Hvis vi skjærer ut en sylinder i bindet jord og utsetter den for normalt trykk P (fig. 1), vil nye spenninger oppstå i sylinderen, nemlig vertikal trykkspenning σ og horisontal skjærspenning . Hvis vi gradvis øker trykket P, vil det etter en viss tid oppstå skrå sprekker i sylinderen, og umiddelbart etterpå vil sylinderen bryte sammen. I bruddøyeblikket er sylinderen forskjøvet under påvirkning av trykket P og langs skjærplanet med minst motstand N-N.
Fig. 1. Trykkets virkning på en sylinder tatt ut av kohærent jord
Jordmotstanden som sylinderen ytte mot virkningen av kraften P i bruddøyeblikket kalles jordens skjærmotstand, og vinkelen α mellom planet med minste motstand og horisontalen kalles vinkelen til planet med minste skjærmotstand.
Skjærmotstanden til bunden jord består av to elementære motstander: indre friksjon mellom faste partikler og kohesjon som binder de faste partiklene. Jordens skjærfasthet antas å være lik den største skjærspenningen i bruddøyeblikket og uttrykkes ved ligningen
τf = c + σ tg_φ_
hvor: τf er jordens skjærfasthet [kp/cm2],
c jordkohesjon [kp/cm3],
σ normalspenning i jorden [kp/cm3],
φ jordens vinkel for indre friksjon.
Den ovennevnte formelen ble utarbeidet av franskmannen Coulomb 1785. år. I henhold til denne formelen er kohesjonen c for en gitt jord konstant og uavhengig av normalt trykk, mens friksjonsmotstanden σ tg_ϕ_ er direkte proporsjonal med spenningen σ. I virkeligheten er ikke kohesjonen e konstant for en gitt jord, men også den er i en viss grad avhengig av normalspenningen σ, fordi tykkelsen på vannfilmen som omgir de faste partiklene, reduseres under påvirkning av dette trykket, og kohesjonen dermed øker. Coulombs formel gjelder for permeable jordarter, der vannet presses ut av porene uten motstand under påvirkning av normalt trykk, noe som er tilfellet for grus- og sandjord, men ikke for bundne jordarter, som er lite permeable, slik at porevannet vanskelig presses ut og blir værende som oppspent porevann under påvirkning av belastningen P.
Effektive og nøytrale spenninger i jorden
Fig. 2. Effektiv og nøytral spenning i jorden
Hvis vi legger en jordprøve, for eksempel tørr sand, i bunnen av et kar og belaster den med en masse, for eksempel blyhagl med vekt W, vil hele belastningen av denne vekten tas opp av jordens faste partikler. Det spesifikke trykket på prøveoverflaten p0 = W/A i kp/cm3, der A er tverrsnittsarealet av prøven, vil forårsake setning av prøven, dvs. reduksjon av porøsiteten, men vil også føre til endringer i andre fysiske egenskaper ved prøven, som økning i skjærfasthet, økning i kompresjonsmodul og annet. Trykket som virker på kontaktflatene mellom partiklene kalles effektivt eller intergranulært trykk σ’. Når konsolideringen er oppnådd, dvs. når prøven har sluttet å sette seg under belastningen p0, er det effektive trykket lik det totale spesifikke trykket som råder i den dybden der jorden betraktes. I dette tilfellet er det på dybden, under prøveoverflaten på fig. 2 σ’ = W/A + hzγ der γ er prøvens volumvekt.
Men hvis vi i beholderen, i stedet for med blyhagl, belaster prøven med vann til høyden h, slik at vannet har fylt alle porene i prøven, vil trykket fra vannsøylen over prøven hγw, der γw er vannets volumvekt, ikke forårsake setning av prøven og reduksjon av porøsiteten, og det vil heller ikke øke dens skjærstyrke og kompressibilitetsmodul. Derfor kalles det hydrostatiske trykket hγw nøytralt trykk. Nøytralt trykk, betegnet med u, overføres gjennom prøven i alle retninger med samme intensitet. Dette trykket vil ikke forårsake økning i skjærstyrken, fordi vann i seg selv ikke har noen skjærstyrke.
Dermed overføres det effektive trykket σ’ gjennom kontaktflatene mellom jordens faste partikler, mens det nøytrale trykket u overføres gjennom porevannet. Hvis den nedre delen av beholderen er fylt med en mettet jordprøve med volumvekt γz, og beholderen over prøvens overflate opp til nivå N er fylt med vann med volumvekt γw, vil det totale trykket σ i et hvilket som helst punkt i prøven være σ = σ’ + u.
På dybden hz under prøvens overflate vil det effektive trykket være σ = σ’ - u
der σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Dermed blir σ’ = hz γ’
γ’ er volumvekten av jord som er neddykket i vann.
Generell ligning for jordens skjærfasthet
Hvis vi belaster jord med bindemiddel med lasten P, vil denne lasten forårsake setning av jorden, og først vil luften bli presset ut av porene under dens virkning, slik at det snart bare er vann igjen i porene. Siden vannet på grunn av den lave vannpermeabiliteten i den bundne jorden ikke kan presses ut umiddelbart, blir det værende som porevann under trykk og tar i begynnelsen opp hele den ytre belastningen P. Etter hvert, under virkningen av belastningen P, begynner vann å presses ut av porene og de faste partiklene kommer nærmere hverandre, og disse tar nå opp en del av belastningen P. Da har vi τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ hvor σ er det totale trykket fra belastningen P, u er porevannstrykket.
Porevannstrykket avhenger av flere faktorer, som tidsforløpet for konsolideringen, jordens permeabilitet, størrelsen på jordbelastningen osv. Jordens skjærfasthet avhenger av porevannstrykket, og den er størst for u=0, når jordkonsolidering oppstår.
Den kolloidale aktiviteten til jorden
Elementene i jordas indre motstand kohesjon og friksjon kan være ulike og avhenger i stor grad av størrelsen på de faste jordpartiklene og jordas plastiske egenskaper. For å bestemme kohesjonens innflytelse i forhold til motstanden mot indre friksjon i kohesiv jord innførte Skempton begrepet jordas kolloidale aktivitet _K_P, som er uttrykt ved forholdet mellom plastisitetsindeksen IP og mengden partikler mindre enn 0,002 mm i % av hele massens vekt. Følgende kriterium ble lagt til grunn (fig. 3):
Fig. 3. Kolloidal aktivitet i jorden
For KP < 0,75 er leirene inaktive,
for KP = 0,75 – 1,25 er det normalt leir,
for Kp > 1,25 av aktiv leire.
Når KP øker, øker kohesjonens innvirkning i forhold til den indre friksjonen i kohesiv jord.
Jordens følsomhet
Hvis vi tar ut en sylinder i sammenhengende jord med diameter 3—3,4 cm og høyde ~ 5 cm, og belaster den med normal belastning, vil vi i øyeblikket når sylinderen bryter få trykkfastheten til jorden i uforstyrret tilstand σ__ₙ:
σn = P/A i kp/cm2,
hvor A er sylinderens tverrsnitt.
Etter avsluttet prøve flytter vi den brutte prøven og lager på nytt en sylinder med samme dimensjoner, ved hjelp av den samme sylinderformen, slik at fuktigheten forblir den samme som ved den foregående prøven. Deretter, straks den omarbeidede sylinderen er laget, gjentas prøven med den, slik at jordens trykkfasthet i forstyrret tilstand σ__ₚ. oppnås.
Følsomhet (sensitivitet) S__ₜ er forholdet mellom trykkfastheten i uforstyrret tilstand og trykkfastheten i forstyrret tilstand: St = σn/σp,
Etter ett kriterium vurderes følsomheten S__ₜ på følgende måte:
- for S__ₜ = 1 — 2 er leirens sensitivitet liten,
- for S__ₜ = 2 — 4 er leirens middels følsomhet,
- for S__ₜ = 4 — 8 er leiren meget følsom,
- for S__ₜ > 8 er det leirjord som er overfølsom.
I naturen hender det at leirjord som følge av mekanisk påvirkning, for eksempel et jordskjelv, plutselig mister sin fasthet, som deretter blir gjenvunnet i rolig tilstand. Denne egenskapen kalles jordas tiksotropi. Mange leirer har i en viss grad tiksotrope egenskaper. Det er kjent tilfeller av skred i skjæringsskråninger som følge av utstrømming av tiksotrop leire i Norge, Sverige og Finland, der undersøkelser viste at det ikke hadde skjedd noen endring i leirens fuktighet i løpet av denne prosessen, dvs. at leirens fuktighet var konstant før og etter utstrømmingen.