Laboratoriumonderzoek - Grondmechanisch en geo-hydrologisch onderzoek

Voor de ontwerpberekeningen zijn de mechanisch-fysische eigenschappen van de grond van belang. Daarom doet men proeven ter bepaling van volume en tnassa van korrelskelet en porienwater, van doorlatendheidscoefficienten, van wrijvingseigen­ schappen en van samendrukkingsconstanten. In de volgende paragrafen wordt op deze proeven nader ingegaan.

Er bestaan daarnaast nog vele andere soorten proeven die belangrijke informatie op­

leveren voor de classificatie en geschiktheidsbeoordeling van de grond als bouwmate­ riaal:

85

zeefanalyses en afslibbings- of bezinkingsproeven ter bepaling van de korrelfracties, proctorpraeven ter bepaling van de maximale dichtheid, bepalingen van de consisten­ tiegrenzen zoals krimpgrens, uitrolgrens en vloeigrens en de plasticiteitsindex van klei­ grond. Al deze proeven warden uitgevoerd volgens een standaardprocedure.

1. Massa- en volumebepaling

   Door volumemeting en weging voor en na droging van het grondmonster kunnen op eenvoudige wijze een aantal eigenschappen van de grond warden vastgesteld. Na uit­ gloeien kan ook het gehalte aan organische stof worden bepaald. Uitgaande van het totale volumeVg,het gewicht van de natte grond Wg,het gewicht van de droge grand of­ wel het korrelskelet Wi.:en de volumieke massa's van water Qw en korrels Q_k kunnen een­ voudig afgeleid warden:

   • de natte en droge volumieke massa's van de grond Qn en Qd

   • het watergehalte w

     het holtepercentage of poriengehalte n

   • het poriengetal e

   • de verzadigingsgraad S,

     Voor een nadere definiering van deze begrippen wordt verwezen naar appendix A. De volumieke massa van het korrelmateriaal Qk bedraagt voor zand en klei ongeveer 2650 kg/m3. Voor veen ofvenige grond is de gemiddelde volumieke massa van het kor­ relmateriaal sterk afhankelijk van de verhouding tussen organische en minerale be­ standdelen, en kan zelfs minder dan 1000 kg/m3bedragen.

2. Doorlatendheidsproeven

   Voor doorlatendbeidsbepalingen in het laboratorium zijn, afhankelijk van de grond­ soort, twee soorten proeven in gebruik.

   Voor goed doorlatende, weinig samendrukbare grond zoals zand wordt de volgende

   procedure gevolgd, de zogenaamde 'constant bead'-metbode. Door een doorgaans ge­ roerd grondmonster laat men water stromen met een constant verval over het monster. Uit meting van bet debiet wordt met bebulp van de wet van Darcy de doorlatendbeids­ coefficient kbepaald (hoofdstuk 10). De proefwordtgedaan bij verscbillende pakkings­ dichtbeden van de grond. De eventuele anisotropie in de doorlatendbeid wordt vanwe­ ge de grondroering niet gemeten.

   Bij slecbt doorlatende, goed samendrukbare grand zoals veen en klei is het poriengebal­

   te, en dus de doorlatendbeid, afhankelijk van de mate van samendrukking. Doorlatend­ beidsproeven op klei en veen warden daarom uitgevoerd bij verscbillende bovenbelas­ tingen op het monster. Dikwijls wordt daarbij gebruik gemaakt van bet samendruk­ kingsapparaat (par. 9.6.4).

   De doorlatendbeid bij een bepaalde bovenbelasting wordt berekend uit de zakking van

   86

   een waterkolom in een zeer nauwe verticale buis, die aangesloten is op de onderzijde van bet grondmonster. Aan de bovenzij de van bet monster stroomt bet water vrij af. De­ ze werkwijze is nodig met bet oog op de invloed van verdamping op bet zeer geringe de­ biet dat uit bet monster stroomt. Dit type proefwordt aangeduid als 'falling head'-proef. Voor bet bepalen van de horizontale doorlatendheid is een soortgelijke proefmogelijk. De grens van toepassing tussen de 'constant head'-proef en de 'falling head'-proefligt in

   de buurt van 15 gewichtsprocenten van de deeltjes < 16 µm.

   Aan de bepaling van de doorlatendheid van klei en veen in bet laboratorium aan de hand van kleine monsters zijn overigens grote onzekerheden verbonden. De werkelijke doorlatendheid van deze grondsoorten zal dikwijls bepaald worden door mogelijk aan­ wezige scheuren en wormgaten. De voorkeur moet dan ook gegeven worden aan bepa­ ling in situ met pompproeven of infiltratieproeven.

3. Proeven ter bepaling van schui.fiveerstandsparameters

   De wrijvingseigenschappen van grond, uitgedrukt in de gedraineerde schuifparameters

   <p' en c' of de ongedraineerde schuifsterkte r1(zie par. 8.3.1), kunnen op verscheide­ ne manieren worden bepaald.

   De proeven die hiervoor worden gedaan, kunnen globaal in twee groepen worden inge­ deeld:

   • proeven op monsters met een direct opgelegde schuifvervorming, zoals de directe schuifproef,_de 'simple shear'-proef, de vinproefin bet laboratorium en de handvin­ proef (par. 9.5.4);

   • drukproeven op cilindrische monsters, zoals de celproef en de triaxiaalproef.

     Met deze proeven worden dikwijls voor dezelfde grond duidelijk van elkaarverschillen­ de wrijvingseigenschappen bepaald. _Yoor een groot dee! zijn de verschillen terug te voeren op verschillen in de inrichting van bet beproevingsapparaat, de opzet van de proef en de wijze van uitvoering. .

     In de adviespraktijk wordt voornamelijk gebruik gemaakt van de triaxiaalproef en de celproef.

     Mede om enig inzicht te geven in mogelijke oorzaken van de verschillen in uitkomst, wordt in par. 9.6.3.1 wat nader ingegaan op de uitvoering van deze proeven, en op enige resultaten van vergelijkend onderzoek (zie ook lit. 30).

     Verder wordt verwezen naar de binnenkort door de Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen te publiceren beschrijving van eel- en triaxiaalproeven ten be­ hoeve van bet ontwerp en de beoordeling van dijken.

     Daar de gezochte waarden voor <pen cbij eel- oftriaxiaalproeven niet rechtstreeks ge­ meten worden, wordt in par. 9.6.3.2 aandacht besteed aan de wijze waarop deze groot­ heden uit de met proeven bepaalde kritieke spanningscombinaties worden afgeleid.

     87

     1. Triaxiaal- en celproeven

        Met name voor klei en zand is een drukproefop een cilindrisch monster bijzonder ge­ schikt om de schuifweerstandsparameters te bepalen.

        Bij een dergelijke proef zijn de spanningsverdeling en de vervorming axiaal-symme­ trisch, en blijven de randverstoringen beperkt.

        Deze drukproefwordt in de praktijk op twee essentieel verschillende manieren uitge­ voerd: als triaxiaalproef en als celproef.

        1. Triaxiaalproef

           Een monster wordt, omsloten door een rubbervlies, in een eel geplaatst die met water is gevuld. In deze eel wordt tijdens de proef een bepaalde druk gehandhaafd, die alzijdig op het monster werkt. Het monster wordt op afschuiving belast door het met een con­ stante snelheid in verticale zin te deformeren. Daarbij wordt de uitgeoefende druk­ kracht continu gemeten. De proefwordt voortgezet totdat de verticale drukkracht bij voortgaande vervorming niet verder toeneemt.

           De triaxiaalproef wordt intemationaal vrijwel algemeen toegepast ter bepaling van schuifweerstands- en vervormingseigenschappen.

           De triaxiaalproefkan op verschillende manieren worden uitgevoerd. Er kan een keuze worden gemaakt uit drie typen proeven:

           1. De ongeconsolideerde, ongedraineerde proef (Unconsolidated, Undrained - U.U.)

              Bij deze proefwordt het monster belast, direct na het aanbrengen van een alzijdige

              celdruk elijk aan de in de grond heersende druk op de diepte waarop het monster is genomen. Het monster krijgt bij deze proef geen gelegenheid te consolideren. Het resultaat is een bepaling van de ongedraineerde schuifsterkte rf(par. 8.3.1).

           2. De geconsolideerde, ongedraineerde proef (Consolidated, Undrained - C.U.)

              Bij deze proefwordt het monster, alvorens het verticaal wordt gedeformeerd, eerst gelegenheid gegeven zich aan de celdruk aan te passen, dus te consolideren. Tijdens de schuiffase wordt drainage van het monster verhinderd, en wordt de optre­ dende waterspanning in het monster gemeten. Uit de resultaten van meerdere proe­ ven kan de hoek van inwendige wrijving en de cohesie in zowel gedraineerde als on­ gedraineerde vorm worden bepaald (par. 8.3.1).

           3. De geconsolideerde, gedraineerde proef (Consolidated, Drained - C.D.)

              Bij deze proefwordt het monster na aanpassing aan de celdruk in gedraineerde toe­ stand aan verticale deformatie onderworpen. De vervormingssnelheid van het mon-

              88

              ster moet zo klein zijn dat de opgewekte wateroverspanningen in het monster ver­ waarloosbaar klein zijn. Uit het resultaat van meerdere proeven is de hoek van in­ wendige wrijving en de cohesie in gedraineerde vorm te bepalen (par. 8.3.1).

              Welk type triaxiaalproef men kiest, hangt af van de in werkelijkheid verwachte belas­ tingssituatie van de grond. Voor de bepaling van de stabiliteit bij een snel aangebrach­ te belasting, bijvoorbeeld een snel aangebrachte ophoging op een sterk samendrukbare ondergrond, kan eventueel worden volstaan met de relatief eenvoudige U.U.-proef. Voor het bepalen van de stabiliteit op de lange duur ofbij varierende waterspanningen dient men te kunnen beschikken over de gedraineerde schuifsterkteparameters <p' enc'. Om die te bepalen wordt voor klei en veen meestal de C.U.-proefgebruikt. In het be­ lang van een betrouwbare waterspanningsmeting mag de vervormingssnelheid niet te groot zijn; de toelaatbare grootte is afhankelijk van de consolidatie-eigenschappen van het monster.

              In deze gevallen kan men ook voor de C.D.-proefkiezen, maar die vraagt voor klei een zeer

              lange beproevingsduur, vanwege de kleine vervormingssnelheid die nodig is om niet meer dan verwaarloosbaar kleine wateroverspanningen in het monster op te wekken.

              Voor zandmonsters wordt meestal we! de C.D.-proefgebruikt. Hier is een relatiefgrote vervormingssnelheid toelaatbaar omdat consolidatie-effecten bij zand geen rol spelen. Uiteraard is de meer gecompliceerde C.U.-proef hier ook mogelijk.

              Als de gedraineerde schuifsterkteparameters <p' enc' bepaald moeten worden, dienen

              minimaal twee en bij voorkeur drie ofmeer proeven verricht te worden, elk bij een an­ dere celdruk. Voigt men daarbij de zogenaamde eentrapstechniek, dan wordt voor elke belastingtrap een monster genomen; bij de meertrapstechniek wordt op een monster achtereenvolgend een aantal verschillende belastingen aangebracht.

              Vooral bij overgeconsolideerde gronden is voorzichtigheid geboden met betrekking tot

              de meertrapstechniek: zulke gronden vertonen vaak een bros gedrag en een sterke nei­ ging tot dilatantie, waardoor bij de eerste belastingtrap al een ernstige verstoring van het monster kan optreden. Volgende belastingtrappen kunnen dan geen representatie­ ve resultaten meer opleveren.

              Voor de bepaling van de stabiliteit van rivierdijken moet de voorkeur worden gegeven aan de eentrapstechniek.

              De drie of meer benodigde monsters voor de eentrapstechniek dienen uit dezelfde grondlaag en in elkaars onmiddellijke nabijheid uit de grond genomen te zijn; bij voor­ keur naast elkaar, uit een ongestoord monster van grote diameter.

              Tot slot nog een aantal opmerkingen over de uitvoering van de C.U.- en de C.D.-proef, en over het gedrag van het monster tijdens de beproeving.

   • Luchtinsluitingen in het monster kunnen de meting van waterspanningen ernstig verstoren. Daarom wordt bij de C.U.-proef een zogenaamde 'back-pressure' aange­ bracht. Dit is een extra waterdruk die zowel buiten het monster in de eel, als in het monster zelf aanwezig is. Voor de korrelspanningen in het monster heeft dit geen ge-

     89

     volgen, terwijl de eventueel aanwezige lucht door de hoge waterdruk opgelost wordt in het porienwater.

   • Waterspanningen worden bij routineproeven altijd gemeten bij het boven- en ondervlak van het monster. De wrijving van de grond op de oplegvlakken belemmert echter de vervorming van het monster nabij de eindvlakken, en als gevolg daarvan is alleen het middengedeelte van het monster representatiefvoor de bezwijktoestand. Uit de meetresultaten kunnen dus alleen correcte gedraineerde schuifweerstandspa­ rameters worden afgeleid als de waterspanning in het monster uniform is verdeeld. Dit zal alleen het geval zijn als de vervormingen zo langzaam plaats vinden dat de waterspanning zich over de hoogte van het monster kan vereffenen. Deze vereffening kan aanzienlijk worden versneld door middel van zijdelingse drainage via speciaal fil­ terpapier tussen monster en rubbervlies. Bij toepassing van gladde oplegvlakken zoals van teflon, aan de boven- en onderzijde van het monster, zal de waterspannings­ verdeling nagenoeg uniform zijn over de gehele monsterhoogte, daar ook bij de ein­ den de vervorming niet of nauwelijks belemmerd wordt. In dat geval kunnen onge­ draineerde proeven bij relatief grote vervormingssnelheden worden uitgevoerd.

   • Bij een ongedraineerde triaxiaalproef vermindert het volume van het volledig met water verzadigde monster tijdens de proef niet, en treedt er dus ook geen verandering op van het poriengehalte.

     Bij normaal geconsolideerde monsters zal de waterspanning gedurende de gehele be­ lastingfase toenemen als gevolg van de tendens tot compressie. Overgeconsolideerde monsters daarentegen vertonen een neiging tot volumevergroting onder invloed van schuifkrachten. Daardoor zal de waterspanning na een geringe toename aan het be­ gin van de proef steeds verder teruglopen.

   • Bij een gedraineerde proef zal wel een verkleining van het poriengehalte kunnen op­ treden en dus een verandering van de structuur. Als gevolg daarvan kunnen de schuifweerstandsparameters, afgeleid uit een ongedraineerde proef, afwijken van die uit een gedraineerde triaxiaalproef.

     Bij de gedraineerde proef mogen dan betere wrijvingseigenschappen worden ver­

     wacht, op grond van de daarbij optredende compressie.

   • Belangrijk voor het bepalen van de schuifweerstandsparameters is ook wat als crite­ rium voor bezwijken wordt gehanteerd. Er zijn verschillende mogelijkheden. Twee voor de hand liggende bezwijkcriteria bij triaxiaalproeven zijn:

     1. 1. 1. de deviatorspanning a'1 -a3 is maximaal;

              2. de effectieve hoofdspanningsverhouding a'ifa3 is maximaal.

              In normaal geconsolideerde gronden blijkt meestal dat bij voortgaande vervorming van het monster het criterium voor a'1 -a3 eerder wordt bereikt dan het criterium voor a'ifa].

              Bij overgeconsolideerde gronden is het doorgaans andersom.

              90

              Het criterium dat het eerst wordt bereikt, wordt meestal maatgevend gesteld voor de bezwij ktoestand.

              Een derde bezwijkcriterium kan worden gedefinieerd als een zekere, niet te kleine

              vervorming, die voor alle grondsoorten gelijk is. Dit met het oog op de toepassing van de wrijvingsparameters bij een glijvlak dat verschillende grondlagen doorsnijdt. Ge­ dacht kan worden aan een vervorming van.5%.