10 Jord og grundvand
Dette afsnit beskriver jords egenskaber og grundvandets betydning i relation til projektering og udførelse af et bygværks fundamenter.
En beskrivelse af jords egenskaber omfatter:
- Jordartsbeskrivelse
- Geologisk beskrivelse
- Beskrivelse af mekaniske egenskaber
- Beskrivelse af sammentrykkelighed.
De fire forhold gennemgås nærmere i de følgende afsnit 10.1 til 10.5.
Grundvandets betydning for de geotekniske forhold og udførelsen af funderingen gennemgås i afsnit 10.6 og 10.7.
10.1 Jord
Jord er opbygget af små partikler eller korn, der danner et mere eller mindre stabilt skelet, se figur 35. Mellem kornene findes hulrum, porer, som indeholder vand eller luft. Under en ydre påvirkning kan jordens partikler omlejres og dermed – afhængig af påvirkningens art – komme i både en løsere og en fastere lejring.
Figur 35. Jord består af partikler, som kan være lejret mere eller mindre tæt. Hulrummene eller porerne mellem jordpartiklerne kan være helt fyldt med vand (jorden er 'vandmættet') eller fyldt med både vand og luft (jorden er 'delvis vandmættet').
Kornene består som regel af flere mineraler, og de kan være af meget forskellig form. Kornstørrelser over 0,06 mm beskrives af den fineste sigte, som kornene kan passere. Under 0,06 mm, hvor sigtning er umulig, defineres kornstørrelserne ved hjælp af Stokes lov ud fra kornenes nedsynkningshastighed i en væske med kendt viskositet.
Efter kornstørrelsen placeres kornene i fraktioner, som vist i tabel 9.
Tabel 9. Korns placering i fraktioner efter størrelse.
Fraktion | Kornstørrelse, mm |
|---|---|
Ler-fraktion | Mindre end 0,002 |
Silt-fraktion | 0,002-0,06 |
Sand-fraktion | 0,06-2 |
Grus-fraktion | 2-60 |
Sten-fraktion | 60-600 |
Blok-fraktion | Større end 600 |
I den groveste del af silt-fraktionen, grovsilten (0,02-0,06 mm), kan de enkelte korn netop skelnes med øjet, mens dette ikke er muligt i finsilten og lerfraktionen. Finsilten føles fløjlsagtig i fugtig tilstand.
I den grovere ende af skalaen må det bemærkes, at der i daglig tale er en tendens til at omtale et materiale som grovere, end det er ifølge denne opdeling. Det hænger sammen med, at der inden for betonteknologien og vejbygningen benyttes handelsbetegnelsen 'sten' for materialer i den fineste del af grus-fraktionen (2-6 mm).
Figur 36. Kornkurver for forskellige jordarter. Kurvernes beliggenhed beskrives ofte ved hjælp af diametrene d50, d60 og d10 for hhv. 50, 60 og 10 vægtprocent gennemfald. Uensformighedstallet U = d60 / d10 udtrykker hældningen af komkurvens mellemste del. For kornkurven for 'sand' (prøve nr. 32) findes eksempelvis d60 = 0,33 mm og d10 = 0,12 mm og dermed U = 0,33 / 0,12 = 2,8.
10.2 Jordartsbeskrivelse
En jordart er en blanding af korn med forskellig størrelse. En fuldt dækkende karakterisering af en jordart vil blive meget omfattende.
I praksis benyttes derfor en relativt kortfattet jordartsbeskrivelse, som tager sit udgangspunkt i jordens kornstørrelsesfordeling, se figur 36, men med særlige hensyn til, at det oftest er de finere fraktioner, der er bestemmende for jordens egenskaber.
Jordens egenskaber
Et indhold af kun 15 til 20 % i ler-fraktionen betyder således, at jorden beskrives som 'ler' også selv om den indeholder alle de øvrige fraktioner. Et typisk eksempel på det er moræneler. Hvis indholdet af ler er mindre end 10 %, vil jordarten blive betegnet som morænesand eller -grus.
Fotos af prøver af moræneler og morænegrus er vist i figur 37 og figur 38.
Figur 37. Moræneler (af glacial alder). Usorteret, sandet, siltholdigt ler med varierende indhold af grus og sten. Billedet viser en forvitret moræneler, der i den oprindelige, uforvitrede tilstand er mørkegrå.
Organiske stoffer
En jordartsbeskrivelse vil som regel også indeholde oplysninger om jordens farve og om fremmede iblandinger. Mørke farvenuancer og rådden lugt er tegn på indhold af organiske stoffer, mens for eksempel indhold af slagger eller teglstumper viser, at den pågældende jord har været omlejret, og derfor er en fyld.
Specielt er organiske stoffer, der stammer fra dyre- eller planteliv, af betydning, fordi blot et mindre indhold kan forringe jordens egenskaber væsentligt. Det organiske indhold skal ikke være særlig stort, før hovedbetegnelserne tørv og gytje eller afledninger heraf er langt mere beskrivende end betegnelserne ler og silt, der bør forbeholdes rene mineraljordarter.
Figur 38. Morænegrus (af glacial alder). Usorteret, leret, siltholdig, sandet grus med iblandinger af sten. Billedet viser forvitret morænegrus, der i den oprindelige, uforvitrede tilstand er mørkegrå.
Sprækket ler
For visse lerarter kan der desuden blive tale om at anvende betegnelsen 'sprækket'. Det forekommer for eksempel, hvor den pågældende lerart efter dannelsen er blevet så kraftigt deformeret, at der er dannet brudflader i et vekslende mønster i alle retninger. En prøve af denne jord vil nemt kunne skilles ad efter disse brudflader, der typisk fremtræder som skinnende blanke. Jordartens styrke er væsentligt nedsat langs disse flader, og iagttagelser af en sådan sprækkethed er derfor afgørende. Sprækkedannelser optræder særlig hyppigt i fede lerarter, dvs. jordarter med højt indhold af lermineraler.
Sprækkedannelser er almindelige i lerlag fra den tertiære dybgrund, se afsnit 10.3.1, Prækvartærtid – dybgrunden. Foto af prøve på sprækket ler er vist på figur 39.
Figur 39. Ler (af tertiær alder). Yderst velsorteret, meget fedt (finkornet) ler, der er helt uden iblandinger af grovere fraktioner. Materialet er sprækket, og de blanke brudflader ses tydeligt. Tertiært, fedt ler træffes i flere farvenuancer, bl.a. rødlig, grønlig, brunlig og grålig.
19.3 Danmarks geologi
Den følgende skildring af Danmarks geologi omfatter især de overfladenære jordlag, som er de vigtigste for forståelsen af en række betegnelser i forbindelse med fundering af mindre bygninger.
Aflejringerne i den danske undergrund kan opdeles i følgende geologiske perioder efter tidspunktet for deres dannelse:
- Prækvartærtid – dybgrunden
- Kvartærtid – istid
- Kvartærtid – senglacialtid
- Kvartærtid – postglacialtid.
I de følgende afsnit 10.3.1 til 10.3.4 beskrives de fire perioder nærmere.
Figur 40 illustrerer den geografiske fordeling af de vigtigste kvartære landskabsformer.
Figur 40. Kort over Danmarks kvartære overflade. Kortet viser de vigtigste landskabstyper, som er dannet under og efter istiden. Kilde: Danmarks Geologiske Undersøgelse, 1954 (Rentegnet og farvelagt af SBi, 2011).
10.3.1 Prækvartærtid – dybgrunden
I Danmark anvendes ofte fællesbetegnelsen 'dybgrunden' eller 'de prækvartære aflejringer' for den sedimentserie, der danner underlaget for de i geologisk henseende yngste, kvartære aflejringer, der daterer sig mere end ca. 2 millioner år tilbage.
De dybgrundslag, som man i Danmark med undtagelse af på Bornholm møder nær overfladen, er dels skrivekridt fra kridtperioden, dels kalk, ler og sand fra tertiærperioden. Som eksempler kan nævnes, at der træffes højtliggende skrivekridt ved Aalborg, højtliggende kalk på Djursland og i Østsjælland, og for eksmpel ved Herning og Vejle en tertiær aflejring, det såkaldte 'glimmerler'.
Fotos af tertiært fedt ler og glimmerler er vist på hhv. figur 39 og figur 41. I mange tilfælde er de øverste dybgrundslag blevet forstyrret af istidernes gletsjere. Der kan være tale om opsprækning og knusning samt løsrivelse af større flager, som i dag findes indlejret i morænerne. I den sidste af glacialtiderne var kun Nord- og Østjylland samt øerne dækket af isen, se kortet i figur 40.
Dybgrundslagene på Bornholm har deres egne karakteristika, sammenlignet med dybgrundslagene i det øvrige Danmark.
Figur 41. Glimmerler (af tertiær alder). Materialet består af sandet, glimmerholdigt ler, der normalt har et stort indhold af organisk stof (bitumen). I andre varianter kan glimmerler være finkomet (fedt) og ofte mere eller mindre sprækket.
10.3.2 Kvartærtid – Istid
Inden for de seneste ca. 2 millioner år, som er det tidsafsnit, der kaldes kvartærperioden, har Danmark adskillige gange været dækket af ismasser, der er kommet hertil som gletsjere fra det øvrige Skandinavien. Grundtrækkene i de danske landskaber og øvre jordlag er opstået ved disse begivenheder. Jordlagene omfatter dels moræner, som er usorterede, stenede, sandede, lerede jordmasser afsat direkte fra isen ved afsmeltningen, og dels smeltevandsaflejringer bestående af mere sorterede forekomster af grus, sand, silt eller ler.
Glacialtid – Interglacialtid
De kolde tidsafsnit, glacialtiderne, har været adskilt af interglacialtider præget af varmt klima. Landoverfladen har da været plantedækket, og der har været søer, hvori organiskrige aflejringer, bl.a. tørv, opstod. Sådanne gamle søaflejringer kendes bl.a. fra Vestjylland. Andre egne har i interglacialtiderne været dækket af hav. Det gælder både det sydligste Danmark og det nordlige Jylland.
Hedesletter
Mens isen under den seneste istid stod ved sin ydergrænse, sendte den smeltevand ud over de lavere dele af det isfrie land. Herved opstod de midt- og vestjyske hedesletter. Fra sin ydergrænse smeltede isen efterhånden væk over hele landet. Det skete ikke jævnt, men under vekslinger mellem tilbagesmeltning og fremrykning af isfronten, hvorved de rigt varierede glaciale landskabstræk blev skabt i Nord- og Østjylland samt på øerne.
Moræneaflejringer
Jævne moræneflader er opstået ved udsmeltning fra gletsjerbunden (bundmoræne). Hvor morænematerialet er smeltet frem på isoverfladen, er der opstået 'slappe' forekomster, der betegnes afsmeltningsmoræne eller flydemoræne. Israndsbakker dannedes, hvor isfronten stod en tid og skubbede materialerne op (fremstødsmoræne). Foran isfronten aflejredes lokale smeltevandssletter, og bagved undertiden sand og grus i åsbakker samt stenfrit ler i issøer. Under isens tilbagesmeltning blev dele af ismasserne stedvis efterladt som såkaldt dødis, hvis senere bortsmeltning førte til dannelsen af et små-kuperet bakkeland.
10.3.3 Kvartærtid – Senglacialtid
I afsmeltningstiden efter sidste istid var klimaet endnu koldt og plantevæksten over de glaciale landskaber derfor yderst sparsom. Der var derfor gode muligheder for omlejring af jordlagene, og på den måde opstod indlandsklitter samt erosionskløfter, udskridninger og jordflydning. Ved foden af skrænter, fx ved udmundingen af erosionskløfter, kunne der ophobes materiale som kaldes nedskylsjord.
Yoldia-aflejringer
I Vendsyssel gjorde der sig det særlige forhold gældende, at ishavet trængte ind på isen, da den svandt væk. Ishavsaflejringer kaldes undertiden 'Yoldia-aflejringer' efter en ishavsmusling, der tidligere hed Yoldia, men som nu hedder Portlandia. Foto af Yoldia-ler er vist i figur 42.
Figur 42. Yoldia-ler (af senglacial alder). Velsorteret ler, der er afsat af Ishavet i afsmeltningsperioden. Denne lertype indeholder meget ofte næsten hårfine finsandsstriber.
Ishavstid – Fastlandstid
Ishavstiden varede et par årtusinder. Jordskorpens aflastning ved isens forsvinden førte efterhånden til en landhævning, som trængte havet tilbage.
Hævningen omfattede ikke blot Vendsyssel, men hele landet. Landområdet fik derved en udstrækning langt større end i nutiden. Det kan nævnes, at det, der i dag er sunde og bælter, dengang var store dallandskaber bag kystlinien. Denne periode kaldes 'fastlandstiden'. Tørveaflejringer fra denne periode er for eksempel fundet langt under nuværende havspejlsniveau i Storebælt, Kalundborg Fjord og ved Helsingør.
Senglaciale smeltevandsaflejringer
Fastlandstiden varede også nogle årtusinder. Den første halvdel var præget af koldt klima vekslende med lunere. Det var senglacialtiden.
Foto af smeltevandsler, -sand og -grus fra denne periode er vist i figur 43, figur 44 og figur 45.
Allerødaflejringer
I de kolde afsnit var landskabet iklædt en tundra-vegetation. I de lunere afsnit, fx i Allerødtiden, bredte plantevæksten sig frodigere, og der opstod aflejringer med organisk indhold i søerne. Aflejringerne fra Allerødtiden er truffet mange steder i landet.
Figur 43. Ler (af senglacial alder). Velsorteret smeltevandsler, der normalt er uden iblandinger af andre kornfraktioner, men undertiden ses underordnede, lokale finsandssmører og/eller enkelte gruskorn. Lersedimenter af senglacial alder kendetegnes ved uforstyrrede lagfølger.
Figur 44. Smeltevandssand (af glacial eller senglacial alder). Billedet viser tørt, velsorteret smeltevands-sand, der er beliggende i finsandsfraktionen. Smeltevandssand af glacial alder træffes på stedet normalt med forstyrrede (opskudte/foldede) lagfølger, hvorimod smeltevandssand af senglacial alder træffes med uforstyrrede lagfølger.
Figur 45. Smeltevandsgrus (af glacial eller senglacial alder). Billedet viser en ret sorteret, grovsandet smeltevandsgrus. Smeltevandsgrus af glacial alder træffes på stedet normalt med forstyrrede (opskudte/ foldede) lagfølger, hvorimod smeltevandsgrus af senglacial alder træffes med uforstyrrede lagfølger.
10.3.4 Kvartærtid – Postglacialtid
Ved begyndelsen af fastlandstidens anden halvdel for ca. 10.000 år siden indtraf en markant temperaturstigning, der betegner afslutningen på senglacialtiden og begyndelsen på postglacialtiden. Det varme klima var gunstigt for plantevæksten, og højskoven tog landet i besiddelse.
Den omfattende organiske produktion gav sig blandt andet udslag i, at der i søer opstod gytje og tørv, eventuelt med indslag af sandet udskylsmateriale fra vandløb. På selve landoverfladen udvikledes en ler-, sand- eller tørvemuld ved at regnorme, svampe og mikroorganismer bearbejdede en blanding af råjord og rester af planter og dyr. Humus er organiske komponenter, der er opstået på denne måde, se figur 46.
Figur 46. Sandmuld (af postglacial alder). Billedet viser en leret sandmuld. Grundmaterialet er her senglacialt, leret sand. Den mørke farve (humus) skyldes dels, at der er tilført organisk stof som følge af plantevækst (rødder), dels regnormes virksomhed.
Stenalderhav
Postglacialtidens varme klima førte til smeltning af iskapper forskellige steder på kloden. Herved steg verdenshavets vandspejl. Denne udvikling kom også til at præge forholdene i Danmark. Det var det såkaldte 'stenalderhav', der steg og kom til at overskylle store dele af det tidligere fastland, fx ved Helsingør op til nuværende kote ca. 7 og i Vendsyssel op til kote ca. 13.
Fastlandstiden afløstes af stenalderhavets tid for ca. 8.000 år siden. Sunde og bælter opstod, og i Nordjylland dannedes et udstrakt ørige. Under stenalderhavets tid eroderedes kystklinter, og der foregik omfattende materialevandring; stenede strandvolde blev ophobet, marine sandsletter udformet, og gytjelag afsat, sidstnævnte fortrinsvis i rolige områder som vige og fjorde; på visse kyster bredte klitter af flyvesand sig.
Landhævning
Det skal understreges, at stenalderhavets udbredelse ikke var et resultat af en landsænkning, men af at havstigningen for en tid var hastigere end den landhævning, som havde virket siden isens forsvinden. Hævningstendensen var mere udtalt i det nordlige Danmark end i det sydlige.
Efter nogle årtusinder indhentede landhævningen havstigningen i Nordjylland, og stenalderhavets bundaflejringer dukkede op over havfladen. De vidtstrakte engstrækninger omkring Limfjorden er således hævet havbund. Marsken i det vestlige Sønderjylland er et andet eksempel på havskabt landskab. Det er opstået under tilstande svarende til dem, som ses i nutidens vadehav.
Postglacialtiden og de tilhørende processer på land og i søer og have vedvarer den dag i dag. Herved udjævnes de oprindelige landskabsformer, og de oprindelige aflejringer tildækkes med jordlag, der ofte er rige på organisk materiale, se figur 46.
Afgravning – Påfyldning
I løbet af postglacialtiden skete der også det meget vigtige, at mennesket fra at være jæger og samler udviklede sig til at blive jordbruger. Dette førte blandt andet med sig, at urskoven gradvis blev afløst af det kulturland, som kendes i dag. Inden for de senere tider er menneskets evne til at ændre på naturen tiltaget stærkt. Det har mange steder ført til omfattende landskabsændringer, bl.a. ved afgravning og påfyldning.
Fyld kan være en blanding af mange jordarter. Hvor den indeholder for eksempel muld eller kulturrester, er den let genkendelig. En fyld kan imidlertid også til forveksling ligne ren glacialjord, og det er farligt, både fordi fyldens egenskaber i sig selv gør den uegnet til fundering, og fordi den kan være udlagt over bløde, sætningsgivende lag.
10.4 Jords mekaniske egenskaber
En geologisk beskrivelse af en jordart er væsentlig, men den må suppleres med tal-angivelser for relevante, mekaniske egenskaber for at kunne udnyttes ved dimensionering af funderinger.
I de følgende afsnit gives en summarisk oversigt over disse forhold, der omfatter:
- Klassifikation, dvs. bestemmelse af jordens rumvægt og vandindhold, poretal, lejringstæthed samt komprimeringsgrad.
- Bestemmelse af jordens styrke, dvs. forskydningsstyrke ved hhv. friktion og kohæsion.
I de følgende afsnit 10.4.1 og 10.4.2 beskrives de enkelte forhold nærmere.
10.4.1 Klassifikation
Rumvægt og vandindhold
Jordens rumvægt defineres som forholdet mellem totalvægt og totalrumfang. For en given jordart med en bestemt tæthed varierer rumvægten med vandindholdet. Rumvægten er således mindst for en helt tør prøve og højest for en vandmættet prøve. I øvrigt er en løstlejret jordart naturligvis lettere end en fastlejret jordart (forudsat at rumvægten af kornene er den samme).
Lejringstæthed og poretal
For alle jordarter er lejringstætheden afgørende for egenskaberne. Lejringstætheden beskrives ved poretallet, e, der er forholdet mellem porevolumen og kornvolumen. Et lille porevolumen, dvs. en tætlejret jordart, karakteriseres således ved et lille poretal. En sådan jord har normalt god styrke og gode deformationsegenskaber.
Relativ lejringstæthed
For sand kan tætheden beskrives ved hjælp af den relative lejringstæthed:
hvor
e | er sandaflejringens poretal målt på stedet |
|---|---|
emaks | er poretal i løseste lejring |
emin | er poretal i fasteste lejring |
Referenceværdierne emaks og emin findes ved standardiserede laboratorieforsøg.
Komprimeringsgrad
For lerede og siltede aflejringer beskrives tætheden oftest ved tørrumvægten udtrykt i procent af den maksimale tørrumvægt bestemt ved standardiserede laboratorieforsøg, fx Standard Proctor-forsøg, jf. Laboratoriehåndbogen (Dansk Geoteknisk Forening, 2001).
Plasticitetsindeks
For kohæsive aflejringer angiver plasticitetsindekset, Ip, hvor 'fed' jorden er, eller hvor plastisk den opfører sig. Denne størrelse har stor betydning ved vurdering af jordens egenskaber og defineres som:
hvor
er jordens vandindhold ved flydegrænsen [%] | |
er jordens vandindhold ved plasticitetsgrænsen [%] |
Referenceværdierne wP og wL findes ved standardiserede laboratorieforsøg.
10.4.2 Styrke
Når et fundament overfører last til jorden, opstår der her et tryk i fundamentsfladen, og den underliggende jord presses til at undvige til en af siderne, fx langs en skredflade, som vist i figur 47 t.v. Kornene i jorden yder modstand mod, at glidningen langs denne flade sker.
En jordarts styrke kan forklares som dens evne til at modstå forskydning fremkaldt af ydre påvirkninger langs et snit i jorden, fx en skredflade, se figur 47 t.h.
Figur 47. Når et fundament belastes, overføres lasten til jorden som tryk. Dette tryk søger at presse jorden under fundamentet ud til en af siderne, fx ved at der indtræder en glidning langs en skredflade. Jorden yder modstand herimod, se figur til venstre.
De ydre påvirkninger på jordmassen over snittet resulterer i en spænding vinkelret på snittet, normalspændingen, σ, og en spænding langs med snittet, forskydningsspændingen, τ, se figur til højre. Normalspændingen σ optages dels ved et tryk i kornskelettet (kaldet den effektive spænding σ' ), dels ved et tryk i eventuelt porevand, u, altså σ = σ' + u. Forskydningsspændingen τ optages alene af kornskelettet, idet porevandet ikke kan overføre forskydningsspændinger. Forskydningsstyrkens maksimale størrelse (brudværdien) afhænger af den effektive spænding σ' samt den pågældende jordarts styrkeparametre c og φ. Dette er udtrykt i brudbetingelsen τmaks = c + σ' · tan φ.
De ydre påvirkninger på jordmassen over snittet resulterer i en spænding vinkelret på snittet, normalspændingen, σ, og en spænding langs med snittet, forskydningsspændingen, τ, se figur til højre. Normalspændingen σ optages dels ved et tryk i kornskelettet (kaldet den effektive spænding σ' ), dels ved et tryk i eventuelt porevand, u, altså σ = σ' + u. Forskydningsspændingen τ optages alene af kornskelettet, idet porevandet ikke kan overføre forskydningsspændinger. Forskydningsstyrkens maksimale størrelse (brudværdien) afhænger af den effektive spænding σ' samt den pågældende jordarts styrkeparametre c og φ. Dette er udtrykt i brudbetingelsen τmaks = c + σ' · tan φ.
Forskydningsstyrke ved friktion
Da hverken luft eller vand kan overføre forskydningspåvirkninger, er det alene kornskelettet, der bidrager til jordens forskydningsstyrke. En del af styrken beror på friktion mellem kornene og karakteriseres ved friktionsvinklen, φ. Forskydningsstyrken er under sådanne forhold proportional med normalspændingen i det betragtede snit. I den sammenhæng spiller eventuelt tilstedeværende vand i jorden en væsentlig rolle, fordi en del af lasten vil kunne overføres som tryk i vandet. Den resterende last optages som tryk mellem kornene, og det er denne såkaldt effektive spænding, der er bestemmende for forskydningsstyrkens størrelse.
Forskydningsstyrke ved kohæsion
En anden del af styrken beror på sammenhængskræfter af kemisk eller molekylær art mellem kornene og karakteriseres ved kohæsionen, c. For en given jordart kan kohæsionen normalt betragtes som en konstant, der er uafhængig af den ydre påvirkning (last).
Drænet og udrænet tilstand
For vandmættede, finkornede jordarter (ler og den fineste del af silten) kan der normalt konstateres både kohæsion og friktion. De vandmættede, grovkornede jordarter (sand og grus samt den groveste del af silten) udviser sædvanligvis kun friktion, mens kohæsionen er nul. For fugtige (ikke-vandmættede) jordarter kan der derimod ikke siges noget generelt.
Den finkornede jord er ydermere karakteriseret ved en ringe permeabilitet. Herved forstås, at vand strømmer langsomt igennem den. Det er derfor normalt nødvendigt at skelne mellem styrken før vandudpresning (i udrænet tilstand) og efter vandudpresning (i drænet tilstand).
I den grovkornede jord strømmer vandet hurtigt på grund af den store permeabilitet. For disse jordarter er det kun nødvendigt at betragte en drænet tilstand.
Triaksialforsøg
De to styrkeparametre, kohæsionen, c, og friktionsvinklen, φ, bestemmes ved forsøg i laboratoriet på uforstyrrede prøver. Disse forsøg kaldes triaksialforsøg.
Vingeforsøg
For de finkornede jordarter – kohæsionsjord – bestemmes den udrænede forskydningstyrke cu i de fleste tilfælde bedst ved udførelse af vingeforsøg, se afsnit 9.2, Direkte metoder.
Friktionsjord
For de grovkornede jordarter – friktionsjord – er friktionsvinklen, φ, meget afhængig af lejringstætheden. Det er i praksis umuligt at bedømme denne lejringstæthed skønsmæssigt, dvs. at den skal måles med anvendelse af egnede metoder. Når lejringstætheden er fastlagt er det muligt at give et skøn over friktionsvinklen.
Tryksondering
Tryksondering er et feltforsøg, der er velegnet til bestemmelse af både den udrænede forskydningsstyrke i kohæsive jordarter og lejringstætheden i friktionsjordarter. Internationalt kaldes dette forsøg 'Cone Penetration Test', der forkortes 'CPT', se afsnit 9.1, Indirekte metoder.
10.5 Jords sammentrykkelighed
Under belastning vil en jordart undergå en sammentrykning eller sætning som følge af en formindskelse af porevolumenet. Denne egenskab er afgørende for mange funderinger, fordi bygværkernes evne til at modstå sætninger er begrænset. Størrelsen af sætninger beregnes ud fra konsolideringsforsøg i laboratoriet. Herved belastes en uforstyrret, vandmættet jordprøve trinvis under måling af belastning og sammentrykning.
Primær og sekundær konsolidering
For den kohæsive jord er det karakteristisk, at udpresning af den nødvendige vandmængde fra jordprøven tager nogen tid. Efterhånden afsluttes denne primære konsolideringsproces, men den efterfølges af en krybning eller sekundær konsolidering, som fortsætter meget lang tid. For kohæsionsjord vil sætningerne derfor aldrig ophøre, men sætningshastigheden vil aftage meget, fordi sætningen for eksempel ofte er den samme fra ét til ti år som fra ti til hundrede år. En ca. ti år gammel konstruktion på jord af denne art vil således have en væsentlig mindre sætningshastighed end en nyopført.
For bygværker på friktionsjord sker vandudpresningen og dermed sætningsudviklingen hurtigt, og den sekundære krybning er i reglen meget lille. Bygværker på friktionsjord vil normalt have fået alle sætninger i løbet af et års tid.
Forbelastning
Sammentrykkeligheden varierer meget fra jordart til jordart. Det er dog afgørende, om jorden tidligere, fx under istiden, har båret en større last end nu. Den forbelastede eller forkonsoliderede jord får en langt mindre sætning for en given last end den ikke-forbelastede eller normaltkonsoliderede jord.
Ikke-forbelastet eller normaltkonsolideret jord karakteriseres ved dekadehældningen, Q. Herved forstås en jordprøves relative sammentrykning ved tidobling af den påførte last. Forbelastet jord karakteriseres ved konsolideringsmodulen, K. Denne bestemmes som forholdet mellem tilvækst i effektiv spænding og den relative sammentrykning.
10.6 Grundvand
I Danmark trænger en relativt stor del af nedbøren ned gennem de øvre jordlag til grundvandet, der fra en vis dybde udfylder alle porer i jorden. Grundvandsspejlet fastlægges som det niveau, vandet stiger til i et nedboret pejlerør. Grundvandsspejlet kan også defineres som det niveau, hvor spændingen i vandet er nul, dvs. lig med atmosfærens tryk.
Under grundvandsspejlet stiger trykket i vandet svarende til dybden under vandspejlet. Over grundvandsspejlet suges vandet op i de fine hårrør (kapillærrør), der dannes af jordens porer, og her er der undertryk i vandet. Den kapillære stighøjde kan være meget stor i finkornede jordarter, og i visse tilfælde kan jorden være vandmættet helt op til jordoverfladen. I grovkornede jordarter er stighøjden lille.
Sekundært og primært grundvandsspejl
I de øvre jordlag, hvor mere gennemtrængelige (permeable) jordlag veksler med mere tætte (impermeable) jordlag, kan det forekomme, at der i nærliggende områder eller endda i samme lodrette lagfølge indstiller sig flere af hinanden uafhængige vandspejl. Der tales da om 'sekundære grundvandsspejl'. Disse vil ofte variere betydeligt med årstiden og nedbørsmængden med den højeste stilling i forårsmånederne og den laveste i efteråret.
I større dybde optræder der sædvanligvis et sammenhængende grundvandsspejl, der har stor udstrækning, og som kan have forbindelse til søer eller vandløb. Det er kun lidt vejrafhængigt, men er ofte underkastet ændringer som følge af indvinding af drikkevand.
10.7 Grundvandets betydning for fundering
Grundvandsspejlets stilling er af betydning i samme øjeblik, der skal foretages udgravning og placeres permanente konstruktioner under dette niveau.
Når der foretages en udgravning med frie skråninger under grundvandsspejlet, sker der en sænkning af vandspejlet dette sted, og vandet fra jordlagene vil strømme til udgravningen.
Strømkræfter
En sådan strømning udløser strømkræfter på kornene i strømningens retning. Kræfterne er proportionale med strømningens styrke, der udtrykkes ved en gradient.
Gradienten defineres som forholdet mellem forskellen i vandspejlsniveau (trykniveau) og afstanden mellem de betragtede punkter.
Effektiv spænding
Gradienten har direkte indflydelse på den effektive spænding, se figur 47 t.h., og dermed på jordens styrke. Bliver gradienten tilstrækkelig stor, løsnes de enkelte korn og føres med strømmen til udgravningen. Det sker relativt nemt i en udgravnings sider, som derfor vil begynde at skride sammen forneden. Skråningernes stabilitet svigter, og for at opnå en stabil stilling vil disse indstille sig noget fladere.
Kviksand
I bunden af en udgravning kan gradienten for den opadrettede vandtilstrømning blive så stor, at jorden bliver næsten vægtløs. For eksempel mister sand i sådanne tilfælde fuldstændig sin styrke, og det vil optræde som kviksand, der ikke engang kan bære vægten af en person.
Flydesand
Fortsættes en udgravning i sand under sådanne forhold, vil vandet og dermed også sandet til stadighed strømme til udgravningen fra bund og sider. Der anvendes da betegnelsen 'flydesand', fordi materialet nærmest har karakter af en tyktflydende grød. Når dette sker, vil der ofte fjernes for meget sand fra udgravningen, og der kan da ske skader på nærliggende bygværker.
Det må derfor understreges, at flydesand ikke er en særlig jordart, men blot sand i en bestemt tilstand. Sand under vandspejlsniveau kan under visse omstændigheder altid bringes til at optræde som flydesand.
Det er især jordarterne grovsilt og finsand, der er sårbare over for strømmende vand. De mere finkornede materialer har en god modstandsevne i kraft af deres kohæsion, og de mere grovkornede materialer har en god stabilitet på grund af den gode mulighed for gennemstrømning.
Vandmængde
Det fremgår, at funderingsproblemer med strømmende vand ikke er knyttet til vandmængden, men til strømkræfter. Vandmængden er kun et spørgsmål om pumpekapacitet, mens gradientens størrelse er bestemmende for stabiliteten af både udgravningens bund og sider.
Vandtryk
Konstruktioner, der placeres under det højest forekommende vandspejlsniveau, må kunne modstå det ydre vandtryk. Desuden må det gennem tætning sikres, at vand og fugt ikke kan trænge ind i og skade bygværkets funktion eller udseende.
Undertiden er det muligt ved hjælp af et drænsystem at sænke vandspejlsniveauet permanent ved en konstruktion, se afsnit 5.3, Stikdræn.
Konstruktionen må også i sådanne tilfælde isoleres mod vand og fugt, fordi jorden i sig selv indeholder store mængder vand. I de fine jordarter vil vandet være til stede som kapillært opsuget vand, og i de grove jordarter vil vandet være fastholdt i de mange hårrør, der dannes af de små hulrum nær kornenes kontaktpunkter.