Grond en zijn eigenschappen

ALGEMEEN

Grond is een door de natuur gevormde of kunstmatig aangebrachte verzameling van korrels, die afhankelijk van de samenstelling, meer of minder, of in het geheel niet samenhangend zijn. De ruimten tussen de korrels heten poriŽn, die al of niet met water zijn gevuld. Zijn alle poriŽn met water gevuld, dan spreken we over een met water verzadigde grond. In sommige grondsoorten komt lucht voor, zoals in veen. Meestal zijn dit gassen die ontstaan zijn tijdens het rottingsproces van plantenresten.

Volgens het voorgaande bestaat grond dus uit korrels, lucht en water. Grond is ontstaan door verwering van gesteente. De harde deeltjes die tijdens het verweringsproces ontstaan vormen het zand, de zachtere deeltjes vormen de zg. kleimineralen. Door wind en stromend water worden deze gronddeeltjes naar andere plaatsen getransporteerd en bezinken dan. Op die manier ontstaan dikke, soms minder dikke lagen die uit zand of klei bestaan. In veel gevallen wisselen zand- en kleilagen elkaar af.

In Nederland onderscheiden we drie hoofdtypen grond, nl

In zuivere toestand komen deze grondsoorten zelden voor. Er bestaat dan ook een groot aantal overgangsvormen zoals: zandige klei, leemhoudend zand, veenhoudende klei, enz. Hoewel de aangegeven indeling zeer gebruikelijk is, noemen we met het oog op het onderwerp bronbemaling nog een andere indeling en spreken dan over grond met een open systeem en grond met een gesloten systeem. Tot de gronden met een open systeem behoren in hoofdzaak de zandgronden en gronden die in hoofdzaak uit zand bestaan. In gronden met een open systeem kan het grondwater spanningsvrij stromen.

Tot de gronden met een gesloten systeem behoren in hoofdzaak de klei- en veengronden en gronden met als hoofdbestanddeel klei of veen. In deze gronden kan het poriŽnwater zich niet spanningsvrij bewegen. In de gronden met een open systeem zal in het algemeen een bronbemaling aan de verwachtingen voldoen. In gronden met een gesloten systeem wordt in hoofdzaak gebruik gemaakt van een open- of oppervlaktebemating.

De verschillende grondsoorten zijn te onderscheiden naar:

Het draagvermogen van de grond is afhankelijk van de wrijving in de aanrakingsvlakjes tussen de korrels. Harde en hoekige korrels mobiliseren meer wrijvingsweerstand dan zachte en ronde korrels. Ook de gradering, dus het verschil in grootte is een maat voor de inwendige wrijvingsweerstand. Voorts spelen het vochtgehalte en de eventuele verhoogde waterspanningen een belangrijke rol.

De dichtheid van de grond wordt bepaald door de wijze waarop de korrels zijn gerangschikt en het onderlinge verschil in grootte van de korrels. Dit noemen we de structuur van de grond. Hieruit volgt, dat gronden die uit hetzelfde materiaal bestaan, niet altijd dezelfde dichtheid of draagvermogen zullen bezitten. Ook het doorlaatvermogen van gronden die uit hetzelfde materiaal bestaan, kunnen een wezenlijk verschil in doorlatendheid bezitten.


GRIND EN ZAND

Grind en zand bestaan in hoofdzaak uit kwarts. Dit is een zeer hard materiaal dat vrijwel ongevoelig is voor chemische inwerking. Gedurende het transport na het verweringsproces wordt het grind gebroken en geslepen, zodat de korrels kleiner zijn naarmate de afgelegde weg groter is. Over het algemeen ontstaan geen kleinere korrels dan 0.01 mm. Bij deze afmeting is het transport zwevend, zodat er vrijwel geen slijpwerking mee mogelijk is.

Zand is onsamenhangend. Door verontreiniging met slibdeeltjes en water ontstaat er enige samenhang. Bevat het zand meer dan 10% slibdeeltjes dan wordt het slecht doorlatend en neemt de capillaire stijghoogte toe tot 0,60 ŗ 0,80 m.

Door de hoekige korrelvorm is zand erg lastig te verdichten. Een zand-ophoging dient dan ook in geen dikkere lagen dan 0,30 m ŗ 0,40 m te worden aangebracht. Iedere laag dient afzonderlijk door trillen of stampen te worden verdicht.

 

KLEI

Kleimineralen zijn gemakkelijk splijtbaar en vormen bij verwering zeer kleine fracties. Deze zijn meestal kleiner dan 0,002 mm. Per eenheid van volume is het totale oppervlak van al deze kleine deeltjes zeer groot waardoor het waterbindend vermogen een belangrijke rol speelt. De klein kleideeltjes absorberen nl. vocht, waardoor zwelling kan optreden. De meeste Nederlandse kleisoorten bestaan uit typische kleiminerale zoals: illiet, montmorillomiet en kaoliniet. Voor het overige komt in klei ook kwarts voor in zeer fijn verdeelde vorm. Verder resten van veldspaat en sporen van humus. Door hun vorm en mineralogische samenstelling vertonen de kleiminerale een zeer grote onderlinge samenhang. We spreken daarom van cohesiev gronden. In verband met de geringe korrelafmetingen zijn de ruimten tussen de korrels, de poriŽn, wel groot in aantal doch zeer klein. Dit heeft tot gevolg dat klei zeer goede capillaire eigenschappen bezit. Maken we een bal van vochtige klei, dan zal deze na verdamping van het water, kleiner worden en bovendien zeer hard. Door de capillaire spanningen worden de kleideeltjes nl. dicht tegen elkaar aangezogen.

 

KORRELFRACTIES

Om de verschillende grondsoorten te karakteriseren verdelen we deze in fracties. Korrelfracties zijn korrelgroepen waarvan de grootste en kleinste diameter per groep wordt aangegeven.

Internationaal gezien bestaan hiervoor geen vaste regels. De oorzaak hiervan moet worden gezocht in de sterk uiteenlopende eigenschappen van de bodem en de wijze van onderzoek, die voor de verschillende plaatsen in de wereld nog niet uniform is. Een en ander blijkt duidelijk uit het grondsoortenoverzicht, met hierin de Nederlandse, alsmede enkele buitenlandse normen zijn opgenomen.

Aangezien de benaming van bodemkundige grootheden en grondsoorten veelvuldig aanleiding geeft tot `spraakverwarring', is het gewenst een overzicht te geven van een aantal begrippen en een bodemkundige indeling van grondsoorten die algemeen in Nederland worden aanvaard:

Lutumfraktie (klei)deeltjes < 2Ķ (=0.002 mm)
Slibfraktie of afslibbaar deeltjes <16 Ķ
Leemfractie deeltjes < 50 Ķ
Siltfraktie deeltjes tussen < 2 Ķ rn 50 Ķ
Zandfraktie deeltjes tussen 50 Ķ en 2000Ķ (0,050-2 mm)
Grindfraktie delen tussen 2mm en 64 mm
Stenenfraktie delen  
    1 Ķ = 0.001 mm

 

Kleihoudende gronden worden als regel ingedeeld naar het lutumgehalte (gewichtspercentage deeltjes < 2 Ķ). Zandgronden en leemgronden worden meestal ingedeeld naar het leemgehalte (gewichtspercentage < 50 Ķ). Zangronden (met minder dan 8% lutumfractie of minder dan 50% leemfractie) worden bovendien ingedeeld naar de korrelgrootte van het zand. Indien kleiarme bodemlagen humus (organische stof) bevatten wordt dit in de naamgeving opgenomen. Bij humusgehalten hoger dan 25 % spreekt men van veen.

In het algemeen kan worden gesteld dat bij de samenhangende grondsoorten, zoals zavel, klei, leem en meestal ook veen, die meestal een geringe doorlatendheid hebben, een verlaging van de grondwaterstand als regel kan worden bereikt door middel van een `open' bemaling, dat wil zeggen dat de bouwput wordt bemalen zonder dat gebruik wordt gemaakt van bronnen of filters. Bij een dergelijke open bemaling blijft de waterstandsverlaging beperkt tot de bodem van de bouwput. Als regel is de af te voeren hoeveelheid water gering, aangezien de zijdelingse wateronttrekking bij slecht doorlatende gronden gering is. Bij niet samenhangende gronden, zoals zand en grind is als regel geen open bemaling mogelijk en in die gevallen zal veelal `bronbemaling' moeten worden toegepast om de grondwaterstand te kunnen verlagen.

 

KORRELVERDELING

In iedere grondsoort komt een grote verscheidenheid van korreldiameters voor. Kennen we deze onderlinge verhoudingen, dan is het mogelijk de grondsoort te karakteriseren. Het onderzoek naar deze onderlinge verhoudingen heet "het herkenningsonderzoek" en kan op verschillende manieren worden uitgevoerd, afhankelijk van de samenstelling van de grond. Een van de meest toegepaste onderzoeksmethoden is de zeefproef. De resultaten van een herkenningsonderzoek kunnen uitgezet worden in een korrelverdelingsdiagram.

Op de horizontale as van een dergelijk diagram komen op logaritmische schaal de fracties voor, terwijl op de verticale as de gewichtspercentages van de fracties worden aangegeven die door een voorgaande zeef zijn gevallen. Het grondmonster wordt dus door een lijn voorgesteld. De horizontale logaritmische verdeling wordt toegepast om vooral de kleinste fracties tot hun recht te laten komen. Deze kleinste fracties zijn nl. van groot belang voor de grondmechanische en hydrologische eigenschappen van de grond. Heeft de korrelverdelingskromme een flauw verloop dan komen in zo'n monster vrijwel alle fracties voor. Heeft de kromme een steil verloop dan komen niet alle fracties in het monster voor en heeft de grond een gelijkmatige samenstelling. Het grondmonster bevat dan zeer veel korrels van gelijke grootte.

Op het korrelverdelingsdiagram is ook het mediaancijfer M50 af te lezen. Het mediaan-cijfer is de korrelgrootte waarbij 50% van het monster grover is of 50% fijner. De waarde van het M50-cijfer is een maat voor de grofheid van het zand. Hoe grover het zand, hoe hoger het M50-cijfer.

 

DE STRUCTUUR VAN DE GROND

Wanneer we over grond spreken, dan denken we aan een stelsel van zeer nauwe kanaaltjes zoals die gevormd worden door de openingen tussen de korrels. De diameters en de krommingen van deze kanaaltjes, die we poriŽn noemen, worden bepaald door de vorm en afmetingen van de korrels en de wijze waarop ze zijn gestapeld. We spreken ook wel over de structuur van de grond. Het quotiŽnt van het totale volume aan poriŽn (Vp) en het totale volume (V) van een grondmonster heet het poriŽngehalte(n), zodat:

 

Uit het voorgaande volgt, dat de korrelvorm en de korrelstapeling van groot belang zijn voor het poriegehalte. Het poriŽgehalte wordt ook wel holtepercentage genoemd.

De korrelgrootte, de korrelvorm en de mineralogische samenstelling, alsmede de geologische vorming hebben een belangrijke invloed op het poriegehalte.

Zand dat door sedimentatie is ontstaan heeft als regel een grotere dichtheid dan een stuifzandvorming. De dichtheid van een gesedimenteerde ondergrond zal door een ophoging slechts in zeer geringe mate toenemen. Zand is conservatief en de weerstand tegen samendrukking neemt ongeveer rechtlijnig toe met het verhogen van de druk door de aangebrachte ophoging.

Bij kleigronden liggen de zaken volkomen anders. Door het aanbrengen van een ophoging op een kleipakket zal de dichtheid belangrijk kunnen toenemen. Voorwaarde voor een verdichting van klei is echter dat de poriŽn voor een gedeelte met lucht gevuld zijn en dat het poriewater gelegenheid heeft om af te stromen.

Een verdichting van klei ontstaat wanneer van een kleipakket de grondwaterstand wordt verlaagd. Door de grondwaterstandverlaging komt de opwaartse druk van het grondwater te vervallen. De kleideeltjes kunnen dan dichter in elkaar schuiven doordat ze de plaats van het water gaan innemen. Door het in elkaar schuiven van de gronddeeltjes ontstaan er meer contactvlakjes tussen de korrels. Hierdoor neemt de totale inwendige wrijvingsweerstand toe, hetgeen resulteert in een groter draagvermogen. De stabiliteit wordt derhalve groter. In de grondmechanica spreken we in zo'n geval over consolidatie van de grond.

 

DOORLATENDHEID VAN DE GROND

De doorlatendheid van de grond wordt uitgedrukt in de snelheid waarmee het grondwater zich, onder een bepaald verhang, door de grond kan verplaatsen. De doorlatendheid wordt aangegeven door de doorlatendheidscoŽfficiŽnt (k) die de dimensie van een snelheid bezit, nl. (m/s) of (m/dag). De snelheid waarmee het grondwater zich door de bodem verplaatst is zeer gering en van een groot aantal factoren afhankelijk, zoals: korrelvorm, korrelverdeling (gradatie), pakkingsdichtheid, waterbindend vermogen van de grond, chemische eigenschappen en temperatuur van het water, enz.

Onder normale omstandigheden gaan we uit van een homogene bodem. Hiermee bedoelen we een bodem die in alle richting eenzelfde samenstelling bezit en waarin geen afsluitende lagen of andere geologische storingen voorkomen. In werkelijkheid komen deze storingen wel voor, waardoor de doorlatenheid op een bepaalde plaats en in een bepaalde richting groter of kleiner kan zijn. Ter verduidelijking vergelijken we een korrelige - met een samenhangende grondsoort.

 

In een korrelige bodem met een structuur zoals hierboven schematisch is weergegeven, kan de doorlatendheid zowel in horizontale als in verticale richting gelijk zijn. Komen echter tussen de korrels uiterst dunne sliblaagjes voor, dan zal de horizontale doorlatendheid (kx) groter zijn dan de verticale doorlatendheid ky. Komen deze sliblaagjes niet voor, dan spreken we over een homogene isotrope bodem en kx = ky. Het kan gewenst zijn zich van de juistheid te overtuigen door het uitvoeren van doorlatendheidsproeven op ongestoorde grondmonsters in het laboratorium.

 

Voor gronden die een structuur hebben zoals hierboven schematisch is aangegeven, spreken we van een homogene grond indien daarin geen vreemde bijmengselen voorkomen. Aangezien duidelijk zal zijn dat door de onderlinge schubvormige afdekking van de gronddeeltjes kx niet gelijk zal zijn, aan ky, spreken we van een homogene niet-isotrope grondsoort. Deze structuur komt in hoofdzaak voor bij kleigronden. Deze bestaan uit plaat en steelvormige deeltjes die elkaar min of meer afdekken. De doorlatendheid van deze gronden, die toch al gering is, zal in verticale richting belangrijk kleiner zijn dan in horizontale richting.

Zoals reeds is opgemerkt komen in gronden met een flauw hellend korreldiagram vrijwel alle fracties voor. Dit houdt in dat de ruimten tussen de grovere korrels worden opgevuld door de kleinere korrels. Hierdoor kan een vrij dichte pakking ontstaan met een meer dan normale capillaire stijghoogte van het water. Bestaan de kleinste fracties bovendien uit kleimineralen, dan is een aandeel van 8 ŗ 10 gewichtsprocenten voldoende voor een slechte doorlatendheid. Juist hier blijkt het grote nut van een onderzoek naar de korrelverdeling en de mineralogische samenstelling. Gronden met een steil korrelverdelingsdiagram hebben een gelijkmatige samenstelling en zullen, indien de korrelafmeting niet te klein is, ook een beter doorlatendheid bezitten.

Reeds is er op gewezen dat de poriŽn gelegenheid bieden voor de afvoer van het water in de grond. Hieruit zou men kunnen opmaken dat de doorlatendheidscoŽfficiŽnt (k) groter wordt naarmate het poriegehalte van de grond groter is. Dit is echter niet juist. Zand heeft een gemiddeld poriegehalte van 40%, terwijl het poriegehalte van klei circa 60% bedraagt. Toch is de doorlatendheid van klei zeer veel geringer dan de doorlatendheid van zand.

De oorzaak hiervan is gelegen in het feit dat de poriŽn in zand goed met elkaar in verbinding staan en de ruimte tussen de korrels groter is dan bij klei. Bij klei is weliswaar het poriegehalte groter, doch de poriŽn onderling hebben een minder goede verbinding met elkaar en zijn bovendien zeer klein. De bindingskrachten spelen daardoor een belangrijke rol. Voorts hebben de nauwe poriŽn tot gevolg dat de capillaire stijghoogte in klei zeer groot kan zijn.

Algemeen gesteld, kan niet gerekend worden op een doorlatendheid van de grond die in alle richtingen even groot is. Geologische storingen zoals klei-, veen- en zandlenzen, alsmede het afwisselend voorkomen van klei-, veenen zandlagen, zg. gelaagdheden, kunnen het bepalen van de juiste k-waarden zeer bemoeilijken.

Hydrologen maken in het algemeen geen gebruik van de doorlatendheidscoŽfficiŽnt (k), doch spreken over het doorlaatvermogen van een grondpakket (kH of kD). Het doorlaatvermogen van een grondpakket is het product van de doorlatendheidscoŽfficiŽnt k en de gemiddelde dikte (H of D) van de watervoerende laag.