Bodemstructuur - Eigenschappen van klei

Bodemstructuur.

Door drogen en bevochtigen krimpt en zwelt klei. Het krimpen en zwellen hangt direct samen met de verandering van het watergehalte van klei. De verandering in watergehalte in onverzadigde grond wordt, zoals in paragraaf 3.2.2. is beschreven, veroorzaakt door verschillen in zuigspanning. Klei in de onverzadigde zone ondergaat daarmee tevens volumeveranderingen door de veranderingen in zuigspanning. De relatieve volumeverandering in dergelijke klei is ongeveer de helft van de verandering van watergehalte (uitgedrukt in gewichtsprocenten).

Het krimpen en zwellen van grond in de onverzadigde zone gaat gepaard met de vorming van scheuren. Als grond krimpt ontstaan er trekscheuren en bij het zwellen ontstaan er afschuifvlakjes in de grond. De grotere krimpscheuren staan meestal verticaal, ook in een dijktalud. Kleinere krimpscheuren en de schuifvlakken komen in alle oriëntaties voor. Door de scheurvorming ontstaat een grond die uit aggregaten van verschillende afmetingen bestaat. Het samenstel van deze scheuren en aggregaten, samen met poriën en aggregaten die door dieren zijn gemaakt, wordt de bodemstructuur genoemd.

De ontwikkeling van bodemstructuur is enerzijds afhankelijk van de eigenschappen van de klei, zoals de interactie van de kleideeltjes met water, en anderzijds van omgevingsfactoren die bepalend zijn voor verandering van zuigspanning. Daarnaast spelen bijvoorbeeld graafactiviteiten van regenwormen of grotere dieren een rol waardoor de vorm en grootte van aggregaten en scheuren voortdurend wijzigt. De bodemstructuur onder en in een graszode is dan ook nogal dynamisch; er vormen zich voortdurend nieuwe aggregaten die vervolgens weer worden aangetast.

De bodemstructuur kan meer of minder duidelijk ontwikkeld zijn. Bij een sterk ontwikkelde bodemstructuur is er sprake van aggregaten die duidelijk afzonderlijk herkenbaar zijn en die onderling weinig samenhang vertonen. Zo'n uitgesproken structuur ontwikkelt zich door voortdurende geringe beweging door zwellen en krimpen, of door een éénmalig zeer sterk krimpen, waarna de daardoor ontstane grote spleten niet meer worden opgevuld. Snelle veranderingen van watergehalte, bijvoorbeeld door regenval, veroorzaken veel kleine scheurtjes en daarmee een fijne structuur. In de bovenste decimeters onder een graszode op een dijktalud is de structuur meestal zeer sterk ontwikkeld en bestaat uit relatief kleine aggregaten met afmetingen van millimeters tot centimeters. De aggregaten zijn vaak door wortels met elkaar verbonden (zie figuur 2.3A). Op grotere diepte onder een grasdek en in kleilagen onder steenzettingen zijn de aggregaten vaak minder duidelijk herkenbaar. Daar zijn afmetingen van soms meer dan 10 cm en is vaak nog enige cohesie aanwezig tussen de aggregaten.

In klei die door getijde-invloed zeer regelmatig nat wordt, zoals klei onder een steenbekleding beneden de hoogwaterlijn, vormt zich hooguit in de bovenste centimeters tot decimeters van de klei een bodemstructuur en is de structuur vaak minder duidelijk zichtbaar.

Onder een graszode vormt zich binnen een periode van enige jaren een duidelijke bodemstructuur tot een diepte van meer dan 0.8 m. De beschikbare waarnemingen geven aan dat er in een periode van 5 jaar een duidelijk herkenbare bodemstructuur onder een steenzetting kan ontstaan en dat na 10 tot 15 jaar de structuur overal aanwezig is. Ook in klei onder asfalt kan sterke structuurvorming optreden [37].

Als klei met een hoog watergehalte wordt aangebracht boven het freatisch vlak. zal het watergehalte ervan afnemen tot het in overeenstemming is met de zuigspanning in de omgeving. De klei krimpt daardoor éénmalig, hetgeen met vorming van grote scheuren gepaard gaat. In de bovengrond bestaan deze scheuren relatief kort door het homogeniseren door gravende dieren en door wortelwerking. Beneden enige decimeters onder maaiveld blijven deze scheuren vele jaren bestaan; in de kern van een dijk zijn zulke "fossiele" spleten meer dan 10 jaar na aanleg geconstateerd [33].

Het zal duidelijk zijn dat de aanwezigheid van bodemstructuur sterk van invloed is op de waterdoorlatendheid van kleilagen. Een deklaag van klei zal een aanzienlijk hogere doorlatendheid hebben dan op grond van proeven op kleimonsters is vastgesteld.

Figuur 3.5: Bodemstructuur in de kern van een dijk die na ophoging vrijwel niet is aangetast. A: Ophogingen herkenbaar in laagopbouw Erlecomse Dam. B Kluit met structuur van 1.5 m diepte uit onderste laag van figuur A.

Bodemstriictuur wordt niet alleen in de deklagen van een dijk aangetroffen maar kan ook dieper in een dijklichaam aanwezig zijn. Als bijvoorbeeld een dijk met tussenpozen steeds weer is opgehoogd, hebben de diverse lagen ooit bij het oppervlak van de dijk gelegen en hebben daardoor een bodemstructuur. In dat geval bestaat zo'n dijk uit een opeenstapeling van pakketten grond met een bepaalde bodemstructuur (figuur 3.5).

Graafgangen van wormen, e.d. dringen soms eveneens diep in de dijk door en leiden daar tot structuurvorming (zie figuur 3.6). Ook is er op grotere diepte in de kern van een dijk bodemstructuur aangetroffen die het gevolg was van beworteling van opgaande vegetatie op de dijk. Door deze en soortgelijke omstandigheden is er zelfs in de kern van dijken heel vaak een duidelijke bodemstructuur aanwezig. Dit heeft dan ook voor het gehele dijklichaam aanzienlijke consequenties voor de waterdoorlatendheid van het dijk.

Figuur 3.6: Wormgangen in een dijkkern bij Hank op 2 m beneden de kruin: de wormgangen zijn in grote hoeveelheden tot 0,6 m boven het plaatselijke grondwaterpeil aangetroffen.

In paragraaf 3.2 is er reeds op gewezen dat het watergehalte bij een consistentie-index (Ie) van 0.6 een indicatie geeft van het maximum watergehalte voor klei in de kern van een dijk ruim boven het freatisch niveau. Voor klei in een bekleding is het watergehalte bij een consistentie-index van 0.75 een indicatie van het maximum watergehalte. Als het watergehalte bij het aanbrengen hoger is dan het watergehalte van de aangegeven consistentie-indexwaarden, zal er een éénmalige daling van het watergehalte optreden na aanleg. Deze afname van het watergehalte leidt tot de genoemde volume-afname en scheurvorming.

Door de vorming van bodemstructuur wordt de samenhang in een kleipakket aanzienlijk beperkt en ontstaat er een netwerk van  grove poriën. De civieltechnische eigenschappen van een kleipakket met een bodemstructuur verschillen daardoor sterk van die van individuele aggregaten uit zo'n pakket. In gestructureerde grond kan oppervlaktewater snel infiltreren en door de grotere spleten en graafgangen kan veel water worden afgevoerd. De structuurvorming is gunstig en vaak zelfs onontbeerlijk voor vegetatie en ander bodemleven aangezien de doorluchting er sterk door verbetert en wortels er gemakkelijker een weg in de grond door kunnen vinden.

Zandinsluitingen in een kleipakket leiden tot dezelfde effecten als de spleten van de bodemstructuur. De samenhang in een kleipakket wordt door zandinsluitingen onderbroken en ook de doorlatendheid van een zandinsluiting is vele malen hoger dan die van de klei. Zandinsluitingen beïnvloeden ook de vorming van bodemstructuur. De insluitingen vergemakkelijken de toetreding van zuurstof en de afvoer van water. Rondom zandlenzen is dan ook vaak een sterke verkleuring door neerslag van ijzer- en mangaanverbindingen te zien.