức kháng nhỏ nhất N-N.
Hình 1. Tác động của áp lực lên lõi lấy ra từ đất kết dính
Sức cản của đất mà con lăn tạo ra chống lại tác dụng của lực P tại thời điểm phá hoại được gọi là sức kháng cắt của đất, còn góc α của mặt phẳng có sức cản nhỏ nhất so với phương ngang được gọi là góc của mặt phẳng có sức cản cắt nhỏ nhất của đất.
Kháng cắt của đất liên kết gồm hai thành phần cơ bản: ma sát nội giữa các hạt rắn và lực kết dính liên kết các hạt rắn. Cường độ cắt của đất được lấy bằng ứng suất cắt lớn nhất tại thời điểm phá hoại và được biểu thị bằng phương trình
τf = c + σ tg_φ_
trong đó: τf là cường độ chống cắt của đất [kp/cm2],
c độ kết dính của đất [kp/cm3],
σ ứng suất pháp của đất [kp/cm3],
φ là góc ma sát trong của đất.
Mô hình trên do người Pháp Coulomb đề xuất năm 1785. Theo mô hình này, đối với một loại đất nhất định, độ dính kết c là hằng số và không phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến, trong khi sức kháng ma sát σ tg_ϕ_ tỷ lệ thuận trực tiếp với ứng suất σ. Trên thực tế, độ dính kết e không phải là hằng số đối với một loại đất nhất định, mà cũng phụ thuộc ở một mức độ nào đó vào ứng suất pháp tuyến σ, vì dưới tác dụng của áp lực đó, chiều dày của màng nước bao quanh các hạt rắn giảm và do đó độ dính kết tăng lên. Mô hình Coulomb áp dụng cho đất thấm nước, trong đó dưới tác dụng của áp lực pháp tuyến, nước trong lỗ rỗng bị ép ra không gặp trở lực, như trong trường hợp đất sỏi và đất cát, nhưng không áp dụng cho đất dính, vì loại đất này ít thấm, do đó nước trong lỗ rỗng khó bị ép ra và tồn tại lại dưới dạng nước lỗ rỗng chịu ứng suất dưới tác dụng của tải trọng P.
Ứng suất hữu hiệu và ứng suất trung tính trong đất
Hình 2. Ứng suất hiệu dụng và ứng suất trung hòa trong đất
Nếu đặt một mẫu đất, chẳng hạn cát khô, vào đáy một bình và chất tải lên nó bằng một khối lượng nào đó, ví dụ bi chì nặng W, toàn bộ tải trọng này sẽ do các hạt rắn của đất chịu. Áp lực riêng trên bề mặt mẫu p0 = W/A tính bằng kp/cm3, trong đó A là diện tích mặt cắt của mẫu, sẽ gây lún mẫu, tức là làm giảm độ rỗng của nó, đồng thời cũng làm thay đổi các tính chất vật lý khác của mẫu như tăng cường độ kháng cắt, tăng mô đun nén và các tính chất khác. Áp lực tác dụng trên các bề mặt tiếp xúc giữa các hạt gọi là áp lực hiệu dụng hay áp lực liên hạt σ’. Khi đã đạt được quá trình cố kết, tức là khi mẫu ngừng lún dưới tải trọng p0, áp lực hiệu dụng bằng áp lực riêng tổng cộng tác dụng ở độ sâu đang xét của đất. Trong trường hợp này, ở độ sâu dưới bề mặt mẫu trên hình 2 thì σ’ = W/A + hzγ trong đó γ là trọng lượng thể tích của mẫu.
Tuy nhiên, nếu thay vì bi chì người ta chất mẫu trong bình bằng nước đến độ cao h, với điều kiện nước đã lấp đầy mọi lỗ rỗng của mẫu, thì áp lực cột nước phía trên mẫu hγw, trong đó γw là trọng lượng thể tích của nước, sẽ không gây ra sự lún của mẫu và sự giảm độ rỗng của nó, cũng như không làm tăng cường độ chịu cắt và mô đun nén của nó. Vì vậy, áp lực thủy tĩnh hγw được gọi là áp lực trung hòa. Áp lực trung hòa, ký hiệu u, được truyền qua mẫu theo mọi hướng với cường độ như nhau. Áp lực này sẽ không làm tăng cường độ chịu cắt, vì bản thân nước không có cường độ chịu cắt.
Vì vậy, áp lực hữu hiệu σ’ được truyền qua các bề mặt tiếp xúc giữa các hạt rắn của đất, còn áp lực trung tính u được truyền qua nước trong lỗ rỗng. Nếu phần dưới của bình được đổ đầy bằng mẫu đất bão hòa có trọng lượng thể tích γz, còn phía trên bề mặt mẫu đến mức N bình được đổ nước có trọng lượng thể tích γw, thì áp lực tổng σ tại bất kỳ điểm nào của mẫu sẽ là σ = σ’ + u.
Ở độ sâu hz, dưới bề mặt mẫu, áp suất hữu hiệu sẽ là σ = σ’ - u
trong đó σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Do đó sẽ có σ’ = hz γ’
γ’ là trọng lượng thể tích của đất ngập trong nước.
Phương trình tổng quát về cường độ chống cắt của đất
Nếu đặt tải P lên đất kết dính, tải này sẽ gây ra độ lún của đất và trước hết không khí trong các lỗ rỗng sẽ bị ép ra ngoài, để rồi chẳng bao lâu trong các lỗ rỗng chỉ còn nước. Do đất kết dính có độ thấm nước nhỏ nên nước không thể thoát ra ngay, vì vậy nó vẫn tồn tại như nước chịu ứng suất trong các lỗ rỗng và ban đầu tiếp nhận toàn bộ tải trọng bên ngoài P. Trong quá trình tiếp theo, dưới tác dụng của tải P, nước bắt đầu bị ép ra khỏi lỗ rỗng và các hạt rắn xích lại gần nhau, nay tiếp nhận một phần tải P. Khi đó ta có τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ trong đó σ là áp suất tổng do tải P, u là áp suất nước lỗ rỗng.
Áp lực nước lỗ rỗng u phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như diễn biến theo thời gian của quá trình cố kết, độ thấm của đất, mức tải trọng tác dụng lên đất, v.v. Cường độ cắt của đất phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng và lớn nhất khi u=0, khi đất xảy ra cố kết.
Hoạt tính keo của đất
Các thành phần của sức kháng trong đất là lực kết dính và ma sát có thể khác nhau và phụ thuộc rất nhiều vào độ thô của các hạt rắn trong đất cũng như các tính chất dẻo của nó. Nhằm xác định ảnh hưởng của lực kết dính so với sức kháng ma sát trong đất dính, Skempton đã đưa ra khái niệm hoạt tính keo của đất _K_P, được biểu thị bằng tỷ số giữa chỉ số dẻo IP và lượng hạt nhỏ hơn 0,002 mm tính theo % khối lượng của toàn bộ mẫu. Khi đó, tiêu chí sau được chấp nhận (hình 3):
Hình 3. Hoạt tính keo của đất
Đối với KP < 0,75 là các loại sét không hoạt tính,
đối với KP = 0,75 – 1,25 là đất sét thường,
đối với Kp > 1,25 của sét hoạt tính.
Khi KP tăng, ảnh hưởng của lực dính tăng lên so với ma sát trong của đất dính.
Độ nhạy của đất
Nếu trong đất dính lấy ra một trụ có đường kính 3—3,4 cm và chiều cao ~ 5 cm, rồi chất tải theo phương pháp nén thông thường, tại thời điểm phá hoại của trụ ta sẽ nhận được cường độ nén của đất ở trạng thái nguyên dạng σ__ₙ:
σn = P/A bằng kp/cm2,
trong đó A là tiết diện ngang của trụ.
Sau khi thí nghiệm kết thúc, mẫu bị phá vỡ được chuyển đi và tạo lại một trụ có cùng kích thước, bằng cùng một ống khuôn, sao cho độ ẩm của nó vẫn giữ như ở thí nghiệm trước. Sau đó, ngay sau khi tạo xong trụ đã nhào lại, thí nghiệm được lặp lại với nó, để thu được cường độ nén của đất ở trạng thái bị xáo trộn σ__ₚ.
Độ nhạy (sensitivitet) S__ₜ là tỷ số giữa cường độ nén ở trạng thái nguyên vẹn và cường độ nén ở trạng thái bị xáo động: St = σn/σp,
Theo một tiêu chí, độ nhạy S__ₜ được đánh giá như sau:
- đối với S__ₜ = 1 — 2 là độ nhạy của đất sét thấp,
- đối với S__ₜ = 2 — 4 là độ nhạy trung bình của đất sét,
- đối với S__ₜ = 4 — 8 thì độ nhạy của đất sét rất lớn,
- cho S__ₜ > 8 là đất sét quá nhạy.
Trong tự nhiên xảy ra hiện tượng rằng do tác động cơ học, chẳng hạn như động đất, đất sét đột ngột mất đi độ bền của nó, rồi sau đó lấy lại khi ở trạng thái nghỉ. Tính chất này được gọi là tính thixotropic của đất. Nhiều loại sét ở một mức độ nhất định có tính thixotropic. Đã biết các trường hợp trượt mái dốc của hố đào do đất sét thixotropic chảy ra ở Na Uy, Thụy Điển và Phần Lan, trong đó các thí nghiệm xác nhận rằng độ ẩm của đất sét không thay đổi trong quá trình này, tức là độ ẩm của đất sét trước và sau khi chảy ra là không đổi.