In drijfzand kun je niet verdrinken

Het komt in menig spannend verhaal voor: avonturier wordt verzwolgen door het drijfzand. Eng, maar ook flauwekul. Want in drijfzand kun je niet kopje-onder gaan, zoals een hoogleraar in Delft aantoonde toen hij een student in de smurrie liet zakken. Toch zorgt drijfzand wel degelijk voor gevaar.

8 december 2004

Het verhaal speelt zich af tijdens de eerste wereldoorlog. Thomas Edward Lawrence, die later bekend zou worden als Lawrence van Arabië, heeft met hulp van bedoeïenenstammen de havenplaats Akaba veroverd. Om het nieuws van de overwinning op de Turken aan de Britse generale staf in Cairo over te brengen, moet hij de inaïwoestijn oversteken.

Terwijl Lawrence en zijn twee Arabische bedienden, Daud en Farraj, door de woestijn trekken, steekt er een zandstorm op. Het drietal moet daardoor afstijgen en te voet verder.

Daud dwaalt door de zandstorm af. Hij raakt achterop. In een poging weer bij Lawrence en Farraj te komen, rent hij met zijn dromedaris van een zandduin af. Dat had hij beter niet kunnen doen. Een brullende dromedaris kan nog net zijn wegzinkende voorpoten terugtrekken. Maar Daud is al te ver doorgelopen. Ogenblikkelijk zakt hij tot aan zijn middel in het zand.

In de film Lawrence of Arabia verongelukt Daud in het drijfzand. Zijn lot zou heel anders zijn geweest als de schrijver van het filmscript zou hebben afgeweten van de ware eigenschappen van het zand-watermengsel.

“Aurens!” schreeuwt Daud in doodsnood uit. Lawrence en Farraj, die zijn kreet van verre horen, snellen geschrokken toe. Lawrence, die zich realiseert dat Daud in drijfzand is terechtgekomen, kan nog net Farraj laten struikelen als die zijn vriend onbesuisd te hulp wil snellen. Terwijl beiden nu verder veilig plat voorover liggen, rolt Lawrence zijn hoofddoek tot een koord. Daud kan het hem toegeworpen uiteinde vastgrijpen. Maar omdat hij inmiddels al tot aan zijn oksels is weggezakt, kan hij zich niet meer ontworstelen aan de enorme zuigkracht van het zand. Hij moet loslaten. Onder het slaken van een ijzingwekkende kreet verdwijnt hij ook met zijn hoofd onder het zand. Lawrence en Farraj zien met ontzetting toe hoe het zand zich boven hem sluit.

De film Lawrence of Arabia (1962), waaraan deze scène is ontleend, won zeven Oscars. Onder andere voor de beste film en voor de beste fotografie. Toch zal iedereen het er hierna mee eens zijn, dat er eigenlijk nog een extra Oscar had moeten zijn vergeven. Namelijk die voor de grootste fantasie.

Allereerst repte T.E. Lawrence met geen woord over een dergelijke gebeurtenis. In het door hemzelf geschreven verslag over de Arabische opstand, Seven Pillars of Wisdom (1926), is Daud ook na de Sinaïwoestijn nog van de partij. Pas tegen het einde van de oorlog hoort Lawrence dat Daud ‘s winters van de kou gestorven is. De scène met het drijfzand is dus verzonnen om de film spannender te maken. Toch is het geweld dat de geschiedenis wordt aangedaan nog niets vergeleken met het oor dat de natuurkunde wordt aangenaaid. Want het is onmogelijk dat iemand door drijfzand kan worden verzwolgen.

Gevaar: drijfzand! Dergelijke waarschuwingsborden zijn soms aan zee of bij opgespoten bouwterreinen te vinden. In maart 1994 vormde zich drijfzand langs een 15 km lange strook strand tussen Monster, Kijkduin en Scheveningen. Persoonlijke ongelukken deden zich niet voor. Wel zakte een paard weg in het zand. Het dier kon worden bevrijd, maar stierf later aan een hartstilstand.

“Absoluut,” zegt prof.dr.ir. Arnold Verruijt, emeritus hoogleraar in de grondmechanica aan de TU Delft. “Tenzij je opzettelijk je hoofd onder het zand wilt steken. Want zelfs als je voorover zou tuimelen, moet je nog altijd de tegenwoordigheid van geest kunnen opbrengen om je op je rug draaien. De helft van je lichaam blijft namelijk altijd boven drijven.”

Verruijt vertelt dat drijfzand eigenlijk niets bijzonders is. Elk zand kan drijfzand worden als het maar genoeg water heeft opgenomen. Droog zand ontleent zijn draagkracht aan op elkaar gestapelde zandkorrels. Die bieden weerstand als er een gewicht op rust. Maar als de zandkorrels door een opwaartse waterstroom worden omgewoeld, raken ze zodanig los gestapeld dat ze geen contact meer met elkaar hebben. Overal zijn ze dan door een dun laagje water van elkaar gescheiden. Door een schok, zoals van een zwakke aardbeving, maar ook door een voetstap, kan het zand dan ineens verweken en overgaan in drijzand-conditie.

Vaak gebeurt zoiets op het strand, aan de vloedlijn bij opkomend water. Het oppervlak lijkt dan weliswaar vast, maar daaronder kan een stok zonder moeite ineens diep in de grond worden geduwd. Het is een griezelige gevoel om op zo’n stuk strand te stappen en dan de hele laag als een pudding te voelen schudden.

Ook op de heide doet het verschijnsel zich soms voor. Als van naburige heuvels regenwater neerdaalt, kan het in de dalen gelegen zand door een opwaartse waterstroom worden doordrenkt. Doordat de heuvels met water zijn verzadigd, stijgt de grondwaterspiegel namelijk als gevolg van de ‘wet van de communicerende vaten’. Verder doet het verschijnsel zich in onze streken voor bij verse opspuitterreinen voor de bouw, in zandzuigputten en aan de mondingen van getijdegeulen, zoals in de Oosterschelde. Daar wordt voortdurend zand door lichte opwaartse stromingen losgewoeld en weer afgezet. Het zand krijgt daardoor een losse stapeling.

Drijfzand is zelf te maken. Vul een bekerglas met zand, en voeg daar zoveel water aan toe totdat het zand onder water staat. De grote poriën tussen de los op elkaar gestapelde zandkorrels raken gevuld met water (1). Met een pipet wordt het overtollige water weggenomen, totdat het zandoppervlak niet meer blinkt (2). Door schudden wordt het zand week. De zandkorrels zweven vrij in het water en er onstaat drijfzand (3). Wordt het zand nu verder met rust gelaten, dan zal het bezinken en weer draagkracht krijgen. Tussen de zandkorrels bevinden zich nu veel kleinere poriën. Het zand heeft een dichtere stapeling gekregen (4).

Volgens Verruijt kun je in drijfzand niet verdrinken. Om de proef op de som te nemen, liet hij zelfs een van zijn studenten in drijfzand zakken. “Zal ik je vertellen hoe dat is gegaan? Ik vertelde al jaren op college hoe het werkelijk met drijfzand zit. Droog zand weegt ongeveer 1,6 à 1,7 maal zoveel als water. Raken alle poriën in het zand met water gevuld, dan neemt dat relatieve volumegewicht toe tot twee. Dat betekent dat de opwaartse kracht die van drijfzand uitgaat ongeveer twee keer zo groot is als die van water. Een mens is even zwaar als water en kan daar dus maar tot de helft in wegzakken. Daarom noem je het ook drijfzand. Dus maak je vooral geen zorgen. In drijfzand moet je er tot zóver ingaan (maakt gebaar met hand tot aan de navel). Niet verder.

“Maar is dat ook zo? Een paar jaar geleden riep ik daarom op college: ‘Wij hebben op Geotechniek een vier meter grote tank die we gebruiken voor ankerproeven. Daarin kunnen we ook drijfzand maken. Het enige dat nog ontbreekt, is een vrijwilliger die er even inspringt. Ik heb daar een kratje bier voor over.

“Eén van mijn studenten, Marc Senders, stond op en riep. ‘Verkocht!’. Toen hebben we de proef op de som genomen. Voor alle zekerheid hebben we natuurlijk een touw om zijn lichaam gedaan. Kijk, hier op de foto gaat hij erin. Je ziet dat hij er maar tot aan zijn middel inzit. En echt waar hoor: hij zijn uiterste best gedaan om er nog verder in te zakken. Heen en weer bewegen, op en neer springen, noem maar op. Op deze foto staat hij trouwens helemaal los van het touw.”

Student Marc Senders van de TU Delft wilde wel testen of je in drijfzand kunt verdrinken. Met een touw om voor de zekerheid werd hij in een diepe bak met drijfzand getakeld. Hoeveel moeite hij ook deed, dieper dan tot zijn middel wist hij er niet in weg te zakken. De opwaartse kracht van de dikke vloeistof was domweg te groot. bron: A. Mensinga/Laboratorium voor Geotechniek, TU Delft

Sinds het experiment is uitgevoerd, staat vast dat de ‘wet van Archimedes’ ook voor drijzand opgaat. Die wet luidt: Een lichaam, dat geheel of gedeeltelijk is ondergedompeld in een vloeistof, ondervindt een opwaartse kracht die gelijk is aan het gewicht van de verplaatste vloeistof.

Toch was dat niet van meet af aan duidelijk. Aan het begin van deze eeuw geloofden wetenschappers nog dat drijfzand alleen zou onstaan bij gladde zandkorrels. De mooi afgeronde korrels zouden als kogellagertjes langs elkaar slippen en daardoor zou je er in zakken. Pas in 1926 toonde de Nederlandse ingenieur dr.ir. J. Versluys aan dat ook ruw zand en zelfs klei gemakkelijk overgaat in de drijfzandconditie. Volgens Versluys was het een kwestie van zandkorrelstapeling. Bij een losse stapeling kan er overal water tussen de korrels komen, waardoor het zand overgaat in een suspensie. De zandkorrels ‘zweven’ daarbij in het water. Zand in supsensie is dus niets anders dan een zware vloeistof, en vandaar het veel grotere drijfvermogen volgens de wet van Archimedes.

Prof. Tsutomo Tanaka van de Kobe University in Japan was in 1998 in Delft toen Verruijt de drijfzandproef nog eens herhaalde.Hij raakte zo enthousiast dat hij gauw in zijn hotel zijn zwembroek ging halen en ook het drijfzand in sprong. Hij heeft de foto ook in een Japans blad gepubliceerd. Bron: prof.dr. Arnold Verruijt.

Betekent dit nu dat er geen enkel gevaar van drijfzand is te duchten? “Dat is nu ook niet zo,” vervolgt professor Verruijt. “Want daarstraks had ik al verteld dat nat zand volkomen plotseling kan overgaan in drijfzand door trillingen. Bij aardbevingen zie je daardoor soms grote verwoestingen. Door de bodembewegingen kan opstijgend grondwater het zand loswoelen. Bij een middelzware aardbeving kan dat los gestapelde zand als een kaartenhuis in elkaar storten.”

Volgens drs. Gerhard Houtgast, seismoloog bij het KNMI in De Bilt, zijn die zandfonteinen ontstaan door zand dat door de bodemtrillingen vloeibaar is geworden. Onder hoge druk is dat drijfzand vervolgens door bodemscheuren omhooggespoten. “In sommige weilanden, en op een voetbalveld in Montfort, troffen we zandfonteinen aan die een hoogte moeten hebben bereikt van tientallen centimeters,” aldus Houtgast. “Dat is af te leiden uit de afmetingen van de kegels van uitgeworpen zand. Maar doordat de beving ‘s nachts gebeurde, heeft jammer genoeg niemand de fonteinvorming gezien. Langs de Maas zag je trouwens ook sporen van liquefactie, ofwel het vloeibaar worden van de bodem. Daar vonden kleine aardverschuivingen langs de oevers plaats.”

Verruijt laat dat plotselinge ontstaan van drijfzand zien aan de hand van een zogenaamde ‘quicksandtank’. Dat is een soort aquarium, waarin een grote hoeveelheid zand op een filter rust. Via het filter stroomt water in dat onder druk is gebracht. Heel mooi is te zien hoe het zand naar boven toe steeds natter wordt. Als het zand volledig is verzadigd, wordt het overtollige water aan het oppervlak weggezogen.

“Voel maar eens,” zegt Verruijt. Onder mijn handen voelt het zand zeer stevig aan. “Nu zetten we er een namaak-huisje op en zullen kijken wat er gebeurt als we een klap tegen de tank geven.” Aanvankelijk staat het huisje heet gewoon op het zand. Dan geeft laboratoriummedewerker Han de Visser met een zware steen een dreun tegen een van de hoeken van de tank. Werkelijk ogenblikkelijk zakt het huis weg in de plotseling verweekte brij.

Nu komen in Nederland bijna geen aardbevingen voor. Maar op 13 april 1992 werd ik even voor half vier ‘s ochtends wakker geschud door de krachtige aardbeving die op dat moment in Roermond en omgeving grote vernielingen aanrichtte. Bij die beving spoten op sommige plaatsen ‘zandfonteinen’ omhoog.

Liquefactie van zand bij de aardbeving van 13 april 1992 bij Roermond. Bron: Drs. G. Houtgast/KNMI, Sectie Seismologie

Nu was de aardbeving van Roermond heel uitzonderlijk voor ons land. Maar Amerikaanse seismologen, die voortdurend in de weer zijn met aardbevingen die optreden langs de Rocky Mountains en het San Andreasbreuk in Californië, kennen de gevolgen van ‘soil liquefaction’ maar al te goed. In 1964 bijvoorbeeld, tijdens een aardbeving in Alaska, werden ongeveer 250 bruggen beschadigd doordat hun pijlers wegzakten als gevolg van aardverschuivingen langs de rivierbeddingen. Ook kwamen door de vloeibaar geworden bodem ondergrondse opslagtanks omhoog. Bij lege tanks was het drijfvermogen zo groot, dat ze zelfs door geasfalteerde wegen heen omhoog kwamen.

“Het vervelende is dat je nooit precies weet wat er kan gebeuren omdat je nooit precies weet wat er in de onderliggende bodem zit.” zegt T. Leslie Youd, van de Brigham Young University in Provo (Utah). “Daarom zijn we nu bezig alle bodemlagen in aardbevingsgebieden in kaart te brengen.”

Tot zover drijfzandverschijnselen die door de natuur zelf zijn voortgebracht. Maar soms helpt de mens het ongeluk ook een handje. Zo deed zich in 1961 in Clamart, een voorstad
van Parijs, een eigenaardige aardverschuiving voor. In een dichtbewoonde streek werden 25 huizen, een flatgebouw en een porseleinfabriek binnen enkele seconden bedolven. Aan de ramp was een langdurige regenval voorafgegaan. Toch zou er weinig zijn gebeurd als zich geen gasontploffing had voorgedaan in de ondergrondse gangen van een champignonkwekerij. Ooggetuigen verklaarden hoe het naburige heuvelterrein begon te welven. Vervolgens zakte de hele boel ‘als een molshoop’ in en kwam naar beneden. Bijna dertig mensen vonden onder het puin de dood.

In Clamart veranderde de schok van de ontploffing een met water doordrenkte bodemlaag plotseling tot drijfzand. Doordat er sprake was van een glooiende helling, ontstond zo een glijvlak en schoof de aardmassa omlaag. De slachtoffers die vielen waren ook hier dus zeker niet door het drijfzand weggezakt. Het ongeluk wilde dat ze het drijfzand op hun hoofd kregen.

Moeras en schuimbeton

Wie niet in paniek raakt, kan in drijfzand niet verdrinken. Het is een kwestie van rustig blijven drijven en om hulp roepen. Is er geen hulp, dan kan met voorzichtige bewegingen naar vastere grond onder de voeten worden gezwommen.

Voor een moeras is het wél oppassen. Dat bestaat uit een laag mosachtig veen dat door planteresten bij elkaar wordt gehouden. Als zich daaronder water bevindt, kun je er doorheen zakken, net zoals je door ijs zakt. In zo’n situatie moet echt worden gezwommen, want een mens is nagenoeg even zwaar als water.

Zeer gevaarlijk zijn vloeibare substanties waarin kunstmatig lucht of gas is aangebracht. Door de aangebrachte bellen hebben zulke oplossingen een laag volumegewicht. Pas gestort schuimbeton is slechts 0,6 maal zo zwaar als water en heeft dus ook voor
een mens onvoldoende draagkracht. “Als je daar in valt, kun je zwemmen wat je wilt, maar je komt niet boven,” vertelt professor Verruijt: “Dan verzuip je dus. Echt levensgevaarlijk spul!”