Als wij in cohesieve grond een cilinder uitsnijden en deze onder invloed van een normale druk P plaatsen (afb. 1), zullen in de cilinder nieuwe spanningen optreden, namelijk de verticale drukspanning σ en de horizontale afschuifspanning . Als wij de druk P geleidelijk verhogen, zullen na enige tijd schuine scheuren op de cilinder verschijnen, waarna onmiddellijk het bezwijken van de cilinder optreedt. Op het moment van breuk is de cilinder verschoven onder invloed van de druk P langs het schuifvlak van de minste weerstand N-N.
Afb. 1. Werking van druk op een cilinder uit coherente grond
De grondweerstand die de rol bood tegen de werking van de kracht P op het moment van breuk heet schuifweerstand van de grond, en de hoek α van de helling van het vlak van de kleinste weerstand ten opzichte van de horizon heet de hoek van het vlak van de kleinste schuifweerstand van de grond.
De schuifweerstand van gebonden grond bestaat uit twee elementaire weerstanden: inwendige wrijving tussen de vaste deeltjes en cohesie die de vaste deeltjes samenbindt. De schuifsterkte van de grond wordt gelijkgesteld aan de grootste schuifspanning op het moment van breuk en wordt uitgedrukt met de vergelijking
τf = c + σ tg_φ_
waarbij: τf de schuifsterkte van de grond is [kp/cm2],
c grondcohesie [kp/cm3],
σ normale gronddruk [kp/cm3],
φ hoek van inwendige wrijving van de grond.
De bovenvermelde formule werd opgesteld door de Fransman Coulomb 1785. Volgens deze formule is de cohesie c voor een bepaalde grond constant en onafhankelijk van de normale druk, terwijl de wrijvingsweerstand σ tg_ϕ_ recht evenredig is met de spanning σ. In werkelijkheid is de cohesie e voor een bepaalde grond niet constant, maar zij is ook in zekere mate afhankelijk van de normale spanning σ, omdat onder invloed van deze druk de dikte van de waterfilm die de vaste deeltjes omhult afneemt en daardoor de cohesie toeneemt. De formule van Coulomb geldt voor doorlatende gronden, waarin onder invloed van de normale druk het water uit de poriën zonder weerstand wordt verdreven, wat het geval is bij grind- en zandgrond, maar niet bij bindende grond, die weinig doorlatend is, waardoor het poriewater moeilijk wordt verdreven en als gespannen poriewater achterblijft onder invloed van de belasting P.
Effectieve en neutrale spanningen in de bodem
Afb. 2. Effectieve en neutrale spanning in de grond
Als we op de bodem van een vat een grondmonster leggen, bijvoorbeeld droog zand, en daarop een massa aanbrengen, bijvoorbeeld loden hagel met gewicht W, zal de volledige belasting van dit gewicht door de vaste deeltjes van de grond worden opgenomen. De specifieke druk op het oppervlak van het monster p0 = W/A in kp/cm3, waarbij A het dwarsdoorsnede-oppervlak van het monster is, veroorzaakt zetting van het monster, dus een vermindering van de porositeit, maar zal ook veranderingen veroorzaken in andere fysische eigenschappen van het monster, zoals een hogere schuifsterkte, een hogere samendrukbaarheidsmodulus en andere. De druk die heerst op de contactvlakken tussen de deeltjes wordt effectieve of intergranulaire druk σ’ genoemd. Wanneer consolidatie is bereikt, d.w.z. wanneer het monster onder de belasting p0 niet langer zakt, is de effectieve druk gelijk aan de totale specifieke druk die heerst op de diepte waarop de grond wordt beschouwd. In dit geval geldt op diepte, onder het oppervlak van het monster in afb. 2 σ’ = W/A + hzγ waarbij γ de volumieke massa van het monster is.
Echter, als we het monster in het vat in plaats van met loden schroot met water tot een hoogte h belasten, waarbij dit alle poriën van het monster heeft gevuld, zal de druk van de waterkolom boven het monster hγw, waarbij γw het soortelijk gewicht van water is, geen zetting van het monster en geen vermindering van de porositeit veroorzaken, noch de schuifsterkte en de samendrukkingsmodulus vergroten. Daarom wordt de hydrostatische druk hγw de neutrale druk genoemd. De neutrale druk, aangeduid met u, wordt door het monster in alle richtingen met gelijke intensiteit overgedragen. Deze druk zal geen toename van de schuifsterkte veroorzaken, omdat water zelf geen enkele schuifsterkte heeft.
Daarom wordt de effectieve druk σ’ overgedragen via de contactvlakken tussen de vaste deeltjes van de grond, terwijl de neutrale druk u wordt overgedragen door het water in de poriën. Als het onderste deel van het vat is gevuld met een verzadigd grondmonster met een volumiek gewicht γz, en boven het oppervlak van het monster tot aan het niveau N het vat is gevuld met water met een volumiek gewicht γw, dan zal de totale druk σ in eender welk punt van het monster zijn σ = σ’ + u.
Op diepte hz, onder het oppervlak van het monster, zal de effectieve spanning σ = σ’ - u zijn
waarbij σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Daaruit volgt σ’ = hz γ’
γ’ is het volumieke gewicht van met water verzadigde grond.
Algemene vergelijking van de schuifsterkte van grond
Als we een gebonden grond belasten met een belasting P, zal deze belasting zetting van de grond veroorzaken en zal eerst onder haar invloed de lucht uit de poriën worden verdreven, zodat er al spoedig alleen nog water in de poriën overblijft. Omdat het water vanwege de geringe waterdoorlatendheid van de gebonden grond niet onmiddellijk kan worden verdreven, blijft het als opgesloten water in de poriën aanwezig en neemt het aanvankelijk de volledige uitwendige belasting P op. In het verdere verloop van de tijd begint onder invloed van de belasting P het water uit de poriën te worden verdreven en treedt verdichting van de vaste deeltjes op, die nu een deel van de belasting P opnemen. Dan hebben wij τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ waarbij σ de totale druk door de belasting P is, u de poriedruk van het water.
De poriewaterdruk u is afhankelijk van verschillende factoren, zoals het tijdsverloop van de consolidatie, de doorlatendheid van de grond, de grootte van de belasting van de grond enz. De afschuifsterkte van de grond hangt af van de poriewaterdruk en is het grootst voor u=0, wanneer de consolidatie van de grond optreedt.
Colloïdale activiteit van de grond
De elementen van de inwendige weerstand van de grond cohesie en wrijving kunnen verschillend zijn en hangen in hoge mate af van de korrelgrootte van de vaste deeltjes van de grond en van zijn plastische eigenschappen. Om de invloed van cohesie ten opzichte van de weerstand tegen inwendige wrijving van samenhangende grond te bepalen, introduceerde Skempton het begrip colloïdale activiteit van de grond _K_P, die wordt voorgesteld door de verhouding van de plasticiteitsindex IP tot de hoeveelheid deeltjes kleiner dan 0,002 mm in % van het gewicht van de gehele massa. Daarbij is het volgende criterium aangenomen (afb. 3):
Afb. 3. Colloïdale activiteit van de grond
Voor KP < 0,75 zijn het niet-actieve kleien,
voor KP = 0,75 – 1,25 zijn normale kleien,
voor Kp > 1,25 van actieve klei.
Met toenemende KP neemt de invloed van de cohesie toe ten opzichte van de inwendige wrijving van cohesieve grond.
Gevoeligheid van de bodem
Als we in samenhangende grond een cilinder met een diameter van 3—3,4 cm en een hoogte van ~ 5 cm uitnemen en die met een normale belasting belasten, verkrijgen we op het moment van breuk van de cilinder de drukkracht van de grond in onverstoorde toestand σ__ₙ:
σn = P/A in kp/cm2,
waarbij A de dwarsdoorsnede van de cilinder is.
Na afloop van de proef verplaatsen we het gebroken monster en maken we opnieuw een cilinder met dezelfde afmetingen, met behulp van dezelfde cilindervorm, waarbij het vochtgehalte hetzelfde blijft als bij de vorige proef. Daarna wordt onmiddellijk na het vervaardigen van de opnieuw gekneedde cilinder de proef ermee herhaald, zodat de druksterkte van de grond in verstoorde toestand σ__ₚ. wordt verkregen
Gevoeligheid (sensitiviteit) S__ₜ is de verhouding van de druksterkte in ongestoorde toestand tot de druksterkte in verstoorde toestand: St = σn/σp,
Volgens één criterium wordt de gevoeligheid S__ₜ als volgt beoordeeld:
- voor S__ₜ = 1 — 2 is de gevoeligheid van de klei gering,
- voor S__ₜ = 2 — 4 is de gevoeligheid van de klei gemiddeld,
- voor S__ₜ = 4 — 8 is de klei zeer gevoelig,
- voor S__ₜ > 8 is zeer gevoelige klei.
In de natuur komt het voor dat door mechanische werking, bijvoorbeeld een aardbeving, kleigrond plotseling zijn sterkte verliest, die vervolgens in rusttoestand weer terugkeert. Deze eigenschap wordt tixotropie van de grond genoemd. Veel kleien vertonen in zekere mate tixotrope eigenschappen. Bekend zijn gevallen van taludverschuivingen bij uitgravingen als gevolg van het uitstromen van tixotrope klei in Noorwegen, Zweden en Finland, waarbij door onderzoek is vastgesteld dat er tijdens dit proces geen verandering in het vochtgehalte van de klei is opgetreden, d.w.z. dat het vochtgehalte van de klei vóór en na het uitstromen constant was.