Hvis vi skærer en cylinder i kohæsiv jord og lægger den under påvirkning af det normale tryk P (fig. 1), opstår der nye spændinger i cylinderen, nemlig den vertikale trykspænding σ og den horisontale forskydningsspænding . Hvis vi gradvist øger trykket P, vil der efter nogen tid opstå skrå revner på cylinderen, og umiddelbart derefter vil cylinderen briste. I brudøjeblikket er cylinderen forskudt under påvirkning af trykket P langs forskydningsplanet med mindst modstand N-N.
Fig. 1. Trykkets virkning på en cylinder udtaget af kohærent jord
Jordens modstand, som cylinderen ydede mod kraften P i brudøjeblikket, kaldes jordens forskydningsmodstand, og vinklen α for hældningen af den mindste modstands plan i forhold til horisonten kaldes vinklen for den mindste forskydningsmodstands plan.
Den forskydningsmodstand, som sammenhængende jord har, består af to elementære modstande: indre friktion mellem de faste partikler og kohæsionen, som binder de faste partikler sammen. Jordens forskydningsstyrke antages at være lig den største forskydningsspænding på brudtidspunktet og udtrykkes ved ligningen
τf = c + σ tg_φ_
hvor: τf jordens forskydningsstyrke [kp/cm2],
c jordens kohæsion [kp/cm3],
σ normal jordspænding [kp/cm3],
φ jordens indre friktionsvinkel.
Den ovenstående formel blev fremsat af franskmanden Coulomb 1785. år. Ifølge denne formel er kohæsionen c for en given jord konstant og uafhængig af det normale tryk, mens friktionsmodstanden σ tg_ϕ_ er direkte proportional med spændingen σ. I virkeligheden er kohæsionen e ikke konstant for en given jord, men afhænger også i nogen grad af normalspændingen σ, fordi tykkelsen af den vandfilm, der omgiver de faste partikler, mindskes under dette tryk, og kohæsionen dermed øges. Coulombs formel gælder for permeable jorder, hvor vandet i porerne presses ud uden modstand under indvirkning af det normale tryk, hvilket er tilfældet for gruset og sandet jord, men ikke for sammenhængende jord, som er svagt permeabel, og hvor vandet derfor vanskeligt presses ud af porerne og bliver tilbage som spændt porevand under påvirkning af belastningen P.
Effektive og neutrale spændinger i jorden
Fig. 2. Effektiv og neutral spænding i jorden
Hvis vi lægger en jordprøve, for eksempel tør sand, i bunden af et kar og belaster den med en masse, for eksempel blyhagl med vægten W, vil hele denne belastning blive optaget af jordens faste partikler. Det specifikke tryk på prøvens overflade p0 = W/A i kp/cm3, hvor A er prøvens tværsnitsareal, vil forårsage sætning af prøven, dvs. en reduktion af dens porøsitet, men vil også medføre ændringer i andre fysiske egenskaber ved prøven, såsom øget forskydningsstyrke, øget kompressionsmodul og andre. Det tryk, der hersker på kontaktfladerne mellem partiklerne, kaldes effektivt eller intergranulært tryk σ’. Når konsolideringen er opnået, dvs. når prøven er ophørt med at sætte sig under belastningen p0, er det effektive tryk lig med det samlede specifikke tryk, der hersker i den dybde, hvor jorden betragtes. I dette tilfælde er det i dybden under prøvens overflade på fig. 2 σ’ = W/A + hzγ hvor γ er prøvens rumvægt.
Men hvis vi i beholderen belaster prøven med vand i stedet for blyhaglsplads til højden h, således at det har udfyldt alle prøvens porer, vil vandkolonnens tryk over prøven hγw, hvor γw er vandets rumvægt, hverken forårsage sætning af prøven og reduktion af dens porøsitet eller øge dens forskydningsstyrke og kompressionsmodul. Derfor kaldes det hydrostatiske tryk hγw neutraltryk. Neutraltrykket, som betegnes med u, overføres gennem prøven i alle retninger med samme intensitet. Dette tryk vil ikke medføre en forøgelse af forskydningsstyrken, fordi vand i sig selv ikke har nogen forskydningsstyrke.
Dermed overføres det effektive tryk σ’ gennem kontaktfladerne mellem jordens faste partikler, mens det neutrale tryk u overføres gennem vandet i porerne. Hvis den nedre del af beholderen er fyldt med en mættet jordprøve med rumvægt γz, og beholderen over prøveoverfladen op til niveau N er fyldt med vand med rumvægt γw, vil det samlede tryk σ i et vilkårligt punkt i prøven være σ = σ’ + u.
I dybden hz under prøveoverfladen vil det effektive tryk være σ = σ’ - u
hvor σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Derfor bliver σ’ = hz γ’
γ’ er den rumvægt af vandmættet jord under vand.
Generel ligning for jordens forskydningsstyrke
Hvis vi belaster sammenhængende jord med belastningen P, vil denne belastning forårsage jordens sætning, og først vil luften blive presset ud af porerne under dens virkning, så der snart kun er vand tilbage i porerne. Da vandet på grund af den lave vandgennemtrængelighed i den sammenhængende jord ikke umiddelbart kan presses ud, forbliver det som spændt vand i porerne og optager i begyndelsen hele den ydre belastning P. I den videre tidsudvikling begynder vandet under belastningens P virkning at blive presset ud af porerne, og der opstår en sammenrykning af de faste partikler, som nu optager en del af belastningen P. Da har vi τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ hvor σ er det samlede tryk fra belastningen P, u porevandstrykket.
Porevandstrykket u afhænger af flere faktorer, såsom konsolideringens tidsforløb, jordens permeabilitet, størrelsen af jordbelastningen osv. Jordens forskydningsstyrke afhænger af porevandstrykket, og den er størst for u=0, når der indtræffer konsolidering af jorden.
Jordens kolloide aktivitet
Elementerne i jordens indre modstand kohæsion og friktion kan være forskellige og afhænger i høj grad af faststofpartiklernes grovhed i jorden samt af dens plastiske egenskaber. For at bestemme kohæsionens betydning i forhold til modstanden mod indre friktion i kohærent jord indførte Skempton begrebet jordens kolloide aktivitet _K_P, som udtrykkes ved forholdet mellem plasticitetsindekset IP og mængden af partikler mindre end 0,002 mm i % af hele massens vægt. Derved blev følgende kriterium anvendt (fig. 3):
Fig. 3. Jordens kolloidale aktivitet
For KP < 0,75 er det inaktive lerarter,
for KP = 0,75 – 1,25 er normale lerarter,
for Kp > 1,25 aktiv ler.
Med stigende KP vokser kohæsionens indflydelse i forhold til den indre friktion i kohæsiv jord.
Jordens følsomhed
Hvis vi i en kohærent jord udtager en cylinder med diameter 3—3,4 cm og højde ~ 5 cm og belaster den med en normalbelastning, får vi ved cylindrens brud jordens trykstyrke i uforstyrret tilstand σ__ₙ:
σn = P/A i kp/cm2,
hvor A er cylinderens tværsnit.
Når prøven er brudt efter den afsluttede prøve, flytter vi den og fremstiller igen en cylinder med de samme dimensioner ved hjælp af den samme cylinderform, idet dens fugtighed forbliver den samme som ved den forrige prøve. Derefter udføres prøven straks igen med den omformede cylinder, så jordens trykstyrke i forstyrret tilstand σ__ₚ. opnås.
Følsomhed (sensitivitet) S__ₜ er forholdet mellem trykstyrken i ubeforstyrret tilstand og trykstyrken i forstyrret tilstand: St = σn/σp,
Ifølge et kriterium vurderes følsomheden S__ₜ på følgende måde:
- for S__ₜ = 1 — 2 er lerets følsomhed lav,
- for S__ₜ = 2 — 4 er lerens middel følsomhed,
- for S__ₜ = 4 — 8 er der stor følsomhed i leret,
- for S__ₜ > 8 er leret overfølsomt.
I naturen sker det, at lerjord som følge af en mekanisk påvirkning, for eksempel et jordskælv, pludselig mister sin fasthed, som den derefter genvinder i hviletilstand. Denne egenskab kaldes jordens tiksotropi. Mange lerarter har i nogen grad tiksotropiske egenskaber. Der er kendte tilfælde af skråningsskred i udgravninger som følge af udstrømning af tiksotrop ler i Norge, Sverige og Finland, hvor undersøgelser har vist, at der ikke skete nogen ændring i lerets fugtighed under denne proces, dvs. at lerets fugtighed var konstant før og efter udstrømningen.