Meting van schuifspanningsparameters in het laboratorium - Grondmechanische en geohydrologische aspecten

Meting van schuifspanningsparameters in het laboratorium

De meest gebruikte methode om schuifsterkteparameters te bepalen is de triaxiaalproef. De triaxiaalproef staat nader omschreven in CUR 162 (Ref. Construeren met grond) en (Ref.) NEN 5117. De oude directe schuifproef kent een aantal beperkingen, maar door nieuwe ontwikkelingen is nu de ‘Direct simple shear test’ beschikbaar.

Directe schuifproef

De directe schuifproef (Engels: direct shear test) is een van de oudste proefapparaten waarmee de wrijvingseigenschappen, de ongedraineerde schuifsterkte in het bijzonder, kan worden bepaald. In Bijlage 7 staat een beschrijving van de directe schuifproef en de voor het uitvoeren van de proef benodigde apparatuur.

De proef wordt voornamelijk toegepast voor de bepaling van de wrijvingseigenschappen van zand en de ongedraineerde schuifsterkte van klei. Een gedraineerde schuifproef op een kleimonster wordt zelden uitgevoerd, vanwege de lange duur van de proef. Een uitzondering vormt het meten van de wrijvingshoek bij erg grote cumulatieve verplaatsingen van kleimonsters (residual strength). In een triaxiaalproef is dit niet uitvoerbaar. Daarnaast wordt de proef toegepast voor het testen van geotextielen en membranen.

De directe schuifproef heeft een aantal nadelen waarvan de belangrijkste is dat de proef leidt tot een overschatting van de wrijvingseigenschappen. Beter is het uitvoeren van de hierna beschreven ‘Direct Simple Shear test’.

Direct Simple Shear Test

Bij de Direct Simple Shear test (DSS-proef) wordt het grondmonster belast door een constante verticale kracht. Na consolidatie van het monster (ééndimensionaal) wordt het monster afgeschoven, waarbij afschuifvervorming in één richting mogelijk is. De DSS-proef geeft een vervormingstoestand, die homogener is dan die van de directe schuifproef (Ref. Comparison of truly undrained and constant volume direct simple shear test). In Bijlage 8 staat een beschrijving van de DSS-proef en de voor het uitvoeren van de proef benodigde apparatuur.

Kritiek schuifvlak

In de Direct Simple Shear test komt het kritieke schuifvlak nooit overeen met het horizontale schuifvlak. De hoek tussen het kritieke schuifvlak en het horizontale schuifvlak wordt bij grote schuifvervormingen overigens wel kleiner (Ref. Lateral stress measurements during static and cyclic direct simple shear testing).

De oriëntatie van het kritieke schuifvlak is afhankelijk van de gehele spanningstoestand van het grondmonster. In de standaardconfiguratie van de meeste schuifapparaten (evenals in de directe schuifproef, zie Bijlage 7) wordt echter de laterale spanningstoestand niet gemeten. Alleen de schuifspanning  worden gemeten. Dit betekent dat niet de gehele spanningstoestand van het monster bekend is. Derhalve wordt aangenomen dat het horizontale (of verticale) schuifvlak het kritieke schuifvlak is. Hieruit volgen de schuifsterkteparameters (c en ^◦).

Recente ontwikkelingen

Een van de recente ontwikkelingen in de DSS-proef, is de meting van laterale spanningen in het monster (Ref. Lateral stress measurements during static and cyclic direct simple shear testing) met het apparaat van het NGI. Uitvoering van deze metingen tijdens de schuifproef zorgt ervoor dat de hele spanningstoestand bekend is. De resultaten van de proef komen in dat geval overeen met een triaxiaalproef.

Met de meeste schuifapparaten kan in de standaardconfiguratie niet een volledige ongedraineerde proef worden uitgevoerd, waarbij de waterspanning in de poriën wordt gemeten (Ref. Comparison of truly undrained and constant volume direct simple shear test). In plaats daarvan worden schuifproeven uitgevoerd, waarbij het monstervolume constant wordt gehouden. Omdat de apparatuur zijdelingse vervormingen van het monster uitsluit, hoeft slechts de hoogte van het monster constant te worden gehouden tijdens de schuifproef.

Anisotropie

De belasting in een schuifproef wordt niet door middel van extensie of compressie opgelegd maar door een schuifbelasting. Dit verschil in belasting is van belang indien de sterkte (^◦’ en c’) van een grondsoort sterk richtingsafhankelijk is (Ref. Construeren met grond). In een aantal gevallen leidt het gebruik van schuifsterkteparameters uit triaxiale compressieproeven in glijvlakberekeningen tot een (te) lage veiligheidsfactor. Met name bij veen is het anisotrope gedrag erg dominant.

Figuur 4.4.7 Glijvlak en grondonderzoek

De afhankelijkheid van de belastingsrichting kan worden bewerkstelligd door gebruik te maken van verschillende proeven (zie figuur 4.4.7). Zie ook de ADP-methode in Bijlage 2. In de neutrale en mogelijk ook in de passieve zone van het glijvlak worden schuifsterkten verondersteld, die kunnen worden gemeten met simple shear- of direct shear proeven, respectievelijk triaxiale-extensieproeven.