При вертикальному навантаженні в товщі нескельних грунтів з'являються майданчики зсуву. У земляних греблях та їх підставах ці майданчики в сукупності утворюють поверхні зсуву. Якщо реактивні сили на поверхні зсуву будуть менше зовнішніх сил, спорудження втрачає стійкість. Втрата стійкості супроводжується неприпустимими деформаціями, в результаті чого споруда виходить з ладу.
Характер деформацій в залежності від зовнішнього навантаження можна простежити за графіком, наведеним на малюнку 11.
Дослідженнями встановлено, що грунт під тиском зовнішньої сили послідовно відчуває три стадії деформацій.
Перша стадія (на графіку пряма ОМ1) характеризується лінійною залежністю між навантаженням і деформацією. Тут відбувається тільки ущільнення грунту
Мал. 11 Стадії деформації грунту:
р -зовнішня навантаження; S - деформація грунту.
за рахунок вертикального переміщення твердих частинок і, як наслідок цього - зменшення пористості. Така деформація вважається допустимою і призводить до осідання споруди, яка обліковується розрахунком.
Друга стадія (на графіку крива М1 М2) характеризується наявністю майданчиків зсуву за рахунок горизонтального зміщення частинок, вертикальні ж переміщення на цій стадії мають незначну величину. Лінійна деформація тут зникає. Збільшення деформації наростає швидше навантаження.
Третя стадія (на графіку лінія М2 М3) відповідає випирання грунту, причому деформація настає раптово і має катастрофічні наслідки.
Цілком очевидно, що будь-яка споруда, зведена на нескельному підставі, а тим більше земляна гребля, може нормально працювати тільки в першій стадії, коли відбувається ущільнення грунту.
Параметрами, що визначають стійкість греблі в першій стадії деформації, є внутрішнє тертя і зчеплення грунту.
Внутрішнє тертя в грунті створює реактивну силу, яка визначається за формулою:
де Т - сила внутрішнього тертя;
N - нормальна складова зовнішнього навантаження;
- кут внутрішнього тертя.
Сила Т характерна для сипучих (незв'язних) грунтів і складається з:
а) опору тертю при переміщенні одних частинок за іншими;
б) опору перекочування одних частинок за іншими;
в) опору роздроблення частинок і сколювання кутів.
Розрахункові значення кутів внутрішнього тертя для сипучих (незв'язних) і глинистих (зв'язкових) грунтів в залежності від коефіцієнта пористості наведені в таблиці 12.
Сили зчеплення проявляються в зв'язкових грунтах і обумовлені наявністю природних цементів (колоїдальних гелів і солей), молекулярними явищами і капілярним тиском. На зчеплення також впливає вологість, зі збільшенням останньої зчеплення зменшується.
Реактивна сила в зв'язкових грунтах визначиться за формулою:
Графічно залежність (23) може бути зображена у вигляді прямої лінії з нахилом до осі абсцис, з початковою ординатою, що дорівнює С (рис. 12). кут
Мал. 12. Залежність між нормальним тиском і зрушує силою (для глинистого грунту)
нахилу прямої визначається кутом внутрішнього тертя.
Орієнтовні розрахункові значення питомої зчеплення для зв'язкових грунтів наведені в таблиці 12.