Inleiding ‘transitional soils’

Zandige klei en siltige klei met hoge volumegewichten (γ_nat Volumegewicht van de grondlaag onder de grondwaterstand [kN/m³] > 17 à 18 kN/m³) blijkt ander gedrag bij ongedraineerd afschuiven te vertonen dan klei met lagere volumegewichten: er is sprake van sterk dilatant gedrag, ongeacht de mate van overconsolidatie (OCR Overconsolidatieratio [-]) en vaak ook bij normaal geconsolideerde condities. Dit gedrag komt niet overeen met wat op basis van de CSSM-theorie en SHANSEP-techniek voor klei mag worden verwacht, zie Schuifsterke in CSSM model. Het is internationaal een recent inzicht dat het gedrag van deze ‘transitional soils’ niet volledig aansluit bij de CSSM-theorie. Dit afwijkende gedrag speelt bij siltige en zandige klei in (het oosten van) het rivierengebied, bij Keileem in Noord-Nederland, waarschijnlijk ook bij löss in Zuid-Nederland en regelmatig ook bij dijksmateriaal. De ongedraineerde schuifsterkte van de zandige en siltige klei heeft vaak een grote bandbreedte. Deze grote bandbreedte levert, ondanks een hoge verwachtingswaarde, een relatief lage karakteristieke waarde van de ongedraineerde schuifsterkte. Figuur 1 geeft een voorbeeld van dilatant gedrag bij ongedraineerd afschuiven in triaxiaal compressie proeven op zware zandige siltige klei in het bovenrivierengebied (initieel verzadigde grond).

Het voorbeeld in figuur 1 laat zien dat nagenoeg alle triaxiaalproeven dilatant gedrag vertonen bij ongedraineerd afschuiven. Daarbij is er geen relatie met de genoemde waarden van OCR Overconsolidatieratio [-].

De relatie tussen de ongedraineerde schuifsterkte en OCR Overconsolidatieratio [-] is minder eenduidig dan bij kleien met lagere volumegewichten. Deels wordt dit ook veroorzaakt doordat de grensspanning niet altijd eenduidig is vast te stellen uit samendrukkingsproeven, als gevolg van het continue gekromde verloop van de samendrukkingscurves (figuur 2 en figuur 3). Het gekromde verloop wordt sterker naarmate het volumegewicht van de klei hoger is. Bij Keileem (figuur 2) is het gekromde verloop daardoor sterker dan bij zware zandige siltige klei in het bovenrivierengebied (Figuur 3). De curves convergeren ook niet naar elkaar toe. Merk hierbij op dat de samendrukkingsproeven zijn doorgezet tot 6000 kPa, wat veel hoger is dan gebruikelijk. Uitgaande van het protocol voor het uitvoeren van laboratoriumproeven, zouden deze samendrukkingsproeven zijn doorgezet tot 500 à 1000 kPa. Als de samendrukkingsproeven worden doorgezet tot een hogere spanning, leidt dit tot een andere raaklijn aan de curve en daardoor tot een hogere waarde van de grensspanning. De bij Figuur 1 genoemde waarden van OCR Overconsolidatieratio [-] zijn dan ook arbitrair.

Op basis van verschillende onderzoeken door diverse auteurs [o.a. Ponzoni, 2014 en Shipton, 2015] blijkt dat de ligging van de ‘critical state line’ in het vlak van specifiek volume v tegen gemiddelde effectieve spanning (v=1+e Poriëngetal (void ratio) [-], met e Poriëngetal (void ratio) [-] is het poriëngetal) bij ‘transitional soils’ afhankelijk is van de initiële toestand van de grond (figuur 4).

‘Transitional soils’ hebben een robuuste structuur, die ook bij afschuiven naar de critical state niet geheel verloren gaat. De initiële dichtheid van de grond blijft relevant, ook bij heel grote rek in laboratoriumproeven, zowel bij samendrukking als afschuiven. CSSM-theorie kan worden toegepast indien er vanuit wordt gegaan dat elke initiële toestand van de grond een bijbehorende ‘critical state line’ heeft. Omdat het praktisch onmogelijk is om de ruimtelijke variabiliteit van de in situ initiële toestand (combinatie van in situ spanning en in situ watergehalte of het poriëngetal) binnen een grondlaag vast te stellen, is het niet werkbaar om meerdere critical state lines vast te stellen en deze toe te passen bij stabiliteitsanalyses.

Anisotropie ongedraineerde schuifsterkte

Bij ongedraineerde schuifsterkte speelt anisotropie een rol. De bezwijkmodus ofwel de richting van het afschuifvlak ten opzichte van de richting van de hoofdspanningen bepaalt mede de grootte van de ongedraineerde schuifsterkte. Dit betreft in de CSSM-theorie de piekwaarde van de ongedraineerde schuifsterkte. Wanneer de piekwaarde is overschreden en het afschuiven wordt doorgezet, neemt de schuifsterkte af naar de ultimate state (en op enig moment wordt dan ook de critical state bereikt). Op basis van CSSM-theorie zouden spanning-rek relaties van verschillende type laboratorium testen (triaxiaal compressie, triaxiaal extensie en direct simple shear) moeten convergeren naar vergelijkbare ongedraineerde schuifsterkte ratio’s bij grote rek. Dit is een van de overwegingen bij de keuze voor het WBI 2017 voor het uitgangspunt om de schuifsterkte te bepalen bij 25% axiale rek en 40% schuifrek. Bij de veel voorkomende grondsoorten is er geen sprake meer van een effect van ongedraineerde schuifsterkte anisotropie bij deze grote rek. Overigens is alleen bij laboratorium proeven met ‘plane-strain’ condities (biaxiaal en direct simple shear) sprake van een volledig samenvallen van de spanning-rek relaties bij grote rek. Bij axiaal-symmetrische proeven is er wel convergentie bij grote rek, maar geen volledig samenvallen van de spanning-rek relaties.

Bij zware zandige siltige klei en Keileem blijkt bij grote rek nog steeds sprake van een duidelijk effect van anisotropie van de ongedraineerde schuifsterkte (figuur 5). De ongedraineerde schuifsterkte ratio van triaxiaal compressie proeven is aanmerkelijk hoger dan de ongedraineerde schuifsterkte ratio van direct simple shear en triaxiaal extensie proeven. Dit kan waarschijnlijk ook worden toegeschreven aan de robuuste structuur van ‘transitional soils’, die ook bij afschuiven naar de critical state niet geheel verloren gaat. Bij Keileem lijkt er bovendien een effect te zijn van de richting van de stuwing van deze afzetting op de ongedraineerde schuifsterkte in direct simple shear proeven.

Aanbevolen werkwijze voor ‘transitional soils’

Het voorgaande resulteert er in dat het schematiseren van de ongedraineerde schuifsterkte van ‘transitional soils’ met profielen van de ongedraineerde schuifsterkte tegen de diepte of met relaties van de ongedraineerde schuifsterkte tegen de effectieve spanning technisch inhoudelijk de voorkeur heeft boven een aanpak op basis van de relatie tussen ongedraineerde schuif-sterkte en overconsolidatieratio (SHANSEP-techniek; WBI methode). Profielen van de ongedraineerde schuifsterkte tegen de diepte kunnen worden toegepast bijvoorbeeld met de methode Su-tabel in D-Stability. Daarbij kan de gemeten ongedraineerde schuifsterkte s_u,dagelijks Ongedraineerde schuifsterkte onder dagelijkse omstandigheden [kN/m²] worden geschaald naar s_u,hoogwater Ongedraineerde schuifsterkte onder hoogwateromstandigheden [kN/m²] met de volgende relatie:

Waarin:

s_u,hoogwater Ongedraineerde schuifsterkte onder hoogwateromstandigheden [kN/m²].

s_u,dagelijks Ongedraineerde schuifsterkte onder dagelijkse omstandigheden [kN/m²].

σ_vi,hoogwater Verticale grondspanning onder hoogwateromstandigheden [kN/m²].

σ_vi,dagelijks Verticale grondspanning onder dagelijkse omstandigheden [kN/m²].

m Sterktetoename-exponent [-].

Let op, alhoewel deze methode inmiddels is geïmplementeerd in D-Stability, is de methodiek nog onderwerp van discussie en nader onderzoek. Voor de laatste stand van zaken: neem contact op met de Helpdesk-water.

Om vast te stellen of een grondlaag ‘transitional soil’ gedrag heeft, is een doorgaand gekromd verloop van samendrukkingscurves uit CRS- of samendrukkingsproeven tot heel hoge spanning (6000 kPa) een goede indicator. Hierbij is het bepalen van grensspanning of overconsolidatie-graad OCR Overconsolidatieratio [-] niet mogelijk.

Bij het bepalen van de ongedraineerde schuifsterkte parameters moet worden gecontroleerd of het effect van ongedraineerde schuifsterkte anisotropie wordt afgedekt door de karakteristieke ondergrenswaarde van de ongedraineerde schuifsterkte uit triaxiaal compressie proeven. Hiervoor moeten naast triaxiaal compressie proeven ook enkele direct simple shear proeven en triaxiaal extensie proeven worden uitgevoerd.