1997 Acta Structilia Vol 4 No 1 Kommentaar Commentary Bouwerk op kleigrond: Vanuit die oogpunt van 'n Siviele lngenieur Hendrik J Marx* Opsomming Geen ekonomiese herstelmetode is tans beskikbaar waarmee die probleem van barste in bestaande geboue wat aan swel­ lende kleigrond te wyte is, geheel en al uitgeskakel kan word nie. Regstellende werk kan hoogstens die grootte en voorkoms van krake beperk. Sleutelwoorde: Kleigrond, krake, bouwerk. CONSTRUCTION ON EXPANSIVE CLAY: AN ENGINEER'S VIEWPOINT Summary No economically viable repair method is available at the mo­ment to completely solve the problem of cracks in existing buildings resulting from the expansion of clayey soil. Repair work can only control the size of cracks and help to avoid the aggravation of the problem. Keywords: Clayey soil, cracks, construction. * Dr Hendrik J Marx, Pr Ing, B Ing (Hons) Siviel Stellenbosch, M Sc & Ph D Universit�it van Illinois, VSA., LSAISI (Voorsitter, Bloemfontein), AIStruct E (Londen), MSAISC, lektor aan die Universiteit van die Oranje-Vrystaat. Marx / Bouwerk in Kleigrond H oeveel huiseienaars het nie al hul droomhuis loot bou net om binne die verloop van 'n jaar hand in die hare te sit oor 'n woning vol onooglike barste as ge­ volg van fondamente wat op swellende kleigrond gebou is nie? Voornemende huiseienaars is baie onwillig om enige geld aan 'n behoorlike geotegniese fondasie-ondersoek te spandeer. Dit is s6 dot mense gewoonlik nie graag vir iets wil betaal wat hulle nie kan sien nie. Dit kan eienaars met klei­ grond op hul erwe egter baie duur te staan kom. Swellende kleigrond is nie noodwendig 'n probleem nie. Door moet egter deeglik beplan en begroot word alvorens bouwerk 'n aanvang neem. Die geheim le daarin om vroegtydig van die dienste van 'n siviele ingenieur gebruik te maak. Plaaslike owerhede vereis 'n ingenieursertifikaat vir bouwerk op kleigrond, want konvensionele strook-fondamente wat deur tekenaars en argitekte volgens die Nasionale Boure­ gulasies op bouplanne aangetoon word, is don nie meer toelaatbaar nie. Die inligting wat hier weergegee word, is 'n vereenvoudig­ de verklaring van die oorsaak van barsvorming in die bak­ steenmure en hoe dit voorkom kan word. Wanneer kleigrond se voginhoud verhoog, swel dit uit en wanneer die voginhoud verlaag, krimp dit weer. Figuur (a) toon 'n oop stuk veld met plantegroei op 'n diep laag klei­ grond. Die voginhoud van die kleigrond is hoog en orals dieselfde. Wanneer 'n groot stuk plastiek op die grond neer­ gele en met bakstene vasgepak word om die wind uit te hou, gebeur die volgende soos in Fig. (b) aangedui: Waar die plastiekmembraan voorkom, word enige ver­ damping van grondwater deur die oppervlak versper en die grondvog bly hier hoog en konstant. Ver van die plas- 96 1997 Acta Structilia Vol 4 No 1 tiekmembraan af, suig plantegroei die grondwater uit die kleilaag uit en die grondvog verminder ook verder weens die verdampingsaksie veroorsaak deur die son en die wind. Hier is die kleigrond dus droer met 'n konstante maar laer voginhoud en krimp die kleilaag tot 'n laer vlak soos in Fig. (b) aangedui. Figuur (a) Pt..,,UHEGR0£1 Figuur (b) OAl4 Ott MUUR In die omgewing van die rand van die plastiekmembraan is daar egter 'n oorgangsone. Hier neem die voginhoud van die droer kleigrond toe, totdat dit die oorspronklike hoer konstante voginhoud bereik wat dieper onder die plastiek­ membraan in voorkom. Hier varieer die hoogte van die grondoppervlak ook vanaf die laer, droer, gekrimpte 97 Marx / Bouwerk in Kleigrond grondvlak tot by die natter, hoer, oorspronklike grondvlak dieper onder die plastiekmembraan in. Let op dat die rand van die plastiekmembraan gesak het en dat die grondop­ pervlak in hierdie oorgangsone geroteer het en nie meer horisontaal is nie. Wanneer 'n nuwe gebou opgerig word, vervul die beton­ vloer dieselfde rol as die plastiekmembraan hierbo: dit ver­ hoed die verdamping van grondvog in die kleigrond onder die gebou, terwyl die tuinplante, gras, wind en son dieself­ de rol as voorheen rondom die gebou vervul. Die posisie van die buitemure van die gebou in Fig. (c) stem ooreen met die rand van die plastiekmembraan. Dit is hier waar die buitemure _r.elatief tot die binnemure, wat daaraan vas is, vers�m sodoende krake te vorm. Verder hel die buite­ m1::1re ook na buite oor as gevolg van die rotasie van die grondoppervlak in die oorgangsone. By gewelmure is hier­ die oorhel no buite dikwels duidelik sigbaar. Soms verhoed die dakkonstruksie dat die bopunt van 'n gewelmuur no buite kan uitswaai en don knak die gewelmuur met 'n dui­ delike horisontale bars. Raad vir nuwe ontwikkelings en geboue: Die heel beste raad is om 'n inspeksie te laat doen om vas te stel of van die bestaande geboue in die direkte omgewing van die erf gekraak is of nie. lnligting rakende die voorkoms van swellende klei in die omgewing moet van die plaaslike owerheid ingewin word. Minstens twee toetsgate moet op die erf gegrawe word om vas te stel of daar kleigrond is of nie. lndien dit nie baie duidelik is dot door horde rots naby die oppervlak voorkom nie, kan die dienste van 'n siviele ingenieur verkry word om die ondersoek verder te voer. Hy kan ook behulpsaam wees met 'n kosteberaming vir ingenieursontwerpte fonda­ mente wat probleme sol uitskakel. 98 1997 Acta Structilia Vol 4 No 1 tiekmembraan of. suig plantegroei die grondwater uit die kleilaag uit en die grondvog verminder ook verder weens die verdampingsaksie veroorsaak deur die son en die wind. Hier is die kleigrond dus droer met 'n konstante 1maar laer voginhoud en krimp die kleilaag tot 'n laer vlak soos in Fig. (b) aangedui. -::{')- SO.• (N -/ff\" WINO Figuur (a) Figuur (b) Figuur (c) OAICKONSTRUlCSJE \/£R�OEO UITSWMI VA/Ii 0.£ 90PUN7 VAH Olf. MUUR In die omgewing van die rand van die plastiekmembraan is door egter 'n oorgangsone. Hier neem die voginhoud van die droer kleigrond toe, totdat dit die oorspronklike hoer konstante voginhoud bereik wat dieper onder die plastiek­ membraan in voorkom. Hier varieer die hoogte van die grondoppervlak ook vanaf die laer, droer, gekrimpte 97 Marx/ Bouwerk in Kleigrond grondvlak tot by die natter, hoer. oorspronklike grondvlak dieper onder die plastiekmembraan in. Let op dot die rand van die plastiekmembraan gesak het en dot die grondop­ pervlak in hierdie oorgangsone geroteer het en nie meer horisontaal is nie. Wanneer 'n nuwe gebou opgerig word, vervul die beton­ vloer dieselfde rol as die plastiekmembraan hierbo: dit ver­ hoed die verdamping van grondvog in die kleigrond onder die gebou, terwyl die tuinplante, gras, wind en son dieself­ de rol as voorheen rondom die gebou vervul. Die posisie van die buitemure van die gebou in Fig. (c) stem ooreen met die rand van die plastiekmembraan. Dit is hier waar die buitemure �atief tot die binnemure, wat daaraan vas is, vers�m sodoende krake te vorm. Verder hel die buite­ mt:Jre ook no buite oor as gevolg van die rotasie van die grondoppervlak in die oorgangsone. By gewelmure is hier­ die oorhel no buite dikwels duidelik sigbaar. Soms verhoed die dakkonstruksie dot die bopunt van 'n gewelmuur no buite kan uitswaai en don knak die gewelmuur met 'n dui­ delike horisontale bars. Raad vir nuwe ontwikkelings en geboue: Die heel beste road is om 'n inspeksie te loot doen om vas te stel of van die bestaande geboue in die direkte omgewing van die erf gekraak is of nie. lnligting rakende die voorkoms van swellende klei in die omgewing moet van die plaaslike owerheid ingewin word. Minstens twee toetsgate moet op die erf gegrawe word om vas te stel of door kleigrond is of nie. lndien dit nie baie duidelik is dot door horde rots naby die oppervlak voorkom nie, kan die dienste van 'n siviele ingenieur verkry word om die ondersoek verder te voer. Hy kan ook behulpsaam wees met 'n kosteberaming vir ingenieursontwerpte fonda­ mente wat probleme sol uitskakel. 98 1997 Acta Structilia Vol 4 No 1 Daar is verskeie opsies wat die siviele ingenieur in sy kosteanalise moet oorweeg om die mees ekonomiese oplossing aan sy klient te kan bied. Voorbeelde hiervan is: a) lndien die kleilaag nie diep is nie kan al die swellende materiaal uitgegrawe word en die got met goeie in­ gevoerde gruis teruggevul en gekompakteer word. Konvensionele strookfondamente kan hierna gebruik word. b) Konvensionele strookfondamente kan ook gebruik word waar diep uitgrawings dwarsdeur die kleilaag gegrawe word sodat die fondamente op vaste rots gefondeer word. Die fondamentmure onder die grond is in die geval egter baie hoer en gevolglik ook duurder. Hier moet die betonvloer los van alle mure gegiet word, met 'n uitsetvoeg tussen die vloer en mure, om vrye beweging van die vloer toe te laat. c) 'n Vlotfondament is 'n ander moontlikheid. Dit bestaan uit 'n strukturele sisteem van gewapende be­ tonbalke wat in vlak slote, in 'n roosterpatroon, in die kleigrond gegiet word met 'n gewapende beton­ vloerblad bo-oor, om 'n starre en plat fonderingsvlak te skep. Die soort fondament dryf in die kleigrond soos 'n vlot in water. Die baksteenmure ondervind nou geen relatiewe versakking of rotasie wat dit laat kraak nie, want die vlotfondament se styfheid verhoed dit. Door is verskeie gepatenteerde vlotfondamentstelsels beskikbaar. d) 'n Stelsel van betonkolomme wat diep op vaste rots gefondeer word met gewapende fondamentbalke wat tussen hierdie kolomme span, bied dikwels ook 'n ekonomiese oplossing. Raad vir bestaande geboue met barste: Geen ekonomiese metode is tans beskikbaar waarmee die probleem van barste in bestaande geboue, wat aan swel­ lende kleigrond te wyte is, geheel en al uitgeskakel kan 99 Marx/ Bouwerk in Kleigrond word nie. Regstellende werk kan hoogstens die grootte en voorkoms van krake beperk. Die volgende is sommige van die metodes wat deur siviele ingenieurs toegepas word om die effek van die kleiprobleem tee te werk: a) Waterdigte plaveisels word rondom die gebou aan­ gebring wat versakking en rotasie van die buitemure help beperk. 'n Diep vertikale plastiekmembraan word dikwels ook suksesvol rondom die gebou ge­ bruik om die grondvog onder die gebou konstant te hou en gevolglik die krimp en swel van die kleigrond te beperk. b) Dele van erg gebarste mure word oorgebou met ver­ tikale bewegingsvoee in strategiese posisies. c) 'n Metode van vlak boorgate rondom die gebou, wat gereeld met water gevul word om die grondvog in die omgewing van die gebou konstant te hou, word saam met metode a) hierbo toegepas. Hier is die menslike faktor, om gereeld water te gee, pro­ blematies. d) Die metode met uitgangspunt "as dit dan nie perma­ nent herstel kan word nie, steek dit eerder weg" deur gebarste mure met panele te beklee, bied 'n perma­ nente en praktiese oplossing. Bibliografie DONALDSON, G.W. 1973. The prediction of differential movement on expansive soils. Proceedings of the Third International Conference on Expansive Soils. August 1973. Haifa, Israel, pp. 289-293. JENNINGS, J.E. & KERRICH, J.E. 1962. The heaving buildings and as­ sociated consequences, with particular reference to the Orange Free State Goldfields. Transactions of the South Afri­can Institution of Civil Engineers, 4(11). PIDGEON, J.T. 1988. Guide to the universal method for the rational design of stiffened raft foundations for small structures. Course on the Design of Stiffened Raft Foundations and Ar- 100 1997 Acta Structilia Vol 4 No 1 ticulated Structures on Expansive Clay Soils. Division of Build­ ing Technology, CSIR. WILLIAMS, A.A.B., PIDGEON, J.T. & DAY, P.W.. 1985. Expansive soils. Problem soils in South Africa state-of-the-art. The civil engi­ neer in Souh Africa, 27(7), July, pp. 367-377. (Division of Building Technology reprint No. R/BOU 1318) 101