De normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkte ratio (S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] ) is een wrijvingsparameter voor het karakteriseren van de ongedraineerde schuifsterkte van grond onder normaal geconsolideerde condities.

De normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio (S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] ) is de ongedraineerde schuifsterkte s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²] gedeeld door de consolidatiespanning σ’_vc Verticale effectieve consolidatie-spanning [kN/m²] bij een overconsolidatieratio OCR Overconsolidatieratio [-] = 1. De grootheid is een verhouding tussen spanningen en dus dimensieloos. In de ongedraineerde schuifsterkte ratio is naast het effect van de wrijving tussen de gronddeeltjes ook het effect van de generatie van waterspanning bij ongedraineerd grondgedrag verdisconteerd. In onderstaande tabel is aangegeven welke SOS-eenheden worden geanalyseerd op basis van de ongedraineerde schuifsterkte ratio.

S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] wordt in het laboratorium bepaald met eentraps anisotroop geconsolideerde triaxiaalproeven voor klei en met direct simple shear proeven voor veen. De direct simple shear proef geeft betrouwbare schuifsterkte parameters voor veen, doordat de bezwijkvorm in deze proef goed aansluit bij de structuur van veen. De proeven worden uitgevoerd met constante hoogte, omdat dit wordt gezien als een ongedraineerde proef. Meer details zijn te vinden in het Protocol laboratoriumproeven voor grondonderzoek aan waterkeringen [Greeuw, 2016].

Bij het bepalen van S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] kan gebruik worden gemaakt van de piekwaarde van de schuifsterkte of van de waarde van de schuifsterkte bij grote rek (ultimate state; voor klei en zand 25% axiale rek bij triaxiaalproeven en voor veen 40% schuifrek bij direct simple shear proeven). Voor een gebruikelijke stabiliteitsanalyse wordt uitgegaan van grote-rek-waarde. Als een scherpere analyse noodzakelijk is, kan worden overwogen of de S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] bij de piekwaarde van de schuifsterkte kan worden toegepast (zie artikel Piek-schuifsterkte versus grote-rek-schuifsterkte).

De parameter S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] wordt voor een probabilistische berekening (Riskeer) beschreven als stochast met een lognormale verdeling die wordt gekarakteriseerd met een verwachtingswaarde en standaardafwijking.

Klei met veel silt en zand (ook löss en keileem) met volumegewichten γ_nat Volumegewicht van de grondlaag onder de grondwaterstand [kN/m³] van 17 à 18 kN/m³ en hoger is een aandachtspunt. Dit materiaal kan sterke dilatantie vertonen bij ongedraineerd afschuiven in triaxiaalproeven; ook bij normaal geconsolideerde condities. Deze dilatantie is niet gerelateerd aan de overconsolidatiegraad OCR Overconsolidatieratio [-]. De overconsolidatiegraad OCR Overconsolidatieratio [-] is daarbij vaak niet eenduidig vast te stellen, als gevolg van een doorgaand gekromd verloop in samendrukkingsproeven. Het SHANSEP-model kan daarom vanuit de theorie niet worden gebruikt om de schuifsterkte van dit type kleien te schematiseren. Achtergronden hierbij zijn gegeven in het artikel Ongedraineerde schuifsterkte van zware zandige siltige klei. Voor alle slecht doorlatende klei wordt het SHANSEP-model toegepast. Het is daarbij essentieel dat de combinatie van de gekozen SHANSEP-parameters S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-], m Sterktetoename-exponent [-] en OCR Overconsolidatieratio [-] past bij de karakteristieke ondergrenswaarde van de ongedraineerde schuifsterkte s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²], die is afgeleid uit laboratoriumonderzoek. Wanneer een stabiliteitsanalyse van een dijkvak waarin de genoemde kleisoorten voorkomen een te hoge faalkans oplevert bij toepassing van het SHANSEP-model, kan nader onderzoek worden ingesteld en de schuifsterkte worden geschematiseerd met profielen van de ongedraineerde schuifsterkte (bijvoorbeeld methode su-table in D-Stability).

Voor het bepalen van de normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] is de aangewezen weg een stapsgewijze aanpak zoals deze is beschreven in het artikel Stapsgewijs bepalen ongedraineerde schuifsterkteparameters.

Voor de normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] resulteert die aanpak in een tweetal stappen (stap 2 heeft alleen betrekking op de grensspanning en ontbreekt dus):

1 Gebruik van standaardwaarden.

3 Bepalen S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] op basis van laboratoriumonderzoek.

Stap 1: Gebruik van standaardwaarden

Voor de eerste stap is geen grondonderzoek nodig en kan gebruik worden gemaakt van de verstekwaarden in onderstaande tabel. In de tabel is een indicatie gegeven van te verwachten waarden voor de normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] van veel voorkomende grondsoorten. De waarden in de tabel zijn gebaseerd op laboratoriumproeven van diverse projecten. Voor de bepaling van een karakteristieke waarde kan worden uitgegaan van N Aantal (onafhankelijke waarnemingen) [-] = 20.

1) De lage waarde kan als karakteristieke ondergrenswaarde worden toegepast.
2) In de standaardafwijking en variatiecoëfficiënt is rekening gehouden met uitmiddeling van onzekerheid langs het schuifvlak, zodat deze waarden zonder verdere bewerking kunnen worden toegepast in D-Soil Model en Riskeer.
3) S = 0,20 mag als karakteristieke ondergrens worden toegepast, hoewel incidenteel lagere waarden kunnen worden aangetroffen.
4) Gyttja kan voorkomen in de volgende SOS: eenheden: H_Mp_ko, H_Ml_ko, H_Rr_o&z, H_Rk_k&v, H_Rk_ko, H_Rk_vk, H_vhv_v, H_vbv_v.
5) De waarden voor löss zijn indicatieve waarden op basis van literatuur.
6) De lage waarde bij Keileem betreft de triaxiaal extensie modus; bij Keileem is anisotropie van de ongedraineerde schuifsterkte relevant (zie Ongedraineerde schuifsterkte van zware zandige siltige klei). Vanwege de grote spreiding zijn verwachtingswaarden en standaardafwijking niet te geven.
7) Voor dijksmateriaal boven het freatisch vlak bij hoogwater wordt de hoek van inwendige wrijving toegepast.

Stap 3: Bepalen S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] op basis van laboratoriumonderzoek

Wanneer een tweede stap met laboratoriumonderzoek nodig is, zijn er twee procedures om de normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio S te bepalen:

1. Op normaal geconsolideerde monsters.
2. Op overgeconsolideerde monsters.

Beide procedures worden hieronder beschreven en ook een in de praktijk eerder gehanteerde procedure die echter moet worden ontraden. Een uitgewerkt twee uitgewerkte voorbeelden van de bepaling wordt gegeven in Voorbeelden bepalen normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkte ratio S.

Procedure 1: Uitgaan van normaal geconsolideerde monsters

Normaal geconsolideerde monsters worden verkregen door te consolideren bij de spanning waar de gemeten zettingscurve van een samendrukkingsproef of een CRS-proef de raaklijn langs de maagdelijke tak van de zettingscurve het eerst raakt, zie de figuur, punt B. Op deze monsters worden ongedraineerde triaxiaalproeven (TX) of ongedraineerde direct simple shear (DSS) proeven uitgevoerd. De grote-rekwaarde (ultimate state) van de halve deviatorspanning t_d Halve deviatorspanning (σ’₁ – σ’₃) / 2 [kN/m²] (= s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²]) uit deze proeven gedeeld door de gekozen consolidatiespanning σ’_vc Verticale effectieve consolidatie-spanning [kN/m²] geeft de normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio S. Met de analyses zoals beschreven Veel voorkomende verdelingsfuncties worden de verwachtingswaarden, standaardafwijkingen en karakteristieke waarden bepaald.

Voordeel van deze werkwijze is dat iedere proef meteen S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] oplevert. Combinatie van gegevens uit verschillende proeven is niet nodig. Effecten van monsterverstoring tijdens het steken van het monster spelen bij deze procedure geen rol. Nadeel van deze procedure is dat door het opleggen van de relatief hoge consolidatiespanningen de natuurlijke structuur van het monster verloren gaat en daarmee ook een deel van de sterkte.

Procedure 2: Uitgaan van overgeconsolideerde monsters

De te beproeven monsters worden geconsolideerd bij de op basis van volumegewichten en dagelijkse gemiddelde waterspanningen geschatte in situ verticale effectieve spanning σ’_vi In situ verticale effectieve spanning [kN/m²]. Aangezien mag worden verondersteld dat de grensspanning veelal hoger ligt dan de verticale effectieve spanning is de grond van deze monsters overgeconsolideerd. Op deze monsters worden ongedraineerde TX- of DSS-proeven uitgevoerd. De ongedraineerde schuifsterkte (s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²]), oftwel de halve deviatorspanning t_d Halve deviatorspanning (σ’₁ – σ’₃) / 2 [kN/m²] bij grote rek (ultimate state), uit deze proeven gedeeld door de consolidatiespanning σ’_vc Verticale effectieve consolidatie-spanning [kN/m²] (in dit geval gelijk aan de in situ verticale effectieve spanning σ’_vi In situ verticale effectieve spanning [kN/m²]) geeft de overgeconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio (s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²]/σ’_vc Verticale effectieve consolidatie-spanning [kN/m²])_oc.

Uit samendrukkingsproeven of CRS-proeven op een ander monster (direct erboven of eronder) is eerder de grensspanning σ’_vy Grensspanning [kN/m²] en de overconsolidatieratio OCR Overconsolidatieratio [-] afgeleid. De regressielijn door de punten van (s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²]/σ’_vc Verticale effectieve consolidatie-spanning [kN/m²])_oc tegen de OCR Overconsolidatieratio [-] geeft S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] (en tevens de sterktetoename-exponent m ) (zie de figuur in het artikel Sterktetoename-exponent m). Monster(paren) van verschillende dieptes en van naast en onder de dijk (wel binnen dezelfde grondlaag of SOS-eenheid!) zorgen voor de benodigde range in OCR Overconsolidatieratio [-]-waarden.

Voordeel van deze werkwijze is dat het monster in de TX- of DSS-proeven tijdens de consolidatie niet wordt belast met een hoge spanning, zodat de natuurlijke structuur die de grond heeft opgebouwd in het veld zoveel mogelijk intact blijft (op voorwaarde dat geen monsterverstoring is opgetreden tijdens het steken van het monster). Nadeel kan zijn dat de proeven bij zeer lage spanningen moeten worden uitgevoerd, waarbij de meetnauwkeurigheid van de apparatuur een significante rol gaat spelen. Een ander nadeel is dat de schuifsterkte en de grensspanning en OCR Overconsolidatieratio [-] noodzakelijkerwijze worden bepaald op verschillende monsters (van mogelijk iets verschillende samenstelling en historie). Deze werkwijze om S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] te bepalen is economisch als gelijktijdig een correlatie wordt opgesteld tussen de ongedraineerde schuifsterkte en de sondeerweerstand (bepaling van de conusfactor N_kt Conusfactor voor sondering met de piezoconus [-]; zie artikel Ongedraineerde sterkte bepalen uit correlaties met sonderingen).

Ontraden methode

Daarnaast is in de praktijk nog een alternatieve methode toegepast, waarbij monsters voor ongedraineerde triaxiaalproeven of ongedraineerde DSS-proeven eerst worden geconsolideerd bij een hoge spanning boven de grensspanning (> B in bovenstaande figuur) en vervolgens worden ze opnieuw geconsolideerd bij een lagere spanning. Dit resulteert in een bekende aan het monster opgelegde OCR Overconsolidatieratio [-]. Zowel de ‘pre’-consolidatiespanning als de proef-consolidatiespanning waarbij de afschuiffase wordt uitgevoerd, kunnen vrij gekozen worden zodat een range van OCR Overconsolidatieratio [-] waarden wordt verkregen. De regressielijn door de punten van (s_u Ongedraineerde schuifsterkte [kN/m²]/σ’_vc Verticale effectieve consolidatie-spanning [kN/m²])_oc tegen de OCR Overconsolidatieratio [-] geeft S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] (en tevens de sterktetoename-exponent m) . Deze procedure heeft als nadeel dat de structuur van de grond wordt verstoord, waardoor een deel van de sterkte van het monster verloren gaat. Door dit nadeel wordt afgeraden deze methode te gebruiken.

Nabeschouwing

De twee aanbevolen procedures leiden ten gevolge van de genoemde voor- en nadelen niet tot dezelfde resultaten. Een analyse van de verschillende proevenseries waarbij gemiddelden en standaardafwijkingen vergeleken worden geeft inzicht in de grootte van de onzekerheden in de parameters en maakt een goed gefundeerde keuze mogelijk.

Procedure 1 is in de uitvoering en uitwerking iets eenvoudiger dan procedure 2. Bij het van grof naar fijn werken kan desgewenst eerst methode 1 worden toegepast. Hiermee wordt alleen de parameter S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] bepaald. Indien vervolgonderzoek nodig is, kan alsnog methode 2 worden toegepast. Het nadeel hiervan is dat het veld- en laboratoriumonderzoek opnieuw moet worden uitgevoerd. Het kan daarom zinvol zijn om direct methode 2 toe te passen. Deze keuze kan vooraf worden onderbouwd door resultaten van gevoeligheidsberekeningen.

Voor de halve-deviatorspanning t_d Halve deviatorspanning (σ’₁ – σ’₃) / 2 [kN/m²] worden de grote-rekwaarden (ultimate state) uit de eentraps ongedraineerde TX-proeven (klei) en DSS-proeven (veen) genomen.

Voor veen worden voor de bepaling van de ongedraineerde schuifsterkteratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] voor het uitvoeren van stabiliteitsanalyses DSS-proeven uitgevoerd. De grote-rekwaarden (ultimate state) van de ongedraineerde schuifsterkteratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] uit direct simple shear-proeven kunnen tot verwachtingswaarden van de ongedraineerde schuifsterkteratio worden verwerkt als aangegeven in Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkte ratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] (bepalen uit laboratoriumproeven).

Door de uitgevoerde proeven te ordenen naar grondsoort, geologische afzetting en eventueel het volumegewicht of organische stof gehalte ontstaan groepen van proeven die bij elkaar horen. Per groep van bij elkaar behorende proeven kunnen de verwachtingswaarde en de standaardafwijking van de ongedraineerde schuifsterkteratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] worden bepaald.

Er zijn spreadsheets met documentatie beschikbaar, die kunnen worden gebruikt om de parameter S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-] volgens procedure 2 af te leiden uit resultaten van laboratoriumproeven. Met deze spreadsheets worden ook standaardafwijkingen en karakteristieke waarden bepaald.

De ongedraineerde schuifsterkteratio neemt globaal genomen toe als het volumegewicht afneemt. Dat wil zeggen dat de ongedraineerde schuifsterkteratio van Hollandveen en Basisveen hoger is dan de ongedraineerde schuifsterkteratio van de verschillende kleien.

De interpretatie van de meetgegevens is bij de direct simple shear-proef niet vanzelfsprekend, omdat niet alle spannings-componenten (horizontale druk in membraan, schuifspanningen) bekend zijn en de oriëntatie van een eventueel afschuifvlak onbekend is. De literatuur geeft diverse manieren om de direct simple shear-proef uit te werken. De grote rek waarde (ultimate state) van de ongedraineerde schuifsterkte s_u,e Ongedraineerde schuifsterkte bij grote rek (ultimate state) [kN/m²] wordt vaak gelijkgesteld met de schuifsterkte bij het einde van de proef τ_e Schuifsterkte bij grote vervormingen (ultimate state) [kN/m²].

Voorbeeld

Voor de interpretatie van de triaxiaalproeven en direct simple shear proeven wordt verwezen naar Voorbeelden bepalen normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkte ratio S Normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio [-].