Dichtheid van natuurlijk zand

In het algemeen kan worden gesteld dat de in-situ-dichtheid in t/m³ van natuurlijke fijne zanden lager ligt dan die van grove. Dit verschijnsel is voornamelijk toe te schrijven aan het feit dat grove zanden in de natuur in het algemeen beter gegradeerd zijn dan fijne. De minimumdichtheid van natuurlijk zand varieert globaal tussen ρ_dr = 1,25 t/m³ en ρ_dr = 1,55 t/ m³; de maximumdichtheid tussen ρ_dr = 1,55 t/m³ en ρ_dr = 2,0 t/m³.

Normaal gesedimenteerd Nederlands zand vertoont onder natuurlijke omstandigheden in het algemeen een dichtheid tussen ρ_dr = 1,4 t/m³ en ρ_dr = 1,8 t/m³; zie figuur 2.49. De minimum-drogedichtheid die in het laboratorium kan worden bereikt, ligt in veel gevallen lager dan ρ_dr = 1,4 t/m³; de maximum-drogedichtheid kan volgens een referentiebepaling in het laboratorium ook hoger zijn dan ρ_dr = 1,8 t/m³.

In sommige gevallen wordt de pakking wel als vochtige dichtheid weergegeven. Ingeval van volkomen met water verzadigde grond betekent dit dat de droge dichtheid toeneemt met de massa van de hoeveelheid water die nodig is om alle poriën tussen de korrels te vullen:

ρ_sat = ρ_dr [1 + w_sat] = ρ_dr + n ρ_w

Bij gedeeltelijk verzadigd materiaal ligt de verzadigingsgraad S_r tussen 0 en 1. Deze kan worden uitgedrukt als het quotiënt van het poriëngehalte dat door water is gevuld n_w en het totale poriëngehalte n, of als het quotiënt van het onverzadigd vochtgehalte w en het verzadigd vochtgehalte w_sat:

Voor deels verzadigde grond geldt dan:

ρ = ρ_dr [1 + S_r.w_sat] = ρ_dr [1 + w] = ρ_dr + n_w ρ_w

Uitgedrukt in verzadigde dichtheden liggen de bovengenoemde grenzen van ρ_dr = 1,4 t/m³ en ρ_dr = 1,8 t/m³ op een niveau van ongeveer ρ_sat = 1,87 t/m³, respectievelijk ρ_sat = 2,12 t/m³.

De vochtige dichtheden, dat wil zeggen de dichtheden waarbij de verzadigingsgraad ligt tussen S_r = 0 en S_r = 1, representeren situaties waarbij slechts een deel van de poriën met water is gevuld. Zij liggen tussen beide bovengenoemde ranges in; in figuur 2.49 is dit gebied in grijs aangegeven.

Rechts van dit gebied is het zand dichter dan gewoonlijk in de natuur aangetroffen; dit gebied is als ‘verdicht’ aangeduid. Links van het grijze gebied vertoont het zand pakkingen die normaliter in de natuur nauwelijks consistent zijn, tenzij de korrels in de contactpunten aan elkaar zijn gebonden. Door binding of aaneenkitting kan een stabiel skelet worden gevormd, waarvan de dichtheid nog lager kan zijn dan de minimumdichtheid volgens de referentieproef. De binding kan tot stand worden gebracht door kalkverbindingen of andere minerale stoffen.

Bij onvolledige verzadiging kan echter in de korrelcontactpunten een capillaire waterspanning ontstaan, die eveneens een bindend effect heeft; zie ook paragrafen 3.3.4 en 5.5.2. Dit fenomeen, dat ‘schijnbare cohesie’ wordt genoemd, treedt voornamelijk op bij vochtgehalten van w = (2 - 8)%; wanneer de zandmassa uitdroogt of met water verzadigd raakt, valt deze cohesie weg. In de natuur kan onder bepaalde omstandigheden in vochtig zand een kruimelstructuur in stand worden gehouden met extreem lage dichtheden.

Uit praktijkmetingen van Denekamp en Tsur-Lavie [1981] en Brauckhoff [1969] in min of meer horizontaal afgezette formaties blijkt dat zand meestal relatieve dichtheden heeft tussen circa 25% en circa 75%. Deze variatie kan tussen afzettingen (zandsoorten) onderling, maar soms ook van plaats tot plaats binnen één afzetting voorkomen. Dat betekent dat de droge dichtheid voor relatief fijn zand globaal zal variëren tussen ρ_dr = 1,4 t/m³ en ρ_dr = 1,6 t/m³ en voor relatief grof zand tussen ρ_dr = 1,6 t/m³ en ρ_dr = 1,8 t/m³. Dit is in overeenstemming met diverse praktijkmetingen, vooral in jonge afzettingen.

In termen van verzadigde dichtheid levert dit getallen op van ρ_sat = [1,9 - 2,0] t/m³ voor fijn zand en ρ_sat = [2,0 - 2,1] t/m³ voor grof zand; de dichtheid van vochtig zand ligt tussen beide gebieden (droog en verzadigd) in; de grootte hangt af van het vochtgehalte.

Shockley en Garber [1953] stelden een omvangrijk onderzoek in naar de droge dichtheid van alluviale Mississippizanden en vonden tendensen zoals aangegeven in figuur 2.50.

Hoekstra en Poelman [1973] deden uitgebreide bodemkundige onderzoekingen naar Nederlandse zandgronden en vonden dichtheden van ρ_dr = 1,45 t/m³ tot ρ_dr = 1,7 t/m³ in zandgronden die weinig of geen organisch materiaal bevatten. Gronden met hogere percentages organisch materiaal vertoonden aanmerkelijk lagere dichtheden, in casu ρ_dr = [1,1 - 1,3] t/m³. Verder merkten zij op dat de ontwateringstoestand en het leemgehalte van invloed zijn: nattere gronden en sterk lemige gronden tenderen naar lagere dichtheden dan droge respectievelijk leemarme gronden.