As ons in gebonde grond ’n silinder uitsny en dit onder die werking van die normale druk P plaas (fig. 1), sal nuwe spannings in die silinder verskyn, naamlik die vertikale drukspanning σ en die horisontale afskuifspanning . As ons die druk P geleidelik verhoog, sal daar na ’n sekere tyd skuins krake op die silinder verskyn, en kort daarna sal die silinder breek. Op die oomblik van breuk is die silinder verskuif onder die werking van die druk P en langs die skuifvlak van die kleinste weerstand N-N.
Fig. 1. Die werking van druk op ’n silinder uitgehaal uit kohesiewe grond
Die grondweerstand wat die silinder bied teen die werking van die krag P op die oomblik van breuk, word grondskuifweerstand genoem, en die hoek α van die helling van die vlak van die kleinste weerstand teenoor die horisontaal word die hoek van die vlak van die kleinste grondskuifweerstand genoem.
Die skuifweerstand van gebonde grond bestaan uit twee elementêre weerstande: interne wrywing tussen die vaste deeltjies en die kohesie wat die vaste deeltjies saambind. Die skuifsterkte van die grond word aanvaar as gelyk aan die grootste skuifspanning op die oomblik van breuk en word uitgedruk deur die vergelyking
τf = c + σ tg_φ_
waar: τf die skuifsterkte van die grond [kp/cm2] is,
c grondkohesie [kp/cm3],
σ normale grondspanning [kp/cm3],
φ hoek van die interne wrywing van die grond.
Die bogenoemde formule is deur die Fransman Coulomb 1785. jaar gegee. Volgens hierdie formule is die kohesie c vir ’n gegewe grond konstant en onafhanklik van die normale druk, terwyl die wrywingsweerstand σ tg_ϕ_ regstreeks eweredig aan die spanning σ is. In werklikheid is die kohesie e nie konstant vir ’n gegewe grond nie, maar is dit ook in ’n sekere mate afhanklik van die normale spanning σ, omdat onder die werking van hierdie druk die dikte van die waterfilm wat die vaste deeltjies omhul verminder, en die kohesie dus toeneem. Coulomb se formule geld vir deurlaatbare gronde, waarin die water uit die porieë onder die werking van die normale druk sonder weerstand uitgedruk word, wat die geval is by gruisagtige en sanderige grond, maar nie die geval van gebonde grond is nie, wat min deurlaatbaar is, waardeur die water uit die porieë moeilik uitgedruk word en oorbly as gespanne poriewater onder die werking van die las P.
Effektiewe en neutrale spannings in die grond
Fig. 2. Effektiewe en neutrale spanning in die grond
As ons ’n grondmonster, byvoorbeeld droë sand, op die bodem van ’n houer plaas en dit met ’n sekere massa belas, byvoorbeeld loodhael met ’n gewig W, sal die hele las van hierdie gewig deur die vaste gronddeeltjies opgeneem word. Die spesifieke druk op die oppervlak van die monster p0 = W/A in kp/cm3, waar A die deursnee-oppervlak van die monster is, sal die monster laat konsolideer, d.w.s. die porositeit daarvan verminder, maar dit sal ook veranderinge in ander fisiese eienskappe van die monster veroorsaak, soos verhoogde skuifsterkte, ’n toename in die kompressiemodulus en ander. Die druk wat op die kontakoppervlakke tussen die deeltjies heers, word die effektiewe of intergranulêre druk σ’ genoem. Wanneer konsolidasie bereik is, d.w.s. wanneer die monster opgehou het om onder die las p0 te sak, is die effektiewe druk gelyk aan die totale spesifieke druk wat heers op die diepte waar die grond beskou word. In hierdie geval is, op die diepte onder die oppervlak van die monster in fig. 2 σ’ = W/A + hzγ waar γ die volumetriese gewig van die monster is.
Maar as ons die monster in die houer, in plaas van met loodballe, met water tot op hoogte h belas, met die voorwaarde dat dit al die porieë van die monster gevul het, sal die druk van die waterkolom bo die monster hγw, waar γw die volumegewig van water is, nie die set van die monster en die vermindering van sy porositeit veroorsaak nie, en sal ook nie sy skuifsterkte en kompressibiliteitsmodulus verhoog nie. Daarom word die hidrostatiese druk hγw neutrale druk genoem. Die neutrale druk, aangedui met u, word deur die monster in alle rigtings met gelyke intensiteit oorgedra. Hierdie druk sal nie ’n toename in skuifsterkte veroorsaak nie, aangesien water self geen skuifsterkte het nie.
Daarvolgens word die effektiewe druk σ’ deur die kontakoppervlaktes tussen die vaste gronddeeltjies oorgedra, en die neutrale druk u word deur die water in die porieë oorgedra. As die onderste deel van die houer gevul is met ’n versadigde grondmonster waarvan die volumieke gewig γz is, en bo die oppervlak van die monster tot op vlak N is die houer gevul met water waarvan die volumieke gewig γw is, dan sal die totale druk σ op enige punt van die monster wees σ = σ’ + u.
Op die diepte hz, onder die oppervlak van die monster, sal die effektiewe druk σ = σ’ - u wees
waar σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Daarvolgens sal σ’ = hz γ’ wees
γ’ is die volumiese gewig van ondergedompelde grond in water.
Algemene vergelyking van die skuifsterkte van grond
As ons saamgestelde grond met ’n belasting P belas, sal hierdie belasting seting van die grond veroorsaak en aanvanklik sal die lug onder sy werking uit die porieë uitgedryf word, sodat daar binnekort net water in die porieë oorbly. Omdat die water weens die lae waterdeurlaatbaarheid van die saamgestelde grond nie dadelik uitgedryf kan word nie, bly dit as gespanne water in die porieë en dra dit aanvanklik die totale eksterne belasting P. In die verdere tydsverloop begin die water onder die werking van die belasting P uit die porieë uitgedryf word en vind die nader kom van die vaste deeltjies plaas, wat nou ’n deel van die belasting P opneem. Dan het ons τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ waar σ die totale druk van die belasting P is, u die poriewaterdruk.
Die poriewaterdruk u hang af van verskeie faktore, soos die tydsverloop van konsolidasie, die deurlaatbaarheid van die grond, die grootte van die grondlas, ens. Die skuifsterkte van die grond hang af van die poriewaterdruk en is die grootste vir u=0, wanneer konsolidasie van die grond plaasvind.
Kolloïdale aktiwiteit van die grond
Die elemente van die interne weerstand van grond, kohesie en wrywing, kan verskil en hang in groot mate af van die grofheid van die vaste gronddeeltjies en van sy plastiese eienskappe. Met die doel om die invloed van kohesie in verhouding tot die weerstand van interne wrywing van kohesiewe grond te bepaal, het Skempton die begrip kolloïdale aktiwiteit van grond _K_P ingevoer, wat voorgestel word deur die verhouding van die plastisiteitsindeks IP tot die hoeveelheid deeltjies kleiner as 0,002 mm in % van die gewig van die hele massa. Daarvoor is die volgende kriterium aanvaar (afb. 3):
Fig. 3. Kolloïdale aktiwiteit van die grond
Vir KP < 0,75 is onaktiewe klei,
vir KP = 0,75 – 1,25 is normale klei,
vir Kp > 1,25 van aktiewe klei.
Met die toename in KP neem die invloed van kohesie toe in verhouding tot die interne wrywing van samehangende grond.
Grondsensitiwiteit
As ons in koherente grond ’n silinder met ’n deursnee van 3—3,4 cm en ’n hoogte van ~ 5 cm uitneem en dit met ’n normale belasting belas, sal ons op die oomblik van breuk van die silinder die druksterkte van die grond in ongestoorde toestand verkry σ__ₙ:
σn = P/A in kp/cm2,
waar A die dwarsdoorsnee van die silinder is.
Na afloop van die proef verplaas ons die gebreekte monster en vervaardig weer ’n silinder van dieselfde afmetings, met behulp van dieselfde silinder-vorm, mits sy voginhoud dieselfde bly as tydens die vorige proef. Daarna word die proef onmiddellik na die vervaardiging van die gekniede silinder daarmee herhaal, sodat die druksterkte van die grond in versteurde toestand σ__ₚ. verkry word
Gevoeligheid (sensitiwiteit) S__ₜ is die verhouding van die druksterkte in die ongestoorde toestand tot die druksterkte in die versteurde toestand: St = σn/σp,
Volgens een kriterium word die sensitiwiteit S__ₜ soos volg beoordeel:
- vir S__ₜ = 1 — 2 is die klei se sensitiwiteit klein,
- vir S__ₜ = 2 — 4 is die klei se gemiddelde gevoeligheid,
- vir S__ₜ = 4 — 8 is daar ’n groot sensitiwiteit van die klei,
- vir S__ₜ > 8 is dit ’n oor sensitiewe klei.
In die natuur gebeur dit dat, as gevolg van meganiese werking, byvoorbeeld ’n aardbewing, kleigrond skielik sy sterkte verloor en dit dan in russtoestand weer herwin. Hierdie eienskap word tiksotropie van die grond genoem. Baie klei het in ’n sekere mate tiksotropiese eienskappe. Gevalle van gly van uitgrawingshellings as gevolg van die uitvloei van tiksotropiese klei in Noorweë, Swede en Finland is bekend, waar deur ondersoek vasgestel is dat daar geen verandering in die voginhoud van die klei tydens hierdie proses was nie, d.w.s. dat die voginhoud van die klei konstant was voor en na die uitvloei.