Vervangingsmethoden met zand en grind

De zandvervangingsmethoden (Engels: sand cone methods) en grindvervangingsmethoden behoren tot de grote groep van in-situ-dichtheidsbepalingen waarbij het volume van het aan de zandbaan onttrokken monster niet tevoren bekend is; bij de steekringmethoden is dat wel het geval.

Nadat bij de zandvervangingsmethode (of grindvervangingsmethode) een monster is genomen door het graven van een gat, dient vervolgens het in-situ-volume van elk monster te worden bepaald door de inhoud van het gegraven gat zo nauwkeurig mogelijk te meten. Deze methoden zijn daarom ook wel bekend onder de naam ‘gegraven-gatmethoden’

Bij de zandvervangingsmethode wordt op het horizontale zandoppervlak eerst een stalen grondplaat gelegd; zie figuur 6.5. Het vlak is tevoren zo nodig tot een bepaalde diepte ontgraven om de proef in representatieve, ongeroerde grond te kunnen uitvoeren. De plaat heeft een oppervlakte van circa 0,5 x 0,5 m² en bezit in het midden een cirkelvormige opening; hij kan eventueel met stalen pennen in de ondergrond worden vastgezet. Volgens DIN 18125 dient de buitendiameter van de plaat minstens 0,2 m groter te zijn dan de gatdiameter; de gatdiameter moet daarbij minstens 0,2 m bedragen en groter zijn dan viermaal de grootste korreldiameter van het te bemonsteren materiaal.

Vervolgens wordt het zand beneden het oppervlak van de opening met een schepje voorzichtig uitgegraven tot een diepte van circa 0,1 à 0,2 m; DIN 18125 geeft als maximale diepte 1,5 maal de gatdiameter aan. Bij het uitgraven mag het oorspronkelijke korrelskelet van wand en bodem slechts minimaal worden verstoord. Het uitgegraven zand wordt zorgvuldig vochtdicht verpakt. Tot besluit wordt het vóór en na droging gewogen ter bepaling van de vochtige respectievelijk de droge massa.

Het volume van het gat wordt gemeten met behulp van een hoeveelheid droog zand die via een speciale omgekeerde trechter in het gat stroomt. De omgekeerde trechter met daaraan vastgekoppeld een voorraadvat zand wordt daartoe op de grondplaat opgesteld, terwijl zich tussen vat en trechter een schuif bevindt; zie figuur 6.6. Als na opening van de schuif op deze wijze het gat en de trechter met zand zijn volgestroomd, wordt de schuif gesloten en kan door weging van het voorraadvat worden vastgesteld hoeveel gewicht aan zand is uitgestroomd.

Het gebruikte zand is eenkorrelig en volkomen droog; volgens DIN 18125 dient het vochtgehalte kleiner te zijn dan 0,2%. Tevoren heeft een kalibratie plaatsgevonden van het volume dat een bepaalde gewichtshoeveelheid zand na de boven beschreven uitstroming inneemt; ook het volume zand dat zich in de omgekeerde trechter bevindt, is tevoren geijkt. Na afloop van de proef dient het uitgestroomde en teruggewonnen zand eerst gedroogd en gezeefd te worden, voordat het opnieuw kan worden gebruikt.

De zandvervangingsmethode geschiedt volgens de Standaard RAW Bepalingen 2000 conform BS1377. Ze kan in de praktijk worden toegepast in goedgegradeerde en grofkorrelige cohesieve en niet-cohesieve gronden waarin de steekring niet kan penetreren zonder verstoring van de grondstructuur. De maximale korrelgrootte in deze gronden mag circa 63 mm bedragen, mits de poriën klein genoeg zijn om te voorkomen dat het instroomzand daarin wegvloeit.

Voor de bepaling van de in-situ-dichtheid van steenfunderingsmaterialen wordt in plaats van zand wel gebruik gemaakt van schoon en droog grind als vervangingsmateriaal; dit om te voorkomen dat het uitstroommateriaal in de grove poriën dringt. Het grind dient daarbij een korrelgrootteverdeling te bezitten die geheel ligt tussen 2 mm en 4 mm.

Ook voor de bepaling van de in-situ-dichtheid van zand wordt de zandvervangingsmethode meer en meer verdrongen door de grindvervangingsmethode. De belangrijkste reden hiervoor is dat grind minder gevoelig is voor de aanwezigheid van vocht dan zand.

De systematische fout in de volumebepaling met behulp van de zand- of grindvervangingsmethode is volgens de meeste onderzoekers relatief klein; in de praktijk wordt hij dan ook veelal verwaarloosd. Bij zorgvuldige uitvoering van de zandvervangingsproef door gekwalificeerd personeel bedraagt de proeffout in de gevonden droge dichtheid circa 1 à 2%. Het aantal monsters dat twee ervaren personeelsleden per dag kunnen nemen uit de oppervlaktelaag, bedraagt ongeveer dertig.

Als belangrijkste bronnen van fouten in de bepaling van de droge dichtheid kunnen de volgende omstandigheden worden genoemd:

• Het uitstroomzand is gevoelig voor vocht. Reeds bij vochtgehalten van 0,5 à 1%, die zeker in een vochtige omgeving al na korte tijd kunnen optreden, kan door schijnbare cohesie in het zand een zekere kruimelstructuur ontstaan. Daardoor wordt het volume van het gat kleiner verondersteld dan het in werkelijkheid is en wordt een te hoge dichtheid gevonden.
• Bij het ontgraven moeten alle losse gronddeeltjes uit het gat worden verwijderd. Een platte, ondiepe gatbodem dient te worden vermeden en het gat mag zich in horizontale zin niet tot onder de staalplaat uitstrekken. Grindzandgronden en vooral steenfunderingsmaterialen zullen door de ontgraving enigermate losser worden, waardoor aanzienlijke proeffouten - in de grootteorde van 10% - kunnen ontstaan.
• Na de meting mag alleen het ijkzand dat schoon is gebleven uit het gat worden teruggewonnen. De korrelgrootteverdeling van het zand is van invloed op de reproduceerbaarheid van de volumebepalingen; zand waarvan de korrelverdeling geheel ligt tussen 300 ìm en 600 ìm levert de beste resultaten op. Ook indien fijn grind wordt toegepast als vervangingsmateriaal, verdient een uniforme korrelgrootteverdeling de voorkeur.
• Variaties in de oorspronkelijke hoogte van het zand in het voorraadvat en variaties in de diepte van het ontgraven gat alsmede de ruwheid van de gatwand kunnen fouten in de bepaling van de dichtheid introduceren. De wandruwheid van het gat en de beginhoogte van het zand in het voorraadvat dienen dus zo veel mogelijk in overeenstemming te zijn met de situatie tijdens de ijking van het zand. Dit betekent dat na elke proef de hoeveelheid zand in het voorraadvat weer met schoon, droog zand moet worden aangevuld.