Inleiding
Bodemverdichting is een procedure waarbij een bodem onder mechanische spanning wordt gebracht en verdicht. Grond bestaat uit vaste deeltjes en holten gevuld met water en/of lucht. Een meer gedetailleerde uitleg van de driefasigheid van de bodem wordt gegeven in Bodem als driefasensysteem. Bij belasting worden de bodemdeeltjes binnen de bodemmassa herverdeeld en neemt het volume van de lege ruimte af, wat tot verdichting leidt. De mechanische spanning kan worden uitgeoefend door kneden, of via dynamische of statische methoden. De mate van verdichting wordt gekwantificeerd door het meten van de verandering in het drooggewicht van de bodem, γd.
In het kader van ingenieurstoepassingen is verdichting bijzonder nuttig omdat zij leidt tot:
- Een toename van de sterkte van de grond
- Een afname van de samendrukbaarheid van de grond
- Een afname van de permeabiliteit van de grond
Die factoren zijn van cruciaal belang in constructies en ingenieurstoepassingen zoals aarden dammen, ophogingen, ondersteuning van bestratingen, of ondersteuning van funderingen.
De mate van verdichting hangt af van de bodemeigenschappen, het type en de hoeveelheid energie die door het verdichtingsproces wordt geleverd en het watergehalte van de bodem. Voor elke bodem is er een optimale hoeveelheid vocht waarbij deze zijn maximale verdichting kan ondergaan. Met andere woorden, bij een gegeven verdichtingsinspanning bereikt een bodem zijn maximale gewicht per droge eenheid (γd,max), bij een optimaal watergehalte (wopt).
De samendrukbaarheid van een betrekkelijk droge bodem neemt toe naarmate er meer water aan wordt toegevoegd. Dat wil zeggen, bij een watergehalte dat lager is dan het optimale (wopt), werkt het water als een smeermiddel, waardoor bodemdeeltjes ten opzichte van elkaar kunnen schuiven, hetgeen tot een dichtere configuratie leidt. Boven een bepaald watergehalte (nat van optimaal, w>wopt), resulteert een teveel aan water in de bodem in een toename van de poriënwaterdruk die de bodemdeeltjes uit elkaar duwt. Een typische correlatie tussen het drooggewicht per eenheid en het watergehalte is weergegeven in figuur 1. Ook is het de moeite waard op te merken dat, zoals in figuur 2 kan worden gezien, voor een bepaalde grond de hoogste sterkte juist droog van het optimum wordt bereikt (figuur 2a), terwijl het laagste hydraulische geleidingsvermogen juist nat van het optimum wordt bereikt (figuur 2b). Het effect van de verdichtingsinspanning op het maximale drooggewicht (γd,max), en het optimale watergehalte (wopt) kan worden waargenomen in figuur 4. Naarmate de verdichtingsinspanning toeneemt, neemt γd,max toe, terwijl wopt afneemt. Dat wil zeggen dat een kleiner watergehalte voldoende is om een dichter monster te verzadigen.
Figuur 1: Effect van het watergehalte op het drooggewicht per eenheid tijdens de verdichting van een bodem
Figuur 2: Effect van watergehalte op bodem a) sterkte, en b) hydraulisch geleidingsvermogen
Proctorverdichtingsproef
De meest gebruikte laboratoriumproef voor bodemverdichting is de Proctorverdichtingsproef.
De Proctorproef werd in de jaren 1930 uitgevonden door R.R. Proctor, een veldingenieur voor het Bureau of Waterworks and Supply, in Los Angeles, Californië. Het proces, dat de verdichtingsprocessen in situ simuleert die typisch worden uitgevoerd tijdens de bouw van aarden dammen of ophogingen, is de meest voorkomende laboratoriumtest die wordt uitgevoerd om de samendrukbaarheid van bodems af te leiden.
Het type verdichting en de geleverde energie voor een gegeven grondvolume zijn standaard en de test richt zich dus op de verandering van het vochtgehalte van een monster om het optimale watergehalte (wopt) af te leiden.
De standaard Proctor-test omvat een cilindrische mal met een volume van 0,95 liter waarin de grondmassa wordt geplaatst en in drie lagen wordt verdicht. Elke laag wordt samengeperst door 25 keer een gewicht van 2,5 kg te laten vallen vanaf een hoogte van 30 centimeter.
Een gewijzigde versie van de proef werd ingevoerd na de Tweede Wereldoorlog, in de jaren 1950, toen zware machines tot een grotere verdichting konden leiden. Bij de nieuwe aanpak blijft de cilindervormige vorm hetzelfde, maar wordt het valgewicht verhoogd tot 4,5 kg en de valhoogte tot 45 centimeter. Bovendien wordt de grond verdicht in 5 lagen met 25 slagen per laag.
De proef wordt uitgevoerd voor 5 vochtgehalten om het optimale watergehalte (wopt) te verkrijgen, waarvoor de waarde van het droge eenheidsgewicht maximaal is (γd,max).
Testapparatuur
De apparatuur die wordt gebruikt om de proef uit te voeren omvat:
- cilindrische verdichtingsvorm met een diameter van 10 cm, voorzien van een voetstuk en een kraag
- stamper met een gewicht van 2,5 kg of 4,5 kg, afhankelijk van of de standaard of de gewijzigde proef wordt uitgevoerd
- No.4 zeef
- stalen liniaal
- vochtreservoirs
- gegradueerde cilinder
- menger
- gestuurde oven
- metalen schaal en een schep
Typische cilindrische verdichtingsmallen en stampers zijn in figuur 3 weergegeven.
Figuur 3: Proctor mallen en stampers (ASTM/AASHTO) door Controls Group (voor meer informatie, klik hier)
Testprocedure
De procedure van de Proctor verdichtingstest bestaat uit de volgende stappen:
- Bereik ongeveer 3 kg grond.
- Pas de grond door de zeef nr. 4.
- Weeg de grondmassa en de vorm zonder de kraag (Wm).
- Plaats de grond in de menger en voeg geleidelijk water toe om het gewenste vochtgehalte (w) te bereiken.
- Breng smeermiddel aan op de kraag.
- Haal de grond uit de menger en plaats het in de mal in 3 lagen of 5 lagen, afhankelijk van de gebruikte methode (Standaard Proctor of Gewijzigde Proctor). Begin voor elke laag het verdichtingsproces met 25 slagen per laag. De slagen worden handmatig of mechanisch in een gelijkmatig tempo aangebracht. De grondmassa moet de mal vullen en tot in de kraag reiken, maar niet meer dan ~1 centimeter.
- Verwijder voorzichtig de kraag en snijd de grond die boven de mal uitsteekt af met een geslepen rechte rand.
- Weeg de mal en de daarin aanwezige grond (W).
- Uitdrijven van de grond uit de mal met behulp van een metalen extruder, waarbij u ervoor zorgt dat de extruder en de mal inline zijn.
- Met het watergehalte aan de boven-, midden- en onderkant van het monster.
- Doe de grond weer in de menger en voeg water toe om een hoger watergehalte, w, te verkrijgen.
Berekeningen
Eerst wordt het verdichtingswatergehalte (w) van het grondmonster berekend aan de hand van het gemiddelde van de drie verkregen metingen (boven-, midden- en bodemdeel van de grondmassa).
Daarna wordt het droge eenheidsgewicht (γd) als volgt berekend:
waarbij: W = het gewicht van de mal en de grondmassa (kg)
Wm = het gewicht van de mal (kg)
w = het watergehalte van de grond (%)
V = het volume van de mal (m3, meestal 0,033m3)
Deze procedure moet nog 4 maal worden herhaald, aangezien de gekozen watergehalten zowel lager als hoger zullen liggen dan het optimum.
De afgeleide droge eenheidsgewichten worden samen met de overeenkomstige watergehalten in een diagram uitgezet, samen met de nul-voetenkromme, een lijn die de correlatie aangeeft tussen het droge eenheidsgewicht en het watergehalte, ervan uitgaande dat de grond 100% verzadigd is. Hoeveel energie er ook aan het monster wordt toegediend, het is onmogelijk het voorbij deze curve te verdichten. De nul-voetenkromme wordt als volgt berekend:
waar: GS = het soortelijk gewicht van de gronddeeltjes (gewoonlijk GS~2,70)
γW = het verzadigde eenheidsgewicht van de grond (kN/m3)
Typische krommen die zijn afgeleid van de Standaard en Gewijzigde Proctor-tests, evenals de nul-luchtbellenkromme, zijn weergegeven in figuur 4.
Figuur 4: Typische krommen die zijn afgeleid van de Standaard en Gewijzigde Proctor-tests. De nul-luchtbellenkromme wordt ook getoond