Bezwijkspanningstoestand in de triaxiaalproef

Bij een triaxiaalproef op relatief grofkorrelig materiaal wordt het monster, dat is omgeven door een rubbervlies, geplaatst in een cel waarin een alzijdige druk σ_h wordt aangebracht. Deze druk blijft tijdens de proef gehandhaafd, terwijl aan de bovenzijde van het monster een additionele verticale last P₁ bewerkstelligt dat het monster met gelijkmatige snelheid wordt ingedrukt.

De extra verticale spanning of deviatorspanning bedraagt q₁ = P₁/A. Onder invloed van de deviatorspanning wordt het monster geleidelijk samengedrukt, totdat bezwijken in de vorm van afschuiving optreedt. De hoofdspanningen in deze kritieke situatie bedragen (σ_h1 + q₁) in verticale richting en σ_h1 in horizontale richting. Omdat de proef zo langzaam wordt uitgevoerd dat geen waterspanningen kunnen optreden, zijn de gemeten spanningen gelijk aan de korrelspanningen. Een dergelijke proef wordt in het laboratorium aangeduid als een zogenaamde gedraineerde proef (Engels: drained test).

Voor de spanningscombinatie in het bezwijkstadium kan een cirkel van Mohr worden getekend (zie cirkel 1 van figuur 5.8). Door de proef te herhalen met een andere steunspanning σ’_h2 wordt onder invloed van de deviatorspanning q₂ = P₂/A bezwijkcirkel 2 gevonden. Daarna kan de omhullende worden getekend als raaklijn aan beide cirkels en is de grootte van de hoek van inwendige wrijving φ’ en de cohesie c’ bekend. Bij loskorrelig materiaal is de cohesie in principe gelijk aan nul; in werkelijkheid wordt soms een zekere cohesie vastgesteld doordat de individuele zand- of grindkorrels in de contactpunten aan elkaar gekit zijn.

Bij de uitwerking van de proefresultaten dienen in het algemeen nog de volgende correcties te worden toegepast:

• De verticale belasting wordt meestal buiten de cel gemeten, waardoor hij gecorrigeerd moet worden voor de wrijving ten gevolge van de doorvoering van de stang, het gewicht van de stang en de luchtdruk tegen de onderzijde van de stang. In modernere apparatuur wordt de deviatorspanning door een in de bovenkap van het monster ingebouwde drukopnemer gemeten, zodat geen correctie nodig is.
• De samendrukking tijdens de proef gaat gepaard met een zijdelingse uitzetting, waardoor de dwarsdoorsnede van het monster toeneemt. Als wordt aangenomen dat de totale volumeverandering van het monster verwaarloosbaar is, wordt het gecorrigeerde monsteroppervlak A’:
  [ link ]

Bij de uitvoering van de triaxiaalproef op relatief fijnkorrelig materiaal, zoals leem en klei, wordt het uitpersen van water uit het monster gehinderd door de betrekkelijk geringe doorlatendheid van de grond. Hierdoor ontstaan wateroverspanningen. Deze zijn van groot belang bij de interpretatie van de proefresultaten.

^{Figuur 5.9b en c Triaxiaalproefresultaat in termen van grondspanningen en korrelspanningen}

In dat verband worden gewoonlijk drie typen proeven gedaan. Dit zijn:

1. de ongeconsolideerde, ongedraineerde UU-proef op waterverzadigde grond (Engels: unconsolidated undrained test);
2. de geconsolideerde, ongedraineerde CU-proef op waterverzadigde grond (Engels: consolidated undrained test);
3. de geconsolideerde, gedraineerde CD-proef op waterverzadigde grond (Engels: consolidated drained test).

Elk type proef wordt hierna toegelicht.

1. De ongeconsolideerde, ongedraineerde UU-proef op waterverzadigde grond
Bij de UU-triaxiaalproef wordt na plaatsing van het monster in de cel de uitstroming van het poriënwater ten gevolge van het aanbrengen van de celspanning σ_h en vervolgens van de verticale belasting q = P/A volledig verhinderd door het afsluiten van de drainageafvoer (zie figuur 5.9a). Daardoor worden tijdens de proef wateroverspanningen opgewekt. In termen van grondspanningen is het resultaat van een dergelijke proef weergegeven in figuur 5.9b.

Punt 1 stelt de situatie voor van het ontlaste, onbelaste monster; daarbij wordt het eigen gewicht van het monster verwaarloosd. Hoewel in die situatie de grondspanning gelijk is aan nul, kan de korrelspanning wel een zekere waarde hebben. Aan de oppervlakte van het monster kunnen zich immers capillaire spanningen ontwikkelen, waardoor een negatieve waterspanning, dat wil zeggen een even grote positieve korrelspanning aanwezig is; de grootte hiervan is onbekend.

Punt 2, dat de situatie representeert na het opleggen van de alzijdige celspanning, valt in termen van korrelspanning samen met punt 1, omdat de celdruk bij gesloten drainage geheel wordt opgenomen door het water in het monster; als gevolg daarvan verandert de korrelspanning niet. Theoretisch is af te leiden dat door het aanbrengen van de verticale belasting q de waterspanningsverhoging onder bepaalde voorwaarden 1/3 q bedraagt; zie onder andere Langejan [1972] inzake de door Skempton [1954] geïntroduceerde waterspanningscoëfficiënten A en B in de formule:

∆u = B [∆σ_h(∆σ_v - ∆σ_h)]

waarin:

Als de waterspanningsverhoging ten gevolge van de verticale belasting een waarde 1/3 q heeft, betekent dit dat de horizontale korrelspanning σ_h’ met datzelfde bedrag afneemt en dat de verticale korrelspanning σ’_ν met 2/3 q toeneemt (zie figuur 5.9c). De cirkels 3a, 3b en 3c hebben dezelfde diameter als de overeenkomstige cirkels in figuur 5.9b, maar zijn ten opzichte van deze enigszins verschoven; de verschuiving bedraagt 1/3 q. De diameter heeft steeds de grootte q. cirkel 3c geeft de bezwijktoestand weer.

De ligging van de cirkels van Mohr voor de korrelspanningen wordt dus bepaald door de in het monster heersende capillaire spanning en is onafhankelijk van de celdruk. Bij herhaling van de proef met een andere celdruk wordt dan ook dezelfde bezwijkcirkel gevonden. Het is dus niet mogelijk om de omhullende te tekenen. Een dergelijke ongeconsolideerde, ongedraineerde triaxiaalproef levert daarom geen waarden op voor de hoek van inwendige wrijving φ’ of de cohesie c’. Wel wordt een waarde gevonden voor de zogenaamde ongedraineerde schuifweerstand f_undr (internationaal: c_u) ter grootte van de halve diameter van de Mohrse bezwijkcirkel:

De ongedraineerde schuifweerstand wordt als bezwijkparameter gebruikt indien het materiaal een snelle belastingtoename ondergaat, bijvoorbeeld bij sonderen in klei. De hoek van inwendige wrijving wordt daarbij gelijk aan nul verondersteld. Voor de globale bepaling van de ongedraineerde cohesie kan overigens ook gebruik worden gemaakt van eenvoudige, in het terrein uitvoerbare proeven zoals de pocket-penetrometerproef of de handtorvaneproef.

2. De geconsolideerde, ongedraineerde CU-proef op waterverzadigde grond
In de CU-triaxiaalproef wordt de spanningstoestand 2 ten opzichte van de hierboven beschreven ongeconsolideerde proef wel duidelijk gedefinieerd wat betreft de korrelspanning. Na plaatsing van het monster en aanbrengen van de celspanning wordt nu wel gedraineerd, zodat de waterspanning tot nul terugloopt en de korrelspanning σ’_h wordt.
Tijdens de belasting door de deviatorspanning wordt echter de drainage weer verhinderd, zodat spanningscirkels voor de grondspanning ontstaan conform figuur 5.10a.

Wanneer tijdens de proef de gegenereerde wateroverspanningen worden geregistreerd, kunnen de cirkels voor de korrelspanningen conform figuur 5.10b worden getekend. De registratie van wateroverspanningen in het monster is alleen mogelijk met behulp van speciale drukopnemers met een minimale waterverplaatsing. Als dergelijke opnemers niet voorhanden zijn, wordt in de praktijk ook wel aangenomen dat de waterspanningen in het monster zich ontwikkelen zoals beschreven bij de zogenaamde UU-proef; in dat geval bedraagt de wateroverspanning Δu = 1/3 q. De bezwijkcirkels zijn in beide proeven aangegeven met c, ze zijn in de figuren 5.10a en 5.10b even groot, maar zijn ten opzichte van elkaar verschoven.

In beide situaties is de omhullende getekend; de grenslijn in figuur 5.10b levert de werkelijke of gedraineerde sterkteparameters φ’ en c’. De lijn in figuur 5.10a geeft alleen inzicht in een situatie waarbij een bepaalde snelle toename van de belasting optreedt; dan kan worden gerekend met de zogenaamde ‘ongedraineerde’ parameters φ en c.

3. De geconsolideerde, gedraineerde CD-proef op waterverzadigde grond
In de CD-triaxiaalproef wordt, evenals bij de CU-proef, de spanningstoestand 2 duidelijk gedefinieerd door het monster eerst te laten consolideren totdat de wateroverspanning tot nul is gereduceerd. Vervolgens wordt in toestand 3 bij geopende drainage de deviatorspanning zo langzaam opgevoerd dat generatie van wateroverspanningen wordt vermeden. De proef verloopt in principe hetzelfde als de hierboven beschreven proef op grofkorrelig, goed doorlatend materiaal; zie figuur 5.8. Omdat de afstroming van overspannen water in fijnkorrelige, slecht doorlatende grond zeer langzaam verloopt, is de proef in dat geval zeer tijdrovend; hij wordt daarom in het algemeen weinig toegepast.