Controleren resultaat van verdichting

Handsondeerapparaat

Binnen het takenpakket van de uitvoerder, toezichthouder of Auditor is het controleren van het resultaat van verdichting van het zandbed een belangrijke aangelegenheid. Volgens de Standaard RAW Bepalingen dient de (droge) verdichting van het werk te worden vergeleken met de referentie dichtheid (maximale proctor dichtheid). Het is een zeer omslachtige methode voor het controleren van het resultaat van de verdichting, te meer omdat er bijkomende laboratorium werkzaamheden nodig zijn. In de afgelopen decennia is regelmatig getracht deze traditionele wijze van verdichtingscontrole te vervangen door een snellere en eenvoudiger manier. Tijdens mijn studie heb ik van een docent, die zelf architect was, de methode van de schoenhak [1] geleerd. In de praktijk wordt voor het eenvoudig bepalen van een goede verdichting ook wel een ronde wapeningstaaf [2] met een diameter van 10 mm of de kop van een timmermans duimstok met de hand in het zandbed gedrukt.Handsondeerapparaat

Binnen de civieltechnische disciplines is ook gebruikelijk om de eigenschappen van de bodem te bepalen met de zogenaamde penetratieproef. Hierbij wordt een stalen conus in de betreffende bodem gedrukt en gepenetreerd. De stalen conussen zijn er met diverse standaard diameters en standaard basis oppervlakken. De voor de penetratie benodigde drukkracht geeft in feite de weerstand van de conus in deze bodem aan en wordt per bodemdiepte in kilogrammen of beter gezegd in Newton’s op een manometer geregistreerd. Er zijn ook manometers in de handel die de drukkracht niet in Newtons maar in Mega Pascal (MPa) [3] of zelfs in Bar [4] registreren. Deze drukkracht wordt vervolgens gerelateerd aan het bij de conus behorende basisoppervlak, waardoor de meetwaarde per oppervlakte eenheid kan worden berekend (N/cm² of N/mm²).

In de loop der jaren is een grote verscheidenheid aan sondeer methoden voor velerlei doeleinden ontwikkeld. Voor metingen op grotere diepte wordt de meer professionele mechanisch sondering methode toegepast, met behulp van de normale conus met een Ø 35,6 mm en een basisoppervlak van 1000 mm² [5]. Bij minder diepe bodem metingen kan de handsondering methode gebruikt worden. De eenvoudige handbediende sondering methode voldoet onder de gegeven omstandigheden prima. Het apparaat is licht en gemakkelijk hanteerbaar, penetreert een verdichte zandlaag tot circa 1 meter diepte en levert bij aflezingen per 10 cm een verrassend nauwkeurig sondeerbeeld op. Het handsonderen wordt ook wel ‘ondiep sonderen’ genoemd. Er wordt een 4-tal [6] kleine(re) conussen bij gebruikt:

  1. Conus 1:     Ø 11,15 mm met een basisoppervlak van 1 cm²
  2. Conus 2:     Ø 15,75 mm met een basisoppervlak van 2 cm²
  3. Conus 3:     Ø 20,50 mm met een basisoppervlak van 3,5 cm²
  4. Conus 4:     Ø 25,00 mm met een basisoppervlak van 5 cm²

Bij het bepalen van de draagkracht van grond door middel van conussen wordt ook gebruik gemaakt van de zogenaamde gradiënt. De gradiënt (Gc) geeft de (grafische) verhouding weer van de conusweerstand (qc) met de diepte en wordt bepaald door de tangens van de hellingshoek:

Gc = qc /diepte

Ofwel, de meetwaarde van de manometer gedeeld door de betreffende meetdiepte. In dit kader zal ik mij beperken tot beschrijven van de hand- of ondiepe sonderingen.

Randvoorwaarden bij hand- ofwel ondiepe sonderingen

In de praktijk is gebleken dat de resultaten van ondiepe sonderingen, behalve door de gebruikte apparatuur, ook beïnvloed worden door de volgende randvoorwaarden:

  • De samenstelling van het zand in termen van gemiddelde korreldiameter, korrelvorm en de mineralogische samenstelling van de korrels
  • De vochtsituatie in zand, dat wil zeggen de ligging van de grondwaterspiegel en de verzadigingsgraad van de grond boven de grondwaterspiegel
  • Het optreden van veroudering (ageing), de toename van de stevigheid of de conus weerweerstand van het zand als functie van de tijd
  • De conus diameter
  • Wegdruk mechanismen

Zand samenstelling

De samenstelling van het zand heeft bij een bepaalde dichtheid invloed op de grootte van de gemeten conusweerstand. Meestal wordt aangenomen dat in de relatief fijne kwartszanden, zoals die in Nederland voor funderingslagen worden toegepast, iets lagere conusweerstanden worden gemeten naarmate de gradering slechter is. Omdat de typisch Nederlandse zanden bovendien qua korrelvorm alle min of meer als tamelijk afgerond worden aangeduid, blijkt de invloed van de zandsamenstelling in de praktijk van weinig invloed.

Vochtsituatie

In de zogenaamde bodem vochtzone, het gebied tussen de grondwaterspiegel en het maaiveld, bevindt zich in de regel ook vocht dat in de fijne poriën van het zand capillair is opgestegen. Dit water heeft, in tegenstelling tot het water beneden de grondwaterspiegel, een negatieve waterspanning of zuiging, Dit zorgt een verhoging van de heersende korrelspanning. De korrels worden hierdoor dus sterker op elkaar gedrukt, zodat een grotere samenhang ontstaat.

Bij een gedeeltelijke verzadiging in zand treedt nog eens een extra cohesie op. Deze extra cohesie, die verdwijnt als het materiaal droog of volledig met water is verzadigd, wordt betiteld als schijnbare cohesie. Deze schijnbare cohesie zal de conusweerstand in het zand van de bodemvochtzone verhogen. In de praktijk blijkt dat sonderingen in vochtig zand duidelijk hogere conus weerstanden opleveren dan in volledig verzadigd of droog zand met dezelfde relatieve dichtheid. In de onderzochte zanden blijkt dat de bijdrage van de schijnbare cohesie aan de conusweerstand vrijwel constant is, mits de grondwaterstand zich op minimaal 50 tot 80 cm beneden het maaiveld bevindt.

Veroudering (ageing)

In aangebrachte en verdichte zandbedden blijkt in de praktijk vaak ‘ageing’ op te treden. Ageing is een met de tijd toenemende stevigheid. Deze komt tot uiting in de registratie van hogere conusweerstanden, elasticiteitsmoduli en sterkten, dan op grond van de relatieve dichtheid mag worden verwacht. Door verstoring van het zandbed kan de versteviging weer teniet gedaan worden. Ageing in pas aangebracht zand ontstaat voornamelijk door kitting van de korrels na uitdroging van het zand. Daarbij vormen zich in de aanrakingspunten van de korrels chemisch-fysische verbindingen die de korrels stijf aan elkaar kitten. De stijfheid van de bindingen hangt af van de in het zand aanwezige zouten, mineralen en van in het grondwater opgeloste stoffen. In de meeste gevallen zijn de bindingen echter relatief zwak en kunnen ze gemakkelijk verbroken worden door verstoringen van mechanische aard zoals bijvoorbeeld trillingen.

Conusdiameter

Uit de theorieën met betrekking tot de ondiepe sondering blijkt dat de conusdiameter het verloop (gradiënt) van de sondering sterk kan beïnvloeden. Met behulp van een normale conus van Ø 36 mm (10 cm²) en een kleine conus van Ø 11,15 mm (1 cm²) werden sleuf verdichtingen in vochtig zand gecontroleerd, waarvan de verdichtingsgraad varieerde tussen 94 en 98% maximum proctor dichtheid. Hieruit bleek dat naarmate de conus dunner wordt een hogere conusweerstand (qc) wordt gemeten.

Verloop van de gradiënt Invloed conusdiameter op de gradiënt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dat wil zeggen, bij toepassing van een kleinere conus diameter neemt vanzelf ook de gradiënt (Gc) toe. Zowel de proeven in verzadigd zand als die in vochtig zand vertoonde dit beeld.

Voor het corrigeren van de metingen bij de verschillende conussen is een tabel samengesteld met de invloed van de conusdiameter op de gradiënt. Deze tabel toont de reductiefactor die nodig is voor resultaten van metingen ten opzichte van de normale conus van Ø 36 mm (10 cm²):

  • 2,5 voor de kleine conus van Ø 11,15 mm (1 cm²)
  • 1,9 voor de grotere conus van Ø 15,75 mm (2 cm²)

Wegdrukmechanismen

Voor het wegdrukken van een conus in verdicht zand is over het algemeen veel kracht nodig. De conus moet gelijkmatig en volkomen verticaal penetreren. Een handmatig weggedrukte conus ondervindt met name in dicht zand snel problemen, vooral als het gewicht van de bediener niet groot is of als de bediener geen kracht genoeg heeft om de sonde gecontroleerd en verticaal te laten penetreren. In verband daarmee is ook de lengte van de bediener van belang. Bij de eerste decimeters penetratie dient het aangrijpingspunt (handvat) van de apparatuur niet te hoog boven het maaiveld te liggen. Het verdient dan ook aanbeveling om de eerste stang achter de conus niet langer te maken dan circa 60cm. Ook bestaat de indruk dat de gelijkmatigheid waarmee de conus wordt weggedrukt effect kan hebben op het sondeer resultaat. De wegdruksnelheid op zich is volgens de meeste onderzoekers nauwelijks van invloed. Abrupte versnellingen en impacts kunnen wel afwijkende, meestal hogere, conusweerstanden opleveren.Zelfschrijvende penetrograaf

Het gebruik van het handsondeerapparaat

In hoofdlijnen bestaat het handsondeerapparaat uit een meetlichaam, inschroefbare sondeerstangen en een 4-tal opschroefbare conussen. De aanschaf kosten van een handsonderingsapparaat bedragen circa € 1000. Dit eenvoudighandsondeerapparaat is goed bruikbaar voor de verdichtingscontroles door opzichters en auditors. Voor aannemingsbedrijven, die de verdichtingsresultaten moeten registeren en/of aan de directie ter goedkeuring moeten voorleggen, is de penetrograaf een nuttiger apparaat. Met deze penetrograaf kan een continumeting worden uitgevoerd, waarbij elke laag van het bodemprofiel tot 80 cm op de kaart wordt weergegeven. De penetrograaf is bovendien zelfschrijvend, d.w.z. dat tijdens de meting gemeten weerstanden direct grafisch worden weergegeven. De kosten van aanschaf van een penetrograaf bedragen circa € 2000.

Werkwijze

  • Controleer voordat je begint of de zwarte wijzer van de manometer op nul staat. Door interne wrijving kan deze wijzer soms niet direct in de nulstand terug gekomen zijn. Door de zuiger te draaien en iets terug te trekken, moet de wijzer op de nulstand komen. Indien de wijzer niet op nul kan komen, is gesonderen niet mogelijk.
  • De rode meesleepwijzer moet met behulp van een stelschroef in de nulstand worden gebracht.Gebruik handsondeerapparaat
  • Wanneer de beide wijzers in de nulstand staan, kies de conus en daarmee het conus basis oppervlak dat gebruikt gaat worden. Dit is afhankelijk van de te verwachten dichtheid en de diepte van de te sonderen grond. Hoe dieper en dichter de grond des te kleiner de te kiezen conus. In normale gevallen zullen wij kiezen voor het gebruik van conus 1, met een conus-basisoppervlak van 1 cm². Deze is het makkelijkste om te rekenen naar N/cm², MPa of naar kg/cm². Metingen met het apparaat in het bereik van 0-100 N zijn nauwelijks mogelijk, metingen in het bereik van 100-200 N kunnen een afwijking hebben van plus of min 15% en metingen in het bereik van 200-700 N zijn het betrouwbaarste en worden op bepaalde apparaten met een ‘groene zone’ op de manometer aangeduid. Metingen in het maximale bereik van 700-1000 N moeten zo veel als mogelijk vermeden worden, vanwege de hoge belasting van de apparatuur. Bij gebruikstemperaturen van 5°C of lager zal de afwijking van de metingen groter worden, omdat de olie in het apparaat dan dikker wordt.
  • Het apparaat wordt, met een constante snelheid van ca. 2 cm/sec, middels een gelijkmatige druk op beide handgrepen loodrecht in de grond gedrukt. Schoksgewijs drukken geeft onnauwkeurige te hoge waarden die niet representatief zijn voor de grond.
  • Bij het gebruik van de conussen 1 en 2 is de maximaal te sonderen diepte 50 cm.
  • Trek het apparaat na de meting met de hand uit de grond met één hand aan het apparaat en de andere hand aan de sondeerstang.

Wat wordt er nu precies gemeten

  • De weerstand van de conus in de grond wordt in N(ewton ’s) gemeten en is tijdens de meting af te lezen op de zwarte wijzer van de manometer. Deze waarde moet met de bijbehorende diepte in de grond worden geregistreerd, bijvoorbeeld 500 N op 50 cm diepte. De maximaal opgetreden weerstand tijdens de meting wordt aangegeven door de rode meesleepwijzer. Het conus basis oppervlak dient eveneens genoteerd te worden, bijvoorbeeld voorr conus nummer 1 is dat 1 cm².
  • De draagkracht van de grond is dan te bepalen door: afgelezen meterwaarde/conus-basisoppervlak
  • bijvoorbeeld op 50 cm diepte met conus nummer 1 (1 cm²) meet je een conusweerstand op de manometer van 500 N. Dit komt overeen met een draagkracht van de grond van: 500 N/1 cm² = 500 N/cm² = 5 MPa. Soms kan het voorkomen dat de draagkracht op de meter reeds wordt uitgedrukt in MPa.
  • Bij het bepalen van de draagkracht van grond met behulp van conussen wordt ook gebruik gemaakt van de zogenaamde gradiënt. De gradiënt (Gc) geeft de (grafische) verhouding weer van de weerstand (qc) met de diepte en wordt bepaald door de tangens van de hellingshoek: Gc = qc / diepte (Meetwaarde/diepte)
  • bijvoorbeeld bij conus van 1 cm², een weerstand q0,50 van 500 N en een diepte van 0,50 meter wordt de gradient: G0,50 = 1000 N/m = 10 MPa/m.Deze gradiënt wordt met name gebruikt in een Informatie blad van de CROW (gebaseerd op werkgroeprapport 05-01).

De te meten waarden

Mij is opgevallen dat in de praktijk voor handsonderingen (met kleine conussen) weinig bekend is over de te meten waarden en de daarbij behorende grondverdichting. In de Standaard RAW staan bij de sleuf- en sleufloze technieken (24.02.06) waarden voor de indringingsweerstand geformuleerd:

  • Ter plaatse van beplantingszones of grasachtige vegetatie moet de indringingsweerstand na verdichting 1 à 1,5 MPa bedragen.
  • Tijdens het aanvullen het zand verdichten tot een indringingsweerstand is bereikt die per 10 mm diepte met ten minste 0,20 MPa toeneemt, dan wel ten minste 4 MPa bedraagt. Dit betekent een toename van de gradiënt van 20 MPa/m, terwijl de weerstand van 4 MPa met deze toename al na 20 cm zou zijn bereikt (voor meer informatie hierover zie bij paragraaf 3.4.1 kwaliteit rioolsleuf).

CROW-rapport 05-01In 2005 werd door de CROW een informatie blad uitgegeven, ‘Verdichtingscontrole via handsonderingen‘. Dit blad is gebaseerd op het CROW-rapport 05-01. Hierin staat beschreven dat de voorkeur wordt gegeven aan metingen met een Ø 11,3 mm conus, met interval metingen van 5 tot 25 cm.

In dit informatie blad is tabel 1 opgenomen met de navolgende meetwaarden. De bijbehorende gradiënten (G) zijn door mij berekend:

Op 10 cm 175 N - G10 = 17,5 MPa/m

Op 20 cm 437 N - G20 = 21,5 MPa/m

Op 30 cm 670 N - G30 = 22,3 MPa/m

Op 35 cm 950 N - G35 = 27,1 MPa/m

In het CROW informatie blad worden ook verdichtingseisen geformuleerd volgens de RAW Standaard voorschriften, vertaalt naar relatieve dichtheid en gradiënt van de conus weerstand. De verdichting kan worden goedgekeurd als de uitkomsten voldoen aan de volgende eisen:

  • Voor zand in zandbed (gemiddeld 100% mpd) een gemiddelde gradiënt van minimaal 35 MPa/m. Dat wil zeggen meetwaarden van 875 N en 1750 N voor op diepten van 25 en 50 cm.
  • Voor zand in een aanvulling of ophoging (gemiddeld 98% mpd) een gemiddelde gradiënt minimaal 27 MPa/m. Dat wil zeggen meetwaarden van 675 N en 1350 N voor op diepten van 25 en 50 cm.

De CROW komt hier naar mijn mening op zeer hoge eisen voor de verdichting. Het is mij niet duidelijk hoe deze metingen in de praktijk uitgevoerd dienen te worden, omdat de manometer van handsondeerapparaten slechts tot maximaal tot 1000 N gaat en in de handleiding wordt geadviseerd niet hoger te gaan dan 700 N (de groene zone van het meetgebied).

De laatste tijd ervaar ik steeds meer dat in gemeentelijke bestekken de eisen voor de weerstand voor de conus van 1 cm² staan opgenomen met de meetwaarden van 4 MPa (400 N). De laatste jaren hanteer ik de onderstaande minimale meetwaarden voor een goed verdichte zandbaan/bedding:

  • op een diepte van 10 cm minimaal 150 N/cm² - Gradiënt 15 MPa/m
  • op een diepte van 20 cm minimaal 220 N/cm² - Gradiënt 11 MPa/m
  • op een diepte van 30 cm minimaal 300 N/cm² - Gradiënt 10 MPa/m
  • op een diepte van 40 cm minimaal 400 N/cm² - Gradiënt 10 MPa/m
  • op een diepte van 50 cm minimaal 500 N/cm² - Gradiënt 10 MPa/m

Gemiddelde waarden: q gemiddeld = 590 N en G10-50 = 11,2 MPa/m

Samenvattend kom ik tot de conclusie dat voor een goed verdichte zandbaan met de conus van 1 cm² per meetpunt met de rode meesleepwijzer en op een diepte van maximaal 50 cm een maximale conusweerstand van 590 N (± 15) gemeten moet worden. De praktijk heeft mij geleerd dat deze eis goed bruikbaar is. Het is zelfs zo dat ik op diepten van 30 cm al conus weerstandswaarden tussen de 600 en 750 N meet.

Voorwaarden aan de Uitvoering van de metingen

  • Per meetpunt worden vier sonderingen uitgevoerd. De afstand tussen de sonderingen is tussen de 30 cm en 1 meter. Per meetpunt wordt als resultaat het rekenkundige gemiddelde bepaald.
  • De sonderingen worden niet binnen vier uur na grote regenval uitgevoerd.
  • De sonderingen worden zo snel mogelijk na het verdichten uitgevoerd (bij voorkeur binnen 24 uur).
  • De penetratiediepte is 30 – 50 cm.
  • Mislukte proeven moeten worden herhaald. Een proef is mislukt de volgende kenmerken optreden:
    • De conusweerstand heeft een sterke terugval op het interval van 5 tot 25 cm diepte
    • De conusweerstand heeft een constante waarde over een aantal centimeters diepte
  • Er moet per meetpunt worden bijgehouden hoeveel sonderingen er als mislukt verwijderd worden.
  • Metingen in het bereik van 200-700 N zijn het betrouwbaarste en worden op bepaalde apparaten met een ‘groene zone’ op de manometer aangeduid. Metingen in het maximale bereik van 700-1000 N moeten zo veel als mogelijk vermeden worden.

[1] Deze methode gaat er vanuit dat, indien je normaal geproportioneerd bent en je totale lichaamsmassa (gewicht) naar één schoen-hak verplaatst (zonder te stampen), je het verdichte zandbed dan een drukbelasting geeft van 0,10 MPa (=10 N/cm²). Volgens dezelfde overlevering bedraagt de toelaatbare drukspanning van een goed verdicht zandbed minimaal 0,15 MPa, zodat de afdruk van een dergelijke belaste schoenhak geen zichtbare afdruk in het zandbed achter mag laten.

[2] Op een diepte van maximaal 10 cm. moet er dan een zodanige grondweerstand voelbaar zijn, dat de staaf niet meer verder kan. Ik zal hierna aantonen dat je dan op deze diepte met de hand een duwkracht van minimaal 150 N (=15 kg) nodig hebt.

[3] De afkorting MPa staat voor Mega Pascal = 1 miljoen Pascal. Voor de omrekening: 1 kg/cm² ≈ 10 N/cm² en 1 N/mm² ≈ 100 N/cm² = 1 MPa. Dus 1 Pa = 1 N/m² d.w.z. de kracht die 1 N uitoefent op een oppervlakte van 1 m².

[4] Voor de omrekening: 1 Bar ≈ 10 N/cm² ≈ 1 atmosfeer.

[5] Deze methode van sonderen is beschreven in Hoofdstuk 2.

[6] Er zijn ook nog apparaten met andere conussen, maar het principe blijft hetzelfde.