Beschrijving van het fysisch-mechanisch gedrag

Elk materiaal vertoont zijn eigen spanningsvervormingsgedrag. Dit komt tot uitdrukking in een bepaalde elastische en plastische vervorming onder invloed van een gedefinieerde belasting. Bij elastische vervormingen herneemt het materiaal na verwijdering van de belasting zijn oorspronkelijke vorm en volume; plastische vervormingen blijven na ontlasting gehandhaafd.

In het algemeen zijn de vervormingen van grond en met name die van zand bij zeer lage belastingen relatief klein en min of meer elastisch van aard; naarmate de belastingen hoger worden, nemen de vervormingen niet alleen toe, maar worden ze ook meer plastisch. Ten slotte worden ze zo groot dat bezwijken optreedt.

De vervormingen van korrelig materiaal worden bepaald door veranderingen in de zogenaamde korrelspanningen, die een maat zijn voor de krachten in de korrelcontactpunten. In een contactpunt tussen twee korrels kunnen een normaalkracht en een schuifkracht worden overgebracht; de normaalkracht kan alleen een drukkracht zijn omdat korrelige grond in het algemeen geen trekkrachten kan opnemen.

De normaalkrachten veroorzaken een zekere indrukking van de korrel. Deze vervorming is echter klein ten opzichte van de deformaties ten gevolge van afschuiving van individuele korrels ten opzichte van elkaar. Een dergelijke afschuiving treedt op wanneer de schuifkracht groter wordt dan het product van de wrijvingscoëfficiënt en de normaalkracht.

Het gedrag van korrelig materiaal bij alzijdige compressie verschilt dan ook van dat bij zogenaamde distorsie. Bij alzijdige compressie ontstaat een vermindering van het volume van het materiaal, waarbij de vorm van het volumeelementje gehandhaafd blijft. Bij verandering van de vorm onder handhaving van het volume spreekt men van distorsie.

In het eerste geval, bij alzijdige compressie, treden slechts relatief kleine vervormingen op; de korrels zelf zijn weinig samendrukbaar. Ten gevolge van onregelmatigheden in de korrelstapeling zijn er lokaal wel schuifkrachten; deze kunnen een korrelcontact verbreken en schuiven of rollen veroorzaken, hetgeen veelal leidt tot een groter aantal korrelcontactpunten en tot een dichter materiaal. In principe kan worden gesteld dat grond en met name zand bij compressie aanzienlijk stijver reageert dan bij belasting door schuifspanningen. Daarnaast geldt dat het materiaal zich, naarmate de dichtheid groter is, stijver zal voordoen dan hetzelfde korrelige materiaal in een lossere stapeling. Samenvattend kan het verband tussen isotrope spanning en vervorming bij compressie worden weergegeven zoals in figuur 3.2. Onder de isotrope spanning σ_o wordt verstaan het gemiddelde van de normaalspanningen in de drie onderling loodrechte richtingen.

In het tweede geval, bij distorsie, moet door de toenemende schuifspanning of deviatorspanning τ in de korrelcontactpunten een steeds grotere schuifkracht worden overgebracht, waardoor steeds meer de neiging tot hoekverdraaiing of verschuiving bestaat. Bovendien kan verschuiving in een bepaald contactpunt de schuifkracht in een volgend contactpunt vergroten, hetgeen aanleiding geeft tot verdere verschuiving.

In eerste instantie treden deze verschuivingen alleen op ter plaatse van zwakke plekken, waarbij een aantal korrels in diverse richtingen opzij wordt geschoven. De daardoor teweeggebrachte herschikking van de korrels verdeelt de last naar aangrenzende gebieden in de korrelmassa, die meer weerstand bieden. Naarmate de belasting stijgt, ontstaan steeds meer herschikkingen van de korrelmassa met daarmee gepaard gaande hoekverdraaiingen of verschuivingen, waarbij de korrels opzij worden geperst en de vervorming verder toeneemt. Ten slotte is het punt van bezwijken bereikt; er is geen reserve meer en er treden zeer grote doorgaande vervormingen op, zonder dat de belasting verder toeneemt.

Het effect van de schuifspanningen is overigens sterk afhankelijk van het niveau van de aanwezige isotrope spanning σ_o. Hoe hoger dat spanningsniveau, des te grotere schuifspanningen nodig zijn om grote vervormingen en uiteindelijk bezwijken te bewerkstelligen; zie figuur 3.3. De vervormingen bij distorsie zijn dus meestal veel groter dan die bij compressie; bij distorsie wordt de grond bovendien steeds minder stijf, terwijl hij bij compressie in stijfheid toeneemt.

Omdat de schuifvervormingen het gevolg zijn van veranderingen in de korrelstapeling door schuiven van korrels over elkaar, is te verwachten dat bij ontlasting de oorspronkelijke korrelstapeling niet zal terugkeren. Het schuiven is, veel geprononceerder dan het indrukken bij compressie, een irreversibel proces; na ontlasting zal een blijvende deformatie optreden; zie figuur 3.4a.

Bij hernieuwd belasten zullen bij de compressie-, maar vooral bij de distorsieproef, minder contacten worden verbroken dan bij het opbrengen van de eerste belasting; daardoor zal het materiaal ook stijver reageren dan de eerste keer. Soms blijkt het gedrag bij ontlasting en herbelasting vrijwel elastisch, maar meestal vindt na iedere volledige cyclus (ontlasting-herbelasting) een zekere irreversibele vervorming plaats. Indien echter bij herbelasting het oorspronkelijke maximumspanningsniveau wordt overschreden, treden weer veel grotere vervormingen op; zie de lijn AB in figuur 3.4a.

Onder de nieuwe hogere spanningen vinden weer omvangrijker korrelherschikkingen plaats; de oorspronkelijke spanningsvervormingscurve wordt daarbij vervolgd en vertoont als gevolg daarvan weer een minder stijf gedrag. Deze curve staat dan ook bekend als de zogenaamde maagdelijke curve. In paragraaf 3.3.3.2 wordt hier nader op ingegaan.

Zand- of kleigrond die in het verleden een voorbelasting heeft ondergaan, noemt men wel overgeconsolideerd; dit materiaal gedraagt zich als gevolg van daardoor ontstane herschikkingen van korrels relatief stijf tot aan de zogenaamde preconsolidatiespanning of voorbelasting, dat wil zeggen de spanning die in het verleden ooit bereikt is; zie punt C in figuur 3.4b. Boven die spanning is de grond weer ‘maagdelijk’ en reageert hij minder stijf.