schuifspanning, schuifkracht, afschuiving

Afschuiving vindt plaats wanneer de wrijving tussen de grondkorrels kleiner wordt dan de normaalkracht (de kracht loodrecht op het object).
In de onderstaande figuur, waar een blok op een hellend vlak ligt, is aangegeven wat de schuifkracht (T) is.

blok op een hellend vlak, schuifkracht t (boek grondmechanica, arnold verruijt):

De schuifkracht T en de normaalkracht N zijn ontbonden uit het gewicht W van het blok.
De hoek van inwendige wrijving (wrijvingshoek) is φ, 
sin φ = T/W, dus de wrijvingskracht T = W * sin φ
en de verhouding van de schuifkracht tot normaalkracht is de wrijvingscoëfficiënt f = T/N = tan φ.

Zolang de wrijvingscoëfficiënt onder een bepaalde waarde blijft, blijft het blok liggen. Ofwel: wanneer de hellingshoek (α) groter wordt, wordt de kans op afschuiven groter.
Al of niet afschuiven, en dus ook de wrijvingscoëfficiënt, is mede afhankelijk van:
- het soort oppervlak (ruw, glad)
- oneffenheden aan het oppervlak (uitsteeksels, putten)
- andere factoren (zoals water dat op de hellingsbaan ligt).
De wrijving, die ervoor zorgt dat het blok blijft liggen, wordt cohesie genoemd.

In een berg droog zand zorgt de cohesie tussen de korrels ervoor dat niet alle korrels afschuiven en de berg een horizontaal vlak wordt, zoals bij een vloeistof.

een berg droog zand met een wrijvingshoek van 30 à 40 graden (boek grondmechanica, arnold verruijt):

In een grondlichaam werken tussen de korrels in het korrelskelet dus ook wrijvingskrachten. Verder kan het water in de poriën tussen de korrels door de cohesie "binnen het water" en de adhesie van water en korrels het grondlichaam ervoor behoeden af te schuiven. Zonder water kunnen we geen zandkasteel met verticale wanden bouwen. (Bij zeer veel water vindt juist afschuiving plaats omdat het grondlichaam gaat "vloeien".)

Vanaf een bepaalde wrijvingshoek en met een bepaalde cohesie tussen de korrels, er een moment dat er afschuiving plaatsvindt: een deel van het grondlichaam schuift naar beneden. 
Voor grondlichamen heeft Coulomb een formule opgesteld, de kritische schuifspanning in een grondlichaam:

de kritische schuifspanning τ_f = c + σ' (tan φ) [in N/m2 of Pa]

waarbij c de cohesie weergeeft (in N/m2), σ' de normaalspanning (dus loodrecht) op het beschouwde vlak, φ de wrijvingshoek en (tan φ) de eerder genoemde wrijvingscoëfficiënt. 
Schuifspanning is, kortweg, een samenspel van cohesie en adhesie (wrijving). De cohesie wordt in dit geval soms schijnbare cohesie genoemd.

Dilatantie
Dilatantie is een volumevergroting ten gevolge van afschuiving. Normaliter geeft een zuivere schuifspanning op een materiaal alleen een vormverandering, maar bij grond is dat anders; de betrekkelijk losse korrels in het op dat moment meest geschikte korrelskelet kunnen zich door een schuifspanning anders gaan ordenen wat een volumeverandering tot gevolg zal hebben.
Wanneer een materiaal met een dichte pakking van de korrels door schuifspanningen belast wordt, dan gaan de korrels over elkaar schuiven en zelfs rollen, maar dat kan uitsluitend als ze ook iets uit elkaar gaan, wat dus een vergroting van het volume geeft. De afbeelding onder geeft aan dat er een volumevergroting kan optreden en daarmee ook een vergroting van het poriënvolume tussen de korrels.

dezelfde hoeveelheid zandkorrels dicht gepakt (links) en los (rechts) (boek grondmechanica, arnold verruijt):

Opmerkingen
- Dwarskrachten in een constructie worden vaak opgenomen door de schuifspanning van het materiaal of door speciale voorzieningen, bijvoorbeeld dwarskrachtdeuvels.
- De aanduiding van de schuifspanning τ wordt uitgesproken als "tau"; de aanduiding φ als "fi".
- De cohesie c in deze formule geeft aan dat er ook als er geen normaalkracht is een zekere schuifspanning nodig is om afschuiving te veroorzaken.
- Schuifspanningen kunnen alleen worden overgebracht door de korrels.
- Als bij dijken en dammen de schuifspanningen te groot worden en de grond gaat afschuiven, kan dat grondlichaam tenslotte bezwijken. Dat doet zich bijvoorbeeld voor als er zeer lange tijd geen regen valt, het water in de minuscule poriën opdroogt en de cohesie tussen de korrels kleiner wordt. Denk aan de berg van droog zand die afschuift en het natte zandkasteel dat overeind blijft (zolang het kasteel vochtig blijft).

Met dank aan het boek "Grondmechanica" van Arnold Verruijt.

Zie ook grondspanning (waterspanning, korrelspanning), wrijvingsgetal, afschuiven.

Eng. shear stress, shearing stress