Schuifspanning

Betekenis

Schuifspanning is de tangentiële (zijdelingse) spanning die optreedt wanneer delen van een materiaal of korrels ten opzichte van elkaar willen verschuiven; ze ontstaat uit het samenspel van wrijving (adhesie) en cohesie tussen de deeltjes. Als de schuifkracht groter wordt dan de remmende wrijvings- en cohesiekrachten, treedt afschuiving op en kunnen delen van het grondlichaam of een object naar beneden schuiven.

Toepassing

Schuifspanning speelt een rol in natuurlijke en technische situaties.

• Beoordelen van stabiliteit van grondlichamen, dijken en dammen.
• Berekenen van kritische schuifspanning in grondmechanica.
• Ontwerpen van constructieve voorzieningen tegen dwarskrachten (bijv. dwarskrachtdeuvels).
• Analyseren van scheefstand of afschuiven bij een blok op een hellend vlak.

Aandachtspunten

• Houd rekening met wrijvingshoek φ en cohesie c: beide beïnvloeden de kritische schuifspanning.
• Let op aanwezigheid van water: poreus water kan zowel stabiliseren (adhesie/cohesie) als bij hoge waterinhoud tot vloeien en afschuiving leiden.
• Onderzoek oppervlakte-eigenschappen: ruwheid en oneffenheden beïnvloeden de wrijvingskrachten.
• Ken de effecten van dilatantie: schuifspanningen kunnen volumevergroting en verandering van poriënvolume veroorzaken.
• Grote schuifspanningen in dijken of dammen kunnen tot bezwijken leiden, bijvoorbeeld bij langdurige uitdroging van poriënwater en afname van cohesie.

Werking / principe

• Bij een blok op een hellend vlak is de schuifkracht T een ontbonden component van het gewicht W; voor de wrijvingshoek φ geldt sin φ = T / W, dus T = W · sin φ.
• De wrijvingscoëfficiënt f wordt gegeven door f = T / N = tan φ, waarbij N de normaalkracht is.
• Coulombs formule voor de kritische schuifspanning in een grondlichaam:
  • τf = c + σ' · tan φ
  • waarbij τf de kritische schuifspanning is (N/m² of Pa), c de cohesie (N/m²), σ' de effectieve normaalspanning op het beschouwde vlak en φ de wrijvingshoek.

Dilatantie

Dilatantie is de volumevergroting als gevolg van afschuiving in korrelige materialen. Wanneer korrels bij schuifspanningen over elkaar gaan schuiven of rollen, kan dat alleen plaatsvinden als het korrelskelet zich zodanig herordent dat het volume toeneemt; dat vergroot ook het poriënvolume tussen korrels. Bij dicht gepakte korrels treedt deze volumetoename duidelijker op.

Terminologie en notaties

• De schuifspanning wordt aangeduid met τ (uitgesproken als "tau"); de wrijvingshoek met φ (uitgesproken als "fi").
• De cohesie c in de Coulomb-formule geeft aan dat er ook zonder normaalkracht een zekere schuifspanning nodig kan zijn om afschuiving te veroorzaken.

Gevolgen voor grondlichamen

• In losse of droogtegevoelige grond kan afname van cohesie (bijvoorbeeld door uitdrogen van poriënwater) leiden tot verlies van stabiliteit en uiteindelijk bezwijken van het grondlichaam.
• In droog zand met een wrijvingshoek van circa 30–40° kan toch stabiliteit bestaan doordat cohesie en wrijving verhinderen dat alle korrels gelijktijdig afschuiven.