Benodigde geohydrologische eigenschappen
Het draagvermogen van een zandlaag wordt ontleend aan de schuifweerstand die kan worden gemobiliseerd langs glijdvlakken, welke bij toenemende belasting op enige diepe beneden het belastingsniveau zullen ontstaan. Volgens Coulomb bedraagt de schuifweerstand:
τ = c’ + σ’tgφ ‘, waarin c’ de effectieve cohesie representeert en φ’ de effectieve hoek van inwendige wrijving van het materiaal. De heersende korrelspanning σ’ loodrecht op een glijdvlak wordt bepaald door de grondspanning σ (het gewicht van de bovenliggende lagen en de verkeerslasten), maar ook door de eventueel aanwezige waterspanning u. Beneden de grondwaterspiegel verloopt deze waterspanning als regel hydrostatisch. De hoofdwet van de grondmechanica voor verzadigde grond luidt:
σ = σ’ + u of σ’ = σ - u
Bovenstaande formule geeft aan dat beneden de grondwaterspiegel de toename van de korrelspanning met de diepte minder progressief verloopt dan in deels verzadigd of droog materiaal boven de grondwaterspiegel.
Boven de freatische lijn vindt in zand een capillaire opstijging van water plaats, waardoor over een aantal decimeters een vrijwel volledige verzadiging wordt bereikt. De onderdruk of negatieve waterspanning die in het water boven de freatische lijn heerst wordt zuigspanning genoemd; omdat de grondspanning ongewijzigd blijft doet de negatieve waterspanning de korrelspanning stijgen en verhoogt daardoor de schuifweerstand.
Door allerlei oorzaken van buitenaf kan het waterspanningsverloop veranderen, waarmede tevens veranderingen van de schuifweerstanden worden geïntroduceerd. Verhoging van de grondwaterstand zal de korrelspanningen doen afnemen, hetgeen een vermindering van de schuifweerstand en dus een lager draagvermogen met zich meebrengt. Een dergelijke verhoging kan bijvoorbeeld optreden als gevolg van een wijziging van het polderpeil; deze vindt gewoonlijk voor een bepaalde tijd plaats en is in de meeste gevallen voorzien. Ten gevolge van een plotselinge regenbui en/of het intreden van dooi na een vorstperiode kan echter ook tijdelijk zoveel wateraandrang ontstaan dat een hogere grondwaterstand ontstaat, vooral wanneer water van bovenaf door de (open) verharding kan doordringen en wanneer de drainage van het zandlichaam te wensen overlaat.
De afstroming van het surplus aan water kan door een aantal factoren worden belemmerd, c.q. worden verhinderd:
τ = c’ + σ’tgφ ‘, waarin c’ de effectieve cohesie representeert en φ’ de effectieve hoek van inwendige wrijving van het materiaal. De heersende korrelspanning σ’ loodrecht op een glijdvlak wordt bepaald door de grondspanning σ (het gewicht van de bovenliggende lagen en de verkeerslasten), maar ook door de eventueel aanwezige waterspanning u. Beneden de grondwaterspiegel verloopt deze waterspanning als regel hydrostatisch. De hoofdwet van de grondmechanica voor verzadigde grond luidt:
σ = σ’ + u of σ’ = σ - u
Bovenstaande formule geeft aan dat beneden de grondwaterspiegel de toename van de korrelspanning met de diepte minder progressief verloopt dan in deels verzadigd of droog materiaal boven de grondwaterspiegel.
Boven de freatische lijn vindt in zand een capillaire opstijging van water plaats, waardoor over een aantal decimeters een vrijwel volledige verzadiging wordt bereikt. De onderdruk of negatieve waterspanning die in het water boven de freatische lijn heerst wordt zuigspanning genoemd; omdat de grondspanning ongewijzigd blijft doet de negatieve waterspanning de korrelspanning stijgen en verhoogt daardoor de schuifweerstand.
Door allerlei oorzaken van buitenaf kan het waterspanningsverloop veranderen, waarmede tevens veranderingen van de schuifweerstanden worden geïntroduceerd. Verhoging van de grondwaterstand zal de korrelspanningen doen afnemen, hetgeen een vermindering van de schuifweerstand en dus een lager draagvermogen met zich meebrengt. Een dergelijke verhoging kan bijvoorbeeld optreden als gevolg van een wijziging van het polderpeil; deze vindt gewoonlijk voor een bepaalde tijd plaats en is in de meeste gevallen voorzien. Ten gevolge van een plotselinge regenbui en/of het intreden van dooi na een vorstperiode kan echter ook tijdelijk zoveel wateraandrang ontstaan dat een hogere grondwaterstand ontstaat, vooral wanneer water van bovenaf door de (open) verharding kan doordringen en wanneer de drainage van het zandlichaam te wensen overlaat.
De afstroming van het surplus aan water kan door een aantal factoren worden belemmerd, c.q. worden verhinderd:
- De geringe doorlatendheid van het zandlichaam zelf als gevolg van de samenstelling van het zand.
De zogenaamde vochtgevoelige zanden bevatten een relatief hoog percentage fijne delen en vooral actieve kleideeltjes. Nadat de grondwaterstand rondom het zandlichaam weer normaal is wordt het vocht in de poriën van het zand nog enige tijd vastgehouden; de afstroming van over tollig water geschiedt vervolgens traag door de relatief lage doorlatendheid van het zand - De slechte doorlatendheid van de grondlagen aan weerszijden en onder het zandlichaam. Wanneer het zandlichaam is omsloten door min of meer ondoorlatende grond kan gemakkelijk een zogenaamde badkuipwerking ontstaan; in het op zich doorlatende zandlichaam blijft gerui me tijd een hoge waterstand gehandhaafd, terwijl de grondwaterstand in de omgeving alweer normaal is
- De aanwezigheid van een bevroren grondlaag op enige diepte beneden de bovenkant van de aardenbaan.
Wanneer na een periode van vorst, waarbij zich in het zand ijslenzen hebben gevormd, de dooi intreedt, zal ten gevolge van het smelten van bevroren poriënwater en van ijslenzen uit de bovenlagen of door penetratie van regen- of smeltwater van het (open) wegdek een doorgaans grote hoeveelheid water vrijkomen. Door de aanwezigheid van nog bevroren ijslenzen beneden het dooifront kan het smeltwater niet in de ondergrond wegzakken en ontstaat een waterverza digde zandmassa. Dit verschijnsel staat bekend onder de naam ‘opdooi’.
De bovenbeschreven verschijnselen van wateroverlast kunnen leiden tot hogere grondwaterstanden dan normaal of tot schijn-grondwaterstanden; ze veroorzaken op die manier een vermindering van de korrelspanningen, waardoor het draagvermogen afneemt.
Naast deze hydrostatische drukverhogingen introduceren de verkeerslasten echter ook spanningsverhogingen; in eerste instantie worden de verkeerslasten in waterverzadigd materiaal als wateroverspanningen opgenomen. Wanneer het zand goed doorlatend is en het zandlichaam als geheel goed kan draineren, worden deze overdrukken vrijwel onmiddellijk teniet gedaan door afstroming. De voor het draagvermogen noodzakelijke korrelspanningen blijven dan gehandhaafd.
Wanneer echter goede drainagemogelijkheden ontbreken, blijven de overdrukken in het water bestaan: door cumulatie van verkeerslasten kunnen zij zelfs groeien. Bij voldoend hoge overdrukken worden de oorspronkelijke korrelspanningen tenslotte volledig opgeheven. De contacten tussen de korrels zijn niet meer aanwezig: het zand is verweekt. Verweking is een van de belangrijkste oorzaken van ontoelaatbare schade aan wegen en is altijd terug te voeren op gebrekkige drainage.
Naast deze hydrostatische drukverhogingen introduceren de verkeerslasten echter ook spanningsverhogingen; in eerste instantie worden de verkeerslasten in waterverzadigd materiaal als wateroverspanningen opgenomen. Wanneer het zand goed doorlatend is en het zandlichaam als geheel goed kan draineren, worden deze overdrukken vrijwel onmiddellijk teniet gedaan door afstroming. De voor het draagvermogen noodzakelijke korrelspanningen blijven dan gehandhaafd.
Wanneer echter goede drainagemogelijkheden ontbreken, blijven de overdrukken in het water bestaan: door cumulatie van verkeerslasten kunnen zij zelfs groeien. Bij voldoend hoge overdrukken worden de oorspronkelijke korrelspanningen tenslotte volledig opgeheven. De contacten tussen de korrels zijn niet meer aanwezig: het zand is verweekt. Verweking is een van de belangrijkste oorzaken van ontoelaatbare schade aan wegen en is altijd terug te voeren op gebrekkige drainage.
Behalve de desastreuze gevolgen van een slechte drainage dienen ook de gevolgen van de aanwezigheid van vorstgevoelig materiaal te worden genoemd. Bij aanhoudende vorst zal het weglichaam van bovenaf bevriezen tot een diepte waar warmte-evenwicht wordt bereikt. Bij temperatuurdaling begint water vanaf een niveau van 4 °C uit te zetten, terwijl er tevens op de grens van 0 °C door fysische pro- cessen water kan worden aangetrokken naar dit front. Voorwaarde voor voldoende aanvoer van vocht uit dieper gelegen lagen is, behalve de aanwezigheid van water, de zogenaamde vorstgevoeligheid van de grond. De vorstgevoeligheid wordt vooral bepaald door het vermogen van de grondmassa om water in relatief korte rijd capillair te doen opstijgen vanaf het freatisch niveau naar het vorstfront. Aan het vorstfront kunnen zich dan ijslenzen vormen die door uitzetting en aangroeiing de erboven gelegen constructie omhoog drukken; dit verschijnsel wordt aangeduid als ‘opvriezen’.
Samenvattend kan worden gesteld dat de aanwezigheid van (teveel) water met name in het deel van het zandbed direct onder de verharding zoveel als mogelijk moet worden voorkomen. Daarvoor is, naast een drooglegging van voldoende hoogte een goede drainagecapaciteit een eerste vereiste en dienen dus bij voorkeur materialen voor de zandbaan te worden toegepast die goed doorlatend zijn.
Uit de literatuur is bekend, dat niet zo zeer de grofheid van het zand (D50) maar veeleer de relatieve en absolute hoeveelheden fijn materiaal (bijvoorbeeld D10, respectievelijk het percentage deeltjes kleiner dan 20 μm, 16 μm of 2 μm) zeer grote invloed hebben op de doorlatendheid. Vooral ook de aard van deeltjes kleiner dan 2 μm (microzand of lutum) en de rijpingsgraad van de lutum zijn van cruciaal belang.
Verder dient in dat verband de capillaire stijghoogte te worden beperkt. Onder andere uit onderzoek op Nederlands zand door Lubking [1979] is gebleken dat de capillaire stijghoogte lager is naarmate de D10 of D50 hoger ligt, dat wil zeggen naarmate het zand grover is en naarmate het minder fijn materiaal bevat.
Uit de literatuur is bekend, dat niet zo zeer de grofheid van het zand (D50) maar veeleer de relatieve en absolute hoeveelheden fijn materiaal (bijvoorbeeld D10, respectievelijk het percentage deeltjes kleiner dan 20 μm, 16 μm of 2 μm) zeer grote invloed hebben op de doorlatendheid. Vooral ook de aard van deeltjes kleiner dan 2 μm (microzand of lutum) en de rijpingsgraad van de lutum zijn van cruciaal belang.
Verder dient in dat verband de capillaire stijghoogte te worden beperkt. Onder andere uit onderzoek op Nederlands zand door Lubking [1979] is gebleken dat de capillaire stijghoogte lager is naarmate de D10 of D50 hoger ligt, dat wil zeggen naarmate het zand grover is en naarmate het minder fijn materiaal bevat.
Reeds in de dertiger jaren kwam Casagrande [1931] tot de conclusie dat de vorstgevoeligheid sterk wordt bepaald door parameters die aan het korrelverdelingsdiagram kunnen worden ontleend: het percentage deeltjes kleiner dan 20 μm en de gelijkmatigheidscoëfficiënt. De oorspronkelijke tekst van het door hem opgestelde vorstgevoeligheidscriterium luidt: “Onder natuurlijke vorstomstandigheden en met voldoende watertoevoer kan belangrijke ijslensvorming worden verwacht in ongelijkvormige gronden, die meer dan 3% korrels kleiner dan 20 μm bevatten en in zeer gelijkvormige gronden, die meer dan 10% korrels kleiner dan 20 μm bevatten; geen ijslensvorming werd waargenomen in gronden die minder dan 1% korrels kleiner dan 20 μm bevatten, zelfs als het grondwaterpeil het vorstfront bereikt”.
Talrijke latere onderzoekers vonden soortgelijke correlaties, al dan niet aangevuld met extra voorwaarden ten aanzien van doorlatendheid, humusgehalte, capillaire stijghoogte, ZE-waarde en dergelijke. Recente onderzoekingen geven aan dat het gedrag bij vorst ook afhankelijk is van lokale factoren als klimatologische omstandigheden alsmede van verkeersbelastingen en -frequenties en dat de heffing in een gedefinieerde vriesproef een betrouwbaarder en scherper criterium voor de vorstgevoeligheid verschaft dan bovengenoemd criterium van Casagrande. Niettemin kan de vorstgevoeligheid in Nederland veelal voldoende accuraat worden gekarakteriseerd door middel van parameters die worden ontleend aan de korrelgrootteverdeling, eventueel aangevuld met de ZE-waarde (zandfactor), een en ander volgens publicaties van SCW (CROW) [1986] en Wiegers [1990]. Met name de ZE-proef blijkt, vanwege zijn gevoelige registratie van de fijne-siltfractie een goede indicatie te geven van de relatief snelle migratie van water naar het vorstfront; de lutumfractie veroorzaakt weliswaar ook capillairvochttransport, maar de snelheid daarvan is in vergelijking met die in de siltfractie laag. Dat is dan ook waarschijnlijk de reden dat Casagrande primair de siltfractie verantwoordelijk stelde voor de vorstgevoeligheid.
Talrijke latere onderzoekers vonden soortgelijke correlaties, al dan niet aangevuld met extra voorwaarden ten aanzien van doorlatendheid, humusgehalte, capillaire stijghoogte, ZE-waarde en dergelijke. Recente onderzoekingen geven aan dat het gedrag bij vorst ook afhankelijk is van lokale factoren als klimatologische omstandigheden alsmede van verkeersbelastingen en -frequenties en dat de heffing in een gedefinieerde vriesproef een betrouwbaarder en scherper criterium voor de vorstgevoeligheid verschaft dan bovengenoemd criterium van Casagrande. Niettemin kan de vorstgevoeligheid in Nederland veelal voldoende accuraat worden gekarakteriseerd door middel van parameters die worden ontleend aan de korrelgrootteverdeling, eventueel aangevuld met de ZE-waarde (zandfactor), een en ander volgens publicaties van SCW (CROW) [1986] en Wiegers [1990]. Met name de ZE-proef blijkt, vanwege zijn gevoelige registratie van de fijne-siltfractie een goede indicatie te geven van de relatief snelle migratie van water naar het vorstfront; de lutumfractie veroorzaakt weliswaar ook capillairvochttransport, maar de snelheid daarvan is in vergelijking met die in de siltfractie laag. Dat is dan ook waarschijnlijk de reden dat Casagrande primair de siltfractie verantwoordelijk stelde voor de vorstgevoeligheid.