Hva er skjærspenning?

I geoteknikk beskriver skjærspenning kreftene som forsøker å få jord, leire eller løsmasser til å gli langs et mulig bruddplan. Skjærstyrke er motstanden massene kan mobilisere før brudd oppstår.

Skjærspenning er et av de viktigste begrepene i geoteknikk. Det brukes til å vurdere skråningsstabilitet, fundamentering, grunnbrudd, graving, fylling og risiko i leire- og kvikkleireområder.

Den praktiske kjernen er enkel: Hvis skjærspenningen i grunnen blir større enn skjærstyrken, kan massene begynne å gli. Resultatet kan være setninger, utglidning, grunnbrudd eller skred.

Skjærspenning definisjon

Spenning er kraft fordelt på areal. I jord og berg deles spenning ofte i to hovedkomponenter.

Normalspenning virker vinkelrett på et plan. Den presser massene sammen.

Skjærspenning virker parallelt med planet. Den forsøker å forskyve massene langs planet.

Enkelt sagt:

Skjærspenning = kraften som prøver å skyve jord langs et plan, delt på arealet av planet.

Symbolet for skjærspenning er vanligvis τ, tau, og enheten er kPa. I en skråning er skjærspenningen den delen av tyngden som forsøker å trekke jordmassene nedover langs et mulig glidningsplan.

Når skjærspenningen overskrider skjærstyrken, oppstår brudd.

Skjærspenning og skjærstyrke

Skjærspenning og skjærstyrke må alltid vurderes sammen.

Skjærspenning er belastningen som virker i grunnen. Skjærstyrke er motstanden grunnen har mot forskyvning. En skråning kan tåle høy skjærspenning dersom skjærstyrken er enda høyere. En annen skråning kan være ustabil ved lavere belastning dersom massene er bløte, sensitive eller har høyt poretrykk.

Skjærstyrken er ikke én fast verdi for en tomt. Den varierer med jordart, dybde, vanninnhold, lagdeling, spenningshistorie og dreneringsforhold. Derfor kan skjærstyrke ikke fastslås sikkert ved å se på terrenget eller lese et kart.

Dette er en viktig grunn til at grunnundersøkelser ofte er nødvendig i byggesaker på leiregrunn.

Hva bestemmer skjærstyrken?

For friksjonsjord og langsiktige stabilitetsberegninger brukes ofte Mohr-Coulombs bruddkriterium:

τf = (σ’ + a) · tan(φ)

Der:

• τf er skjærstyrken ved brudd
• σ’ er effektiv spenning på bruddplanet
• a er attraksjon
• φ er friksjonsvinkel

Attraksjon a beskriver et spenningsbidrag som øker skjærstyrken i materialet. I noen framstillinger brukes kohesjon c i stedet. Sammenhengen kan skrives som:

c = a · tan(φ)

Derfor er c relatert til attraksjon, men i norsk geoteknisk praksis er det ofte mer naturlig å snakke om attraksjon, friksjonsvinkel og effektiv spenning.

I praksis bestemmes slike parametere gjennom grunnundersøkelser, prøvetaking og geoteknisk prosjektering. Effektiv spenning påvirkes blant annet av poretrykk, som kan vurderes med måling av grunnvannstand og poretrykk.

Poretrykk og effektivspenning

Poretrykk er vanntrykket i hulrommene mellom jordpartiklene. I leire kan poretrykk styre mye av stabiliteten fordi vannet drenerer sakte.

Effektivspenning er den delen av spenningen som faktisk bæres av jordpartiklene. Det er effektivspenningen som gir friksjon og motstand i massene.

Når poretrykket stiger, faller effektivspenningen. Da kan skjærstyrken reduseres selv om den totale vekten av jordmassene er uendret.

Dette er grunnen til at nedbør, snøsmelting, lekkasjer, tette drensveier og endret grunnvann kan være geoteknisk viktige. Vann endrer ikke bare fuktigheten i grunnen. Det kan endre balansen mellom skjærspenning og skjærstyrke.

I prosjekter der dette er kritisk, kan det være aktuelt med måling av grunnvannstand og poretrykk.

Skjærspenning og kvikkleire

Kvikkleire er spesielt fordi styrken kan endre seg dramatisk når leira forstyrres.

Uforstyrret kvikkleire kan ha nok skjærstyrke til å bære terreng og konstruksjoner. Etter omrøring kan den samme leira miste nesten all styrke og oppføre seg som en flytende masse. Dette beskrives med sensitivitet:

Sensitivitet = uforstyrret skjærstyrke / omrørt skjærstyrke

Høy sensitivitet betyr stor forskjell mellom uforstyrret og omrørt styrke. I kvikkleire kan denne forskjellen være ekstrem.

Det forklarer hvorfor kvikkleireskred kan utvikle seg raskt. Når et lokalt brudd først oppstår, kan omrøring redusere styrken i nabomasser. Bruddet kan da forplante seg bakover i terrenget som et regressivt skred.

I kvikkleireområder holder det ikke å vurdere overflaten. En trygg vurdering krever kunnskap om lagdeling, poretrykk, udrenert skjærstyrke, sensitivitet og terrengform.

Les mer om hva kvikkleire er og hvordan kvikkleirekart brukes som første indikasjon.

Slik måles skjærstyrke

Skjærstyrke bestemmes gjennom feltundersøkelser, laboratorieforsøk eller tolkning av geotekniske data. Den kan ikke leses sikkert fra kart alene.

Vingeforsøk brukes ofte til å måle udrenert skjærstyrke direkte i leire. En vinge presses ned i grunnen og roteres. Momentet som kreves for å rotere vingen brukes til å beregne skjærstyrken.

CPTU, konusforsøk, er en av de viktigste metodene for kartlegging av grunnforhold. Spissmotstand, mantelfriksjon og poretrykk måles kontinuerlig nedover i grunnen. Resultatene brukes til å tolke lagdeling, jordart, spenningsforhold og skjærstyrke.

Triaksialforsøk utføres i laboratorium på uforstyrrede prøver og gir styrke- og stivhetsparametere til mer detaljerte beregninger.

Direkte skjærforsøk undersøker jordas oppførsel langs et definert skjærplan.

Valg av metode avhenger av jordtype, tiltakets størrelse, konsekvensklasse og hvilke parametere beregningene krever.

Les mer om geoteknisk undersøkelse og geoteknisk boring.

Skjærspenning i stabilitetsberegning

En stabilitetsberegning sammenligner mobilisert skjærspenning langs et mulig bruddplan med tilgjengelig skjærstyrke langs samme plan.

Forholdet kalles sikkerhetsfaktor:

F = tilgjengelig skjærstyrke / mobilisert skjærspenning

Hvis sikkerhetsfaktoren er høy nok, vurderes skråningen eller konstruksjonen som stabil. Hvis den er for lav, må tiltaket endres, sikres eller avvises.

I praksis vurderes flere mulige bruddflater. I en skråning kan bruddet gå grunt eller dypt gjennom leirelagene. I en byggegrop kan bruddmekanismen være bunnoppressing, skråningsbrudd eller tap av passiv motstand.

I kvikkleireområder må stabilitet vurderes i sammenheng med terreng, erosjon, fyllinger, graving, poretrykk og tidligere grunnundersøkelser.

Les mer om skredfarevurdering og geoteknisk rapport.

Skjærspenning og grunnbrudd

Ved fundamentering er skjærspenning sentralt i vurdering av grunnbrudd.

Grunnbrudd oppstår når belastningen fra et fundament overstiger det grunnen kan bære. Da mobiliseres skjærspenninger under og rundt fundamentet til skjærstyrken overskrides, og det dannes bruddflater i massene.

I faste masser kan direkte fundamentering ofte dimensjoneres med tilstrekkelig areal og sikkerhet. I bløt leire kan skjærstyrken være så lav at direkte fundamentering ikke er forsvarlig uten tiltak. Aktuelle løsninger kan være peling, masseutskifting, lastreduksjon, motfylling, kalksementstabilisering eller annen geoteknisk prosjektering.

Skjærstyrken bestemmer derfor ikke bare om et fundament kan bygges, men hvordan det må bygges.

Les mer om grunnbrudd.

Hva øker skjærspenningene i grunnen?

Skjærspenningene øker når belastninger eller terrengforhold endres.

Typiske årsaker er:

• Ny bygning, fylling, veg, støttemur eller lagerlast
• Planering som øker belastningen på toppen av en skråning
• Graving i foten av en skråning
• Erosjon fra bekk, elv eller overvann
• Endring av grunnvannsnivå
• Vibrasjoner fra anleggsarbeid, trafikk eller sprengning
• Midlertidige graveskråninger uten tilstrekkelig stabilitet

Skjærstyrken kan samtidig reduseres av:

• Økt poretrykk
• Omrøring av sensitiv leire
• Oppbløting eller forvitring
• Langvarig kryp i bløt leire
• Endrede dreneringsforhold
• Erosjon som fjerner støtte i skråningsfot

Den kritiske situasjonen oppstår når skjærspenningen øker samtidig som skjærstyrken reduseres. Et klassisk eksempel er graving i foten av en leireskråning samtidig som poretrykket er forhøyet etter mye nedbør.

Praktisk betydning ved byggesaker

For en privatperson som skal bygge, grave eller planere, er skjærspenning ikke bare teori. Det er en del av vurderingen av om grunnen tåler tiltaket.

Skjærspenning og skjærstyrke er særlig relevante ved:

• Bolig eller tilbygg på leiregrunn
• Garasje eller støttemur nær skråning
• Planering og fylling på tomt
• Graving for kjeller eller VA-grøft
• Tiltak nær bekk, ravine eller erosjonskant
• Bygging under marin grense
• Tiltak i eller nær kvikkleireområde

Det holder ikke å si at tomten ser flat ut, eller at det har stått hus der før. Geoteknisk stabilitet handler om spenninger, styrke, lagdeling og poretrykk under terreng.

En ravine er et godt eksempel. Den kan se ut som en vanlig dal, men kan være skåret ned i marine leiravsetninger der erosjon og skjærspenninger styrer stabiliteten.

Når trenger du en geoteknisk vurdering?

En geoteknisk vurdering av skjærstyrke og stabilitet er særlig aktuell når:

• Tomten ligger på leire, silt eller marine avsetninger
• Tiltaket ligger under marin grense
• Det skal fylles, graves eller planeres
• Tiltaket ligger nær skråning, ravine, bekk eller erosjonskant
• Kommunen krever dokumentasjon av sikker byggegrunn
• Det er registrert kvikkleire eller mulig kvikkleire i området
• Det er sprekker, setninger eller tegn til bevegelse
• Tiltaket kan endre poretrykk, drenering eller belastning i grunnen

En tidlig vurdering avklarer om eksisterende kart og tidligere undersøkelser er nok, eller om det trengs nye boringer, CPTU, prøvetaking og laboratorieforsøk.

Geoteknisk dokumentasjon skal vise at tiltaket kan gjennomføres uten uakseptabel risiko for bygg, naboeiendommer, skråninger og omkringliggende terreng.

Kort oppsummert

Skjærspenning er kraften som forsøker å forskyve jordmasser langs et plan. Skjærstyrke er jordas motstand mot slik forskyvning.

Overskrider skjærspenningen skjærstyrken, kan det oppstå utglidning, grunnbrudd, setninger eller skred.

I norsk geoteknikk er dette særlig viktig i leireområder, spesielt der det finnes marin leire eller kvikkleire. Poretrykk, sensitivitet, graving, fylling og erosjon kan raskt endre balansen mellom belastning og motstand.

Skal du bygge, grave eller planere på leiregrunn, er skjærstyrken i massene noe av det første en geotekniker må ha kontroll på.

Geotekniker AS utfører geotekniske vurderinger, grunnundersøkelser og stabilitetsberegninger for byggesaker, skråninger, fundamentering og tiltak i leireområder.

Kontakt Geotekniker AS

Ofte stilte spørsmål

Hva er skjærspenning?

Skjærspenning er kraft per areal som virker parallelt med et plan. I geoteknikk beskriver den kreftene som forsøker å få jord eller leire til å gli langs et mulig bruddplan.

Hva er forskjellen på skjærspenning og skjærstyrke?

Skjærspenning er belastningen som forsøker å forskyve massene. Skjærstyrke er motstanden massene kan mobilisere mot denne forskyvningen. Brudd oppstår når skjærspenningen overskrider skjærstyrken.

Hva er udrenert skjærstyrke?

Udrenert skjærstyrke er skjærstyrken i leire ved rask belastning, der porevannet ikke rekker å drenere ut. Den brukes ofte ved korttidsstabilitet i leire, for eksempel ved graving, fylling og fundamentering.

Hvorfor er skjærstyrke viktig i kvikkleire?

Kvikkleire kan ha tilstrekkelig styrke i uforstyrret tilstand, men svært lav styrke etter omrøring. Derfor kan et lokalt brudd utvikle seg raskt og forplante seg bakover i terrenget.

Hvordan måles skjærstyrke?

Skjærstyrke bestemmes gjennom vingeforsøk, CPTU, triaksialforsøk, direkte skjærforsøk og prøvetaking. Metodevalg avhenger av jordtype, tiltakets omfang og krav til dokumentasjon.

Når er skjærspenning relevant i en byggesak?

Skjærspenning er relevant ved fundamentering, graving, fylling, planering, støttemurer, skråninger, raviner, kvikkleireområder og andre tiltak som endrer belastning eller stabilitet i grunnen.