Volumesteekringmethoden

Bij de zogenaamde volumesteekringmethode (Engels: core cutter, drive cylinder) wordt ter vaststelling van het volume grond een stalen monsterring in de grond gedreven. De inhoud van zo’n ring bedraagt meestal ten minste 0,5 liter; het exacte volume kan worden berekend aan de hand van de inwendige diameter en de hoogte. In Nederland wordt volgens de Standaard RAW bepalingen 2000 (proef 4.4) gebruik gemaakt van ‘een cilindrische vorm van roestvrij staal, inwendige diameter (95,7 ± 0,5) mm, inwendige hoogte (81,5 ± 0,5) mm, inwendig volume V (berekend met een nauwkeurigheid van 0,1 cm³), aan de bovenzijde voorzien van een afneembaar cilindrisch kraagstuk van roestvast staal, met dezelfde inwendige diameter en een inwendige hoogte 40 mm’. Een en ander betekent dat de inhoud kan variëren tussen 576,6 cm³ en 596,0 cm³.

In de praktijk worden vele verschillende typen steekringen gebruikt. Aan de wanddikte worden meestal geen specifieke eisen gesteld, evenmin als aan de vorm van de snij- of steekrand, die aan de onderzijde van de cilinder is aangebracht. Feirabend [1963] definieerde de snijrand van de steekring welke door het voormalige Rijkswegenbouwlaboratorium (RWL) werd gebruikt en welke momenteel bij de Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW) van de Rijkswaterstaat wordt toegepast; zie figuur 6.2a.

De resultaten van de dichtheidsmetingen kunnen in sterke mate worden beïnvloed door de vorm van de snijrand. In dat verband rapporteerden onder anderen Kuijper en Van den Oord [1992] over het verschil tussen de DWW-steekring volgens Feirabend [1963] en een steekring in gebruik bij een aannemersorganisatie; zie figuur 6.2b.

Grondmechanica Delft ontwierp een steekring met een snijrandvorm die meer verwantschap vertoont met de snijrand volgens DIN 18125; zie de figuren 6.2c en 6.2d. Volgens DIN 18125 dient de inwendige diameter d_i minstens 96 mm te bedragen, terwijl de verhouding tussen hoogte en inwendige diameter ongeveer 1,2 moet zijn. Bovendien wordt aan de wanddikte de eis gesteld dat voor de oppervlakteverhouding geldt:

Daarbij stelt d_u de uitwendige en d_i de inwendige diameter van de steekring voor. De dikte van de basis van de snij- of steekrand bedraagt 0,2 mm en de hoek die de buitenkant van de steekrand maakt met de horizontaal is 75°.

De binnendiameter van de steekring wordt ook vaak afhankelijk gesteld van de grootste korreldiameter van het te steken materiaal. Zo wordt bij DIN 18125 [1986] geëist dat het percentage deeltjes met een diameter groter dan 0,02 d_i hoogstens 10 bedraagt, dat wil zeggen: bij een steekringdiameter van circa 100 mm mag het monster maximaal 10% grind (deeltjes groter dan 2 mm) bevatten; de grootste grindkorrels mogen een diameter van maximaal circa 5 mm hebben.

De in-situ-bepaling van de dichtheid met behulp van steekringen geschiedt in grote lijnen volgens een zelfde procedure. Nadat zo nodig van de bovenzijde van het maaiveld een laagje grond is verwijderd, zodat zich beneden het horizontale oppervlak representatieve, ongeroerde grond bevindt, wordt de steekring op de grond geplaatst en vervolgens zuiver verticaal (zonder richtingverandering) en gelijkmatig de bodem ingedreven.

Niet bij alle procedures zijn daartoe specifieke richtlijnen gegeven; de ring kan met handkracht of met behulp van wegenbouwapparatuur, bijvoorbeeld een bulldozerblad, in de grond worden gedrukt. Bij een aantal procedures wordt een speciaal hulptoestel gebruikt. Het toestel dient om de steekring door middel van statische of dynamische krachten, dat wil zeggen door middel van drukken respectievelijk slaan of heien, te laten penetreren. Daarbij wordt meestal gebruik gemaakt van een op de steekring te plaatsen opzetstuk, waarop de statische dan wel dynamische penetratiekracht wordt uitgeoefend.

In de Standaard RAW Bepalingen 2000 (proef 4.4) wordt melding gemaakt van een ‘toestel, bestaande uit een raamwerk van hoekstaal, grondoppervlak 0,40 x 0,60 m², voorzien van een metalen leibuis, lengte 0,50 m, inwendige diameter 64 mm, waarin een gewicht van 5,9 kg vrij kan vallen’; zie figuur 6.3a.

Grondmechanica Delft hanteert een methode waarmee de steekring inclusief opzetstuk met behulp van een spindel in een frame of met behulp van een traditionele sondeerinstallatie in de grond wordt gedrukt. Bij de apparatuur volgens DIN 4021 kan de steekring zowel door middel van statische drukkracht als door middel van heien penetreren; zie figuur 6.3b.

In alle genoemde uitvoeringen wordt de steekring inclusief opzetstuk in beginsel weggedrukt of weggeslagen totdat de bovenrand zich op enige diepte beneden het zandoppervlak aan de buitenzijde van de ring bevindt. Vervolgens wordt eerst de grond rondom de steekring verwijderd tot een diepte beneden de onderzijde van de ring, zonder overigens die onderzijde aan het licht te brengen. Daarna wordt de steekring horizontaal losgestoken en wordt de onderzijde door middel van een stalen liniaal of een gespannen snaar met een zagende beweging afgestreken.

Nadat de ring met de afgestreken zijde op een stalen plaat is gezet, wordt het opzetstuk verwijderd, waarna de bovenkant van de ring op eenzelfde wijze wordt afgestreken; zie figuur 6.4a. Ten behoeve van transport en opslag wordt de ring vervolgens voorzien van afsluitdoppen; zie figuur 6.4b. In bijzondere gevallen wordt getracht de in het materiaal aanwezige terreinspanning zo veel mogelijk te behouden door toepassing van een onder- en een bovenplaat. In combinatie met trekstangen voorkomen deze dat het monster expandeert; zie figuur 6.4c. Ten slotte wordt de vochtige massa van het steekringmonster bepaald door in het laboratorium het vochtige zand voorzichtig uit de steekring te verwijderen en de massa ervan te bepalen door weging.

Bij sommige uitvoeringen, zoals die volgens DIN 4021, kan de steekring juist zover penetreren dat de bovenrand uiteindelijk gelijk komt te liggen met het zandoppervlak; zie figuur 6.3b. In die laatste situatie zal het zandoppervlak binnen de steekring echter niet altijd op gelijk niveau liggen met dat erbuiten. Ten gevolge van de penetratie van de steekring treden in het zand immers schuifspanningen op langs glijvlakken die vertrekken vanaf de snijrand. Daardoor vinden in de glijvlakken binnen en buiten de ring herschikkingen van het oorspronkelijke korrelskelet plaats; afhankelijk van de vorm van de snijrand kan het zand in de steekring in een lossere of vastere pakking dan de oorspronkelijke komen te verkeren. Zand waarvan de initiële dichtheid groter is dan de kritieke dichtheid, wordt losser, terwijl zand dat oorspronkelijk losser gepakt was dan de kritieke dichtheid, een dichtere pakking krijgt. Het eerstgenoemde verschijnsel wordt wel aangeduid als dilatantie, het tweede als compactie.

Ingeval de bovenrand van de ring volgens DIN 18125 tot aan het omringende zandoppervlak is gepenetreerd in zand met een dichtheid groter dan de kritieke dichtheid, wordt volgens deze norm het eventueel boven de rand uitstekende volume zand zorgvuldig afgestreken om later te worden toegevoegd aan het zand dat zich in de steekringcilinder bevindt; de totale hoeveelheid vochtig zand wordt daarna gewogen. Ingeval de ring is gepenetreerd in zand met een dichtheid kleiner dan de kritieke dichtheid, ligt het zandoppervlak beneden de rand en is afstrijken niet nodig.

Nadat de in de ring aanwezige hoeveelheid zand inclusief water is gewogen, kan de vochtige dichtheid worden berekend met behulp van het volume van de steekring; in beide gevallen wordt daarbij volgens DIN 18125 [1986] als volume van het zand de theoretische, berekende inhoud van de steekring aangehouden. Feirabend [1963] beval daarentegen aan om de inhoud te berekenen met behulp van een inwendige diameter die 0,7 mm groter is dan de werkelijke diameter; latere proeven hebben echter uitgewezen dat deze werkwijze is af te raden. De Standaard RAW Bepaligen 2000 schrijft voor ter bepaling van de inhoud de gemeten binnendiameter en de gemeten hoogte van de ring te hanteren; ook Grondmechanica Delft hanteert dit principe.

In de praktijk wordt de steekringmethode in het algemeen aanbevolen voor dichtheidsbepalingen in fijne en middelgrove zanden; voor grindzandmengsels en zandarme grinden is ze niet geschikt. In samenhangende gronden zonder grove korrels wordt de methode ook veelvuldig toegepast, al worden daarbij meestal steekringen gebruikt met een kleinere inhoud.

De systematische fouten in de volumebepaling met behulp van diverse steekringen zijn in het algemeen verwaarloosbaar: ze zijn niet groter dan 0,1 - 0,2%. Bij zorgvuldige uitvoering van de steekringmethode in zand, door gekwalificeerd personeel, bedraagt de proeffout in de gevonden droge dichtheid gewoonlijk circa 1%. Het aantal monsters dat door twee ervaren personeelsleden per dag kan worden gestoken uit de oppervlaktelaag bedraagt ongeveer vijftig.

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

• Door het indrukken of inslaan van de cilinder treedt in verticale en in laterale richting verdringing op, waardoor compactie of dilatantie mogelijk is; de mate van compactie of dilatantie wordt behalve door de aanwezige dichtheid in relatie tot de kritieke dichtheid van het betreffende zand beïnvloed door de wanddikte van de steekring en de vorm van de steekrand; ook de grootte van de schijnbare cohesie speelt een rol van betekenis.
• De grove korrels die zich in het zand bevinden, kunnen de steekrand beschadigen; als ze door de rand binnen of buiten de steekring worden gedrongen, worden in het monster verstoringen geïntroduceerd.
• Aan de binnenzijde verroeste of vervuilde steekringen kunnen door extra wrijving langs de binnenmantel een zekere compactie of dilatantie veroorzaken, waardoor te hoge of te lage dichtheden kunnen worden gemeten.
• Indien de cilinder tijdens het indrukken in de grond niet zuiver verticaal penetreert, wordt de grondopbouw binnen de cilinder verstoord, waardoor foutieve dichtheden worden gemeten.