Consolidatiezetting: oefenopgaven met stapsgewijze oplossingen

Gratis oefenopgaven over Consolidatiezetting met schema’s, hints en volledig uitgewerkte oplossingen. Elke keer nieuwe waarden, op drie niveaus: normaal geconsolideerde klei, overgeconsolideerde klei, consolidatietijd.

Gratis oefenopgaveMakkelijk
Δσ = 110 kPazandkleiCc​ = 0,5e0​ = 1,15σ′0​ = 135 kPa7,5 mgrondwaterstand

Een laag normaal geconsolideerde klei van 7,5 m dik (Cc = 0,5, e₀ = 1,15) heeft halverwege de laag een effectieve verticale spanning van 135 kPa. Een brede ophoging verhoogt de verticale spanning in de klei met 110 kPa. Behandel de laag als één deellaag met de spanningen halverwege de laag. Vind de primaire consolidatiezetting S in mm.

H = 7,5 mCc = 0,5e0 = 1,15σ′0 = 135 kPaΔσ = 110 kPa
mm
Oefen Consolidatiezetting gratisOefen nu ConsolidatiezettingElke dag 5 gratis opgaven. Geen creditcard nodig.

Wat je oefent

  1. Makkelijknormaal geconsolideerde klei
  2. Gemiddeldovergeconsolideerde klei
  3. Moeilijkconsolidatietijd

Belangrijke formules

Normaal geconsolideerd
S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Eindspanning
σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
Overgeconsolideerd, σ′f ≤ σ′p
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Overgeconsolideerd, σ′f > σ′p
S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
Overconsolidatiegraad
OCR = σ′p/σ′0
Consolidatietijd
t = Tv·Hdr²/cv
Drainageweg
Hdr = H/2 (tweezijdige drainage), H (eenzijdige drainage)
Tijdfactoren
U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Leer Consolidatiezetting vanaf nul

Hiervoor: Effectieve spanning in grond

1Wat consolidatiezetting is

Als je op een kleilaag bouwt, perst de extra belasting de klei samen. Water wordt uit de poriën geperst en de korrels komen dichter bij elkaar. Het grondoppervlak zakt: dit is consolidatiezetting.

Klei heeft zeer kleine poriën, dus het water vertrekt langzaam. Een gebouw op klei kan jarenlang blijven zakken.

De hoeveelheid porieruimte wordt gemeten met het poriëngetal (void ratio) e: het volume van de poriën gedeeld door het volume van de vaste korrels. Een klei met e = 1 heeft evenveel porievolume als korrelvolume.

Als de klei wordt samengeperst, daalt e. De laag wordt dunner met dezelfde fractie van haar totale volume:

S = H · Δe / (1 + e0)

Hier is H de laagdikte, e0 het beginporiëngetal en Δe de daling van het poriëngetal. De 1 + e0 is het totale volume per eenheid volume korrels.

Zelftoets Waarom doet een kleilaag jaren over het zetten, terwijl zand bijna meteen zet?
  1. De belasting op klei groeit langzaam over de jaren
  2. Klei heeft geen water in zijn poriën
  3. Kleikorrels zijn zwaarder dan zandkorrels
  4. Water moet uit zeer kleine poriën stromen, wat tijd kost

Antwoord: Water moet uit zeer kleine poriën stromen, wat tijd kost. Zetting vraagt dat water de poriën verlaat. In klei zijn de poriën piepklein, dus het water stroomt langzaam weg. In zand ontsnapt het bijna meteen.

2Normaal en overgeconsolideerde klei

Proeven tonen dat e lineair daalt als je het uitzet tegen de logaritme van de effectieve spanning σ′. De helling van die lijn is de samendrukkingsindex Cc.

log σ′eσ′p​σ′0​Cr​Cc​

Sommige kleisoorten zijn in het verleden zwaarder belast, bijvoorbeeld door een gletsjer of grond die sindsdien is geërodeerd. De grootste effectieve spanning die een klei ooit heeft gedragen, is zijn voorbelastingsspanning (preconsolidatiedruk) σ′p.

  • Onder σ′p wordt de klei alleen hersamengedrukt langs een vlakke lijn met helling Cr, de herbelastingsindex. Cr is klein, vaak Cc/10.
  • Boven σ′p volgt de klei de steile lijn met helling Cc.

Een klei die nu op σ′0 = σ′p zit, is normaal geconsolideerd (NC). Een klei met σ′0 < σ′p is overgeconsolideerd (OC). De overconsolidatieverhouding is OCR = σ′p/σ′0.

Met σ′f = σ′0 + Δσ de eindeffectieve spanning is de zetting:

NC: S = Cc·H/(1 + e0) · log₁₀(σ′f/σ′0)
OC, σ′f ≤ σ′p: S = Cr·H/(1 + e0) · log₁₀(σ′f/σ′0)
OC, σ′f > σ′p: S = H/(1 + e0) · [Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]

Alle spanningen worden genomen in het midden van de kleilaag, dat staat voor het gemiddelde van de hele laag.

Zelftoets Een klei heeft σ′₀ = 60 kPa en σ′p = 120 kPa. Een belasting verhoogt de spanning tot σ′f = 100 kPa. Welke index gebruik je?
  1. Alleen Cc
  2. Alleen Cr
  3. Cr tot 120 kPa, dan Cc
  4. Geen van beide: de klei zet niet

Antwoord: Alleen Cr. De eindspanning van 100 kPa blijft onder σ′p = 120 kPa, dus de klei wordt alleen hersamengedrukt langs de vlakke Cr-lijn. Cc is alleen nodig boven 120 kPa.

3Hoe lang het duurt

De tijd om een bepaald deel van de eindzetting te bereiken, hangt af van hoe ver het water moet reizen. Die afstand is de drainageweg Hdr.

  • Zand (of een andere vrij afwaterende laag) boven en onder de klei: water vertrekt aan beide vlakken, dus Hdr = H/2. Dit is dubbele drainage.
  • Rots of een andere ondoorlatende laag eronder: water kan alleen aan de bovenkant vertrekken, dus Hdr = H. Dit is enkele drainage.
HHdr​ = H/2
t = Tv · Hdr² / cv

cv is de consolidatiecoëfficiënt van de klei, bijvoorbeeld in m²/jaar. Tv is de tijdfactor voor de consolidatiegraad U die je wilt: 0,197 voor 50%, 0,403 voor 70%, 0,848 voor 90%.

Voorbeeld: een kleilaag van 4 m op rots, cv = 2 m²/jaar, U = 50%. t = 0,197 · 4²/2 = 1,576 jaar. Met zand eronder is Hdr = 2 m en t = 0,394 jaar: vier keer sneller.

Zelftoets Een kleilaag van 6 m dik ligt tussen twee zandlagen. Wat is de drainageweg Hdr?
  1. 1,5 m
  2. 12 m
  3. 3 m
  4. 6 m

Antwoord: 3 m. Water vertrekt aan de boven- en onderkant, dus de langste weg is de helft van de laag: 6/2 = 3 m. De volle 6 m gebruiken klopt alleen als een vlak gesloten is.

4De methode stap voor stap

  1. Bepaal de initiële effectieve spanning σ′0 in het midden van de klei (gegeven, of uit het grondprofiel).
  2. Tel de extra spanning erbij: σ′f = σ′0 + Δσ.
  3. Bepaal het kleitype. Als σ′p of OCR gegeven is, vergelijk dan σ′f met σ′p = OCR·σ′0.
  4. Kies de passende formule en gebruik log₁₀, niet ln.
  5. Geef S in de gevraagde eenheid: meter maal 1000 geeft millimeter.

Bij een tijdvraag: bepaal Hdr uit de drainage aan boven- en onderkant en dan t = Tv·Hdr²/cv.

5Een uitgewerkt voorbeeld

Volg elke stap. Probeer de volgende stap te voorspellen voordat je hem opent.

Uitgewerkt voorbeeld

Een 4 m dikke laag normaal geconsolideerde klei (Cc = 0,3, e0 = 1,0) heeft σ′0 = 100 kPa op halve diepte. Een brede ophoging voegt Δσ = 100 kPa toe. Bepaal de primaire consolidatiezetting S in mm.

1

Bekijk de laag

H = 4 mσ′0​ = 100 kPaΔσ = 100 kPaCc​ = 0,3e0​ = 1,0

De klei is normaal geconsolideerd, dus de hele spanningstoename volgt de Cc-lijn.

2

Effectieve eindspanning

σ′f = σ′0 + Δσ = 100 + 100 = 200 kPa
3

De logaritme

log₁₀(σ′f/σ′0) = log₁₀(200/100) = log₁₀ 2 = 0,301
4

De lagenfactor

Cc·H/(1 + e0) = 0,3 · 4/(1 + 1,0) = 0,6 m
5

Zetting

S = 0,6 · 0,301 = 0,1806 m = 180,6 mm
6

Controleer het antwoord

Het poriëngetal daalt met Δe = Cc·0,301 = 0,0903. Dan is S = H·Δe/(1 + e0) = 4 · 0,0903/2 = 0,1806 m. Dat is 4,5% van de laag, een normale waarde voor zachte klei.

Antwoord

S ≈ 181 mm (0,1806 m).

6Veelgemaakte fouten

  • ln gebruiken in plaats van log₁₀. Het antwoord is dan 2,3 keer te groot.
  • Vergeten te delen door 1 + e0.
  • log₁₀(Δσ/σ′0) schrijven in plaats van log₁₀((σ′0 + Δσ)/σ′0).
  • Cc gebruiken voor een overgeconsolideerde klei die onder σ′p blijft.
  • Hdr = H/2 nemen als de klei op rots ligt, of Hdr = H als beide vlakken afwateren.
  • Vergeten Hdr te kwadrateren in de tijdformule.
Zelftoets NC-klei: Cc = 0,25, H = 4 m, e₀ = 1,0, σ′₀ = 50 kPa, Δσ = 50 kPa. Wat is S?
  1. 0 mm
  2. 150,5 mm
  3. 301,0 mm
  4. 346,6 mm

Antwoord: 150,5 mm. S = 0,25·4/2 · log₁₀(100/50) = 0,5 · 0,301 = 0,1505 m. ln gebruiken geeft 346,6 mm, 1 + e₀ weglaten geeft 301 mm, en log₁₀(Δσ/σ′₀) = log₁₀ 1 geeft 0.

7Hoe tentamenvragen eruitzien

  • Makkelijk: normaal geconsolideerde klei. Je krijgt H, Cc, e0, σ′0 en Δσ, zoals in het voorbeeld. Soms bepaal je eerst σ′0 uit een grondprofiel.
  • Gemiddeld: overgeconsolideerde klei met Cr, Cc en σ′p of OCR. Vergelijk eerst σ′f met σ′p; splits de log bij σ′p als je die passeert.
  • Moeilijk: tijd voor consolidatie. Bepaal enkele of dubbele drainage en dan t = Tv·Hdr²/cv.

Uitgewerkt OC-voorbeeld: H = 2 m, e0 = 1, Cr = 0,04, Cc = 0,4, σ′0 = 50 kPa, σ′p = 100 kPa, Δσ = 100 kPa. Dan passeert σ′f = 150 kPa de σ′p.

S = 2/2 · [0,04·log₁₀(100/50) + 0,4·log₁₀(150/100)] = 0,0120 + 0,0704 = 0,0825 m

Leer het stap voor stap in de appLeer het stap voor stap in de app

Uitgewerkte voorbeelden

Voorbeeld 1Makkelijk
Δσ = 70 kPazandγ = 19 kN/m³4 mkleiγsat​ = 18,5 kN/m³Cc​ = 0,2, e0​ = 0,97 mgrondwaterstandX

Een normaal geconsolideerde kleilaag van 7 m dik (γsat = 18,5 kN/m³, Cc = 0,2, e₀ = 0,9) ligt onder 4 m zand (γ = 19 kN/m³). De grondwaterspiegel ligt aan de bovenkant van de klei; gebruik γw = 9,81 kN/m³. Een brede ophoging verhoogt de verticale spanning in de hele klei met 70 kPa. Behandel de laag als één deellaag met de spanningen halverwege de laag. Vind de primaire consolidatiezetting S in mm.

zand: Hs = 4 m, γ = 19 kN/m³klei: H = 7 m, γsat = 18,5 kN/m³γw = 9,81 kN/m³Cc = 0,2e0 = 0,9Δσ = 70 kPa

Gevraagd: S (mm)

Hints tonen
  1. Normaal geconsolideerd: S = Cc·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′f/σ′₀).
  2. In het midden van de klei: σ′₀ = γ·Hs + (γsat − γw)·H/2.
  3. Cc·H/(1 + e0) = 0,7368 m.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

Primaire consolidatie van een kleilaag met dikte H, met de effectieve spanning in het midden van de laag: σ′f = σ′0 + Δσ. Normaal geconsolideerde klei: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Overgeconsolideerde klei wordt langs Cr opnieuw samengedrukt tot de voorbelastingsspanning σ′p en volgt pas daarboven Cc. Tijd: t = Tv·Hdr²/cv, waarbij de drainageweg Hdr gelijk is aan H/2 als water boven en onder kan wegstromen, en aan H als maar één kant draineert.

Effectieve spanning in het midden van de klei

Het zand ligt boven de grondwaterspiegel; daaronder staat de klei onder water, dus gebruik γsat − γw.

σ′0 = 19·4 + (18,5 − 9,81)·3,5 = 106,4 kPa

Effectieve eindspanning

σ′f = 106,4 + 70 = 176,4 kPa

Zetting

S = 0,2·7/(1 + 0,9)·log₁₀(176,4/106,4) = 0,7368·0,2195 = 0,1618 m = 161,8 mm

Antwoord

S = 161,8 mm
Voorbeeld 2Gemiddeld
Δσ = 230 kPazandkleiCc​ = 0,5, Cr​ = 0,02e0​ = 1,2σ′0​ = 50 kPaσ′p​ = 150 kPa2 mgrondwaterstand

Een overgeconsolideerde kleilaag van 2 m dik heeft Cc = 0,5, Cr = 0,02 en e₀ = 1,2. Halverwege de laag is de effectieve verticale spanning 50 kPa en de voorbelastingsspanning is 150 kPa. Een nieuw gebouw voegt halverwege de laag 230 kPa verticale spanning toe. Vind de primaire consolidatiezetting S in mm.

H = 2 mCc = 0,5Cr = 0,02e0 = 1,2σ′0 = 50 kPaσ′p = 150 kPaΔσ = 230 kPa

Gevraagd: S (mm)

Hints tonen
  1. Vergelijk de eindspanning σ′₀ + Δσ met de voorbelastingsspanning.
  2. σ′f = 50 + 230 = 280 kPa > σ′p = 150 kPa.
  3. Splits het spanningsbereik bij σ′p: Cr van σ′₀ tot σ′p, daarna Cc van σ′p tot σ′f.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

Primaire consolidatie van een kleilaag met dikte H, met de effectieve spanning in het midden van de laag: σ′f = σ′0 + Δσ. Normaal geconsolideerde klei: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Overgeconsolideerde klei wordt langs Cr opnieuw samengedrukt tot de voorbelastingsspanning σ′p en volgt pas daarboven Cc. Tijd: t = Tv·Hdr²/cv, waarbij de drainageweg Hdr gelijk is aan H/2 als water boven en onder kan wegstromen, en aan H als maar één kant draineert.

Vergelijk met de voorbelastingsspanning

σ′f = 50 + 230 = 280 kPa > 150 kPa

Zetting

Herbelasting tot σ′p, maagdelijke samendrukking daarboven.

S = 0,02·2/(1 + 1,2)·log₁₀(150/50) + 0,5·2/(1 + 1,2)·log₁₀(280/150)
S = 8,675 + 123,2 = 131,9 mm

Antwoord

S = 131,9 mm
Voorbeeld 3Moeilijk
zandkleiH = 9,5 mcv​ = 3 m²/jaar9,5 mzandgrondwaterstand

Een kleilaag van 9,5 m dik heeft een consolidatiecoëfficiënt cv = 3 m²/jaar. Ze ligt tussen twee zandlagen, dus water draineert aan de boven- en onderkant weg. Voor 60% gemiddelde consolidatie is de tijdfactor Tv = 0,287. Hoeveel jaar t heeft de laag nodig om 60% consolidatie te bereiken?

H = 9,5 mcv = 3 m²/jaarU = 60%Tv = 0,287tweezijdige drainage

Gevraagd: t (jaar)

Hints tonen
  1. t = Tv·Hdr²/cv.
  2. Twee gedraineerde vlakken: de langste weg die een waterdeeltje aflegt is de halve laag.
  3. Hdr = 4,75 m.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

Primaire consolidatie van een kleilaag met dikte H, met de effectieve spanning in het midden van de laag: σ′f = σ′0 + Δσ. Normaal geconsolideerde klei: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Overgeconsolideerde klei wordt langs Cr opnieuw samengedrukt tot de voorbelastingsspanning σ′p en volgt pas daarboven Cc. Tijd: t = Tv·Hdr²/cv, waarbij de drainageweg Hdr gelijk is aan H/2 als water boven en onder kan wegstromen, en aan H als maar één kant draineert.

Drainageweg

Hdr = H/2 = 9,5/2 = 4,75 m

Tijd

t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·4,75²/3 = 2,158 jaar

Antwoord

t = 2,158 jaar

Vragen en antwoorden

Consolidatiezetting: wat is het?

Als je op een kleilaag bouwt, perst de extra belasting de klei samen. Water wordt uit de poriën geperst en de korrels komen dichter bij elkaar. Het grondoppervlak zakt: dit is consolidatiezetting.

Klei heeft zeer kleine poriën, dus het water vertrekt langzaam. Een gebouw op klei kan jarenlang blijven zakken.

Consolidatiezetting: hoe los je de opgaven stap voor stap op?

Primaire consolidatie van een kleilaag met dikte H, met de effectieve spanning in het midden van de laag: σ′f = σ′0 + Δσ. Normaal geconsolideerde klei: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Overgeconsolideerde klei wordt langs Cr opnieuw samengedrukt tot de voorbelastingsspanning σ′p en volgt pas daarboven Cc. Tijd: t = Tv·Hdr²/cv, waarbij de drainageweg Hdr gelijk is aan H/2 als water boven en onder kan wegstromen, en aan H als maar één kant draineert.

Consolidatiezetting: wat zijn veelgemaakte fouten?
  • Gebruik de logaritme met grondtal 10, log₁₀, niet de natuurlijke logaritme ln.
  • Deel door 1 + e₀, vermenigvuldig niet alleen met Cc·H.
  • De logaritme gebruikt de eindspanning gedeeld door de beginspanning: (σ′₀ + Δσ)/σ′₀, niet Δσ/σ′₀.
Consolidatiezetting: wat oefen je?
  • Makkelijk: normaal geconsolideerde klei
  • Gemiddeld: overgeconsolideerde klei
  • Moeilijk: consolidatietijd

Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord. Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.

Zo werkt het oefenen

  • Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord.
  • Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.
  • Je voortgang, fouten en bewaarde opgaven blijven bewaard, zodat je vóór het tentamen kunt herhalen.

Onderwerpen ervoor en erna

Eerst leren

Calculators

Vakken met dit onderwerp

Meer onderwerpen in Civiele techniek

Printbaar werkblad

Oefen Consolidatiezetting gratisOefen nu ConsolidatiezettingElke dag 5 gratis opgaven. Geen creditcard nodig.