Triaxiaalproef

In een triaxiaalproef wordt de sterkte en stijfheid van grond bepaald uit een cilindrisch monster. Veel gebruikte afmetingen zijn; een diameter van 50 of 66 mm met een hoogte van minimaal tweemaal de diameter. Als alternatief wordt ook gewerkt met een diameter van 38 mm.

Figuur 3.7.5 geeft een schets van de triaxiaalopstelling. Het monster wordt in het midden van een cel geplaatst. Om het monster is een dun ondoorlatende membraan aangebracht. De cel wordt gevuld met een vloeistof, meestal water. Door het water in de cel onder druk te brengen wordt op het monster een spanning aangebracht. Deze spanning werkt zowel horizontaal als verticaal op het monster. Het membraan voorkomt dat het water uit de cel het monster in kan dringen.

Met behulp van een plunjer (zie figuur 3.7.5), kan een extra verticale kracht op het monster worden aangebracht. Door het combineren van de waterdruk in de cel op het monster met de extra verticale kracht van de plunjer kunnen allerlei combinaties van verticale en horizontale spanningen die in de ondergrond voorkomen worden nagebootst. Met behulp van de plunjer wordt tevens de actuele hoogte van het monster gemeten. Hiervoor is het noodzakelijk dat de plunjer gedurende de proef continu contact houdt met het monster. Door de verlenging van de plunjer te meten tijdens belasten, of inkorten tijdens ontlasten wordt de hoogteverandering van het monster gemeten. De hoogteverandering van het monster wordt gebruikt voor het bepalen van de axiale rek gedurende de proef.

Aan de bovenzijde en onderzijde van het monster is een poreuze steen geplaatst. Via het voetstuk is de onderste poreuze steen verbonden met een drain. De bovenste poreuze steen is via het topstuk eveneens verbonden met een drain. De drains worden via de onderzijde van de cel naar buiten geleid. Hiermee is het water in het monster volledig gescheiden van het water in de cel. Buiten de cel zijn de drains verbonden met een kraan. Als de kraan gesloten is kan het poriewater het monster niet verlaten. Wanneer bij een gesloten kraan een verandering in de belasting wordt aangebracht, zal het monster ongedraineerd reageren. Tussen de cel en de kraan is een waterspanningsmeter geplaatst. Aangenomen mag worden dat de waterspanning in de drain gelijk is aan de waterspanning in het monster. Wanneer de kraan openstaat, kan het poriewater het monster verlaten. Door te meten hoeveel poriewater het monster verlaat wordt de volumeverandering van het monster gemeten, de gronddeeltjes worden beschouwd als onsamendrukbaar. Bij het uitvoeren van een gedraineerde proef dient de kraan uiteraard open te staan. Voor gedraineerde proeven op slecht doorlatend materiaal is dat echter niet voldoende. De belastingverandering dient dusdanig langzaam te worden aangebracht dat in het monster geen tijdelijke (lokale) wateroverspanningen optreden en waardoor het monster gedeeltelijk gedraineerd reageert.

In meer geavanceerde opstellingen kan de rek van het monster, zowel axiaal als radiaal worden gemeten met opnemers die op het membraan worden aangebracht. Dit levert nauwkeuriger rekmetingen op. Dergelijke nauwkeurige metingen worden onder meer gebruikt bij het bepalen van stijfheden bij kleine rekken of spanningsveranderingen. Door tussen het monster en het membraan papieren drains aan te brengen en deze te verbinden met de poreuze steen kan de consolidatiefase worden versneld. In meer geavanceerde opstellingen kan de afvoer van het poriewater via deze papieren drains worden gescheiden van de afvoer via de poreuze steen aan boven- en onderzijde van het monster. Dit levert meer mogelijkheden op voor het meten van de waterspanning in combinatie met het draineren van het monster.

In triaxiaalproeven kunnen allerlei spanningscondities en opeenvolgende spanningsveranderingen op het monster worden opgelegd. De meeste standaardproeven echter bestaan uit de volgende drie stappen:

1. Verzadigingsfase, Lucht in het monster verstoort het meten van de waterspanningen waardoor de effectieve spanningen niet kunnen worden bepaald. Voor een goede interpretatie van de proefresultaten dient het monster volledig verzadigd te zijn. Echter tijdens het steken van de boring, transport naar het laboratorium, tijdelijke opslag en bewerken van het monster, zal vaak poriewater verloren gaan. Een van de manieren om het monster weer te verzadigen is het toepassen van een back pressure. Dit houdt in dat tegelijkertijd de druk in de cel en de druk in het poriewater, via de drains wordt verhoogd. In de praktijk wordt een drukverhoging van 300 kPa toegepast. Door het verhogen van zowel de celdruk als de druk in het poriewater blijft de effectieve spanning in het monster gelijk. Door het verhogen van de druk in het poriewater lossen luchtbellen op en neemt de verzadiging toe.
2. Consolidatiefase, Na de verzadigingsfase wordt de spanningen op het monster aangebracht waarbij de sterkte van het monster bepaald dient te worden. Na het aanbrengen van de belasting dient het monster zo lang te consolideren dat er geen wateroverspanning aanwezig is op het moment dat de volgende fase van de proef wordt gestart. De tijd die nodig is voor de consolidatiefase kan worden bepaald aan de hand van de hoeveelheid uitgeperst poriewater. Vaak wordt in de consolidatiefase alleen de celdruk verhoogd. De spanningsverhoging op het monster is dan in alle richtingen gelijk. Dit is een isotrope voorbelasting. Vaak zal een verschil in horizontale en verticale spanningen beter aansluiten bij de spanningscondities in werkelijkheid. Door tijdens de consolidatiefase met de plunjer een extra verticale belasting aan te brengen wordt een dergelijke situatie nagebootst. Bij een verschillende horizontale en verticale consolidatiespanning wordt gesproken over een anistrope voorbelasting.
3. Afschuiffase, In de afschuiffase wordt het monster tot bezwijken gebracht door de verticale kracht met behulp van de plunjer op te voeren. In enkele gevallen zal de celdruk worden verhoogd in combinatie met het trekken van de plunjer. Proeven waarbij de plunjer wordt weggedrukt worden compressieproeven genoemd, proeven waarbij de celdruk wordt opgevoerd, in combinatie met het trekken van de plunjer worden extensieproeven genoemd. Extensieproeven geven de belastingssituatie weer aan de teen van de ophoging, compressieproeven de belastingssituatie onder de kruin. De afschuiffase kan zowel gedraineerd als ongedraineerd worden uitgevoerd. Bij een gedraineerde afschuiffase dient de belasting zodanig langzaam te worden aangebracht dat geen (lokale) wateroverspanning in het monster ontstaat. Bij slecht doorlatende materialen, zoals klei en veen, kan een gedraineerde afschuiffase veel tijd vergen. Het is dan ook niet gebruikelijk om gedraineerde proeven op klei en veen uit te voeren.