Page 1

N103 Cover_Opmaak 1 25-11-13 11:31 Pagina 1

JAARGANG 17

NUMMER 5 DECEMBER 2013

ONAFHANKELIJK VAKBLAD VOOR HET GEOTECHNISCHE WERKVELD

TH EM A

EL EM EN TA IR

G

O E

E T

H C

N

E I

D K

G A

3 1 0 2


Cover II_Opmaak 1 25-11-13 11:02 Pagina 1


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:46 Pagina 1

Inhoud 4 10

Is Eurocode 7 af? Ir. G. Hannink / Ir. M. Lurvink / Ir. A.J. van Seters

Overzicht van geotechnische aspecten Deurganckdoksluis: bouw grootste sluis ter wereld Ir. L. Vincke / Ir. L. De Vos / Ir. E. Beyts

16

32

Smart Geotherm Ir. G. Van Lysebetten / Ir. L. François / Prof. Ir. N. Huybrechts

36 44

J. van der Burg

18

Geologisch onderzoek naar aardbevingen en de relatie met activiteit in de ondergrond

Diepe bouwput langs historische panden in centrum Den Haag Deel 1 Ing. M. van Baars

Contactgroep ‘microtechnieken’ van de NVAF

Stuwende krachten Willem de Meijer en Theo de Jong: Het gaat om de leden!

Afstemming van aanbod, vraag en buffering van (geo-)thermische energie in (middel)grote gebouwen

Nieuwe voeten voor de spoorbrug over de Waal bij Nijmegen Ir. R. Spruit / Ir. G. Hannink / Dr. O. Oung

50

Dr. A.R. Niemeijer

Stabiliteitsanalyses met ongedraineerde schuifsterkte voor regionale waterkeringen Ing. T.A. van Duinen / Ir. H. van Hemert

21

Interactie constructeur en geotechnicus Ir. A. Kooistra

56

Dijken optimaliseren met sensoring

22

Zwelbelasting op funderingen CUR/COB-commissie C202

60

Geo-Impuls Webportaal Betrouwbaar Ondergrondmodel: wegwijzer naar vaste grond

Ing. E. Kwast / Ir. M. Peters

Ing. R.D. van Putten

Ir. A. Venmans

28

Diepwandproef Delft Dr. J.H. van Dalen

niek h c e t o e Ge 14! d 0 2 n i a e a l m ee il/ Neem d jsspecial apr i Onderw

as van aanw U's en e d p rd s.m. T icht o l, ger emaakt i. distribuee a i c e g ijssp i, wordt n ge rkgever anale c e nderw De O geotechni via deze k er u als w l en/of e k t e o ike n t w o e r nieu holen en gië. Pres en a e t e m el sc ever Hoge rland en B erknemers r bij de uitg w de ee in Ne komstige ie. Inform rieven: 4. e t a t o n 5 654 t s e naar te advert e plaatsing on 010-42 ra ijk efo corpo aantrekkel com.nl, tel

e du naar d itgeverije u @ info


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:46 Pagina 2

Hoofd- en Sub-sponsors Hoofdsponsor

Stieltjesweg 2,2628 CK Delft Tel. 0031 (0)88 - 335 7200 www.deltares.nl

Sub-sponsors

Gemeenschappenlaan 100 B-1200 Brussel Tel. 0032 2 402 62 11 www.besix.be

CRUX Engineering BV Pedro de Medinalaan 3-c 1086 XK Amsterdam Tel. 0031 (0)20-494 3070 www.cruxbv.nl

Veurse Achterweg 10 2264 SG Leidschendam Tel. 0031 (0)70 - 311 13 33 www.fugro.nl

Korenmolenlaan 2 3447 GG Woerden Tel. 0031 (0)348-43 52 54 www.volkerinfradesign.nl

Galvanistraat 15 3029 AD Rotterdam Tel. 0031 (0)10 - 489 69 22 www.gw.rotterdam.nl

Industrielaan 4 B-9900 Eeklo Tel. 0032 9 379 72 77 www.lameirest.be

Vierlinghstraat 17 4251 LC Werkendam Tel. 0031 (0) 183 40 13 11 www.terracon.nl

Klipperweg 14, 6222 PC Maastricht Tel. 0031 (0)43 - 352 76 09 www.huesker.com

Dywidag Systems International

H.J. Nederhorststraat 1 2801 SC Gouda Tel. 0031 (0) 182 59 05 10 www.baminfraconsult.nl

Rendementsweg 15 3641 SK Mijdrecht Tel. 0031 (0) 297 23 11 50 www.bauernl.nl

Industrieweg 25 – B-3190 Boortmeerbeek Tel. 0032 16 60 77 60 Veilingweg 2 - NL-5301 KM Zaltbommel Tel. 0031 (0)418-57 84 03 www.dywidag-systems.com

Kleidijk 35 3161 EK Rhoon Tel. 0031 (0)10 - 503 02 00 www.mosgeo.com

2

IJzerweg 4 8445 PK Heerenveen Tel. 0031 (0)513 - 63 13 55 www.apvandenberg.com

Siciliëweg 61 1045 AX Amsterdam Tel. 0031 (0)20-40 77 100 www.voorbijfunderingstechniek.nl

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Ballast Nedam Engeneering Ringwade 51, 3439 LM Nieuwegein Postbus 1555, 3430 BN Nieuwegein Tel. 0031 (0)30 - 285 40 00 www.ballast-nedam.nl

URETEK Nederland BV Zuiveringweg 93, 8243 PE Lelystad Tel. 0031 (0)320 - 256 218 www.uretek.nl


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 3

Mede-ondersteuners Cofra BV Kwadrantweg 9 1042 AG Amsterdam Postbus 20694 1001 NR Amsterdam Tel. 0031 (0)20 - 693 45 96 Fax 0031 (0)20 - 694 14 57 www.cofra.nl

PostAcademisch Onderwijs (PAO)

Jetmix BV Postbus 25 4250 DA Werkendam Tel. 0031 (0)183 - 50 56 66 Fax 0031 (0)183 - 50 05 25 www.jetmix.nl

Postbus 5048 2600 GA Delft Tel. 0031 (0)15 - 278 46 18 Fax 0031 (0)15 - 278 46 19 www.pao.tudelft.nl

Weesperstraat 430 Postbus 12693 1100 AR Amsterdam Tel. 0031 (0)20 - 251 1303 Fax 0031 (0)20 - 251 1199 www.iba.amsterdam.nl

Esperantolaan 10-a B-8400 Oostende Tel. +32 (0) 59 55 00 00 Fax +32 (0) 59 55 00 10 www.soetaert.be

Royal HaskoningDHV Profound BV

Ingenieursbureau Amsterdam

nv Alg. Ondernemingen Soetaert-Soiltech

Postbus 151 6500 AD Nijmegen Tel. 0031 (0)24 - 328 42 84 Fax 0031 (0)24 - 323 93 46 www.royalhaskoningdhv.com

Limaweg 17 2743 CB Waddinxveen Tel. 0031 (0)182 - 640 964 Fax 0031 (0)182 - 649 664 www.profound.nl

SBRCURnet Postbus 1819 3000 BV Rotterdam Tel. 0031 (0)10 - 206 5959 Fax 0031 (0)10 - 413 0175 www.sbr.nl www.curbouweninfra.nl

Colofon GEOTECHNIEK JAARGANG 17 – NUMMER 5

Uitgever/bladmanager Uitgeverij Educom BV R.P.H. Diederiks Redactie Beek, mw. ir. V. van Brassinga, ing. H.E. Brouwer, ir. J.W.R. Diederiks, R.P.H. Hergarden, mw. Ir. I. Meireman, ir. P.

DECEMBER 2013

Geotechniek is een uitgave van Uitgeverij Educom BV

Geotechniek is een informatief/promotioneel onafhankelijk vaktijdschrift dat beoogt kennis en ervaring uit te wisselen, inzicht te bevorderen en belangstelling voor het gehele geotechnische vakgebied te kweken.

Mathenesserlaan 347 3023 GB Rotterdam Tel. 0031 (0)10 - 425 6544 Fax 0031 (0)10 - 425 7225 info@uitgeverijeducom.nl www.uitgeverijeducom.nl

Redactieraad Alboom, ir. G. van Beek, mw. ir. V. van Bouwmeester, Ir. D. Brassinga, ing. H.E. Brinkgreve, dr. ir. R.B.J. Brok, ing. C.A.J.M. Brouwer, ir. J.W.R. Cools, ir. P.M.C.B.M. Dalen, ir. J.H. van Deen, dr. J.K. van

Diederiks, R.P.H. Graaf, ing. H.C. van de Gunnink, Drs. J. Haasnoot, ir. J.K. Hergarden, mw. Ir. I. Jonker, ing. A. Kleinjan, Ir. A. Langhorst, ing. O. Mathijssen, ir. F.A.J.M. Meinhardt, ir. G. Meireman, ir. P.

Rooduijn, ing. M.P. Schippers, ing. R.J. Smienk, ing. E. Spierenburg, dr. ir. S. Storteboom, O. Vos, mw. ir. M. de Velde, ing. E. van der

Lezersservice Adresmutaties doorgeven via info@uitgeverijeducom.nl © Copyrights Uitgeverij Educom BV December 2013 Niets uit deze uitgave mag worden gereproduceerd met welke methode dan ook, zonder

Coverfoto: Peter van Oosterhout

schriftelijke toestemming van de uitgever. © ISSN 1386 - 2758

Distributie van Geotechniek in België wordt mede mogelijk gemaakt door:

SMARTGEOTHERM

ABEF vzw

BGGG

Info : WTCB, ir. Luc François Lombardstraat 42, 1000 Brussel Tel. +32 11 22 50 65 info@bbri.be www.smartgeotherm.be

Belgische Vereniging Aannemers Funderingswerken Priester Cuypersstraat 3 1040 Brussel Secretariaat: erwin.dupont@telenet.be

Belgische Groepering voor Grondmechanica en Geotechniek c/o BBRI, Lozenberg 7 1932 Sint-Stevens-Woluwe bggg@skynet.be

3

GEOTECHNIEK Special – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 4

Is Eurocode 7 af?

Ir. G. Hannink Gemeente Rotterdam, Projectmanagement & Engineering

Figuur 1 - Eerste concept van Eurocode 7

Ir. A.J. van Seters Fugro GeoServices

Inleiding

het volgende over opgenomen: NEN 9997-1 vormt de consolidatie van NEN-EN 1997-1+C1:2012 en NEN-EN 1997-1+C1:2012/NB:2012. Constructieve geotechnische berekeningen die met NEN 9997-1 zijn gemaakt, zijn daarmee identiek aan die welke door het Bouwbesluit 2012 zijn aangewezen en kunnen als zodanig worden ingediend bij het bevoegd gezag.

De eerste generatie Eurocodes is het meest uitgebreide stelsel van normen voor het constructief en geotechnisch ontwerp ter wereld. De ontwikkeling van dit technisch complexe stelsel mag als een geweldige prestatie worden beschouwd en de impact is groot, omdat het dagelijks werk van ca. 500.000 professionals in Europa er door wordt beïnvloed. Het heeft ongeveer 25 jaar geduurd om in Europa tot een gezamenlijke set voorschriften voor de bouw te komen. Inmiddels zijn er voor de diverse vakgebieden 58 Eurocode delen, waarvan twee voor de geotechniek. De Europese Commissie nam hiertoe destijds het initiatief en sloot in 1980 een overeenkomst met de International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE) om een voorbeelddocument van een gemeenschappelijke geotechnische norm (Eurocode 7) op te stellen. Voor het samenstellen van Eurocode 7 is begonnen met een ad hoc werkgroep die aanvankelijk bestond uit vertegenwoordigers van 9 en later 11 landen die in de periode van 1981 t/m 1987 22 keer vergaderden en in december 1987 met een eerste volledig concept voor Eurocode 7 kwamen (figuur 1). Nederland was hier vanaf het begin bij betrokken en speelde een belangrijke rol, omdat het met Wim Heijnen en Henk Nelissen de verantwoordelijkheid had voor het secretariaat van de werkgroep. De definitieve versie van Eurocode 7, deel 1 werd in 2004 goedgekeurd door vertegenwoordigers van 28 Europese landen. De definitieve versie van Eurocode 7, deel 2 volgde in 2006 met de goedkeuring van inmiddels 30 Europese landen. Eurocode 7, deel 1 behandelt het ontwerp van geotechnische constructies en Eurocode 7, deel 2 beschrijft het gebruik en de interpretatie van terrein- en laboratoriumproeven. De Eurocodes zijn in Nederland in werking getreden met de vaststelling van een nieuw Bouwbesluit op 1 april 2012. Aanvragen voor een bouwvergunning dienen sinds die tijd te worden geba-

Ir. M. Lurvink NEN

seerd op de Eurocodes. Er is dus nu meer dan een jaar ervaring met het werken met o.a. Eurocode 7. Wat zijn die ervaringen en zijn we met het verschijnen van de Eurocodes nu klaar met het normalisatiewerk? Wat gebeurt er op normgebied in Europa en wat doet de NEN-commissie Geotechniek nu in Nederland? Dit artikel geeft antwoord op deze vragen.

Geotechnici werken in Nederland dus niet met Eurocode 7, deel 1, maar met NEN 9997, deel 1 (figuur 2). In diverse artikelen in de vakbladen blijkt dat hierover verwarring heerst. De relatie tussen beide is uiteengezet in figuur 3. De aanvullende Nederlandse bepalingen bestaan uit artikelen afkomstig uit de inmiddels ingetrokken normen NEN 6740: Geotechniek - Basiseisen en belastingen, NEN 6743-1: Funderingen op (druk)palen, NEN 6744: Funderingen op staal, NEN 6745-1 en NEN 6745-2: Proefbelasting van funderingspalen (op druk en op trek) en o.a. CURpublicatie 2001-4: Ontwerpregels voor trekpalen en CUR-publicatie 166: Damwandconstructies.

Het huidige normenstelsel Eurocode 7, deel 1 is in Nederland op verschillende manieren verkrijgbaar. NEN heeft ernaar gestreefd de belangrijkste Eurocode delen te vertalen en alle wijzigings- en correctiebladen in één uitgave te bundelen. Het Bouwbesluit 2012 wijst waar mogelijk deze geconsolideerde versies en de bijhorende nationale bijlage aan. Dat betekent dat in het huidige Bouwbesluit NENEN 1997-1+C1:2012 en de nationale bijlage NEN-EN+C1:2012/NB:2012 zijn aangewezen. De aanvullende bepalingen zijn onderdeel van de nationale bijlage en moeten daarom vanuit het Bouwbesluit worden toegepast. De NEN-commissie Geotechniek wilde graag één boek met de norm en nationale bijlage voor de eindgebruiker. Dit is NEN 9997-1 geworden. De laatste versie hiervan, NEN 9997-1+C1:2012, is inhoudelijk gelijk aan NEN-EN 1997-1+C1:2012 en NEN-EN 1997-1+C1:2012/NB:2012. In tabel 1 is een overzicht gegeven van combinaties van normuitgaven en correctiebladen die gelijk zijn aan de door het Bouwbesluit gevraagde methode. In het voorwoord van NEN 9997-1+C1:2012 staat hier

4

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Reacties op NEN 9997, deel 1 Als wordt afgegaan op het aantal reacties dat bij NEN het afgelopen jaar is binnen gekomen, dan is de overgang naar NEN 9997-1 probleemloos verlopen. Er zijn alleen redactionele opmerkingen gemaakt en er is gewezen op de diverse drukfoutjes in de norm die ondanks een zo goed mogelijke controle toch in de vele formules zijn blijven zitten. Deze reacties zijn veelal afkomstig van de opstellers van de norm en vanuit de NEN-commissie Geotechniek. De eerste reacties van gebruikers zijn pas recent binnen gekomen. En dat is ook logisch. Pas bij het echte gebruik kom je de punten tegen die niet helemaal consistent zijn en bij het indienen van een bouwaanvraag blijkt dan ineens dat vergunningaanvrager en vergunningverlener anders tegen een bepaald artikel aankijken. Vaak is dan de eerste reactie dat de opstellers van de norm hun werk niet goed hebben gedaan. Zo simpel ligt het natuurlijk niet. De opstellers hebben tijdens het proces van het samenstellen van een norm behoefte aan feedback van de toekomstige gebruikers,


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 5

Samenvatting De Eurocodes zijn in Nederland in werking getreden met de vaststelling van een nieuw Bouwbesluit op 1 april 2012. Er is dus nu meer dan een jaar ervaring met het werken met o.a. Eurocode 7. In 2010 heeft de Europese Commissie het initiatief genomen tot een verdere ontwikkeling van het Eurocode systeem. Voor Eurocode 7 wordt een verdere harmonisatie nagestreefd en wordt beoogd de

gebruiksvriendelijkheid te verbeteren. Zo wil men o.a. de gemeenschappelijke gedeelten in de diverse nationale bijlagen overhevelen naar Eurocode 7. De tweede generatie Eurocodes zou in 2018/2019 als ontwerpversie gereed moeten zijn en de definitieve versie ongeveer twee jaar later.

maar die zijn dan meestal te druk om zich er in te verdiepen. Men moet zich daarom terdege realiseren dat het afleveren van een perfecte norm niet mogelijk is en dat het verbeteren van normteksten alleen mogelijk is als er zoveel mogelijk uitwisseling is tussen opstellers en gebruikers. Er is dus gewoon nog een weg te gaan.

constructies. Er wordt bijvoorbeeld gewezen op de introductie van de Consequence Classes, waarbij CC3 leidt tot 10% verzwaring en dus ook tot bijvoorbeeld 10% meer palen. De kritiek van deze grote bedrijven richt zich vooral op het gehele stelsel van Eurocodes en niet specifiek op Eurocode 7 (of NEN 9997-1).

Op één specifiek punt is al voor de introductie van NEN 9997-1 kritiek geuit. Op de Funderingsdag in 2010 is melding gemaakt van het feit dat de Nederlandse geotechnische normen niet zijn afgestemd op de specifieke omstandigheden voor paalfunderingen in overgeconsolideerde grondsoorten [11]. Met name de schachtwrijving van potklei wordt volgens de auteurs in de norm veel te laag berekend. Voorts werd gewezen op verdringingsrisico’s bij keileem en potklei en ontspanningsrisico’s bij overgeconsolideerde zandlagen. Door de NEN-commissie Geotechniek wordt erkend dat de beschikbare informatie over deze onderwerpen beperkt is. CUR Bouw & Infra heeft onderzocht of het mogelijk was om een onderzoekscommissie naar deze problematiek te laten kijken, maar dat is toen niet gelukt. Vooralsnog zal dus ook voor deze grondsoorten moeten worden gewerkt met de voorschriften van NEN 9997-1.

FUNDERINGSBEDRIJVEN

In de afgelopen tijd hebben de funderingsbedrijven gewezen op de soms slechte aansluiting tussen de Eurocodes onderling. Het gaat daarbij vooral om de Eurocodes 2 (Beton), 3 (Staal), 4 (Staal-beton) en 7 (Geotechniek). Vanuit Eurocode 2 worden bijvoorbeeld betondekkingen en afmetingen van de wapening van geotechnische constructies voorgeschreven die afwijken van wat tot op heden in Nederland gebruikelijk is. Dit heeft uiteraard geleid tot discussies met de Bouwtoezichten. Als gevolg van NEN-EN 1992 (Eurocode 2) zouden bijvoorbeeld wapeningskorven ca. 15% zwaarder worden. Niet alleen gaan de kosten daardoor omhoog, ook heeft veel wapening in palen en diepwanden mogelijk een negatief effect op de kwaliteit van het eindproduct. Constructeurs worstelen hiermee en er is een grote behoefte aan meer duidelijkheid.

Figuur 2 - NEN 9997, deel 1.

BOUW TOEZICHTEN GROTE BOUWBEDRIJVEN EN INGENIEURSBUREAUS

De grote bouwbedrijven en ingenieursbureaus in Nederland werken ook veel buiten de eigen landsgrenzen. Zij zien de overgang van nationale normen naar Europese normen als een mogelijkheid om gemakkelijker internationaal te opereren. Nu zij daadwerkelijk met de Eurocodes worden geconfronteerd, merken zij dat er nog geen sprake is van een volledige harmonisatie (figuur 4): alle landen in Europa hanteren weliswaar de Eurocodes, maar daarnaast moet in elk land rekening worden gehouden met aanvullende nationale bepalingen. Bovendien stuiten zij op veel onduidelijkheden, merken zij dat het werken met de Eurocodes veel gewenningstijd vergt, dat de normen complex zijn en dat het werken ermee veel administratie vergt. De indruk wordt gewekt dat de invoering van de Eurocodes in veel gevallen leidt tot zwaardere

De bouwtoezichten ontvingen het afgelopen jaar nog wel eens aanvragen voor een bouwvergunning op basis van NEN 6740. Deze moesten dan worden omgezet naar NEN 9997-1. Over het algemeen verloopt de overgang naar de Europese normen

Figuur 3 - De relatie tussen NEN 9997, deel 1 en Eurocode 7, deel 1.

Tabel 1 - Eurocode 7-1 versus uitgaven van NEN 9997-1 en de relatie met het Bouwbesluit 2012.

5

GEOTECHNIEK Special – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 6

Figuur 4 Ontwerpbenaderingen voor funderingen op staal in Europa (naar Bond, 2013).

ropese technische commissies actief op het gebied van de geotechniek. Technische Commissie 288 (CEN/TC 288) heeft in de afgelopen 15 jaar een serie Europese normen op het gebied van de uitvoering van bijzonder geotechnisch werk uitgebracht. Deze normen zijn in Nederland in de Engelse taal door NEN gepubliceerd. Technische Commissie 341 (CEN/TC 341) houdt zich bezig met het opstellen van Europese normen op het gebied van de uitvoering van terrein- en laboratoriumproeven. De normen die door de Technische Commissies 288 en 341 worden samengesteld, behoren niet tot de Eurocodes, maar worden wel in alle Europese landen (EN) en soms wereldwijd (ISO) gebruikt. Eurocode 7 verwijst waar mogelijk naar deze normen die niet vanuit het Bouwbesluit zijn aangestuurd. Het gebruik van deze normen is dan ook een privaatrechtelijke (contractuele) aangelegenheid. Wel mag er van worden uitgegaan dat met toepassing van deze normen, in combinatie met Eurocode 7, aan de Nederlandse bouwregelgeving wordt voldaan. Op enkele normen wordt hierna ingegaan. CLASSIFICATIE VAN GROND

grippen niet altijd eenduidig zijn en ook niet altijd aansluiten bij die in de uitvoeringsnormen NEN-EN 1536, 12699 en 14199. De regels voor avegaarpalen zijn door de introductie van de Eurocodes veranderd. Zonder aanvullende regelgeving is het door het intrekken van de TGB-serie en NVN 6724 niet meer duidelijk hoe avegaarpalen moeten worden gewapend. Aan het verschaffen van die duidelijkheid wordt momenteel gewerkt.

Met de invoering van de Eurocodes is NEN 5104, Classificatie van onverharde grondmonsters, vervangen door de internationale normen NEN-ENISO 14688-1 en -2. Deze normen zijn onlangs in Nederland geïntroduceerd en vertaald alsook voorzien van een nationale bijlage. Deel 1 – Identificatie en beschrijving – gaat over de classificatie in het terrein en Deel 2 – Grondslagen voor classificatie – geeft een aanvulling op basis van laboratoriumproeven. Beide normen zijn ontwikkeld door TC 341.

Normontwikkeling in Europa

Figuur 5 - Eurocode 7, deel 2 (NENEN 1997-2).

echter zonder al te veel problemen. Wel is er soms discussie over de toepassing van tabel 7.c met de paalfactoren, althans als het over anker- en/of micropalen gaat. Voor deze categorie palen zijn in NEN 9997-1 voor het eerst aparte factoren gedefinieerd. Er wordt op gewezen dat de diverse be-

De Europese Commissie heeft de ontwikkeling van de Eurocodes tot 1990 ondersteund, waarna het werk aan alle Eurocodes voor verdere ontwikkeling, publicatie en onderhoud werd overgeheveld naar CEN (Comité Européen de Normalisation) te Brussel. Door CEN is een technische commissie (TC 250) opgericht die de ontwikkeling van de Eurocodes vanaf 1990 heeft begeleid. Voor elke Eurocode is een aparte subcommissie (SC) van CEN/TC 250 verantwoordelijk. Subcommissie 7 (CEN/TC 250/SC 7) heeft vanaf 1993 de diverse voornormen en normen van Eurocode 7, deel 1 en deel 2 uitgebracht. CEN/TC 250/SC 7 is dus tevens verantwoordelijk voor het samenstellen van NEN-EN 1997-2 (Eurocode 7, deel 2). Op dit moment is er in Nederland alleen een Engelstalige versie beschikbaar (figuur 5). Behalve CEN/TC 250/SC 7, zijn er twee andere Eu-

6

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Het belangrijkste verschil met NEN 5104 is de classificatie van klei en leem op basis van plasticiteit (Atterbergse grenzen). De indeling naar korrelverdeling verdwijnt voor leem en klei, maar blijft voor zand en grind gehandhaafd. In de nationale bijlage is de indeling van de zandgradaties verfijnd, zoals voorheen in NEN 5104 en worden bijmengsels naast het hoofdbestanddeel eveneens verfijnd weergegeven in vergelijking met NEN-EN-ISO 14688. Voor een uitgebreide beschrijving wordt verwezen naar [9]. Op de Nederlandse vertaling van de nationale bijlage kan tot 1 februari 2014 commentaar worden geleverd via www.normontwerpen.nen.nl. ELEK TRISCH SONDEREN

Sinds februari 2013 is de nieuwe norm NEN-ENISO 22476-1 Geotechnisch onderzoek en beproeving – Veldproeven – Deel 1: Elektrische sondering


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 7

IS EUROCODE 7 AF?

met en zonder waterspanning van toepassing als vervanging van de ingetrokken norm NEN 5140. De nieuwe norm geeft o.a. de vereiste nauwkeurigheden voor de meting van de conusweerstand, plaatselijke wrijving, waterspanning, helling en diepteregistratie. Deze eisen zijn hoger dan voor vergelijkbare klassen uit NEN 5140. Voor een uitgebreide beschrijving wordt verwezen naar [10]. Het is in feite een heel opmerkelijke norm, want de van oorsprong Nederlandse vinding is hiermee zowel in Europa als elders in de wereld als onderzoeksmethode erkend.

bereidende werkgroep eind 2012 overeenstemming bereikt. In 2013 is de tekst door de Europese normalisatie-instituten goedgekeurd.

SNELLE PAALTESTEN

TWEEDE GENERATIE EUROCODES

Vanuit Nederland is het initiatief genomen om een NEN-EN-ISO norm op te stellen voor het uitvoeren van snelle paaltesten, zoals de Statnamic Load Test, de Pseudo Static Pile Load Tester en de Spring Hammer Device. Een eerste concept is inmiddels aangeleverd bij de betreffende Europese Technische Commissie. Met dit initiatief wordt beoogd een goedkoper alternatief te bieden voor de statische proefbelasting. Met de ontwikkeling van deze norm zal binnenkort in een werkgroep, waarvan Nederland het voorzitterschap en het secretariaat heeft, worden begonnen. Dat is iets later dan voorzien, vanwege problemen met het secretariaat van CEN/TC 341. Mede om financiële redenen zag het Griekse normalisatie-instituut zich genoodzaakt het secretariaat van deze Technische Commissie over te dragen aan Groot-Brittannië.

In 2010 heeft de Europese Commissie het initiatief genomen tot een verdere ontwikkeling van het Eurocode systeem. Gedacht wordt aan zowel nieuwe als herziene Eurocodes, die onderdeel gaan vormen van de tweede generatie Eurocodes. Binnen de CEN-organisatie is hiervoor een plan pgesteld dat in 2013 is voorgelegd aan de Europese Commissie [1]. Subcommissie 7 van CEN/TC 250 wil een verdere harmonisatie bereiken en de gebruiksvriendelijkheid van Eurocode 7 verbeteren. Zo wil men het aantal ontwerpbenaderingen verminderen (thans 3) en gemeenschappelijke gedeelten in de diverse nationale bijlagen overhevelen naar Eurocode 7. Ook wil men rekenmodellen toevoegen en de gebruiksvriendelijkheid verbeteren door rekenvoorbeelden op te nemen in technische rapporten. Nieuwe onderwerpen die naar verwachting zullen worden opgenomen, zijn grondwaterdrukken, onderscheid naar faalkans, gewapende grond en numerieke methoden.

VERANKERINGEN

Aan verankeringen, d.w.z. ankers met een groutlichaam en een vrije lengte, zijn in Europees verband drie normen gewijd: – Uitvoeringsnorm NEN-EN 1537 – Uitvoering van bijzonder geotechnisch werk – Grondankers – Beproevingsnorm NEN-EN-ISO 22477-5 – Geotechnisch onderzoek en beproeving – Beproeving van geotechnische constructies – Deel 5: Beproeving van ankers – Ontwerpnorm NEN-EN 1997-1 (Eurocode 7, deel 1), Hoofdstuk 8: Verankeringen. Deze drie normen waren niet goed op elkaar afgestemd. Zo stond er in NEN-EN 1537 een passage over het testen van ankers, terwijl dit in feite in NEN-EN-ISO 22477-5 dient te worden geregeld. Verder was er geen voorschrift voor de vaststelling van de grootte van de kracht die benodigd is voor een proefbelasting. Deze is gekoppeld aan het ontwerp, waarop Eurocode 7, deel 1 echter geen antwoord gaf. Vanaf 2010 is er gewerkt aan een goede afstemming van deze drie normen. EN 1537 en EN 224775 zijn inmiddels aangepast. De vaststelling van een nieuw hoofdstuk 8 in Eurocode 7, deel 1 kostte veel inspanning, maar ook daarover is in de voor-

Volgens de nieuwe normtekst in Eurocode 7, deel 1 zal er geen onderscheid meer worden gemaakt tussen het belastingsniveau bij een bezwijkproef en bij een lange duur proef. Dat zal in Nederland wennen zijn. De NEN-commissie Geotechniek beraadt zich nog, of een aanvullende nationale bepaling wordt toegevoegd, dan wel dat het voorstel voor Nederland ongewijzigd wordt overgenomen.

Er wordt een samenwerking met andere subcommissies nagestreefd, niet alleen met de subcommissie die zich bezig houdt met Eurocode 0 (NEN-EN 1990), maar ook met de subcommissies die zich richten op de materialen (staal, beton, metselwerk, etc.) om tegenstrijdigheden in berekeningsmethoden en bepalingen te voorkomen en onnodig conservatisme te reduceren. De tweede generatie Eurocodes zou in 2018/2019 als ontwerpversie gereed moeten zijn en de definitieve versie ongeveer twee jaar later.

Normontwikkeling in Nederland De NEN-commissie Geotechniek is verantwoordelijk voor de inhoud van de nationale bijlage bij Eurocode 7 en voor de aanvullende Nederlandse bepalingen. Deze zijn beide tezamen met Eurocode 7, deel 1 opgenomen in NEN 9997-1. Wat houdt de NEN-commissie Geotechniek momenteel bezig? Uiteraard is dat een veelheid aan zaken. Op enkele daarvan wordt hierna nader ingegaan.

7

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Figuur 6 - Bovenaanzicht van de modelpalen (diameter 16 mm) in de container (diameter 900 mm) van de geocentrifuge (ontleend aan [8]).

PAALFACTOREN

Vanaf 2010 is in Geotechniek regelmatig over de problematiek van de paalfactoren gepubliceerd [5, 6, 15 en 16]. Aan het onderzoek naar de verborgen veiligheden is in 2012 een vervolg gegeven door twee proeven uit te voeren in de geocentrifuge [8]. Het belangrijkste doel van dit onderzoek was het aantonen van de mogelijkheid dat tijdsafhankelijk gedrag en groepseffecten van invloed zijn op de draagkracht van grondverdringende palen in zand. In de geocentrifuge is tijdens dezelfde ‘vlucht’ een enkele paal en een paal in een palenrij van drie palen beschouwd (figuren 6 t/m 8). Na de installatie van de palen zijn deze na elkaar proefbelast na 1, 10, 100 en 1.000 minuten na de installatie. De ‘vlucht’ is vervolgens herhaald om de reproduceerbaarheid aan te tonen en de betrouwbaarheid van de resultaten te vergroten. Uit de proeven kan niet worden geconcludeerd of de draagkrachtvergroting van de palen in zand met de tijd met geocentrifugeproeven is aan te tonen. Bij de achtereenvolgende proeven is vergroting van de schachtwrijving gemeten. Het is echter niet zeker dat de vergroting alleen het gevolg is geweest van de factor tijd. Zo ja, dan is het


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 8

Figuur 7 Dwarsdoorsnede van de proefopstelling (ontleend aan [8]).

Figuur 8 Proefopstelling (ontleend aan [8]).

mogelijk om de draagkrachtvergroting met centrifugeproeven aan te tonen. Voor een vervolgonderzoek is vooralsnog onvoldoende financiering beschikbaar. Het ziet er daarom thans naar uit dat de paalfactoren per 1 januari 2016 zullen worden verlaagd, zoals in NEN 9997-1 is vermeld. Het toepassen van hogere factoren is dan alleen mogelijk als door middel van proefbelastingen is aangetoond dat die hogere factoren kunnen worden gehaald. Voor nieuwe paalsystemen zijn sowieso proefbelastingen noodzakelijk alvorens aan deze palen draagkracht mag worden toegekend. Bij in de grond gevormde palen zal daarbij de installatieprocedure en de vorm van de paalpunt moeten worden vastgelegd, om uiteindelijk met generieke paalfactoren te kunnen ontwerpen. Op extra draagkracht vanwege de mogelijk tijdsafhankelijke toename van de draagkracht of door het groepseffect kan dan echter niet worden gerekend. DRAAGKRACHT VAN OPEN STALEN BUISPALEN

Bij het samenstellen van NEN 9997-1 is de draagkrachtbepaling volgens CUR-rapport 2001-8 Bearing Capacity of steel pipe piles vervallen. Deze mogelijkheid was wel geboden in de inmiddels ingetrokken NEN 6743-1. De normcommissie Geotechniek heeft hiertoe besloten, omdat er beperkingen waren bij de toepasbaarheid van de in die publicatie gepresenteerde rekenregel (wanddikte (t) gedeeld door de diameter (D) moet groter zijn dan 1/60) en omdat er weinig ervaring met deze rekenregel was. Thans wordt in verband met enkele recente publicaties [7 en 13] overwogen de verwijzing naar de CUR-publicatie toch weer op te nemen als aanvullende bepaling in NEN 9997-1.

BESTAANDE GEOTECHNISCHE CONSTRUCTIES

Met de introductie van het nieuwe Bouwbesluit op 1 april 2012 moet voor de beoordeling van de constructieve veiligheid van een bestaand bouwwerk bij verbouw en afkeuren NEN 8700 – Grondslagen worden toegepast. Deze norm sluit aan op de Eurocodes en geeft specifieke voorschriften voor bestaande constructies. De veiligheidsbeoordeling van een bestaande constructie wijkt op een aantal punten af van die van nieuwbouw [14]: – Het verhogen van het veiligheidsniveau brengt meestal relatief meer kosten met zich mee voor bestaande bouwwerken dan voor bouwwerken in het ontwerpstadium. – De periode dat de constructie nog mee moet, is vaak anders dan de standaard ontwerplevensduur van 50 jaar. – De mogelijkheid bestaat om via metingen mogelijk meer over een constructie te weten te komen. Het is de bedoeling dat in navolging van de Eurocodes er een aantal, vooralsnog Nederlandse normen voor bestaande bouw en verbouwingen komen. Vrijwel gelijktijdig met NEN 8700 is NEN 8701 - Belastingen opgesteld. Door de NEN-commissie Geotechniek is een werkgroep opgericht die zich bezighoudt met de ontwikkeling van NEN 8707. Aanvankelijk had de werkgroep voor ogen om NEN 8707 voorlopig alleen te richten op de beoordeling van bestaande funderingen [12]. Hiermee is in Nederland al ca. 40 jaar ervaring en bovendien kon de werkgroep daarbij gebruik maken van enkele recente publicaties van de branchevereniging F3O [3 en 4]. Het is de bedoeling om zowel een rekenkundige benadering als een benadering van meten en waarnemen in NEN 8707 te presenteren. Thans streeft de werkgroep er naar om alle onder-

8

GEOTECHNIEK Special – December 2013

werpen die in NEN 9997-1 worden behandeld, ook in NEN 8707 op te nemen. De werkgroep zal daarbij voor het hoofdstuk Grondkerende constructies o.a. gebruik maken van de CUR-publicatie over binnenstedelijke kademuren [2]. De onzekerheid over de grootte van de paalfactoren speelt ook hier een rol. In het geval van per 1 januari 2016 verlaagde paalfactoren zal bij een rekenkundige benadering een wat oudere paalfundering bijna altijd worden ‘stuk gerekend’, terwijl de palen mogelijk in de loop der tijd extra draagkracht hebben gekregen.

Ontwikkelingen in normenland Ook normenland heeft te maken met de economische stagnatie en de politieke ontwikkelingen van de laatste jaren. Bedrijven en instellingen hebben minder geld en tijd over voor het ontwikkelen en onderhouden van normen en de (rijks)overheid trekt zich terug uit normcommissies, omdat men dit een zaak van de markt is gaan vinden. Bovendien, de Eurocodes zijn toch af, dus waarom is er überhaupt nog financiering van NEN en zijn commissies nodig? De rol van de normcommissies is inderdaad een andere dan een aantal jaren geleden. De norm(sub)commissies Geotechniek hebben hier al op ingespeeld. Om de kosten te beperken is er thans één normcommissie Geotechniek, waarin de oude drie subcommissies zijn opgegaan. Zo nodig worden voor bepaalde onderwerpen werkgroepen opgericht, zoals voor het opstellen van NEN 8707. En ook al wordt de tijdsbesteding van commissieleden niet door NEN betaald (de werkgever doet dat dus in feite), er blijven kosten voor de ondersteuning door het NEN-bureau en het vertegen-


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 9

IS EUROCODE 7 AF?

woordigd zijn in Europese Technische commissies. De normcommissie Geotechniek werkt thans met een minimale begroting voor de reguliere werkzaamheden. Engelstalige Europese normen worden in principe niet meer in het Nederlands vertaald. Andere activiteiten gaan alleen van start indien daarvoor projectgerichte financiering voor kan worden verkregen. Het is belangrijk dat vanuit Nederland de inbreng in de Europese Technische commissies wordt gecontinueerd bij de totstandkoming van de tweede generatie Eurocodes en de verdere ontwikkeling van onderzoeks- en uitvoeringsnormen. Als we dat niet doen, dan zullen de toekomstige ‘afspraken’ niet goed passen bij de Nederlandse bouwpraktijk.

Tot slot Het secretariaat van Subcommissie 7 (CEN/TC 250/Subcommissie 7), verantwoordelijk voor Eurocode 7, wordt al sinds jaar en dag verzorgd door NEN, de laatste twee jaar in de persoon van Mark Lurvink en voor hem door Leendert Buth. SC 7 heeft in de Engelsman Andrew Bond een enthousiaste en doortastende voorzitter en heeft sinds kort een Nederlandse vice-voorzitter: Adriaan van Seters.

Referenties 1. CEN/TC 250: Towards a second generation of EN Eurocodes, 29 May 2013. 2. CUR: Binnenstedelijke kademuren (verschijnt binnenkort). 3. F3O: Richtlijn onderzoek en beoordeling van funderingen op staal (ondiepe funderingen), eerste versie, 17 januari 2012. 4. F3O: Richtlijn onderzoek en beoordeling van houten paalfunderingen onder gebouwen, versie 2, 31 maart 2012. 5. Hannink, G., A.J. van Seters en H.L. Jansen: Draagkracht van palen, Geotechniek nr. 1, januari 2011, blz. 26 t/m 28. 6. Hannink, G. en A.J. van Seters: Bouwbesluit 2012 van kracht, NEN 9997-1 beschikbaar en CUR-commissie bezig met draagkracht van funderingspalen, Geotechniek nr. 3, juli 2012, blz. 26 en 27. 7. Jacobse, J.A. en J.H. van Dalen: Effect installatiemethode van open stalen buispalen op de conusweerstand, Geotechniek nr. 1, januari 2013, blz. 18 t/m 23. 8. Lange, D. de: On the possibility of simulating pile set-up in sand by means of centrifuge model testing, M.Sc. Thesis, 22 April 2013. 9. Nohl, W.A., G. de Lange en M. Lurvink: Van

oude NEN 5104 naar nieuwe NEN-EN-ISO 14688, Geotechniek nr. 4, oktober 2011, blz. 44 t/m 46. 10. Nohl, W.A. en A.J. van Seters: Nieuwe sondeernorm NEN-EN-ISO 22476-1 ‘Elektrisch sonderen’, Geotechniek nr. 3, juli 2013, blz. 33 t/m 35. 11. Peels, J. en O. Dijkstra: Overgeconsolideerde gronden in Noord-Nederland spannend, Geotechniek nr. 5, Thema-uitgave Funderingsdag, december 2010, blz. 22 t/m 26. 12. Seters, A.J. van e.a.: Bestaand bouwwerk beoordelen? Fundeer je kans!, Geotechniek nr. 1, januari 2012, blz. 14 en 15. 13. Schippers, R.O. en J.W.R. Brouwer: De nieuwe Ramspolbrug op open stalen buispalen, Geotechniek nr. 2, april 2013, blz. 22 t/m 27. 14. Steenbergen, R.D.J.M., N.P.M. Scholten en A.C.W.M. Vrouwenvelder: Veiligheidsfilosofie bestaande bouw, Cement nr. 4, 2012, blz. 8 t/m 16. 15. Tol, A.F. van, R. Stoevelaar en J. Rietdijk: Draagvermogen van geheide palen in internationale context, Geotechniek nr. 5, Thema-uitgave Funderingsdag, december 2010, blz. 4 t/m 9. 16. Tol, A.F. van: Draagkracht funderingspalen, een up-date, Geotechniek nr. 5, Thema-uitgave Funderingsdag, december 2012, blz. 14 t/m 18. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 10

Overzicht van geotechnische aspecten

Deurganckdoksluis: bouw van de grootste sluis ter wereld

Ir. L. Vincke-

Ir. L. De Vos

Vlaamse overheid Afd. Geotechniek

Vlaamse overheid Afd. Geotechniek

Ir. E. Beyts THV Waaslandsluis

Inleiding Dankzij haar diepte van -17.80m TAW neemt de Deurganckdoksluis de fakkel over van de Berendrechtsluis als grootste sluis ter wereld. Met de nieuwe sluis willen het Vlaamse Gewest en het Gemeentelijk Havenbedrijf Antwerpen de toegang tot de dokken op de linker Scheldeoever verzekeren. Ze komt op het einde van het Deurganckdok dat in verbinding staat met de Schelde. Het dok vormt voor het scheepvaartverkeer meteen de toegang tot de nieuwe sluis vanuit de Schelde. Aan de kant van het dokkencomplex wordt aangesloten op het Waaslandkanaal (zie figuur 1).

Figuur 1 - Locatie Deurganckdoksluis.

Figuur 2 - Site Deurganckdoksluis in 2016.

De Deurganckdoksluis wordt 68 meter breed en 500 meter lang. De bodem van de sluis zal op -17,80 m TAW liggen, omdat op die manier de diepgang van de achterliggende dokken maximaal kan worden benut. De werken voor de bouw van de sluis zijn gegund aan de Tijdelijke Handelsvereniging Waaslandsluis bestaande uit Jan De Nul NV, CEI De Meyer NV, Betonac NV, Herbosch-Kiere NV, Antwerpse Bouwwerken NV. Bouwheer is de projectvennootschap Deurganckdoksluis NV tussen de Vlaamse overheid en het Gemeentelijk Havenbedrijf Antwerpen. De afdeling Maritieme Toegang van de Vlaamse overheid neemt de projectleiding voor haar rekening. ‘ Op 24 oktober 2011 zijn de werken gestart. De indienststelling van de sluis is voorzien in 2016. Niet alleen de bouw van de sluis zelf maar ook de wegenis ter ontsluiting van de sluisinfrastructuur met onder andere een wegtunnel, een viaduct, fietserstunnels, gebouwen op het sluisplateau,… zijn omvangrijke bouwwerken die moeten afgerond zijn voor de indienststelling van de sluis. Een beeld van hoe de site er in 2016 zal uitzien wordt weergegeven in figuur 2.

Grondonderzoek Reeds in 2001 werd het eerste verkennend grondonderzoek opgestart. In totaal werden er in deze

10

GEOTECHNIEK Special – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 11

Samenvatting De bouw van de Deurganckdoksluis is één van de grootste werven momenteel lopende in België. De belangrijkste geotechnische aspecten horende bij zowel het ontwerp als de uitvoering van deze sluis worden kort toegelicht. In dit artikel wordt de nadruk gelegd op het intensieve monitoringsprogramma dat momenteel aan de gang is. Specifieke aandacht wordt besteed aan de meetapparatuur die werd geplaatst ter begroting van de zwel van de Boomse klei.

fase door afdeling Geotechniek van de Vlaamse overheid 30 sonderingen en 6 boringen uitgevoerd met laboratoriumonderzoek op 65 ongeroerde monsters. Bij het laboratoriumonderzoek werd de nadruk gelegd op het onderzoeken van de geotechnische karakteristieken van de Boomse klei. Bij het vastleggen van de geotechnische parameters van de verschillende grondlagen kon ook gesteund worden op een groot pakket grondonderzoek dat werd uitgevoerd in het kader van de bouw van de kaaimuren van het Deurganckdok. De geotechnische lagenopbouw bestaat voor de gehele site uit een bovenliggend pakket slappe Holocene lagen met hierin een aanzienlijk veenpakket. Hieronder bevinden zich de tertiaire zanden van Antwerpen (Formatie van Lillo, Formatie van Kattendijk en Formatie van Berchem). Deze zanden rusten op de stijve Boomse klei (zie figuur 3). De bodem van de sluis bevindt zich juist boven het aanzetniveau van de Boomse klei. In de loop van het project werden er bijkomend nog een groot aantal sonderingen uitgevoerd, en dit specifiek ter plaatse van toekomstige constructies (o. a. langsheen het tracé van de definitieve wegenis, ter plaatse van de toekomstige wegtunnel, ter plaatse van de toekomstige gebouwen op het sluisplateau,…). Hieruit kon men op elke gewenste locatie de precieze laagscheidingen bepalen en de aard en dikte van de holocene bovenlagen vastleggen. De site wordt doorkruist door een oude baggergeul die werd opgevuld met heel slap materiaal. Dankzij het grondonderzoek kon de precieze locatie en diepte van deze geul verder worden afgebakend waardoor duidelijk werd waar de vooropgestelde taludhelling van het uitgravingsprofiel verflauwd diende te worden.

Uitvoeringsfasen Eén van de eerste grote stappen in het volledig bouwproces was het maken van een waterremmend scherm rondom de gehele site zodat hierbinnen een droge bouwput kon gerealiseerd worden. De totale lengte van dit scherm bedraagt ongeveer 3km en werd uitgevoerd als een cement-ben-

Figuur 3 Typesondering met aanduiding geotechnische lagenopbouw. Figuur 4 Ontlasting Boomse klei.

tonietscherm tot een 3-tal meter in de Boomse klei. Binnen dit scherm kan bemaald worden zonder noemenswaardige invloed naar de omgeving toe en kan tot op diepte worden uitgegraven in den droge. De uitgegraven zandlagen die nog kunnen herbruikt worden voor de latere aanvulling achter de kolkmuren en de dwarsmuren wordt apart gestockeerd op zandstocks. De overige grond wordt gebruikt voor de verdere demping van het nabijgelegen Doeldok.

Monitoring Een uitgebreid meetprogramma is momenteel

11

GEOTECHNIEK Special – December 2013

lopende om de werf op te volgen. Ruim voor de aanvang van de werken werd gestart met de eerste metingen. Rondom het toen nog te plaatsen waterremmend scherm werden in de verschillende watervoerende zandlagen een 30-tal peilbuizen geboord. Continue waterpeilmetingen werden verricht met behulp van divers ter controle van de rustwaterstand voorafgaand aan de bemaling. Van zodra het grondwater werd verlaagd werden deze waterpeilmetingen aangevuld met divermetingen binnen het scherm om de gerealiseerde waterpeildaling in de bouwput verder op te


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 12

Ter hoogte van de sluismuren zal de zweldruk gecompenseerd worden door het uiteindelijk gewicht van de muren. Ter plaatse van de sluisvloer echter zal het neerwaartse gewicht van de vloer ruim onvoldoende zijn om het zwellen volledig tegen te gaan. Daarom werd beslist hier tegels (met afmetingen van 10m bij 10m en dikte 2m) te leggen die opwaarts mogen verplaatsen. Voor de deurlopen is het ontoelaatbaar om een grote opwaartse beweging te ondergaan na de plaatsing van de deuren, omdat de deuren ten allen tijde moeten kunnen blijven rollen over de bodemrails. Door het gewicht van de 4m dikke deurloop zal een gedeelte van de zwel verhinderd worden. Het centrale deel ervan zal nog beperkte opwaarts verplaatsen. De resterende zweldruk die onder de deurloop wordt opgebouwd, zal worden opgevangen door de wapening.

Figuur 5 en 6 - Locatie meetapparatuur zwel Boomse klei.

buizen worden voorzien in de kolkmuren om de horizontale verplaatsing ervan te kunnen opvolgen tijdens de aanvulling maar ook later wanneer de sluis in werking is. Verder zullen in de nabije toekomst ook nog topografische metingen worden uitgevoerd van de kolkmuren om de horizontale en vertikale bewegingen op te volgen. Daarnaast zijn er ook nog tal van meetpunten voorzien op diverse andere constructies: ter plaatse van een vernagelde wand, onder de voorbelasting van de een wegtunnel,…

Zwel van de Boomse klei

volgen. Ook werden zettingsbakens geplaatst juist buiten het waterremmend scherm om eventuele zettingen te kunnen opsporen en opvolgen. Gezien het waterremmend karakter van de cement-bentonietwand essentieel is gedurende de bouw van de sluis, werden inclinometerbuizen voorzien in de wand om de horizontale verplaatsingen te kunnen opvolgen. Via regelmatige uitlezingen kan worden opgevolgd of de bemaling en de uitgraving nabij de wand zorgt voor een te grote verplaatsing of kromming van de wand. In de nabije toekomst zullen ook inclinometer-

Een belangrijk geotechnisch vraagstuk bij de bouw van de sluis is het begroten van de zwel en de zweldruk van de Boomse klei. Ten gevolge van de diepe uitgraving (ca. 30m) die nodig is om de sluishoofden en kolkmuren te bouwen, zal de Boomse klei sterk ontlast worden. Door de afname van de vertikale korrelspanning wil de klei uitzetten (zwellen). Bij het uitzetten vergroot het volume van de grond en wordt er water aangezogen. Wegens de lage doorlatendheid van de Boomse klei zal het water zeer traag toestromen. In die periode treden poriënwateronderspanningen op. Deze onderspanningen nemen in de tijd langzaamaan af onder gelijktijdig uitzwellen van de klei. Wanneer de zwel verhinderd wordt (bijvoorbeeld door een neerwaartse belasting), bouwt de klei een aanzienlijke (opwaartse) zweldruk op (zie figuur 4).

12

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Aangaande de precieze waarden van de te verwachten zwel en zweldruk die zullen optreden binnen de levensduur van de sluis, zijn verschillende berekeningen doorgevoerd. De waarde van de doorlatendheid en stijfheid van de Boomse klei zijn in deze berekeningen belangrijke parameters. Een kleine variatie in deze parameters zorgt voor grote verschillen in de te verwachten resterende zweldruk onder de deurloop en resulterende zwel van de tegels. Gelet op de beperkte kennis betreffende de zwel van de Boomse klei is het onzeker hoe deze in werkelijkheid zal reageren op de ontlasting. Dit wordt met behulp van een uitgebreid monitoringsprogramma verder opgevolgd aan het benedenhoofd. In het ontwerp werd ingerekend dat de Boomse klei ter plaatse van de deurloop gedurende 1.5 jaar à 2 jaar vrij kan uitzwellen door het laten openliggen van de uitgraving. Hierdoor zal al een aanzienlijk percentage van de zwel zijn opgetreden en moet de deurloop enkel voor de resulterende zweldruk gewapend worden.

Monitoring zwel van de Boomse klei Een uitgebreid monitoringsprogramma werd opgesteld om in situ na te gaan hoe de Boomse klei reageert op de ontlasting. Klassieke meetapparatuur werd aangevuld met meer advanced meettechnieken. De initiële zwel kon helaas niet worden opgemeten. De eerste meetapparatuur kon pas geplaatst worden wanneer de uitgraving reeds op diepte was aan het benedenhoofd. Praktisch bleek het niet evident om al meetapparatuur (bijvoorbeeld een extensometer) te plaatsen vóór de start van de werken en deze dan te behouden tijdens de uitgraving. Hoeveel de initiële zwel van de Boomse klei hier bedroeg, is dus niet meer te achterhalen. Uit verschillende literatuurbronnen blijkt dat deze initiële zwel aanzienlijk kan zijn.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 13

DEURGANCKDOKSLUIS: DE BOUW VAN DE GROOTSTE SLUIS TER WERELD

In december 2012 werd de meetapparatuur aan het benedenhoofd geplaatst (zie figuren 5 en 6). Ter plaatse van de deurloop werd hiertoe een uitgraving gerealiseerd tot 0.5m onder de toekomstig drempelaanzet (~-23m TAW) wat ongeveer 1m onder het aanzetniveau van de Boomse klei is. Vanaf dit niveau werd alle apparatuur aangebracht/geboord. De locatie wordt geschematiseerd voorgesteld in de figuur 7. Om de zwel van de Boomse klei op te meten werd een klassieke stangenextensometer geplaatst met 4 ankerpunten op verschillende dieptes in de Boomse klei (-26m TAW, -29m TAW, -35m TAW en -48m TAW). Het diepste ankerpunt bevindt zich dus op ongeveer 25m onder de top van de klei. Dieper in de klei werd geen meetapparatuur geplaatst, enerzijds omwille van praktische uitvoerbaarheid en anderzijds ook omdat uit de Plaxisberekeningen bleek dat de diepere zwel beperkt zou zijn. Daarnaast werd door het WTCB (Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf) ook een vertikale extensometer op basis van een optische vezel techniek (type FBG) geplaatst tot dezelfde diepte. Deze heeft 10 ankerpunten. Om de poriënwaterspanningen op te meten in de klei werden 4 piëzocellen ingebouwd in een boorgat op de dieptes die overeenkomen met de dieptes van de stangen van de klassieke extensometer. Daarnaast werd nog een push-in piëzocel ingeduwd op -29m TAW. Alle boorgaten waarin meetapparatuur werd geplaatst werden opgevuld met een groutmengsel.

(westkant) vastgemaakt aan een dubbele damplank met beperkte lengte. De bovenkant van deze damplank wordt op regelmatige tijdstippen topografisch opgemeten zodat we steeds een referentiepunt hebben aan het ene uiteinde van de meetapparatuur. Na plaatsing van de meetapparatuur werd de sleuf terug opgevuld met een 3m dik zandpakket tot ca. -20m TAW. Hier bovenop werd dan nog een werfweg aangelegd tot ongeveer -18.75m TAW. Naast de topografische opmeting van het boveneinde van de damplank worden nog een aantal punten systematisch opgemeten (waaronder de damwand evenwijdig van de deurloop en het uiteinde van de oude dokmuur kant west). Onder de deurloop zullen er in de nabije toekomst nog een aantal gronddrukcellen worden voorzien om de effectief optredende zweldruk op te meten. Deze kunnen echter pas geplaatst worden bij het betonneren van de deurloop. De voorzieningen zijn getroffen zodat de meetapparatuur uitleesbaar blijft ook na betonneren en in dienstnemen van de sluis. Regelmatige stroompannes bemoeilijken het draaiende houden van de meetapparatuur. In werfomstandigheden is het niet evident om een continue stroomtoevoer te garanderen. De metingen zijn gestart in december 2012. De deurloop ligt ongeveer 1 jaar open. Momenteel is

het echter nog te vroeg om al sluitende conclusies te trekken aangaande de opgetreden zwel en de resterende zweldruk. Volgende bevindingen kunnen wel geformuleerd worden: De zwel die tot nu toe is opgetreden ter plaatse van de beide extensometers (8mm) en de damplank (35mm) is minder dan verwacht uit de voorafgaande berekeningen. Mogelijk treedt de zwel trager op of is de totale zwel lager dan verwacht. Mogelijk wordt het zwellen ook tegengehouden door het aanzienlijk pakket grond dat erboven nog aanwezig is. Ook het aandeel initiële zwel kan niet worden achterhaald. Ten gevolge van de beperkte zwel die al werd opgemeten is het onzeker of de resterende zweldruk onder de deurloop conform het oorspronkelijk ontwerp zal zijn. Er kan nu nog geen meetapparatuur worden geplaatst om de zweldruk op te meten. Beide types extensometer vertonen exact hetzelfde zwelprofiel maar er is nog enige onzekerheid of de extensometers de volledige zwel opmeten. De topografische metingen van de bovenkant van de damplank duiden namelijk op een grotere zwel dan deze van de extensometers wat onlogisch is. Mogelijk is er enige slip tussen de wand van het boorgat en de groutopvulling waardoor de extensometerstangen/ankers de klei niet volledig volgen. Op dit moment zijn er testen aan de gang om dit na te gaan. Ook kan de damwand,

In horizontale richting langsheen de richting van de deurloop (dus dwars op de richting van de sluiskolk) werd op het niveau -23m TAW een SAAF (Shape Accel Array Field) geplaatst met een lengte van 67m (dus vanaf de locatie van de sluismuur tot onder de deurkamer). We wensen hiermee voornamelijk de differentiële zwel op te meten tussen het centrale stuk van de deurdrempel en de uiteinden onder de sluismuur/deurkamer. Hier verwachten we pas duidelijke meetresultaten van zodra het gewicht van de muren aan beide uiteinden voldoende is om een verschillend zwelprofiel te krijgen tussen het centrale deel en de uiteinden. Naast de SAAF werd ook een horizontale FBGglasvezelkabel geplaatst (door het WTCB) met hetzelfde doel als de SAAF. Hiernaast werd ook een dubbele rij geotextielen met optische vezel (GeoDetect S-Br) aangebracht in de sleuf met een kleine tussenlaag zand tussen beide geotextielen in. Bij de plaatsing werden de SAAF, de horizontale glasvezel en de GeoDetect aan het ene uiteinde

Figuur 7 - Overzicht meetapparatuur zwel Boomse klei.

13

GEOTECHNIEK Special – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 14

die samengedrukt werd bij het inbrengen, een zekere ontspanning vertonen. De piëzocellen vertonen nog geen stijgend verloop (dissipatie van de poriënwateronderspanning). Dit kan mogelijks verklaard worden door het aanwezige spoelwater (gebruikt bij het boren van het boorgat).

aan de beide uiteinden voldoende ver gevorderd zijn. Voor de piëzocellen hopen we in de nabije toekomst een stijgende trend waar te nemen in de opgemeten poriënwaterspanning wat betekent dat de cellen niet meer beïnvloed zijn door de installatie.

De resultaten van de horizontale meetapparatuur zullen pas beter te interpreteren zijn wanneer de beide uiteinden voldoende belast worden door het gewicht van de sluismuur/deurkamer. Momenteel zijn aan beide zijden de eerste betonwerken gestart. De huidige rekken en differentiële vervormingen zijn voorlopig te gering en vallen binnen de meetnauwkeurigheid van de meetsystemen. Wel kan al afgeleid worden tot waar de huidige betonwerken invloed uitoefenen op de klei in het centrale deel van de deurloop.

Voor de extensometers wordt onderzoek gedaan of de groutsamenstelling of boorwijze ertoe kan geleid hebben dat er minder zwel wordt opgemeten dan er in werkelijkheid aanwezig is. De topografische metingen zullen worden uitgebreid waarbij we ook de zwel van de reeds geplaatste tegels zullen opmeten, de volledige damwand evenwijdig aan de deurloop van het benedenhoofd zullen opmeten en ook nieuwe meetpunten voorzien aan het bovenhoofd. Verder zullen we met behulp van satellietbeelden trachten na te gaan of er ter plaatse van een aantal grote bouwwerken in Antwerpen zwel kan worden teruggevonden in de loop van de jaren. Ook werd een diepe sondering uitgevoerd tot 90m diepte om de gelaagdheid van het Boomse kleipakket na te gaan en om extra informatie in te winnen aangaande de uiteindelijke dikte van dit pakket.

Vervolgtraject zwel van de Boomse klei Zoals in voorgaande paragraaf gesteld kunnen er nu nog geen definitieve conclusies worden getrokken aangaande opgetreden zwel en zweldruk. In de toekomstige metingen van de horizontale meetapparatuur verwachten we een duidelijker zwelpatroon te zien van zodra de betonwerken

Verder wordt er in de nabije toekomst in het kader van de Oosterweelverbinding nog een grote monitoringput gerealiseerd waarbij ook de initiële zwel van de Boomse klei zal worden opgemeten.

Conclusies Voor de bouw van de Deurganckdoksluis en de volledige verkeersontsluiting errond is een degelijke geotechnische onderbouwing essentieel. Gezien de aanwezige slappe bovenlagen waren gerichte geotechnische proeven onontbeerlijk. Tijdens de werfuitvoering is een uitgebreide monitoringscampagne lopende met onder andere divermetingen en inclinometermetingen. Een belangrijk geotechnisch vraagstuk bij de bouw van de sluis is het begroten van de zwel en de zweldruk van de Boomse klei. Om dit te monitoren worden zowel klassieke meettechnieken als meer advanced meetapparatuur (glasvezel) gebruikt. Definitieve conclusies hieromtrent kunnen momenteel nog niet worden getrokken maar verschillende pistes worden bewandeld om de huidige vraagstukken hieromtrent verder op te lossen. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 15


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 16

Contactgroep ‘microtechnieken’ van de NVAF

Stuwende krachten Willem de Meijer en Theo de Jong:

Het gaat om de leden!

Door Jos van der Burg

Het moet niet over onze bedrijven gaan, zegt directeur Theo de Jong van funderingsbedrijf De Waalpaal bij het begin van het gesprek. Hij zit aan tafel in een vergaderruimte bij funderingsbedrijf Tubex, waar Willem de Meijer bedrijfsleider is. De twee mannen, die veel van funderingstechnieken weten, willen het over het algemene belang van de funderingsbranche hebben. Het gaat hen niet om individuele bedrijven, maar om een gezonde funderingsbranche. Met dat doel werd in het verleden de Nederlandse Vereniging Aannemers Funderingswerken (NVAF) opgericht. Zij telt inmiddels zestig leden, die zich bezighouden met het ontwikkelen en uitvoeren van funderingstechnieken. De vereniging behartigt hun belangen: van opleidingen tot richtlijnen voor funderingsbedrijven en van het ontwikkelen van standaardbestekteksten tot het technisch beoordelen van funderingsmachines. Vijf vaste werkgroepen houden zich bezig met onderwerpen als opleidingen, public relations, contractuele zaken, arbeidsomstandigheden en milieu. Sinds kort bestaan er ook nog eens vier contactgroepen voor respectievelijk grondverdringende technieken, waterbouwkundige funderingstechnieken, in de grond gevormde technieken, en, last but not least, microtechnieken. De Meijer legt het idee achter de contactgroepen uit. “Als lidbedrijf van de NVAF kun je je aansluiten bij een contactgroep. Ook bestaat de mogelijkheid om als bedrijf van meerdere contactgroepen lid te worden als er meerdere disciplines binnen het bedrijf uitgevoerd worden. Door de ledenvergaderingen, waar algemene thema’s besproken worden, op te splitsen in vergaderingen per

contactgroep bestaat de mogelijkheid om specifiekere onderwerpen met de lidbedrijven te bespreken. Deze specifieke onderwerpen zouden in een grotere groep, waarin alle lidbedrijven aanwezig zijn, minder makkelijk aan bod komen.”

tal. Wat wellicht eerder een drempel was om lid te worden voor relatief kleine bedrijven, is door de oprichting van de contactgroepen toegankelijker geworden.”

Plussen en minnen Toegankelijk Om alle leden tot hun recht te laten komen, zijn de vier contactgroepen in het leven geroepen.” De Jong legt het als volgt uit. “Op de ledenvergaderingen komen voor iedereen interessante algemene onderwerpen aan de orde, maar in de contactgroepen gaat het over specialistische onderwerpen, die voor een bepaalde groep bedrijven interessant zijn.” Hij voegt eraan toe dat de contactgroepen toegankelijk zijn, omdat het ledenaantal relatief gezien klein is. “De drempel om het woord te nemen, ligt laag. We willen voor iedereen toegankelijk zijn en de NVAF aantrekkelijk en interessant houden voor elk lid.” In zijn woorden klinkt door dat het op peil houden van het ledenbestand ook een rol speelt in de oprichting van de contactgroepen. De Jong: “De opkomst bij de ledenvergaderingen van de NVAF leek wat minder te worden. Het is goed om een toegevoegde waarde voor de vereniging te creëren en dat doen we met de contactgroepen.” De Meijer: “Nu er een contactgroep ‘microtechnieken’ is, verwachten we een groei van het leden-

16

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

De Jong en De Meijer zijn de stuwende krachten achter de contactgroep ‘microtechnieken’. De Jong: “Wij trekken de kar.” De groep houdt zich bezig met alles wat met funderingstechniek in beperkte ruimtes heeft te maken, zegt De Meijer. “Je kunt denken aan zaken als inwendig heien en toepassing van schroefinjectiepalen door het gebruik van klein materieel. Het is een specialisme.” De Jong: “In Jip en Janneke-taal kun je zeggen dat microtechnieken opduiken op alle plaatsen waar een kraan niet kan of mag komen.” De Meijer: “Het gaat om plekken met ruimtebeperkingen, maar het kan ook gaan om gewichts- en geluidsbeperkingen, zodat trillingsarme of -vrije technieken moeten worden toegepast.” De vorig jaar opgerichte contactgroep bevindt zich nog in de fase van het zoeken naar de beste aanpak, maar De Meijer en De Jong zijn tevreden over de voortgang. De Jong: “Halverwege 2014 evalueert de vereniging hoe de contactgroepen draaien. Wij zijn redelijk succesvol. Op de laatste bijeenkomst waren zo’n twintig leden.” De Meijer:


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 17

Samenvatting Hoe dien je als vereniging zo goed mogelijk de belangen van alle leden? De Nederlandse Vereniging Aannemers Funderingswerken (NVAF) doet dat met vier thematische contactgroepen. Een gesprek met Theo de Jong en Willem de Meijer, de stuwende krachten achter de contactgroep‘microtechnieken’.

“We komen twee á drie keer per jaar bij elkaar. Vooraf peilen we via een mailing wat er speelt onder de leden. Zijn er actuele zaken die behandeld moeten worden? De leden bepalen dus zelf wat zij interessant vinden om te bespreken.” De Jong: “Op onze laatste bijeenkomst kwam Peter Ligthart (de secretaris van het College van Deskundige Bouwtechnische Diensten) praten over het opstellen van een Beoordelingsrichtlijn (BRL) voor funderingsherstel. Hij gaf tekst en uitleg. Welke haken en ogen zitten eraan? Wat zijn de plussen en de minnen?” Het blijft niet alleen bij praten in de contactgroep, want er zijn ook concrete resultaten. De Jong: “We waren betrokken bij de sinds begin dit jaar verplichte opleiding machinisten kleine funderingsmachines. Dat werkt net als met een rijbewijs.” De Meijer: “Er zijn twee categorieën: grote en kleine funderingsmachines. Wij beperken ons tot kleine funderingsmachines. Die wegen maximaal dertig ton en zijn maximaal tien meter hoog.”

Mega

beter geworden. ‘Kan niet’ bestaat niet meer , want alles kan. Overal kunnen palen gemaakt worden.”

Verzadiging Technisch kan alles, maar de huidige marktontwikkeling zorgt voor een domper. De Meijer: “Er is een enorm potentieel aan huizen waarvan de fundering moet worden aangepakt, maar particulieren durven nu de stap niet te zetten. Ze geven geen geld uit. Als het vertrouwen terug is, komt er een golf van funderingsherstel.” De Jong wijt de moeilijke markt niet alleen aan de crisis. “Dat is te makkelijk. Het is ook een vraag- en aanbodverhaal. Er is al een aantal jaren een verzadiging van de markt. Het funderingspotentieel is groot in Nederland.” De Meijer: “Dat is waar. Er wordt minder werk opgestart door de crisis, maar er is

ook veel concurrentie. We hebben nu de situatie dat er minder werk is, terwijl het aantal bedrijven niet is afgenomen.” De Meijer en De Jong willen geen klaagverhaal houden, maar de branche is er niet eenvoudiger op geworden. De Jong: “Er is veel meer administratieve rompslomp voor je een werk kunt opstarten dan een jaar of zes geleden. Voor twee paaltjes in een aanbouw hoef je vaak nog geen werkplan te maken, maar voor ongeveer alles wat verder gaat wel.” De Meijer: “De controle op de kwaliteit is groter geworden. Ook zijn de eisen betreffende de aantoonbaarheid van kwaliteit bij de klant de laatste jaren explosief gestegen. Om deze kwaliteit aantoonbaar te leveren, heb je een goede organisatie nodig.” 

‘Kan niet...’ bestaat niet meer.

De Jong en De Meijer schatten in dat momenteel ongeveer zestig procent van de funderingsbedrijven lid is van de NVAF. De Jong: “Er zijn nog veel (meestal) kleine (funderings)bedrijven geen lid.” De meeste van deze bedrijven werken veelal op de particuliere markt, zegt De Meijer. “Ze zijn actief in het herstel van funderingen van woningen en het funderen van aanbouwen. Daarnaast zijn er markten in infrastructuur en in de industriële bouw. De overheid en de industrie zijn daarin de opdrachtgevers. Je kunt denken aan zaken als fundatie van kunstwerken langs wegen. Dat gebeurt vaak met microtechnieken, omdat die als voordeel hebben dat er geen grote kraan op een rijstrook hoeft te staan. Omdat er met kleine machines wordt gewerkt, hoeven er geen rijstroken voor het verkeer te worden afgezet.” Beide markten zijn belangrijk, zegt De Jong. “Het ene bedrijf is meer actief op de particuliere markt, het andere meer op infrastructurele projecten.” Microtechnieken hebben de laatste twintig jaar een enorme ontwikkeling doorgemaakt. De Jong: “Die is echt mega. Kort gezegd kun je zeggen dat de ontwikkeling van trillingsarm naar trillingsvrij is gegaan. De processen en systemen zijn steeds

17

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 18

Geologisch onderzoek naar aardbevingen en de relatie met activiteit in de ondergrond

Figuur 1 – Theoretische ontwikkeling met de tijd van het spanningsveld rondom breuken in de diepe ondergrond en de wrijvingssterkte van de breuken. Aardbevingen kunnen gebeuren op het moment dat de spanning op de breuk zijn sterkte overschrijdt.

Aardbevingen gebeuren als het gevolg van plotselinge, snelle schuif beweging op breuken in de ondergrond. Door de plotseling beweging komt een grote hoeveelheid energie vrij die we aan het oppervlakte kunnen meten en voelen als het schudden van de grond. De hoeveelheid energie die vrijkomt bij een aardbeving van een magnitude 6.0 is vergelijkbaar met de energie van de atoombom “Little Boy” die in 1945 Hiroshima verwoestte. Gelukkig wordt de meeste energie van aardbevingen verspreid in de ondergrond en komt slechts een gedeelte aan de oppervlakte. Maar dit leidt wel tot aanzienlijke schade, zoals recentelijk bijvoorbeeld in Japan (Mw 9.0, ~600 miljoen x Little Boy), Nieuw-Zeeland (Mw 6.3, ~2.5 x Little Boy), Spanje (Mw 5.1, ~1/20 x Little Boy) en Italië (Mw 6.3). Natuurlijke aardbevingen zijn het resultaat van de beweging van tektonische platen, uiteindelijk gedreven door convectie in de aardmantel. Deze beweging zorgt voor spanning langs de randen van platen, waar 1 of meerdere breuken in de ondergrond zijn. In sommige gevallen, zoals sommige gedeeltes van de San Andreas Breuk (California, V.S.) bewegen deze breuken langzaam, zodat de spanning niet opbouwt. In andere gevallen beweegt de breuk niet, waardoor de spanning oploopt tot de sterkte van de breuk plotseling overschreden wordt (figuur 1). Op dit moment zal de breuk bewegen, waarbij de maximale snelheid en de hoeveelheid van de beweging bepaald wordt door de wrijvingseigenschappen van het breukmateriaal, de geometrie van de breuk en de eigenschappen van het omliggende gesteente.

Door menselijke activiteiten in de ondergrond, zoals bijvoorbeeld de productie van gas, veranderen de spanningen in de ondergrond. In het Groningen gasveld leidt de verminderde gasdruk tot een hogere verticale spanning in het reservoir gesteente wat leidt tot inklinking. De inklinking heeft tot gevolg dat het spanningsveld verandert rondom interne breuken en breuken die het reservoir doorsnijden. Hierdoor zou de sterkte van de breuk overschreden kunnen worden. Als dit inderdaad gebeurt, zal de breuk bewegen. Hier zal de maximale snelheid totale hoeveelheid van beweging ook bepaald worden door de eerder beschreven factoren. De situatie zoals die geschetst is in figuur 1 is een geïdealiseerd beeld van de werkelijkheid. Dit blijkt ook uit het voorbeeld van Parkfield, een landelijke locatie op de San Andreas breuk, California, waar gedurende de laatste 60 jaar een aantal aardbevingen van een magnitude 5.9 plaatsvonden. Wetenschappers observeerden dat er gemiddeld elke 22 jaar een aardbeving op deze locatie gebeurden (figuur 2). Als gevolg van deze observatie, was de verwachting dat er in 1993 een aardbeving zou plaatsvinden en de regio werd dan ook vol geplaatst met apparatuur om zo veel mogelijk informatie te verzamelen. De verwachte aardbeving liet echter lang op zich wachten en gebeurde pas in 2004. Ondanks de grote hoeveelheid aan meet apparatuur, was er geen signaal dat gebruikt kon worden om te voorspellen dat de aardbeving zou gebeuren. Dit voorbeeld laat zien dat het met de huidige technologie en kennis niet mogelijk is om de timing van een aardbeving te voorspellen,

18

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Dr. A.R. Niemeijer Universitair docent (assistant professor) Experimentele gesteentedeformatie / HPT Lab, Faculteit Geowetenschappen, Universiteit Utrecht

omdat het natuurlijke systeem van plaatbewegingen, breuken en het spanningsveld enorm complex is. Bovendien vinden aardbevingen plaats in de diepe ondergrond onder hoge temperatuur en druk. De wrijvingseigenschappen van het breukgesteente onder deze condities zijn moeilijk te bepalen, terwijl deze eigenschappen een belangrijke rol spelen in de nucleatie van aardbevingen en waar veel van de snelle, seismische beweging plaatsvindt. In het kort, we hebben te weinig fysisch begrip van de manier waarop breuken en aardbevingen werken. In de 15e eeuw deed Leonardo da Vinci al onderzoek naar de wrijving van materialen en formuleerde twee wetten naar aanleiding van zijn experimenten: "Wrijving kost tweemaal de hoeveelheid inspanning als het gewicht wordt verdubbeld." en  "De wrijving veroorzaakt door hetzelfde gewicht is onafhankelijk van het contact oppervlakte". Zo’n driehonderd jaar later werden deze wetten door Amonton (1699) en Coulomb (1785) geformuleerd als: (1) Oftewel de wrijvingskracht is proportioneel aan de normaal kracht via een constante, de coefficient vam wrijving, Ȗ, en onafhankelijk van het contact oppervlakte. De onafhankelijkheid van wrijving van de grootte van het contact lijkt in tegenspraak met het gezond verstand en het duurde tot de 20e eeuw voor een wetenschappelijke verklaring en bewijs gevonden werd (Bowden en Tabor, 1950, Archard, 1953). Geen enkel materiaal oppervlakte is perfect glad op microscopische schaal, maar bestaat uit een verzameling van pieken en dalen (figuur 3). Hierdoor is het echte contact oppervlakte tussen twee materialen kleiner dan het schijnbare contact oppervlakte. Het echte contact oppervlakte neemt toe met toenemende normaalkracht en dit leidt tot vergelijking (1). Bovendien verandert het echte contact oppervlakte met de snelheid van beweging, waardoor dus ook de wrijving verandert met de snelheid. Dit werd eind jaren 70 gerealiseerd door o.a. Dieterich (1978) die een set vergelijkingen formuleerde om deze snelheidsafhankelijkheid van wrijving zoals


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 19

Samenvatting Aardbevingen ontstaan bij schoksgewijze bewegingen van gesteente materiaal in breuken in de diepe ondergrond waar spanningen en temperaturen hoog zijn. De wrijvingseigenschappen van het breukmateriaal dat beweegt zijn belangrijk in de vorming en voortplanting van aardbevingen. De fysische en chemische processen die hierbij een rol spelen zijn onvoldoende bekend om de wrijving

te kunnen voorspellen. Door systematisch experimenteel onderzoek naar deze eigenschappen onder de extreme condities van de diepe ondergrond te combineren met bestaande modellen hopen we uiteindelijk een betere inschatting te kunnen maken van de mogelijke grootte van aardbevingen in specifieke regio’s.

Figuur 2 – Aantal historische Mw 5.9 aardbevingen in Parkfield (California, V.S.) en de daaruit afgeleide voorspelling van een aardbeving voor 1993 die uiteindelijk in 2004 gebeurde.

Figuur 3 – Schematische voorstelling van de microscopische contacten tussen twee vlakken.

gemeten in het laboratorium te beschrijven (figuur 4). De set vergelijkingen staat bekend als de Rate en State Friction vergelijkingen (RSF). De parameters a, b en d beschrijven hoe de wrijving verandert op het moment dat de snelheid van beweging verandert. Een analoog model van een natuurlijk breuksysteem kon nu met de RSF vergelijkingen opgesteld worden, een zogenaamd spring-slider model. Hierbij wordt een blok voortbewogen over een oppervlakte door met constante snelheid aan een veer met een zekere stijfheid te trekken. Wanneer de kracht op het blok groter is dan de (statische) wrijving tussen het blok en het oppervlak, zal het blok gaan glijden. Wanneer de wrijving minder wordt met toenemende snelheid, dan kan het versnellen zodat de uitrekking van de veer minder wordt. Hierdoor wordt de kracht die het blok aandrijft minder en zal het blokje weer afremmen, waarna het weer van voor af aan begint. Dit is het laboratorium analoog van een aardbeving: een periodieke, versnellende beweging. Of het blokje daadwerkelijk kan versnellen, is afhankelijk van het volgende criterium: Fn > Fnc =(k .dc )/-(a-b) k is hier de stijfheid van de veer en dc is een karakteristiek afstand waarover de wrijving verandert. Als de normaalkracht groter is dan de kritische normaal kracht, Fc, dan kan het systeem instabiel worden. De parameter (a-b) moet negatief zijn om

een instabiliteit te creëren (zie figuur 4 voor de betekenis van (a-b). Door middel van simulaties met het spring-slider analoog model gekoppeld met de RSF vergelijkingen was het mogelijk om veel van de observaties zoals de duur van naschokken na te bootsen. Dit soort simulaties worden dan ook veelvuldig gebruikt om de volledige seismische cyclus na te bootsen. Het probleem is dat de RSF parameters geen basis hebben in de (micro)fysica, dat wil zeggen de fysische en chemische mechanismes die de waardes bepalen zijn onvoldoende bekend. De RSF parameters zijn voornamelijk empirisch en de waardes moeten bepaald worden door laboratorium experimenten. Over de jaren zijn er wel interpretaties gegeven van de micro fysische betekenis van de RSF parameters en zijn er experimenteel veranderingen in de RSF waardes gekoppeld aan bijvoorbeeld de hoeveelheid verplaatsing, maar een compleet begrip bestaat (nog) niet. Hierdoor moeten de RSF parameters in de huidige modellen aangepast worden om de resultaten kloppend te maken met de observaties. Veel van de seismologische parameters zoals de magnitude van aardbevingen en de hoeveelheid beweging tijdens een aardbeving kunnen op deze manier kwalitatief en soms ook kwantitatief gereproduceerd worden. De huidige modellen gebruiken waardes voor de RSF parameters die gebaseerd zijn op experimenten op droge gesteente materiaal en die op kamer temperatuur

19

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Figuur 4 – De theoretische ontwikkeling van de wrijvingssterkte van een breuk bij een plotseling verandering van de bewegingssnelheid. In figuur 4a wordt de wrijving minder met toenemende snelheid en is een instabiliteit (aardbeving) mogelijk. In figuur 4b wordt de wrijving groter met toenemende snelheid en is de beweging stabiel (geen aardbeving). Vergelijkingen (1) en (2) zijn de Rate en State Friction (RSF) vergelijkingen zoals voorgesteld door Dieterich (1978). Ȗ is hier de coefficient van wrijving, Ȗ0 de coefficient van wrijving bij een referentie snelheid, V0 , V1 is de nieuwe snelheid, a, b en dc zijn RSF parameters, ᒕ is een “state” variabele en t is tijd.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 20

zijn uitgevoerd. Aardbevingen vinden echter plaats in de diepe ondergrond onder hoge druk en temperatuur, meestal in de aanwezigheid van een chemisch actieve vloeistof. Het is dan ook de vraag in hoeverre de op kamer temperatuur bepaalde parameters van toepassing zijn op natuurlijke situaties. Grootschalige modellen worden getuned om recente, goed geïnstrumenteerde aardbevingen na te bootsen. Voorspellingen aan de hand van deze modellen zijn dus niet mogelijk. De huidige inschattingen van het mogelijke gevaar voor aardbevingen zijn dan ook voornamelijk gebaseerd op de aardbevingen die in het verleden geregistreerd zijn. Theoretisch is het wel mogelijk om de grootschalige modellen te gebruiken om een inschatting te maken van de maximale grootte van een aardbeving die in een specifieke regio verwacht kan worden. Hiervoor is het echter nodig om een beter begrip te hebben van de wrijvingseigenschappen van het breukgesteente onder de condities in de diepe ondergrond. De kern van ons onderzoeksprogramma is om juist dit uit te vinden. Het hoge druk en temperatuur laboratorium in Utrecht heeft een uniek apparaat ontwikkeld dat het mogelijk maakt om de wrijvingseigenschappen

van breukgesteente onder de extreme condities in de diepe ondergrond te onderzoeken tot dieptes van ~50 km (normaal spanningen tot 300 MPa, temperaturen tot 700 ºC en in de aanwezigheid van water). Recentelijk hebben we in een serie experimenten aan kunnen tonen dat de variatie in RSF parameters veel groter is dan in experimenten op kamer temperatuur. De RSF parameters zoals bepaald voor het breukgesteente materiaal dat vergelijkbaar is met het materiaal dat tijdens de aardbeving in Spanje bewoog, worden systematisch groter met toenemende diepte. Deze toename is een mogelijke verklaring voor de observatie dat veel van de snelle beweging tijdens de aardbeving omhoog gericht was, oftewel richting het oppervlakte. Hierdoor was de grondbeweging (het schudden aan het oppervlakte) veel sterker dan vooraf gedacht en als gevolg daarvan was de schade aanzienlijk. Door systematische experimenten te combineren met numerieke modellen van de processen die plaatsvinden op de korrelschaal, zullen we een grote stap kunnen zetten naar een beter begrip van de variatie van de wrijvingseigenschappen van gesteentes. Uiteindelijk hopen we dan deze eigenschappen te kunnen gebruiken in grootschalige modellen om de aardbevingscyclus na te boot-

sen voor specifieke regio’s, zonder de parameters aan te passen. De modellen kunnen dan getest worden aan de hand van de tot nu toe geregistreerde aardbevingen op deze locaties. Indien deze testen succesvol zijn, kunnen we de modellen gebruiken om een lange periode van aardbevingen na te bootsen en zo een inschatting te maken van de maximaal grootte van aardbevingen. Bovendien is het dan mogelijk om te onderzoeken wat het effect is van activiteiten in de ondergrond op de mogelijke seismische activiteit. Het onderzoek in mijn project in Utrecht is voornamelijk gericht op natuurlijke aardbevingen maar de principes zijn hetzelfde voor opgewekte aardbevingen.

Referenties – Amonton, G. (1699) Histoire de l'Académie Royale des Sciences avec les Mémoires de Mathématique et de Physique. – Archard, J.F. (1953). Contact and Rubbing of Flat Surface. J. Appl. Phis. 24 (8): 981–988,  doi: 10.1063/ 1.1721448 – Bowden, F.P. & Tabor, D. (1950)  The Friction and Lubrication of Solids. – Dieterich, J. H. (1978). Time-dependent friction and the mechanics of stick-slip. Pure and Applied Geophysics, 116, 790-806. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 21

Ir. A. Kooistra Ingenieursbureau Amsterdam (IBA)

Interactie tussen constructeur en geotechnicus ‘Kun je een veertje voor de grond opgeven?’ Het lijkt een eenvoudige vraag van een constructeur aan zijn geotechnische collega. Het antwoord is niet altijd even makkelijk. Bij een fundering op staal kunnen vervormingen bepalend zijn voor het ontwerp. Immers de vervormingen bepalen de krachten en momenten in de constructie. Neem een vrij standaard onderdoorgang, het gewicht van de grond die je ontgraaft is groter dan de belasting van de tunnel die je terugbrengt. Je hebt een redelijk goede grondslag met op enige diepte wel wat laagjes leem of klei. Deze onderdoorgang wil je toch graag op staal kunnen funderen. Hoe ga je dan om met de stijfheid van de ondergrond? Deze zal bepalend zijn voor de hoeveelheid wapening in de constructie. En bepaalt de bruikbaarheid bijvoorbeeld bij voegovergangen, vanwege de vervorming van de verschillende constructieve elementen ten opzichte van elkaar. Methodes om een verticale stijfheid – ook wel verticale bedding – voor de ondergrond te bepalen zijn er genoeg. Maar de stijfheid/bedding is niet een constante, en is niet lineair. Deze is primair afhankelijk van de gelaagdheid en eigenschappen van de bodem dan wel de grootte van de belasting en afmetingen van het belaste oppervlak. Daarnaast speelt ook de belastingduur een rol, en het

maakt ook uit of de belasting variabel of permanent is. Om de verticale beddingstijfheid te bepalen zal de constructeur de belastingen moeten bepalen op basis van een eerste inschatting van de stijfheid van de ondergrond. Op basis daarvan kan de geotechnicus een nauwkeuriger beddingstijfheid bepalen. Pas als de verschillen van berekende vervorming en gronddrukverloop in het geotechnisch model en in het constructieve model minimaal zijn, is de juiste beddingstijfheid bepaald. Alleen, op basis van welke belasting zou dat moeten: de belasting in de wanden, of die in de vloer? Wat is de invloed van de stijfheid van de constructie of is de constructie zo stijf dat dat niet uitmaakt? En neem je nu de UGT of de BGT belasting, alleen het permanente of het permanente en variabele deel? En de ondergrond, die is eigenlijk ook niet homogeen – je kan de slechtste locatie pakken. Of bepaal je voor een aantal locaties een beddingstijfheid. Heb je dan ook weer per locatie een belasting nodig? En zijn de verschillen per locatie of voor de verschillende belastinggevallen wel zo groot dat het uit zal maken voor je ontwerp? De constructieve modellen zijn ook niet onbeperkt in het aantal variabelen dat ingevoerd kan worden en je moet al een aantal belastingscombinaties doorrekenen. De rekentijd, of het aantal runs wordt dan snel onwerkbaar. De interactie tussen grond en constructie is com-

plex. Er bestaat veel literatuur, en er zijn genoeg methoden beschikbaar om het vervormingsgedrag te bepalen. In de SBRCURnet commissie “vervormingsgedrag van funderingen op staal”, willen we een overzicht geven van deze methoden. Maar het belangrijkste is dat we omschrijven hoe communicatie en interactie proces tussen geotechnicus en constructeur zou moeten verlopen om de interactie tussen grond en constructie goed (genoeg) te modelleren. In de publicatie waar momenteel aan gewerkt wordt door geotechnici en constructeurs, zal het optimale interactie proces tussen de geotechnicus en de constructeur beschreven worden. Het doel is om de geotechnicus meer inzicht te geven in wat van belang is voor de constructeur (zie tabel). En om de constructeur meer inzicht te geven in het grondgedrag. Zodat beiden weten, wat ze van elkaar kunnen vragen, en om samen tot een optimaal ontwerp te kunnen komen. Ook in Nederland met een relatief slappe ondergrond zijn funderingen op staal prima mogelijk, we moeten wel extra aandacht besteden aan het vervormingsgedrag en het omgaan met verticale beddingstijfheid in het ontwerp. Heb je praktijkervaring, meetresultaten van vervorming bij funderingen op staal? We nemen dit graag mee in onze publicatie. Contact: Annemarij Kooistra, akooistra@iba.amsterdam.nl

Belangrijk te weten voor constructeurs

Belangrijk te weten voor geotechnici

 De beddingstijfheid is geen grondeigenschap, maar een

 De buigstijfheid van de constructie heeft invloed op de

modelparameter afhankelijk van de geometrie van de constructie, de belastingen en de grond.  Het is moeilijk een nauwkeurige waarde te geven voor de beddingstijfheid, maar ook de buigstijfheid van de constructie is slechts een benadering.  De geotechnicus bepaalt over het algemeen vervormingen (en dus beddingstijfheid) in de BGT.  Bij het toepassen van niet-lineaire veren geldt het superpositiebeginsel niet meer.

21

vervormingen en funderingsdrukken.

 Constructieve software heeft zijn beperkingen (met name met betrekking tot niet-lineariteit).

 De betonconstructie wordt over het algemeen lineair elastisch gemodelleerd.

 De constructeur maakt duidelijk onderscheid tussen BGT en UGT sommen.

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 22

Zwelbelasting op funderingen CUR/COB-commissie C202

Ing. E. Kwast senior geotechnisch adviseur Kwast Consult (secretaris C202)

Ir. M. Peters senior geotechnisch adviseur Grontmij Nederland (rapporteur C202)

Figuur 1 – Verloop spanningen gedurende consolidatie voor 1D-, 2D- en 3D-benaderingen.

Inleiding De genormeerde rekenmethode voor de bepaling van zwelbelasting op paalfunderingen zoals die in de huidige Eurocode 7 (NEN 9997-1 [1]) is opgenomen, betreft een methode uit 1991 die afkomstig is uit NEN 6743, waarop na de eerste publicatie geen verdere wijzigingen zijn toegepast. Deze rekenmethode wordt beschouwd als een conservatieve methode die leidt tot hoge zwelbelasting op de funderingspalen. In de praktijk wordt deze methode daarom zelden toegepast en zijn er verschillende alternatieve methoden in omloop [2] die veelal ook gericht zijn op de specifieke situaties die voor de desbetreffende ontwerpen van toepassing zijn. Voor dit onderzoek wordt specifiek gekeken naar de berekening van zwelbelasting op funderingen, zijnde vloeren en funderingspalen. Behalve funderingspalen kunnen dit ook andere type funderingselementen zijn, zoals damwanden of diepwanden. In de afgelopen jaren heeft bij de Sophiaspoortunnel zwelonderzoek (COB) plaatsgevonden [3] en zijn diverse afstudeerders (Korff [4], Keijzers [5] en Schippers [6]) aan de TU Delft met dit onderwerp bezig geweest. Deze onderzoeksinspanningen hebben nog niet geleid tot een praktische ontwerprichtlijn. De CUR-Aanbeveling 77 “Rekenregels voor ongewapende onderwaterbetonvloeren” [7] uit 2001

wordt momenteel herzien. De herziene versie zal eind 2013 beschikbaar zijn. Gekozen is om bijlage B2 met een eenvoudige conservatieve methode voor de bepaling van zwelbelasting op vloeren ongewijzigd te handhaven. Het onderzoek in het kader van de CUR/COB-commissie C202 is gericht om te komen tot een minder conservatieve eenvoudige ontwerpmethode (analytisch) en een geavanceerde ontwerpmethode (Plaxis 2D) voor vloeren en palen. CUR commissie C202 bestaat uit deskundigen van opdrachtgevers, opdrachtnemers, kennisinstituten en geotechnische adviesbureaus. De volgende partijen nemen deel aan de commissie: Rijkswaterstaat - Grote Projecten en Onderhoud (GPO), Gemeentewerken Rotterdam, BAM Infraconsult, Volker InfraDesign, Ballast Nedam Engineering, Heijmans, Deltares, Grontmij Nederland, Kwast Consult, Witteveen+Bos, Fugro GeoServices, COB en SBRCURnet.

Plan van Aanpak In het Plan van Aanpak van de commissie worden de volgende stappen onderscheiden om te komen tot de ontwerprichtlijn: 1. Literatuuronderzoek (nationaal en internationaal) en theoretische modellen. 2. Inventarisatie ontwerppraktijk afgelopen 10 jaar. 3. Uitvoeren van nader onderzoek: opstellen van

22

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

theoretische beschouwingen en uitvoeren van aanvullende berekeningen voor eenvoudige (analytische) en geavanceerde modellen (EEM - Plaxis 2D) om beter inzicht te krijgen in de optredende mechanismen en gevoeligheden van de inputparameters. 4. Organiseren van een workshop om een conceptontwerpmethode te ontwikkelen (een eenvoudige en een geavanceerde methode). 5. Toetsing van de ontwikkelde ontwerpmethoden aan de hand van 2 cases. 6. Opstellen eindrapportage C202. De stappen 1 en 2 (deelrapportages) zijn afgerond, voor stap 3 vinden afrondende werkzaamheden plaats en in september heeft de Workshop plaatsgevonden. De toetsing van de ontwerpmethoden (stap 5) en opstellen concept eindrapportage is eind 2013 voorzien. De eindrapportage zal voorjaar 2014 beschikbaar zijn.

Literatuuronderzoek en theoretische modellen In de geotechniek wordt zwel veelal omschreven als een proces dat het gevolg is van een belastingvermindering op de ondergrond, en dat analoog is verondersteld aan het omgekeerde proces van zetting dat een gevolg is van een belastingverhoging. Bij het ontgraven van een bouwput kan een belastingvermindering in de ondergrond optreden door het verwijderen van grond en/of door het leegpompen van het water uit de bouwkuip. Maar ook doordat de bouwkuipwanden naar binnen verplaatsen kan de ondergrond (volumevast) deformeren met als gevolg een horizontale indrukking en een verticale uitzetting. Zwel is daarom door commissie C202 gedefinieerd als de verticale deformatie (heffing) van een bouwputbodem in een initieel volledig verzadigde situatie, ongeacht het onderliggende proces. Hiermee vindt onder andere aansluiting plaats met de beschrijving van zwel conform NEN 9997-1 [1]. In analogie met samendrukking zijn voor zwel


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 23

Samenvatting De genormeerde rekenmethode voor de bepaling van zwelbelasting op paalfunderingen is in Eurocode 7 (NEN 9997-1) opgenomen en wordt beschouwd als een conservatieve methode die leidt tot hoge zwelbelasting op de funderingspalen. In de praktijk wordt deze methode daarom zelden toegepast en zijn er verschillende alternatieve methoden in omloop. Voor het berekenen van zwelbelasting op OWB-vloeren is een eenvoudige conservatieve rekenmethode in CUR

verschillende analytische modellen beschikbaar, zoals: Koppejan, (NEN-) Bjerrum, isotache-modellen, de JWB-methode en de methode volgens Mesri. In geavanceerde eindige elementenprogramma’s als PLAXIS zijn daarnaast nog meer modellen beschikbaar waarmee het ontlastgedrag kan worden gemodelleerd, zoals het Hardening Soil (small strains) model en het Soft Soil (Creep) model. Om het zwelgedrag specifieker te kunnen bestuderen, is er een onderverdeling gemaakt in verschillende zwelmechanismen. De drie hoofdgroepen daarbij zijn: – instantane zwel, zwel door instantaan in de grond optredende mechanismen (sini); – primaire zwel, zwel door primaire consolidatie of water(onder)spanningsdissipatie (sprim); – seculaire zwel, zwel door kruip (ssec). Instantaan optredende mechanismen betreffen de mechanismen die direct bij ontlasting plaats vinden en leiden tot een initiële zwel. Hierbij kan ondermeer onderscheid worden gemaakt tussen volumevaste vervorming (distorsie), elastische volumevergroting of volumeverandering door dilatantie. Bij een instantaan gedrag wordt in theorie elk tijdsafhankelijk gedrag buiten beschouwing gelaten, en daarmee ook de dissipatie van water in de grond. De grond zal zich in theorie òf volledig gedraineerd, òf volledig ongedraineerd moeten gedragen. Primaire zwel is in feite de volumevergroting die optreedt als gevolg van opname van water in cohesieve lagen die onderhevig zijn aan een ontlasting. De cohesieve lagen zijn daarbij als volledig verzadigd verondersteld. Doordat de cohesieve lagen slecht doorlaatbaar zijn is de opname van water tijdsafhankelijk. De consolidatiesnelheid bij ontlasten (cv;zwel) is daarbij aanzienlijk groter dan bij belasten. In verschillende publicaties, onderzoeken en metingen is dit ook geconstateerd. Door Mesri [8] is aangegeven dat de consolidatiesnelheid bij zwel wel circa 15 maal sneller kan verlopen in vergelijking tot bij samendrukking. De snelheid wordt ondermeer bepaald door de volgende effecten van softening:

77 opgenomen. Het onderzoek in het kader van de CUR/COB-commissie C202 is gericht om te komen tot een minder conservatieve eenvoudige ontwerpmethode (analytisch) en een geavanceerde ontwerpmethode (Plaxis 2D) voor zwelbelasting op vloeren en palen. De ontwerprichtlijn zal voorjaar 2014 beschikbaar komen voor de beroepspraktijk.

Figuur 2 – Last-rijzingsdiagrammen voor zwel, links voor zand en rechts voor klei (aangepast vanuit de last-zakkingsdiagrammen uit NEN 9997-1 [1])

– doorlatendheid; – toename van doorlatendheid als gevolg van ontstane haarscheurtjes; – dilatantie en hysterese op korrelniveau; – loskomen van materiaal en het heenglijden ervan langs ontstane haarscheurtjes, wat ook een tijdsafhankelijk proces is; – toename van het poriëngetal en de porositeit als gevolg van de zwel. Seculaire zwel betreft een tijdsafhankelijk, logaritmisch in de tijd afnemend, optredende verplaatsing van cohesieve lagen zonder dat daarbij spanningsveranderingen hoeven op te treden. Door Mesri [8] zijn diverse ontlastproeven uitgevoerd in overgeconsolideerde klei, waaruit blijkt dat het aandeel van de seculaire zwel in de totale zwel groter wordt bij een toenemende OCRwaarde. In Nederland bestaan over de invloed van kruipeffect bij ontlasten geen algemene opvattingen en vaak wordt dit proces ook ontkend of verwaarloosbaar geacht voor holocene of pleistocene cohesieve lagen (met relatief lage OCR-waarden).

op zweldruk respectievelijk zweltrek. Voor de berekening van de zwelbelasting speelt met name het tijdstip waarop de fundering wordt gerealiseerd en daarmee de mate waarin deze de zwel verhindert een rol. Daarnaast speelt de stijfheid en de vorm van de bouwkuip een rol, aangezien deze bepaalt welk deel van de zwel instantaan en welk deel primair reageert. Dit volgt uit een elastische analyse op basis van het gedrag bij oedometerproeven (1D) en triaxiaalproeven (3D). In figuur 1 is dit onderscheid grafisch weergegeven. In geval van een droge bouwkuip waarbij tot tijdstip t = tvrij;zwel de bodem nog vrij kan zwellen, zal de zweldruk op de vervolgens aangebrachte vloer worden bepaald uit het resterende deel van de primaire (en eventuele seculaire) verhinderde zwel, eventueel verminderd met het vloergewicht. De zweldruk is afhankelijk van de bouwkuipvorm, zoals uit figuur 1 blijkt. Dit is in rekening gebracht in de vormfactor η: (1)

Zweldruk op vloeren Op het moment dat er in een bouwkuip die onderhevig is aan zwel, funderingselementen zoals palen of een vloer worden aangebracht, zullen deze bij verhindering van de zwel worden belast

23

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

waarbij geldt:

σvloer;prim;Ek karakteristieke waarde van de

primaire zwelbelasting op de vloer (= potentiele zweldruk) [kPa]


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 24

Figuur 3 – Grafische weergave initiële spanningsituatie (zijkant) – Oostbuis Spoortunnel Delft

Bij de berekening van de zwelbelasting op de palen zal de grootte van de zwel worden bepaald uit de (relatieve) verplaatsing van de grond ten opzichte van die van de paal. Dit kan aan de hand van een interactiemodel in analogie met het lastzakkingsgedrag van op druk belaste palen worden berekend, zoals weergegeven in figuur 2.

Tabel 1 – Praktijkvoorbeelden (cases) ontwerpmethoden zwelbelasting op funderingen.

Δσontlasting

ontlasting in de zwellaag, Δσ ontlasting = Δσontgraving + 1/2 σ bemaling [kPa] η modelfactor afhankelijk van dimensie model [ - ] (voor 1D: η = 1, voor 2D: η = 2, voor 3D: η = 3) bereikte consolidatiegraad over U(tvrij;zwel) de tijd dat de ondergrond vrij heeft kunnen zwellen [ - ] tijdsperiode waarover de grond tvrij;zwel vrij kan zwellen volgens de halve bouwtijdmethode [s] In geval van een onderwaterbetonvloer moet voor de zweldruk onderscheid gemaakt worden tussen ontgraving en bemaling in relatie tot de fasering. De ontgraving heeft slechts beperkte invloed op de zweldruk, namelijk in de vorm van de primaire restzwel vanaf het moment dat de vloer aanwezig is. Vervolgens zal tijdens het leegpompen wederom een ontlasting plaats vinden, resulterend in een extra zweldruk door verhindering van zowel instantane zwel als primaire (en seculaire) zwel.

Zwelkracht op palen Worden de palen op diepte geheid voorafgaand aan het ontgraven en bemalen, dan zal de paal onderhevig zijn aan het gehele zweltraject van ont-

graven en bemalen. Worden de palen geheid nadat de bouwkuip in den natte is ontgraven en voordat deze wordt leeggepompt, dan zal de zwelbelasting op de palen ontstaan uit de zwel ten gevolge van het bemalen en de resterende primaire zwel uit de kleilaag als gevolg van ontgraven. In NEN 9997-1 is een (te conservatieve) bovengrens van de zwelbelasting op palen weergegeven op basis van de initiële conusweerstand en arbitrair vastgestelde schachtwrijvingsfactoren voor zand en klei. Een minder grove en daardoor betere methode om de zwelkracht te bepalen is de toepassing van de slipmethode, analoog aan de berekening van negatieve kleef: (2) waarbij geldt: Fzwel;paal zwelbelasting per paal door vrije zwel [kN] paalomtrek [m] Opaal σv;t ’ verticale korrelspanning op tijdstip t [kPa] K0 · tanȎ conform NEN 6743 wordt hier voor grondverdringende palen uitgegaan van 0,25 ǵh lengte paal in zwellende laag, zie ook h3

24

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Belangrijke invloedsfactor in de berekening van zwelbelastingen op funderingen betreft de spanningssituatie na ontgraven en/of bemalen. Deze wordt beïnvloed door onder andere de gronddrukfactoren in relatie tot dwarscontractie en opsluiting (tussen de damwanden) en belastingspreiding in de diepte afhankelijk van de ontgravingsbreedte. Door de buigstijfheid van de vloer en rekstijfheid van de palen in rekening te brengen, kan de zwelbelasting worden gereduceerd. Tenslotte kan als gevolg van installatieeffecten (grondverdringend plaatsen van palen en ophei-effect) de water(onder)spanning worden verminderd en daarmee ook de (primaire) zwel.

Ontwerppraktijk afgelopen 10 jaar Van de gerealiseerde en deels nog in uitvoering zijnde projecten voor tunnels, parkeergarages en hoogbouw met diepe kelders in de afgelopen 10 jaar, is een selectie van 10 praktijkvoorbeelden (cases) gemaakt. Hierbij zijn de verschillende methoden die zijn toegepast ter bepaling van de zwelbelasting op funderingen beschouwd ter vaststelling van de huidige ontwerppraktijk. Bij de keuze van de praktijkvoorbeelden is gekeken naar onder andere variatie in bodemopbouw, ontwerpmethode, bouwfasering en geometrische aspecten. Van een aantal praktijkvoorbeelden zijn meetresultaten beschikbaar gesteld die verricht zijn ter verificatie van het ontwerp ten aanzien van het aspect zwelbelasting. In tabel 1 zijn de beschouwde praktijkvoorbeelden en specifieke kenmerken benoemd.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 25

ZWELBELASTING OP FUNDERINGEN, CUR/COB-COMMISSIE C202

Figuur 4 – Grafische weergave initiële spanningsituatie (midden) – Oostbuis Spoortunnel Delft

Figuur 5 – Grafische weergave spanningsituatie eindfase (midden) – Oostbuis Spoortunnel Delft

Figuur 6 – Grafische weergave berekende vrije zwel t.g.v. volledige ontgraving en bemaling bouwput (D-Settlement) – Oostbuis Spoortunnel Delft.

Figuur 7 – Grafische weergave berekende vrije zwel t.g.v. volledige ontgraving en bemaling bouwput (Plaxis 2D) – Oostbuis Spoortunnel Delft.

Voor de verschillende cases is de bodemopbouw, grondparameters (met name de stijfheid en consolidatie bij ontlasten) , geometrie, bouwfasering en constructieve elementen bepaald. De initiële spanningsituatie en spanningsituatie in eindfase is voor alle cases in beeld gebracht, als voorbeeld is in figuur 3 t/m 5 de spanningsituatie (verticale korrelspanning, waterspanning en totale spanning) voor de Oostbuis van Spoortunnel Delft weergegeven. Voor de berekening van de zwelbelasting op de vloer (OWB-vloer of tunnelvloer) wordt veelal eerst de vrije zwel berekend. In figuur 6 is de berekende vrije zwel met een analytische model (D-Settlement) weergegeven en in figuur 7 de berekende vrije zwel met Plaxis 2D (EEM) voor de Oostbuis van Spoortunnel Delft. Vervolgens wordt op een bepaald tijdstip door verhinderde vervorming (fixatie) de zwelbelasting op de vloer en palen berekend.

Op basis van de beschouwde praktijkvoorbeelden kan voor de ontwerpmethoden voor zwelbelasting op vloeren het volgende worden geconcludeerd: – voor de berekeningswijze van zwelbelasting op vloeren worden verschillende methoden aangehouden: analytische 1D beschouwing op basis van de samendrukkingstheorie of 2D grond-constructie interactie; – voor de berekeningsmethode wordt hierbij gebruik gemaakt van een handmatige uitwerking, spreadsheets en D-Settlement - model Koppejan/Terzaghi (eenvoudige modellen zonder grondconstructie interactie) of Plaxis 2D – HS(s)-model (geavanceerd model met grond-constructie interactie); – de belangrijkste parameters zijn: Δσ’v, Ap, cv;zwel (U), paalstramien en stijfheidseigenschappen vloer en palen bij toepassing van de eenvou-

25

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

dige modellen en Δσ’v (bouwfasering), E’50;ref/ E’oed;ref /E’ur;ref, k v /k h (ongedraineerd of gedraineerd), geometrie bouwkuip en stijfheidseigenschappen vloer, palen en wanden bij Plaxis 2D. Bij het analyseren van de verschillende cases zijn voor de ontwerpmethoden voor zwelbelasting op vloeren de volgende discussiepunten naar voren gekomen: – meenemen van relatieve vervormingsverschil paal, vloer en grond of volledige zwelbelasting zonder reductie ten gevolge van vervormingsverschillen; – niveau en wijze van toepassing van spanningspreiding; – wijze van bepalen van de invloed van (tijdelijke) bemaling in de zwellende lagen; – gewicht vloer (vers gestorte specie) in mindering brengen op zwelbelasting (geotechnisch


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 26

en/of constructief) of gewicht vloer niet in beschouwing meenemen; – bepalingswijze belangrijkste parameters op basis van engineering judgement, empirische relaties en/of laboratoriumproeven; – kruipeffect bij ontlasting (zwel) wel of niet in rekening brengen; – dwarscontractie-effect zoals deze volgt uit Plaxis 2D wel of niet in rekening brengen. Voor de ontwerpmethoden voor zwelbelasting op palen zijn op basis van de beschouwde ontwerppraktijk de conclusies: – voor de berekeningswijze van zwelbelasting op palen wordt in de ontwerppraktijk veelal uitgegaan van de slipmethode (A1), aangezien de slipmethode: – niet spanningsafhankelijk is; – onderbouwing vanuit EEM (op basis van wrijving); – niet gerelateerd is aan qc en as (minder gevoelig voor variaties); – in analogie met de berekeningsmethode voor negatieve kleefbelasting. – voor de berekeningsmethode wordt hierbij gebruik gemaakt van een spreadsheet (zonder constructie-interactie) of Plaxis 2D (met constructie-interactie); – belangrijkste parameters bij de slipmethode zijn: Δσ’v en cv;zwel (U) bij toepassing van een spreadsheet en Δσ’v (bouwfasering), E’50;ref / E’oed;ref/

E’ur;ref en kv/kh (ongedraineerd of gedraineerd) bij Plaxis 2D. Bij het analyseren van de verschillende cases zijn voor de ontwerpmethoden voor zwelbelasting op vloeren de volgende discussiepunten vastgesteld (bij toepassing van de slipmethode): – indien de (grondverdringende) palen na het ontgraven worden aangebracht, behoeft geen zwelbelasting op de palen in rekening te worden gebracht omdat ten gevolge van grondverdringing de wateronderspanning verdwijnt, of: reduceren zwelbelasting lineair met de afname van de consolidatiegraad (U) eventueel rekening houdend met Δσ’v, of: geen reductie in rekening brengen; – meenemen van relatieve vervormingsverschil paal-grond (in analogie met bepaling negatieve kleefbelasting bij 10 of 20 mm) of volledige zwelbelasting zonder reductie ten gevolge van vervormingsverschillen meenemen; – uitgaan van oorspronkelijke (initiële) verticale korrelspanning of korrelspanning na ontgraven (eindfase) volgens lineaire reductie, Jaky of Plaxis 2D, bij de berekening van de zwelbelasting; – bepalingswijze belangrijkste parameters op basis van engineering judgement, empirische relaties en/of laboratoriumproeven; – bepaling zwelbelasting uit Plaxis (interface elementen), hoe dit uit te voeren; – de toe te passen veiligheidsfilosofie voor palen (enkele paal en paalgroepen).

Workshop Op dinsdag 17 september is in het informatiecentrum van de A4 Burgerveen – Leiden een workshop gehouden. Het aantal deelnemers was ongeveer 30 met vertegenwoordiging vanuit opdrachtgevers, ingenieursbureaus, aannemers en kennisinstituten, betrokken bij de realisatie van tunnels, parkeergarages en grote gebouwen met kelders. Doel workshop: Vergroten van het draagvlak voor de nieuwe rekenmethode voor zwelbelasting op funderingen en gebruik te maken van de beschikbare kennis in Nederland. Opzet workshop: Het gedurende een halve dag, na een inleiding vanuit de inhoudelijk betrokken partijen, in kleine groepen met de inhoud aan de slag te gaan (mechanismen), om aan het einde van de dag gezamenlijk conclusies en aanbevelingen te kunnen vaststellen. Beoogd resultaat: De uitkomst van de workshop is mede richtinggevend voor de keuze van een eenvoudige en geavanceerde rekenmethode, en daarbij behorende randvoorwaarden. De uitkomsten van de workshop worden binnen de commissie nader besproken ten aanzien van van verdere uitwerking in de vervolgstappen. Indeling werkgroepen met focus op mechanismen Groep 1 – mechanisme: vrije zwel (verticale vervorming) Groep 2 – mechanisme: horizontale vervorming (bouwkuipvervorming) Groep 3 – mechanisme: verhinderde zwel t.g.v. aanbrengen vloer en palen (constructie interactie) Groep 4 – mechanisme: tijdsafhankelijke aspecten (incl. kruip en bouwfasering) Groep 5 – mechanisme: installatie effecten funderingspalen Onderstaand een selectie van de discussiepunten behandeld tijdens de workshop met aan het einde van de dag een centrale terugkoppeling met conclusies en aanbevelingen voor het vervolgonderzoek. Discussiepunten ontwerpmethoden zwelbelasting op palen bij toepassing van de slipmethode: Indien de (grondverdringende) palen na het ontgraven worden aangebracht: A. Geen zwelbelasting op de palen in rekening te brengen omdat ten gevolge van grondverdringing de wateronderspanning verdwijnt –> te kort door de bocht. B. Reduceren zwelbelasting lineair met de afname van de consolidatiegraad (U) eventueel rekening houdend met Δσ’v –> afname met consolidatiegraad en afname wateronderspanning bij grondverdringende palen kan, maar rekening houden

Figuur 8 – Werkgroep 1 in actie met het mechanisme vrije zwel.

26

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 27

Z WELBEL ASTING OP FUNDERINGEN, CUR/COB-COMMISSIE C202

met belasting t.g.v. ophei effect. Meenemen vervormingscriterium: verschilvervorming paal – grond ≤ 10 mm bij zand en ≤ 20 mm bij klei geen zwelbelasting in rekening brengen. C. Geen reductie in rekening brengen –> kan, is conservatief. Discussiepunten ontwerpmethoden zwelbelasting op palen bij toepassing van de slipmethode: A. Uitgaan van oorspronkelijke (initiële) verticale en horizontale korrelspanning –> nee, te conservatief. B. Korrelspanning na ontgraven (eindfase) volgens lineaire reductie –> nee, te optimistisch. C. Korrelspanning volgens Jaky met OCR –> zou realistisch moeten zijn (onderzoeken en vergelijken met D). D. Korrelspanning volgens Plaxis 2D –> prima voor geavanceerde methode. E. Of … –> bij gelaagde bodemopbouw met zwellende zand-/kleilagen lijken qc-methode en slipmethode grote verschillen te geven (nader te onderzoeken), Bij paalgroepen maximale zwel volgens NEN 9997-1 begrenzen.

Discussiepunten ontwerpmethoden zwelbelasting op vloeren: A. Gewicht vloer (vers gestorte specie) in mindering brengen op zwelbelasting (geotechnisch) en constructief (opdrijven) –> lijkt op voorhand mechanisch niet correct, nader te onderzoeken. B. Gewicht vloer (vers gestorte specie) in mindering brengen alleen op zwelbelasting (geotechnisch) en niet constructief (opdrijven) –> is mogelijk. C. Gewicht vloer (vers gestorte specie) in mindering brengen alleen constructief (opdrijven ) en niet op zwelbelasting (geotechnisch) –> is mogelijk. D. Gewicht vloer niet in beschouwing meenemen –> nee, te conservatief. De workshop heeft goede inhoudelijke discussies opgeleverd, waarbij richting is gegeven aan het vervolgonderzoek. Het onderzoek van de CUR/COB-commissie C202 zal leiden tot een minder conservatieve eenvoudige ontwerpmethode (analytisch) en een geavanceerde ontwerpmethode (Plaxis 2D) voor de berekening van

zwelbelasting op vloeren en palen en zal voorjaar 2014 beschikbaar komen voor de beroepspraktijk.

Literatuur [1] NNI, NEN 9997-1, Geotechnisch ontwerp van constructies – Deel 1: Algemene regels, 2012. [2] Smits, M.Th.J.H., Zwel: Funderingen in de knel, Geotechniek, oktober 2000. [3] COB F210 Meten en interpreteren van zwel in een bouwput, eindrapport, Gouda, december 2002. [4] Korff, M., Zwel bij diepe bouwputten met trekpalen, scriptie TU Delft, December 1999. [5] Keijzers, M.P.M., Zwelbelasting op onderwaterbetonvloeren met trekpalen, scriptie TU Delft, februari 2001. [6] Schippers, R.O., Zwelbelasting op onderwaterbetonvloeren en trekpalen, scriptie TU Delft, juli 2009. [7] CUR, CUR-Aanbeveling 77, Rekenregels voor ongewapende onderwaterbetonvloeren, 2001. [8] Mesri, G. et.al., The rate of swelling of overconsolidated clays subjected to unloading, 1978. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:39 Pagina 28

Diepwandproef Delft

Dr. J.H. van Dalen Strukton Engineering/TU Delft (Section Geo-Engineering)

Ir R. Spruit Gemeente Rotterdam, Projectmanagement & Engineering, Ontwerpleide

onderzoeken uitgevoerd betreffende diepwanden. Deze onderzoeken zijn geïnitieerd vanwege het feit dat eerder bij een aantal projecten waarbij diepwanden zijn toegepast, insluitingen van bentoniet zijn aangetroffen nabij voegen tussen twee diepwandpanelen. Dergelijke insluitingen kunnen zeer ongunstige gevolgen voor het functioneren van de bouwput hebben in de vorm van ernstige lekkage van grondwater en grond. Dit is bijvoorbeeld bij de aanleg van de Amsterdamse NoordZuid metrolijn gebleken, bij de bouwput aan de Vijzelgracht.

Figuur 1 – Overzicht wapeningsconfiguratie en vloeibaarheid panelen 1 en 2.

Foto 1 – Overzicht met 2 panelen in beeld paneel 1 (grijs) links, paneel 2 (rood) rechts.

Inleiding Momenteel (herfst 2013) vindt een diepwandproef plaats binnen het project “Spoorzone Delft”. Deze proef wordt uitgevoerd In het kader van het programma “Geo-impuls”, ten behoeve van onderzoek dat momenteel aan de TU Delft wordt uitgevoerd naar diepwandpanelen. Zowel de Opdrachtgever van Spoorzone Delft, als de bouwer, CCL hebben het mogelijk gemaakt dat deze proef kan alaatsvinden. In het kader van deze proef zijn in de periode augustus/ september 2013 een tweetal diepwandproefpanelen aangebracht. Deze panelen maken geen deel uit van de bouwputbegrenzing van de te realiseren bouwput, maar bevinden zich volledig binnen de bouwput en dienen uitsluitend voor het genoemde onderzoek. De panelen zijn aangebracht onder gecontroleerde omstandigheden,

waarbij diverse metingen worden verricht. Tijdens het ontgraven van de bouwput worden de gerealiseerde proefpanelen in delen per ontgravingsslag aan weerskanten vrijgegraven en vindt uitgebreide inspectie plaats. Vervolgens worden de panelen, eveneens in delen, onder gecontroleerde omstandigheden gesloopt. Na uitvoering van de laatste ontgravingsslag zullen de panelen zijn gesloopt en verwijderd tot onder het niveau van de bouwputbodem. Dit artikel beschrijft de voorbereiding en opzet van de proef en enkele resultaten op basis van de eerste ontgravingsslag. Op foto 1 is een overzicht van de beide proefpanelen te zien, direct na het plegen van de eerste ontgravingsslag.

Achterliggend onderzoek Momenteel worden aan de TU Delft 2 promotie-

28

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

De twee genoemde promotieonderzoeken richten zich op: A. Het proces van het maken van diepwandpanelen, met als uiteindelijk doel het proces dusdanig te optimaliseren dat insluitingen kunnen worden voorkomen. B. Het controleren van diepwandpanelen op insluitingen nabij de voegen, alvorens de bouwput wordt ontgraven, zodat maatregelen kunnen worden getroffen om lekkages tegen te gaan. Het uiteindelijke doel van dit onderzoek is te kunnen beschikken over een meetmethode die met hoge zekerheid insluitingen kan aantonen. De huidige stand van zaken met betrekking tot onderzoek A is dat er een numeriek stromingsmodel beschikbaar is waarmee zowel het proces van ontzanden van de bentoniet als de verdringing van bentoniet door beton in de diepwandsleuf kan worden gesimuleerd, inclusief de invloed hierop van de aanwezigheid van wapening in de sleuf. Met dit model is het mogelijk rekenkundig te voorspellen onder welke omstandigheden bentonietinsluitingen kunnen worden verwacht en wanneer niet. Vanuit dit onderzoek is het wenselijk te toetsen of werkelijkheid en modelberekeningen met elkaar overeenstemmen. De stand van zaken met betrekking tot onderzoek B is, dat er kan worden beschikt over een meet-


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:35 Pagina 29

Samenvatting ‘Van je fouten kun je leren’ hoor je vaak. Toch wordt het maken van fouten in civieltechnische projecten vrijwel altijd slecht ontvangen. Het moet immers in één keer goed gaan en als dat niet lukt, gaat het meestal gelijk om veel geld. En héél veel commotie. Zo was Amsterdam te klein, toen in 2008 de Wevershuisjes aan de Vijzelgracht plotseling fors verzakten. Oorzaak: Een diepwand die onvol-

doende dicht was voor water en zand. In het project Spoorzone Delft is het dit keer wel gebeurd: fouten maken om van te leren. Bewust, en op een gecontroleerde manier. Mogelijk gemaakt door een fantastische samenwerking tussen Geo-impuls, de bouwers van Spoorzone, de opdrachtgever en de TU Delft.

Foto 2 – Lokaal aangepaste wapeningsconfiguratie.

Foto 3 – Betonpeilapparaten boven de sleuf (tijdens een eerdere test).

methode, cross-hole sonic logging of CSL, aan de hand waarvan bentonietopsluitingen kunnen worden opgespoord. De werking van deze meetmethode is onder laboratoriumomstandigheden en enkele praktijkomstandigheden inmiddels aangetoond. Vanuit het onderzoek is het wenselijk te toetsen of werkelijke bentonietinsluitingen eveneens met zekerheid kunnen worden aangetoond en of er onderscheid tussen betonietinsluitingen en insluitingen met mindere kwaliteit beton te maken is.

Figuur 2 – CSL meting haaks over de voeg aan de noordzijde van de proefpanelen. Rode lijn rechts: First Arrival Time (FAT) interpretatie. Latere (=meer naar rechts) FAT betekent grotere dikte van de insluiting of bentoniet-cake. Met rood omlijnde zones: zones met veel signaalverlies. Dit duidt op een hoog zandpercentage in het materiaal dat de toename in FAT veroorzaakt.

Proefopzet Het hoofddoel van de proef is tweeledig: – Voor een praktijksituatie toetsen of het numerieke model uit onderzoek A realistische voorspelingen maakt; – Toetsen of uitgelokte bentonietinsluitingen ook als zodanig kunnen worden teruggevonden in de metingen van onderzoek B. Om het tweede doel te bereiken was het van belang uit te lokken dat er in het beton slechte plekken zouden ontstaan in de voeg tussen de 2 panelen. Om dit te bewerkstelligen is gevarieerd met de dichtheid van de wapeningskorf en de afstand van deze tot de voeg. Anderzijds is gevarieerd met de vloeibaarheid van zowel beton als bentoniet.

Wapening De basiswapening van beide panelen bestaat uit een korf die voldoet aan de ontwerpregels volgens CUR 231. Belangrijke aspecten hierbij zijn de afstanden tussen de staven onderling en de afstand van korf tot de voeg. In een aantal zones, als aangegeven in figuur 1 en foto 2, zijn echter extra staven toegevoegd waardoor niet meer aan de

29

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

genoemde ontwerpregels wordt voldaan.

Beton en bentoniet De vloeibaarheid van beton en bentoniet in het eerste paneel was volledig conform de regels van CUR 231, in het tweede paneel was dat niet het geval. In het tweede paneel is het bentoniet niet ontzand, waardoor sprake was van een hoger vo-


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:35 Pagina 30

Metingen tijdens het aanbrengen van de panelen

Figuur 3 – CSL meting evenwijdig aan de voeg in paneel 2.

Foto 4 – Glasvezelkabels (oranje) aan de wapeningskorf. De grijze buizen rechts dienen voor de CSL metingen.

lumegewicht en minder vloeibare bentoniet. De vloeimaat en schudmaat van de laatste helft van het beton in het tweede paneel is kleiner gekozen dan volgens CUR 231 is toegestaan, zodat dit eveneens minder vloeibaar was. Ook is de fasering is voor het tweede paneel anders gekozen dan volgens de regels toegestaan is: Dit paneel is al een dag na storten van het eerste paneel gegraven en heeft vervolgens 9 dagen open gestaan. Op de overgang van het nieuwe beton aan een gegraven paneel treedt een chemische reactie op tussen reagenten in het beton en de bentoniet, hetgeen leidt tot de vorming van een bentonietcake op het betonoppervlak. De consistentie van deze cake is dusdanig dat

verwacht kan worden dat deze later tijdens het stortproces van het tweede paneel niet wordt verdrongen door de beton. Naarmate de beton jonger is en de bentoniet langer in contact staat met dit beton zal deze cakelaag dikker zijn. CUR 231 adviseert derhalve, in geval een paneel langer open staat dan 24 uur, het betonoppervlak te borstelen om deze cake te verwijderen. Dat is in dit geval niet gedaan. Tevens ontstaat als gevolg van het hydrostatische drukverschil tussen de bentoniet in de ontgraven sleuf en de waterdruk in de grondlagen er omheen een bentonietcake tegen de grond. Deze cakelaag neemt in dikte toe in de tijd. Door het extreem langdurig openstaan van de sleuf in dit geval, is een grotere dikte te verwachten dan gebruikelijk.

Foto 5a, b – Inwerpen RFID chips.

30

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Tijdens het storten van de panelen is het betonpeil in de sleuf op 4 locaties binnen de sleuf als functie van de tijd gemeten, door gebruik te maken van speciaal ten behoeve van deze proef ontwikkelde mechanisch werkende betonpeilapparaten zie ook foto 3. Tevens is het stortproces in samenwerking met Deltares gevolgd door de temperatuurverandering als functie van plaats en tijd van enkele glasvezelkabels te meten. Hiertoe zijn zowel enkele glasvezelkabels los in de sleuf afgehangen, als aan de wapeningskorf bevestigd, zie ook foto 4. Gebruik makend van het temperatuurverschil tussen het beton en de hierdoor verdrongen bentoniet, is met deze kabels voor verschillende dieptes het tijdstip geregistreerd waarop de temperatuur veranderde, en dus het stortfront de betreffende diepte had bereikt. Uit deze metingen kan worden afgeleid of en in welke mate er sprake was van een verhang van het betonfront over de breedte van de sleuf, waarbij met name de invloed hierop van de wapeningskorf interessant was. Een ander belangrijk aspect voor de validatie van het eerder genoemde stromingsmodel is de weg die het beton heeft afgelegd in de sleuf tijdens het storten. Teneinde dit in kaart te kunnen brengen is de kleur van het beton in verschillende ladingen gevarieerd en is tevens tijdens het storten iedere 6 seconden een RFID chip in de beton geworpen. RFID chips hebben een unieke identiteit, die ze prijsgeven tijdens het scannen. Na vrijgraven van het paneel kan men de chips met behulp van een scanner pogen op te sporen in het beton. Door van elke chip bij te houden op welk tijdstip deze aan het beton is toegevoegd kan vervolgens het begin- en eindpunt worden vastgesteld.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:35 Pagina 31

DIEPWANDPROEF DELF T

Foto 6 –

Metingen na gereedkomen van de panelen

Patroon wapeningsstaven zichtbaar als verschillen in betondekking.

Eén week na het storten van het tweede paneel is met behulp van CSL door verschillende partijen een meting over de voeg tussen de beide panelen uitgevoerd, zie ook figuren 2 en 3. Helaas is het in verband met projectomstandigheden niet mogelijk de panelen als één geheel te ontgraven, maar zal dit in delen geschieden. Het eerste deel (2 m van totaal 10 m) is eind september ontgraven en aan inspectie onderworpen. Naast vele foto’s,waarop ondermeer details van de wand zichtbaar zijn en waaruit de kleuren van het beton zijn te herleiden, zijn tijdens deze inspectie allerhande monsters genomen van met name de bentonietcake die zich tussen de panelen en tussen paneel en grond in bevond. Daarnaast zijn met behulp van een scanner RFID chips opgespoord en is een 3D-laserscan gemaakt van de wand, zodat de ruwheid en de bereikte vorm van de panelen achteraf goed kan worden geanalyseerd. Kernboringen tenslotte, zullen worden gebruikt om ondermeer de kwaliteit van de aanhechting van het beton aan de wapening vast te stellen, alsmede te bepalen in hoeverre bridging van grove delen in het beton op locaties met kleine staafafstanden heeft geleid tot stromingsblokkades.

Foto 7 – Zowel het rood van de laatste stort als het grijs van een eerdere stort is zichtbaar .

Resultaten Momenteel (oktober 2013) is de interpretatie van de eerste metingen nog in volle gang. Wel zijn er al direct enkele eerste bemerkingen te noemen: Direct opvallend, zie foto 1, is dat het oppervlak van paneel 2 aanmerkelijk minder glad is dan het oppervlak van paneel 1 en dat het beton van paneel 2 niet volledig horizontaal is uitgevloeid. Ook is het patroon van de wapeningsstaven zichtbaar als posities waar het beton minder goed uit de wapeningskorf is getreden, zie foto 6. Conform de prognose is dit het gevolg van de mindere vloeibaarheid van beton en bentoniet in dit paneel, in combinatie met de dikkere bentoniet cakedikte. Vastgesteld is ook dat de cakedikte in geval van paneel 2 enkele cm’s heeft bedragen, terwijl dit in het eerste paneel slechts mm’s bedroeg. Verklaarbaar uit de langere openstandtijd van paneel 2. In de beide panelen zijn tot op heden 67 RFID chips teruggevonden. In totaal zijn tot op heden over de eerste 2 m ontgraven wand 67 van de 1965 chips in de beton teruggevonden door scannen van buitenaf. De verwachting vooraf was dat de chips die zich buiten de wapeningskorf bevinden zouden worden teruggevonden. Daarbinnen niet, ivm de afschermende werking (kooi van Faraday). Ervan uitgaande dat de chips homogeen verdeeld zijn over de inhoud van de panelen betekent dit resul-

taat dat in werkelijkheid ongeveer de helft wordt teruggevonden van wat verwacht werd. Iets minder, maar nog altijd een prima resultaat en ruim voldoende om uitspraken over de stroming mogelijk te maken. Relatief hoog in het paneel zijn vooral chips teruggevonden die behoren tot de laatste stort, maar ook zijn er in paneel 2 enkele exemplaren gevonden die behoren bij eerdere storts. Dit laatste wordt bevestigd door de waargenomen kleuren in paneel 2. Bovenin is hetzelfde paneel rood, conform de laatste stort, maar er is ook grijs zichtbaar van de voorgaande stort. Zie foto 7. De CSL metingen, zie figuur 2, laten zien dat er zoals verwacht afwijkingen aanwezig zijn in de voeg tussen de proefpanelen. Opvallend is dat ook de meting evenwijdig aan de voeg in paneel 2 (zie figuur 3) afwijkingen laat zien. Rond 5,8 m en 3,3 m vanaf bovenzijde meetbuizen, zijn dus naar verwachting ook in het paneel zelf, tot aan de wapeningskorf afwijkingen in de betonsamenstelling aanwezig.

31

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Conclusie Conform de planning zullen in de periode november 2013 tot en met april 2014 de overige ontgravingsslagen volgen. Na de laatste ontgravingsslag zal de interpretatie compleet kunnen worden gemaakt. Waarschijnlijk zullen in de zomer van 2014 definitieve conclusies kunnen worden getrokken.' De verwachting is dat op basis van de proefresultaten de betrouwbaarheid van het gemaakte rekenmodel zal kunnen worden gevalideerd en dat dit rekenmodel zal leiden tot een scherper inzicht in de ‘do’s en don’ts’ bij diepwanden. Ook wordt verwacht dat de betrouwbaarheid van de CSL metingen nader zal worden bevestigd en aangescherpt. Met deze proef zal de diepwandtechniek waarschijnlijk nóg betrouwbaarder worden. Onmisbaar voor het ondergronds bouwen in het dichtbevolkte Nederland. 쎲


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 32

Afstemming van aanbod, vraag en buffering van (geo-)thermische energie in (middel)grote gebouwen

Smart Geotherm

ir. G. Van Lysebetten Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf (WTCB), Afd. Geotechniek

ir. L. François Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf (WTCB), Afd. Geotechniek

Prof. ir. N. Huybrechts Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf (WTCB), Afd. Geotechniek & KU Leuven

Figuur 1 – Concept voor het toekennen van de warmtegeleidbaarheid (λ) per geologische formatie.

GESCHIKTHEIDSKAARTEN GEOTHERMIE Inleiding

Inleiding Volgens de Europese energieprestatierichtlijn voor gebouwen van mei 2010 moeten alle EU-lidstaten ervoor zorgen dat nieuwe gebouwen vanaf 2020 ‘bijna energieneutraal’ zijn. Dit betekent niet alleen dat het gebouwontwerp (thermische isolatie, verwarmings-, koelings- en ventilatiesysteem, …) op een doordachte manier moet gebeuren, maar er moet ook een bijkomend gedeelte aan hernieuwbare energiebevoorrading worden voorzien. Het IWT-traject Smart Geotherm wil aantonen dat de resterende vraag aan energie op een duurzame wijze kan worden aangeleverd onder de vorm van geothermische energie. Een grote uitdaging binnen het project is de onderlinge afstemming van aanbod, vraag en buffering van thermische energie in het gebouw op een economisch en ecologisch verantwoorde manier. Aan aanbodzijde worden enkel ondiepe geothermische systemen onderzocht (tot een diepte van ongeveer 150m, zie kader). Daarnaast worden ook andere thermische energiebronnen zoals zonnecollectoren, asfaltcollectoren, warmtekrachtkoppelingen of restwarmte van de industrie in het onderzoek meegenomen. De thermische vraag van het gebouw dient aangepast te worden aan het aanbod met lage (hoge) temperatuurverwarmings(koelings-)systemen zoals bijv. betonkernactivering. Voor de buffering van thermische energie worden aan bodemzijde vooral de mogelijkheid van boorgatenergieopslag (BEO) en koudewarmteopslag (KWO of WKO in Nederland) onderzocht. Aan de gebouwkant wordt gekeken naar het gebruik van buffervaten of meer innovatieve syste-

men zoals latente warmteopslag (materialen met faseverandering of PCM) en thermochemische opslag (TCM). Bij dit alles staat het thermische comfort in het gebouw te allen tijde centraal, maar ook met het financiële aspect wordt rekening gehouden. Door gericht onderzoek en constante kennistransfer in de vorm van technische voorlichtingen, codes van goede praktijk, seminaries, … wil Smart Geotherm het aandeel van de Belgische nieuwbouw dat voorzien is van een geothermische installatie verhogen van de 2% bij aanvang van het project in 2011 tot 12.5% in 2020. Onderzoek heeft immers aangetoond dat er in België een tekort is aan informatie over de technologie, de toepassingsmogelijkheden en de wetgeving. In Nederland is de KWO-technologie vrij goed ingeburgerd. Momenteel zijn echter ook de gesloten systemen aan een opmars bezig. Partners binnen Smart Geotherm zijn de Belgische Vereniging Aannemers Funderingswerken (ABEF), de BouwUnie, de Federatie van de Betonindustrie (FEBE), Infobeton.be, de KU Leuven, de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO), de Vlaamse Confederatie Bouw (VCB) en het WTCB. De volgende paragrafen worden toegespitst op de hoofdactiviteiten van de afdeling Geotechniek van het WTCB binnen Smart Geotherm. Naast het opstellen van geothermische geschiktheidskaarten, is er ook een proefproject rond energiepalen opgestart.

32

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Het kiezen voor een geothermische installatie is in België nog dikwijls een grote stap in het onbekende, zowel voor de opdrachtgever als voor de ontwerper. Om de implementatie van geothermie aan te moedigen en het ontwerpproces vlot te laten verlopen, is het belangrijk dat het potentieel van een geothermische installatie snel en correct kan worden ingeschat. Daarom is een van de doelstellingen van Smart Geotherm het opstellen van geothermische geschiktheidskaarten. Hierbij dient een onderscheid te worden gemaakt tussen gesloten en open systemen, aangezien beide systemen geologisch verschillende vereisten en beperkingen hebben (zie kader). De werkwijze en het resultaat van de kaarten voor gesloten systemen worden hieronder verder besproken. Daarnaast mag ongeacht de geothermische installatie de wetgeving niet vergeten worden. In Vlaanderen bestaat er een dieptecriterium dat de grens aangeeft tussen meldings- en vergunningsplicht voor geothermische boringen. In beschermingszones voor waterwingebieden is het daarenboven in geen geval toegelaten te boren. Het uiteindelijke doel binnen Smart Geotherm is al deze informatie te groeperen in een online screeningstool. In een latere fase zal deze uitgebreid worden tot een dimensioneringstool waarbij naast de aanbodzijde (de ondergrond) ook de vraagzijde (het gebouw) wordt meegenomen.

Gesloten systemen Om het potentieel van gesloten systemen in Vlaanderen te evalueren werd gestart met het in kaart brengen van de warmtegeleidbaarheid van


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 33

Samenvatting Het Smart Geotherm project onderzoekt hoe het mobiliseren van thermische energieopslag en thermische inertie in grondgekoppelde concepten voor de slimme verwarming en koeling van (middel)grote gebouwen kan bijdragen tot ‘bijna energieneutrale’ gebouwen. Het project staat onder leiding van het WTCB en wordt gefinancierd door het Vlaams agentschap

voor Innovatie door Wetenschap en Technologie (IWT). Dit artikel stelt het project kort voor en gaat vervolgens dieper in op de hoofdactiviteiten van de afdeling Geotechniek van het WTCB binnen dit project, zoals het opstellen van geothermische geschiktheidskaarten en het proefproject energiepalen, waarbij de funderingspalen thermisch geactiveerd worden.

de ondergrond tot een relevante diepte van 100 à 150m. Alle geologische formaties werden hiervoor op basis van literatuurgegevens ingedeeld in één van de 5 gedefinieerde categorieën voor het grondtype (zie figuur 1). Vervolgens werd aan elke categorie een minimale en gemiddelde waarde voor de warmtegeleidbaarheid, λ, toegekend. Dit gebeurde grotendeels op basis van de lithologische kenmerken van de formaties en literatuurgegevens. Indien men dus op een bepaalde locatie de geologische opbouw kent, kan men de gemiddelde thermische geleidbaarheid over de gewenste diepte bepalen door het gewogen gemiddelde te berekenen van de toegekende λ-waarden met de overeenkomstige diktes van de formaties. Dit model werd getoetst aan de hand van de resultaten van 15 thermische respons tests (TRTs) afkomstig van geothermische projecten verspreid over heel Vlaanderen (zie figuur 2). Meer specifiek werd de minimale en gemiddelde waarde voor de warmtegeleidbaarheid per grondcategorie zo bijgesteld dat voor respectievelijk 5 en 50% van de beschikbare TRT-resultaten een lagere λ-waarde wordt voorspeld met het model dan de ter plaatse gemeten warmtegeleidbaarheid [7].

Figuur 2 – Kaart van de minimale warmtegeleidbaarheid over een diepte van 100m of tot de vaste rots opgesteld met de gekalibreerde waarden voor de warmtegeleidbaarheid per grondcategorie. De posities van de 15 TRTs gebruikt voor de kalibratie van de waarden voor de warmtegeleidbaarheid zijn ook weergegeven (punt A tot O).

Voor de geologische samenstelling van de ondergrond werd een beroep gedaan op het Vlaams Grondwater Model (VGM) van de Vlaamse Milieumaatschappij (VMM), dat met behulp van een omzettingstabel kan worden getransformeerd naar een 3D model van de Vlaamse geologie. Door de gegevens uit dit model te combineren met de gekalibreerde waarden voor de warmtegeleidbaarheid kan voor heel Vlaanderen een minimale en

GESLOTEN EN OPEN GEO- Gesloten systemen THERMISCHE SYSTEMEN Bij een gesloten systeem circuleert Vanaf een diepte van 10 à 15m wordt de temperatuur van de ondergrond niet meer beïnvloed door de temperatuur van de buitenlucht. Er heerst een constante grondtemperatuur (10 à 12°C) die toeneemt met de diepte (3°C/100m in België). Bij ondiepe geothermische systemen wordt deze natuurlijke grondtemperatuur in combinatie met een warmtepomp gebruikt als warmtebron in de winter en voor koeling in de zomer. Men onderscheidt gesloten en open onttrekkingssystemen.

een warmte-uitwisselend medium (bijv. glycol) doorheen de warmtewisselaar die verticaal (tot een diepte van bijv. 100m) of horizontaal (1-2m diep) in de ondergrond wordt geïnstalleerd d.m.v. een boring of uitgraving. De warmtegeleidbaarheid en warmtecapaciteit van de ondergrond zijn van groot belang voor het uiteindelijke vermogen van de installatie, maar ook de boorgatweerstand (bepaald door boorgatdiameter, vulmateriaal, …) en de aanwezigheid van grondwaterstroming zijn bepalende parameters.

33

gemiddelde warmtegeleidbaarheid berekend worden over de gewenste diepte. Figuur 2 toont een mogelijke toepassing, namelijk een kaart van Vlaanderen met de minimale warmtegeleidbaarheid over een diepte van 100m of tot op de vaste rots. Een belangrijke kanttekening bij deze kaart en de gebruikte methodologie is dat ze (voorlopig) ge-

Open systemen Bij een open systeem wordt grondwater opgepompt uit (en opnieuw geïnjecteerd in) een watervoerende laag. De doorlatendheid van de ondergrond is bijgevolg bepalend voor het maximaal te onttrekken vermogen, maar ook andere factoren zoals de dikte van het watervoerend pakket spelen een rol.

Ondergrond puur als energiebron of ook als thermische buffer Wanneer enkel energie uit de ondergrond wordt onttrokken, moet de installatie zo ontworpen worden dat de ondergrond op een natuur-

GEOTECHNIEK Special – December 2013

lijke manier kan regenereren. Zo wordt vermeden dat de bodem na verloop van tijd uitgeput raakt en de geothermische installatie minder performant presteert of zelfs helemaal onbruikbaar wordt. De bodem kan daarnaast ook als buffer gebruikt worden. Dit kan bijvoorbeeld door in winter en zomer de energie die aan het gebouw wordt onttrokken (respectievelijk koude en warmte) in de bodem op te slaan om in het daaropvolgende seizoen te benutten. Men spreekt dan voor gesloten en open systemen respectievelijk van Boorgat Energie Opslag (BEO) en Koude Warmte Opslag (KWO of WKO in Nederland).


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 34

a

b

c

Figuur 3 – Invloed van een gecombineerde mechanische en thermische belasting op de axiale

vervorming/kracht (εT-Rstr /P) in de paal en op de gemobiliseerde schachtwrijving (qs), (a) zonder thermische belasting, (b) opwarmen van de paal, (c) afkoelen van de paal. In stippellijn het effect van een grotere temperatuurvariatie en/of hogere sterktekarakteristieken van de ondergrond (naar [3]).

toetst zijn aan de hand van een beperkt aantal TRTs. De kalibratie en de indeling van de geologische formaties in één van de 5 categorieën zal in de toekomst verder worden geverifieerd, wanneer meer TRT-resultaten beschikbaar zijn. Dan zal ook blijken of de huidige 5 grondcategorieën, de indeling op het niveau van de formaties (i.p.v. een opdeling van de meer gedetailleerde leden) en het verwaarlozen van de ruimtelijke variabiliteit in eenzelfde formatie en zelfs lid toereikend zijn. Ten slotte moet men zich er ook van bewust zijn dat het geologisch model geen pure waarheid is. Dit alles maakt dat de verkregen waarden met de nodige omzichtigheid moeten behandeld worden, al kunnen ze bij een eerste screening van de haalbaarheid wel als richtinggevend beschouwd worden. Voor grote projecten blijft de uitvoering van een TRT voor de uiteindelijke dimensionering van de geothermische installatie uiteraard vereist.

PROEFPROJECT ENERGIEPALEN Thermo-actieve geostructuren Een internationaal snel stijgende trend is het integreren van warmtewisselaars in geotechnische structuren, waarbij de structurele rol wordt gecombineerd met energievoorziening, gebruik makend van ondiepe geothermie [5]. De techniek wordt al sinds het begin van de jaren 1980 toegepast in Oostenrijk en Zwitserland, aanvankelijk in funderingsplaten, daarna ook in paalfunderingen en diepwanden [4]. Momenteel worden ook in Duitsland en het Verenigd Koninkrijk regelmatig energiepaalfunderingen uitgevoerd. Ook het toepassingsgebied wordt verder uitgebreid tot andere types grond- en waterkerende wanden, grondankers, tunnelwanden, enz. Door de warmtewisselaars in geotechnische elementen te integreren spaart men de kosten van geothermische boringen uit. Bovendien is er geen extra grondoppervlakte nodig. De keerzijde is dat

er voorlopig nog maar beperkte wetenschappelijke kennis beschikbaar is, wat het ontwerp en de dimensionering bemoeilijkt. De voorbije jaren is echter een internationale inhaalbeweging ingezet om aan deze noden te beantwoorden. Op dit moment vormen funderingspalen met geïntegreerde warmtewisselaars (‘energiepalen’) de meest frequente toepassing van thermo-actieve geostructuren. Ook in België kan men een aantal vooruitstrevende voorbeelden terugvinden, zoals bij de uitbreiding van het incubatiecentrum en wetenschapspark Greenbridge te Oostende (100 funderingspalen waarvan de helft energiepalen), bij de bouw van de Dienst voor het Bloed van het Rode Kruis Vlaanderen in Mechelen en voor een kinderdagverblijf in de duurzame woonwijk ‘L’île aux oiseaux’ te Bergen.

Probleemstelling

en kop zijn ingeklemd, wat dan weer afhankelijk is van het grondtype en de bovenliggende structuur. Bovendien moeten ook eventuele effecten van (extreem) hoge en lage temperaturen (bijv. afkomstig van zonnecollectoren) in acht worden genomen en moet worden nagegaan of het cyclisch opwarmen en afkoelen van de funderingspaal niet tot ‘thermische vermoeiing’ van de paal-grond interactie leidt. Om een antwoord te geven op de vraag in welke mate deze factoren een rol spelen lopen er momenteel wereldwijd verschillende onderzoeksprojecten op energiepalen [2], maar ook laboratoriumproeven op grondmonsters [6]. Op basis van drie geïnstrumenteerde proeven op energiepalen in Oostenrijk, Zwitserland en het Verenigd Koninkrijk werd een eenvoudig kader voorgesteld waarbinnen het thermo-mechanisch gedrag van energiepalen kan verklaard worden [1,3]. Figuur 3 illustreert dit met een voorbeeld voor een paal op dienstlast (figuur 3a) en de gecombineerde thermische invloed (figuren 3b en c). Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de paal ten gevolge van opwarming en afkoeling respectievelijk uitzet en verkort ten opzichte van de omringende grond. Bijgevolg neemt de axiale vervorming/ kracht in de paal (verder) toe wanneer de temperatuur van de paal stijgt (figuur 3b) en neemt ze af bij afkoelen van de paal (figuur 3c). In dit laatste geval kunnen er zelfs trekspanningen optreden. De gemobiliseerde wrijving aan de paalschacht werkt in de richting tegengesteld aan de uitzetting of samentrekking van de paal. De grootte van deze effecten hangt af van de grootte van de temperatuurvariatie en de grondweerstand (d.i. de mate waarin de grond de paalschacht verhindert te bewegen). Natuurlijk speelt ook de mate waarin de paalbasis en -kop worden verhinderd te bewegen een belangrijke rol in deze fenomenen.

De dubbele functie van deze structuren maakt het ontwerp ervan een echte uitdaging. Omdat thermo-actieve geostructuren een vrij nieuwe ingenieurstechnologie zijn, is er echter nog steeds nood aan een verbeterde wetenschappelijke kennis en specifieke ontwerpprocedures. In de eerste plaats vereist de uitvoering van het geotechnisch element meer aandacht en voorzichtigheid. Daarnaast moet er rekening worden gehouden met een aantal bijkomende aandachtspunten zoals het ontwerp en de dimensionering van de geothermische installatie (liefst zo optimaal mogelijk in overeenstemming met het verwachte energievraagprofiel) en bijkomende effecten op de structuur zelf veroorzaakt door de opgelegde temperatuurvariatie.

Het onderzoeksproject

Zo moet nagegaan worden of het thermisch activeren van de funderingspaal leidt tot veranderingen in de betonspanningen, verplaatsingen van de paalkop en wijzigingen in de gemobiliseerde schachtwrijving en puntweerstand en bijgevolg van het paaldraagvermogen. Deze effecten zijn sterk afhankelijk van de mate waarin de paalbasis-

In het kader van Smart Geotherm werd een uitgebreid proefproject over energiepalen opgestart om de internationale bevindingen te toetsen aan de paalsystemen, -diameters en -lengtes die in België courant gebruikt worden. Eind april 2013 werden 5 energiepalen geïnstalleerd op de bedrijfssite van WIG Palen in Oostende, waarvan 4 door WIG Palen zelf en 1 door Lameire Funde-

34

GEOTECHNIEK Special – December 2013

De tot nu toe uitgevoerde proeven doen vermoeden dat het opwarmen en afkoelen van de funderingspaal geen nadelige structurele gevolgen heeft (zowel wat betonspanningen en draagvermogen betreft, als voor optredende zettingen). Toch is er nog steeds nood aan in situ proeven om de complexe interactie tussen grond en geotechnische structuur beter te begrijpen.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 35

SMART GEOTHERM

ringstechnieken. Verschillende paaltypes werden geïnstalleerd: zowel grondverdringende als grondverwijderende palen en palen met een gladde of schroefvormige schacht. Ook de diameter varieert zoals aangegeven in figuur 4a. De paalbasis bevindt zich op een diepte van ongeveer 11.4m t.o.v. het maaiveld. Aan de wapeningskorf van de palen werd een enkele U-lus bevestigd (figuur 5, PeXa buis met externe diameter 32mm). Uitgezonderd één van de palen waarin een dubbele U-lus werd geïnstalleerd. Ter vergelijking met de klassieke uitvoering werd ook een dubbele U-lus geïnstalleerd in een boorgat met een diameter van ±150mm.

b

Figuur 4 –

Aan elke wapeningskorf werden ook holle, stalen instrumentatiebuizen gelast (diameter ±4cm). Hierin worden rek- en temperatuursensoren geïnstalleerd, vlak voor de start van de proeven. Door deze werkwijze wordt de kans op beschadiging tot een minimum beperkt. Verder worden ook temperatuurmetingen voorzien in de warmtewisselaars zelf en in de grond rond de palen op verschillende dieptes (geïnstalleerd in inclinometerbuizen). Een overzicht van de hele proefopstelling is weergegeven in figuur 4a.

a

Figuur 5 – Bevestiging van de warmtewisselaar en de reservatiebuizen aan de wapeningskooi (links) en een paalkop en inclinometerbuis voor temperatuurmetingen in de nabije ondergrond (rechts).

Voor de mechanische belasting van de energiepalen werden ten slotte 6 micropalen geïnstalleerd (posities zoals aangegeven in figuur 4a). De thermische belasting wordt geleverd door een TRT-installatie, die speciaal voor dit project werd ontwikkeld. De installatie laat toe een TRT uit te voeren op de palen (ter bepaling van de warmtegeleidbaarheid van de ondergrond en de boorgatweerstand van de paal), maar ook de palen gedurende langere tijd op te warmen of af te koelen (binnen een range van -5 tot 35°C). In de eerste helft van 2013 werden reeds 5 sonderingen uitgevoerd op de proefsite. Daarnaast werden er ook 3 boringen uitgevoerd met geroerde en ongeroerde monstername. Op deze monsters werden grondmechanische onderkenningsproeven uitgevoerd, maar werd ook de warmtegeleidbaarheid bepaald. In de 3 boringen werden peilbuizen geplaatst, waarin continu de grondwaterstand wordt opgemeten. Eind 2013 zal gestart worden met de proeven. Alle meetgegevens zullen binnen Smart Geotherm gebruikt worden bij de analyse van het thermo-mechanisch gedrag van de energiepalen, maar zullen ook bijdragen tot de ontwikkeling van de dynamische modellering van energiepalen en boorgatwarmtewisselaars en de interactie met de omringende grond vanuit energetisch oogpunt (vermogen, invloedzone, enz.).

Dankwoord Smart Geotherm project is een VIS-traject (Vlaams

a: Schematisch overzicht van de proefsite te Oostende (GVS: grondverdringende schroefpaal, SB: schroefboorpaal, WW: klassieke warmtewisselaar in boorgat). b: De proefsite kort na uitvoering van de energiepalen.

InnovatieSamenwerkingsverband) en wordt gefinancierd door het Vlaams agentschap voor Innovatie door Wetenschap en Technologie (IWT).

Referenties 1. Amatya B. L., Soga K., Bourne-Webb P.J., Amis T., Laloui L., 2012. Thermo-mechanical behaviour of energy piles. Géotechnique, 62, 6, 503-519. 2. Boranyak S., 2013. International Cooperation Expands Energy foundation Technology, Deep foundations, maart/april 2013, 51-54. 3. Bourne-Webb P. J., Amatya B., Soga K., 2013. A framework for understanding energy pile behaviour. In: Proc. of the ICE – Geot. Eng., 166, 2, 170-177. 4. Brandl H., 2006. Energy foundations and other

35

GEOTECHNIEK Special – December 2013

thermo-active ground structures. Géotechnique, 56, 2, 81-122. 5. Laloui L., Di Donna A. (Editors), 2013. Energy Geostructures: Innovation in Underground Engineering. Wiley-ISTE, 250p., ISTE Ltd. and John Wiley and Sons, Hoboken, NJ. 6. Puppala A. J., Choudhury D., Basu D., 2013. General Report TCs 307+212: Thermal Geomechanics with Emphasis on Geothermal Energy. In: Proceedings of the 18th ICSMGE, Parijs, Vol. 4, 3335-3342. 7. Van Lysebetten G., Huybrechts N., François L., 2013. Geschikheidskaarten Geothermie – Thermische Geleidbaarheid Ondergrond Vlaanderen. Smart Geotherm, www.smartgeotherm.be/ documenten. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 36

Diepe bouwput langs historische panden in centrum Den Haag

Ing. M. van Baars Adviseur Geotechniek Fugro GeoServices

Deel 1

tussen de Noordwal en de Veenkade verdwijnt (zie figuur A). Er wordt een nieuwe gracht gemaakt met daaronder een volautomatische autoberging met bovengronds 2 glazen lifthuisjes en ondergronds 160 parkeerplaatsen. De autoberging heeft een lengte van ongeveer 110 m en een breedte van 18 m (figuur 3). Auto’s worden automatisch in deze ondergrondse parkeergarage geparkeerd nadat de auto het lifthuisje in is gereden en de inzittenden zijn uitgestapt. Zie figuur 4 voor een digitale impressie. Ook wordt de brug tussen de Prinsessewal en de Toussaintkade en de brug in de Torenstraat vervangen. Momenteel rijdt tram 17 over de Torenstraatbrug.

Figuur 1 – Archieffoto aanleg Duiker (1923). Figuur 2 – Situatie vooraf aan de bouw (2012). foto Peter van Oosterhout.

In opdracht van gemeente Den Haag is door Fugro de bouwmethodiek nader onderzocht waarbij de omgevingsbeïnvloeding grote aandacht heeft. Daarnaast is in het Geoimpuls programma, in het kader van Geocommunicatie, het project als eerste praktijkproject behandelt, zie hiervoor het artikel in Geotechniek van december 2011.

Bodemopbouw

Projectomschrijving, omgeving en historie Om meer ruimte te creëren voor het verkeer, besloot de gemeente Den Haag in 1923 de gracht tussen de Noordwal en Veenkade (bij de Paleistuin) te overkluizen door de aanleg van een duiker

met een breedte van circa 8 meter (zie figuur 1). Rond 1939 werd de trambaan verplaatst naar de overkluizing. In januari 2010 besloot de gemeente Den Haag het gebied opnieuw in te richten. Het parkeerterrein

36

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Op de locatie is door Fugro grondonderzoek verricht. Het sondeerbeeld is een typisch Haagse bodemopbouw bestaande uit voornamelijk matig vast tot zeer vast gepakt zand (bovenste en onderste Duinpakket) dat wordt doorsneden door kleilaagjes op ongeveer 8 m en 17 m diepte. Op ongeveer 1 m diepte komt plaatselijk een veenlaag voor (zie figuur 5). Deze veenlaag varieert in dikte van enkele decimeters tot een meter. Het maaiveld ligt op ongeveer NAP +1,0 m. De freatische grondwaterstand wordt aangetroffen op ongeveer NAP -0,4 m. De stijghoogte in diepere lagen ligt op ongeveer NAP - 0,2 m. Hierbij wordt opgemerkt dat in het verleden op de locatie (o.a. door realisatie van de duiker) de grondwaterstand en stijghoogte zijn verlaagd. Hierdoor is de zettingsgevoeligheid van de voornoemde veenlaag beperkt.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 37

Samenvatting In het centrum van Den Haag, tussen de Paleistuin en de te vernieuwen Torenstraatbrug, wordt op een klein oppervlak (3.500 m2) een technisch hoogstandje verricht. De voorheen overkluisde gracht wordt in ere hersteld en onder de gracht wordt een volautomatische autoberging gebouwd om de 60 parkeerplaatsen die hierbij verloren gaan te compenseren. Vanwege de diepte van de ontgraving, de gevoelige

omgeving en het maatschappelijk belang wordt veel aandacht besteed aan (geotechnische) risico’s en omgevingsmanagement. Voorliggend artikel betreft een inleiding in het project waarin de plan van aanpak en geotechnisch ontwerp nader is toegelicht. In een volgend artikel zal nader worden ingegaan op de uitvoering en monitoring, waarbij een relatie zal worden gelegd met het ontwerp.

Figuur 3 – Overzicht tekening nieuwbouw.

Figuur 4 – Visualisatie Noordwal Veenkade 2015.

Geotechnisch ontwerp Om de tram zo kort mogelijk uit exploitatie te halen is ervoor gekozen de bouwkuip in 2 fasen (compartimenten) uit te voeren. Het eerste compartiment is ter plaatse van de Torenstraatbrug en heeft een lengte van ongeveer 45 m. Het tweede compartiment is het deel vanaf de Torentraatbrug tot aan Prinsessewal en heeft een lengte van ongeveer 65 m. Met name langs het tweede compartiment zijn gevoelige belendingen aanwezig. Gekozen is voor een traditionele bouwwijze met stalen damwanden en onderwaterbeton. Vanwege het permanente karakter (corrosie) en de gestelde vervormingseisen zijn stalen damwandprofielen AZ40-700N toegepast met een lengte van 14,5 m (NAP -13,5 m). Qua sterkte voldoet dit profiel ruimschoots. In het ontwerp is uiteindelijk gekozen voor een tweevoudig gesteunde damwandconstructie. In het eerste compartiment is door de aannemer BAM Civiel voorgesteld om met een enkel hoofdstempelraam te werken waarbij tijdens het slopen en ontgraven aanvullende maatregelen zijn genomen zoals toepassing van een steunberm. In het tweede compartiment wordt vanwege de nabijheid van gevoelige panden tijdelijk een extra (hoog) stempelraam toegepast.

Na aanbrengen van het hoofdstempelraam wordt deze weer verwijderd. Een deel van de stempels wordt voorgespannen om vervormingen te beperken. Omdat het trillend of heiend aanbrengen van stalen damwanden een te grote kans op schade in de omgeving heeft is gekozen voor een trillingsvrije installatie. Hierbij is vanwege de robuustheid van het systeem de voorkeur uitgegaan naar toepassing van een geleide damwanddrukmachine. Vanwege de aanwezigheid van zandlagen met zeer vaste pakking (> 20 MPa) die moeten worden

37

GEOTECHNIEK Special – December 2013

gepenetreerd is geadviseerd fluïdatie als aanvullende maatregel toe te passen. Fluïdatie is het onder hoge druk inspuiten van een kleine hoeveelheid water en in dit geval ook bentoniet nabij de voet van de damwandplank. Om meer zekerheid over de uitvoerbaarheid te krijgen is bij verschillende partijen (praktijk)ervaring opgevraagd. Aan het Spui en aan de 1e Haagpoort (naast het kantoor van Ingenieursbureau Den Haag) is met succes een vergelijkbaar systeem toegepast in Den Haag. Als verticale bodemafsluiting is een onderwater-


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 38

betonvloer met een dikte van 1,20 m, met trekelementen bestaande uit ankerpalen type GEWI+ 63,5TR met dubbele corrosiebescherming toegepast. De ankerpalen zijn na sloop van de bestaande duiker en voor het in den natte ontgraven, met een dubbele boorbuis ingeboord om grondverstoring zoveel mogelijk te beperken.

Omgeving en vooronderzoek

derd. Alle belendingen zijn op staal gefundeerd. Om meer informatie over de staat en kwaliteit te verkrijgen is aanvullend onderzoek verricht bestaande uit de volgende onderdelen: – Vooropname/Expertise, – Lintvoegmetingen, – Funderingsonderzoek bij een select aantal panden, – Constructieve beoordeling,

In een vooronderzoek is de omgeving onderzocht. De bebouwing in de omgeving bestaat voornamelijk uit oude panden uit de 19e eeuw. Aan de Noordwal zijn een aantal recentere, naoorlogse gebouwen aanwezig, waarvan een deel onderkel-

Om de bouwkundige staat van de belendingen in de omgeving van de projectlocatie te inventariseren heeft een vooropname (expertise) plaatsgevonden. Zichtbare bouwkundige gebreken en/of

bijzonderheden zijn hierbij vastgelegd in een rapport en verstrekt aan de betreffende bewoner/eigenaar. Daarnaast zijn bij de panden lintvoegmetingen uitgevoerd zodat scheefstanden en absolute en relatieve hoekverdraaiingen kunnen worden afgeleid. Bij een select aantal panden zijn inspectieputten gegraven. Hiermee konden de aanlegniveaus en afmetingen van de fundering worden bepaald en is door middel van een handboring onder de fundering de eventuele aanwezigheid van de veenlaag onderzocht. Hierbij valt op dat een aantal panden een aanlegniveau hebben van circa 1 m onder maaiveld en boven een veenlaag staan gefundeerd. Tot slot zijn door Adviesbureau Broersma uit Den Haag de meest kwetsbare panden beoordeeld op standzekerheid en stabiliteit (figuur 7).

Beoordeling Aan de hand van de verkregen resultaten is aan de hand van de methode volgens Burland/Boscardin and Cording (tabel 1), een beoordeling gegeven over de bouwkundige staat van de panden. De bebouwing is voor de eenvoud uiteindelijk ingedeeld in 3 risicocategorieën (tabel 2). Voor de relatieve rotatie zijn in de literatuur verschillende grenswaarden gegeven. In NEN 9997-1 staat onder hoofdstuk 2.4.9 aangegeven dat voor de uiterste grenstoestand vaak een relatieve rotatie van maximaal 1:100 wordt aangehouden en voor de bruikbaarheidsgrenstoestand een maximale relatieve rotatie en/of scheefstand van 1:300. In richtlijn CUR166 Damwandconstructies [Kock] zijn daarnaast toelaatbare grenswaarden gegeven voor nieuwbouw, zie tabel 3. In dit geval stelt de vergunningsverlenende instantie DSO/BTD van de gemeente Den Haag, voor de bijkomende vervorming een maximale rotatie-eis van 1:1200 voor alle kwetsbare bebouwing, dat wil zeggen monumenten/beschermd stadsgezicht en bebouwing van slechte kwaliteit. Hieruit volgt dat nagenoeg alle 19e eeuwse pan-

Figuur 5 – Sondering.

38

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Figuur 6 – Langsdoorsnede nieuwbouw.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 39

DIEPE BOUWPUT LANGS HISTORISCHE PANDEN IN CENTRUM DEN HAAG

Figuur 7 – Voorbeeld beoordeling Broersma. Tabel 1 – Building damage classification (after Burland et.al., 1977 and Boscarding and Cording 1989).

den worden ingedeeld in de zwaarste risicocategorie III (figuur 8). Gezien deze zeer strenge eis is veel aandacht besteed aan het beheersen van risico’s. Aangezien de rotatie-eis leidend is voor de haalbaarheid van het ontwerp is na de omgevingsinventarisatie gestart met uitgebreide vervormingsanalyses.

Tabel 2 – Beoordeling risicocategorieën.

Risicoanalyse en beheersmaatregelen Voor het project is een uitgebreide risicoanalyse uitgevoerd waarmee de geotechnische risico’s (schademechanismen) zijn gekwantificeerd en gerelateerd aan de eerder beschreven onderzoeken. De grootte van een risico hangt af van de kans op en het effect van een bepaalde situatie (kans x effect). In de risicoanalyse zijn 4 stappen doorlopen. Na inventarisatie van de schademechanismen (stap 1) en het vaststellen van de risicowaarde (stap 2) worden de situaties in (prioriteits-)klassen ingedeeld (stap 3). Vervolgens wordt de maatregel beschreven (stap 4).

Kwalificatie

Tabel 3 – Toelaatbare grenswaarden relatieve rotatie [Kock]. Overgenomen uit CUR 166 5e druk, deel 1.

Architectonische schade (scheuren tot max. 5 mm)

Grenstoestand Grenswaarde relatieve rotatie β Skeletbouw Stapelbouw (metselwerk) 2

1:300 (algemeen) 1:600 (torenflats) 1:1000 (loodsen)

1:600 (neerwaarts) 1:1200 (opwaarts)

Constructieve schade (scheuren 15 - 25 mm)

1B

1:150

1:300 (neerwaarts) 1:600 (opwaarts)

Instortingsgevaar

1B

1:75

1:150 (neerwaarts) 1:300 (opwaarts)

De schademechanismen kunnen worden samengevat in de volgende onderdelen: – Trillingen; – Vervormingen van de wandconstructie; – Deformaties van omliggende objecten; – Grondwaterstanden en debieten. Met behulp van een foutenboom (figuur 9) is aan de hand van een inschatting van kans en effect de prioriteitsklasse per schademechanisme beoordeeld (tabel 4). Om bepaalde risico’s met betrekking tot de bouwput op voorhand te beperken zijn bepaalde preventieve- en beheersmaatregelen bedacht zodat de kans afneemt tot een acceptabele waarde.

Figuur 8 – Omgevingsinventarisatie.

39

GEOTECHNIEK Special – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 40

uitgevoerde risicoanalyse is een monitoringplan opgesteld waarin de metingen en registraties staan beschreven inclusief signaal- en stopwaarden met bijbehorend actieplan in het geval van overschrijdingen. Een aantal maatregelen zijn verder in het artikel nader toegelicht.

Vervormingsanalyses Met het programma PLAXIS 2D (versie 2010) is onderzocht wat de verwachte vervormingen zijn ter plaatse van de nabij gelegen, op staal gefundeerde panden als gevolg van de werkzaamheden. Hiermee is het mogelijk de risico’s ten aanzien van de omgevingsbeïnvloeding te beoordelen en te toetsen. De analyses zijn uitgevoerd in de bruikbaarheidsgrenstoestand (BGT). Om het grondgedrag te modelleren is het Hardening Soil - Small Strain rekenmodel gebruikt. Er zijn 6 doorsneden vastgesteld en doorgerekend aan de hand van de verschillende bouwputonderdelen en de relatie met de belendingen. Hierbij zijn de resultaten getoetst aan de rotatie-eis van 1:1200. Om aan deze strenge eis (enkele millimeters kunnen al leiden tot een overschrijding!) te voldoen zijn een groot aantal berekeningen uitgevoerd waarbij verschillende maatregelen en alternatieven zijn beschouwd. In figuur 10 is als voorbeeld het zogenaamd deformed mesh van een bouwfase weergegeven.

Figuur 9 – Gedeelte foutenboom.

Beheersmaatregelen en monitoring Omdat de berekende deformaties ter plaatse van de liftput aan de Veenkade op 3 m afstand van de bebouwing, al tegen de gestelde grenswaarden lagen, zijn maatregelen voorgesteld om te voorkomen dat tijdens de bouw de werkzaamheden moeten worden stilgelegd.

Figuur 10 – Voorbeeld plaxis model.

Tabel 4 – Prioriteitsklassen Prioriteit Klasse I Klasse II Klasse III Klasse IV

Maatregelen Ontwerpwijziging Preventieve maatregelen Maatregelen op basis van monitoren Behoeft weinig aandacht

Indien gevallen in prioriteitsklasse I zijn beoordeeld is sprake van een zodanig groot risico dat een ontwerpwijziging noodzakelijk wordt geacht. Hiervan was geen sprake bij dit project. Wel zijn in

twee gevallen preventieve maatregelen voorzien (prioriteitsklasse II): – Panden waarbij uit vervormingsberekeningen is gebleken dat de door DSO/BTD van de gemeente Den Haag gestelde eis van de maximaal toelaatbare relatieve hoekverdraaiing van 1:1200 wordt overschreden. – Panden waarbij uit een constructieve beoordeling is gebleken dat de standzekerheid van deze panden mogelijk niet is gewaarborgd. Voor de overige klassen zijn waar mogelijk beheersmaatregelen voorzien. Aan de hand van de

40

GEOTECHNIEK Special – December 2013

Een maatregel is om een compensation grouting systeem te installeren vanwege de mogelijkheid om op verschillende momenten tijdens de bouw de constructie te stabiliseren en zakkingsverschillen te beperken of teniet te doen. Aan de hand van de vervormingsanalyses (E) en de monitoring zullen compensatiemomenten worden bepaald of bijgesteld. Om dit mogelijk te maken zijn zogenaamde “tubes-a manchettes” (TAM’s) onder een hoek onder de panden geïnstalleerd (zie figuur 11). Een TAM is een metalen pijp waarin elke halve meter een met rubber afgesloten ventiel is geplaatst. Met behulp van een “packer” kan bij elk individueel ventiel gecontroleerd (druk en volume) grout worden gepompt. Hiermee worden in de grond breukvlakken gecreëerd waarin het grout indringt en uithardt. Na injectie wordt de TAM schoongespoeld voor hergebruik. Door meervoudige injecties zal de


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 41

DIEPE BOUWPUT LANGS HISTORISCHE PANDEN IN CENTRUM DEN HAAG

grond worden verbeterd en uiteindelijk een heffing van het pand optreden. Als onderdeel van het systeem is tevens een waterbalanssysteem aangebracht waarmee optredende zakkingen en rotaties direct worden gecontroleerd. Dit meetsysteem is gebaseerd op het principe van de communicerende vaten en is in principe vergelijkbaar met een slang- of flesjeswaterpas. Naast dit systeem is ruim voor de bouw al begonnen met het monitoren van de omgeving met een volautomatisch monitoring-systeem. De woningen in de directe omgeving van de bouwput worden door middel van prisma’s (spiegeltjes) gecontroleerd op verplaatsingen in vertikaal en horizontaal vlak. De prisma’s worden dag en nacht, ieder uur gemeten. Hiervoor is door IFCO een volautomatische monitoring-systeem, de zogenoemde ‘Robotic Total Station’ (RTS) bevestigt aan de gevels van het hoekpand PrinsestraatNoordwal en op de hoek Noordwal-Torenstraat. Tijdens de werkzaamheden zijn in de directe omgeving trillingmeters geplaatst. Deze meten continue de trillingen van de werkzaamheden. Wanneer de maximaal toegestane waarde wordt overschreden, komt automatisch een melding binnen bij de aannemer en de gemeente. Ook kan een te lage grondwaterstand schade veroorzaken bij kwetsbare panden. De grondwaterstand rond het werkterrein wordt met behulp van een groot aantal peilbuizen in de gaten gehouden.

Figuur 11 – Opzet compensation grouting.

In een volgend artikel zal nader worden ingegaan op de genoemde maatregelen, de uitgevoerde metingen en de verhouding tussen het ontwerp en de uitvoering. Zie voor meer informatie: www.denhaag.nl/veenkade.

Literatuur – Toepassing van het waterbalanssysteem bij de hoogtebewaking van zettingsgevoelige bouwwerken, Dr.-ing. M. Jakobs, Dipl.-Ing. R. Otterbein en ing. H. Dekker, GeTec GmbH. – CUR publicatie 223: Richtlijn meten en monitoren van bouwputten voor kwaliteitsen risicomanagement, CUR Bouw & Infra. – CUR 166 Damwandconstructies. – F530 Aanbevelingen voor het ontwerp van bouwkuipen in stedelijke omgeving, DC-COB. – Boscardin, M. D. and Cording, E. J. (1989). Building Response to Excavation-Induced Settlement, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 115, No. 1, pp. 1-21. 

Figuur 12 – Bouwput op 4 september 2013. F oto Peter van Oosterhout.

41

GEOTECHNIEK Special – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 42


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 43


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 44

Nieuwe voeten voor de spoorbrug over de Waal bij Nijmegen

Ir. R. Spruit Gemeente Rotterdam, Projectmanagement & Engineering, Ontwerpleider

Ir. G. Hannink xx Gemeente Rotterdam, xx Projectmanagement & Engineering Geotechnisch Adviseur

Ir. O. Oung Gemeente Rotterdam, Projectmanagement & Engineering Geotechnisch Adviseur

Hierdoor is de statische belasting op de pijlers toegenomen. Recent is aan de oostzijde een stalen voetgangersen fietsersbrug op uitkraging aan de reeds aanwezige pijlers bevestigd.

Figuur 1 – Nieuwe situatie als gevolg van het project Ruimte voor de Waal – Nevengeul.

Figuur 2 – Impressie van de spoorbrug over de Waal bij Nijmegen na realisatie Nevengeul.

Inleiding De door ProRail beheerde spoorbrug over de Waal bij Nijmegen stamt uit 1870. De pijlers van de overspanningen over de uiterwaard aan de noordzijde van de Waal (bij Lent) zijn op staal gefundeerd. Gezien de op deze locatie aanwezige zeer

vaste zand- en grindlagen is dat een logische funderingskeuze. Begin jaren 80 van de 20ste eeuw is de stalen vakwerk aanbrug over de uiterwaard vervangen door een aanbrug van voorgespannen betonnen liggers.

44

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

In 2014 wordt, in het kader van ‘Ruimte voor de rivier’, gestart met het uitdiepen van de uiterwaard zodat deze een permanente nevengeul van de Waal wordt (figuur 1 en 2). Hierbij wordt gemiddeld 8 tot 9 m zand en grind weggebaggerd, zodat het maaiveld ter hoogte van de spoorbrug daalt van NAP +10,5 m tot NAP +2 m. Het niveau van de plaatfundering van de pijlers ligt op NAP +5 m. Zonder maatregelen zal de fundering uit 1870 dus worden ondergraven en zal de aanbrug bezwijken. Om de aanleg van de nevengeul mogelijk te maken zullen de pijlers moeten worden aangepast of zal een nieuwe brug moeten worden gebouwd. ProRail heeft voor het ontwerp van deze aanpassing medewerkers van het Ingenieursbureau van Gemeente Rotterdam (IGR) aan het eigen ontwerpteam toegevoegd. Er is een referentie ontwerp gemaakt dat is verwerkt tot een E&C contract. Van Hattem en Blankevoort is, met Volker Staal en Funderingen voor de diepwanden, opdrachtnemer voor de realisatie van de aanpassing. In dit artikel wordt ingegaan op het geotechnisch ontwerp van het project. Het ontwerp van de aanpassing van de pijlers moest zodanig zijn dat de functie van de spoorbrug kon worden gehandhaafd tijdens het uitvoeren van de aanpassing en na het ontgraven van de nevengeul. Daarbij moest worden voldaan aan de belangrijkste doelstellingen van het project: – minimale hinder voor het spoorverkeer; – de veiligheid en standvastheid van de brug moeten in alle bouwfase en in de toekomst zijn gegarandeerd;


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 45

Samenvatting Om het verdiepen van de uiterwaard van de Waal bij Nijmegen tot permanente nevengeul mogelijk te maken, moeten de pijlers van de spoorbrug over deze uiterwaard worden aangepast. De fundatie van de pijlers (op staal), wordt met diepwanden rondom ingepakt, zodat het materiaal op funderingsniveau gefixeerd

wordt en de grondspanningen grotendeels in tact blijven. In de ontwerpfase is met diverse rekenmodellen deze ingreep, direct naast een zwaarbelaste fundering op staal, verantwoord. Het artikel gaat in op de ontwerpkeuzes en de geotechnische onderbouwing daarvan.

Figuur 3 – Geotechnisch lengteprofiel.

– er moet voor worden gezorgd dat het project Ruimte voor de Waal – Nijmegen tijdig kan starten.In de vroege ontwerpfase zijn verschillende varianten beschouwd en onderling vergeleken. Op basis van kosten, benodigde treinvrije periodes, beschikbare tijd en uitvoerbaarheid is gekozen voor de variant waarbij de fundatie van de pijlers wordt ingepakt met diepwanden.

Geometrie Met de informatie uit sonderingen, boringen en laboratoriumproeven is een geotechnisch lengteprofiel (figuur 3) geconstrueerd. Het geotechnisch lengteprofiel laat zien dat de ondergrond voornamelijk uit zand en grind bestaat. De sonderingen bereiken over het algemeen zeer hoge conusweerstanden. De pijlers uit 1870 (figuur 4) bestaan uit een 3 m dikke ongewapend betonnen funderingsplaat van 10 m bij 20 m met daarop een gemetselde kolom. De betonnen plaat is gestort tussen een gesloten ring van ‘dampalen’. Deze vierkant 300 mm houten palen zijn mannetje aan mannetje geheid en hebben gefungeerd als verloren bekisting. Voor de bepaling van de kwaliteit van de betonnen plaat, is een funderingsinspectie uitgevoerd waarbij de bovenzijde van de poeren over een aantal smalle stroken steekproefsgewijs is vrijgegraven,

Figuur 4 – Pijler doorsneden (bestek 1870).

zodat kernboringen konden worden uitgevoerd in de plaat. Uit dit onderzoek bleek dat de ‘betonnen plaat’ plaatselijk uit granulair materiaal bestond, weliswaar met hoge dichtheid, maar zeker niet met de samenhang van beton.

Ontwerp concept Er speelden in het ontwerp twee belangrijke vragen: – kan de stijfheid van de constructie worden gegarandeerd met een inpakking door middel van diepwanden? – kunnen de diepwandsleuven veilig worden uitgevoerd?

45

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

De bestaande fundering op staal heeft bewezen tot nu toe goed te functioneren, ondanks de degeneratie van de betonnen funderingsplaat, aanzienlijke belastingsverhogingen als gevolg van de vervanging van de stalen spoorbrug door een betonnen brug en de toevoeging van een uitkragende fietsersbrug, de Langzaam Verkeer Verbinding (LVV). De bestaande rotatiestijfheid (onder rembelasting) is zeer hoog. De opdrachtgever ziet graag dat de stijfheid in de aangepaste situatie grotendeels gelijk blijft, zodat spoorbevestiging en compensatielassen niet hoeven te worden aangepast. In


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 46

feite wordt daarmee ontworpen op een BGT situatie: de stijfheid tijdens gebruik voor en na de aanpassing moet zoveel mogelijk gelijk blijven. Volgens het ontwerp wordt de pijler ingepakt in een zeer stijve constructie, zodat de toekomstige maaiveldverlaging die buiten de diepwanden wordt uitgevoerd, binnen in de ‘doos’ geen (of een verwaarloosbaar of herstelbaar) effect heeft. De diepwanden worden aan de bovenzijde aan elkaar gekoppeld via een constructieve schijf waar de huidige gemetselde opbouw van de pijler doorheen steekt. Zodoende worden naast elkaar gele-

gen panelen aan elkaar verbonden, maar ook tegenover elkaar liggende panelen. De gemetselde opbouw wordt door een flexibele omhulling gescheiden van de constructieve schijf. Daardoor wordt de rembelasting op de pijler via rotatie overgedragen aan de grond onder de poer (in de doos) in plaats van direct in de constructieve schijf. Zo worden spanningsconcentraties in de gemetselde opbouw voorkomen. Het mag duidelijk zijn dat een dergelijke constructie een hoge mate van 3-dimensionale werking heeft en daardoor alleen met kunstgrepen in een 2-D rekenprogramma kan worden beschouwd.

Figuur 5 – Grondwig in DIN 4126 sleufstabiliteitsbeschouwing.

Een ontwerp met diepwanden rondom een fundering op staal heeft uiteraard alleen zin als deze diepwanden ook veilig kunnen worden aangebracht. Zonder voldoende sleufstabiliteit is het concept niet maakbaar.

Modellering Sleufstabiliteit en systeemstijfheid zijn de belangrijkste aspecten voor dit project. De sleufstabiliteit bepaalt in belangrijke mate de uitvoeringsrisico’s en de maakbaarheid van het concept van een inpakking met diepwanden. De hoge funderingsdruk (gemiddeld 250 kPa) onder de poer in combinatie met een zo kort mogelijke afstand tussen diepwand en poer om de doorstroming zo min mogelijk te belemmeren, maken de sleufstabiliteits-analyse belangrijker dan bij een gemiddeld project. De systeemstijfheid is van belang omdat de maatgevende belastingen op de pijlers voortkomen uit rem- en aanzetbelastingen. Als het ‘systeem’ van pijler met grond voor en na aanpassing min of meer gelijk is, is er geen noodzaak tot het aanpassen van de in het spoor aanwezige compensatielassen en de tussen brugligger en pijler aanwezige vasthoudconstructies. Voor beide aspecten is het 3D gedrag van de grond doorslaggevend. Het rekenen met 3D modellen is (nog) niet altijd praktisch, zodat in sommige fasen ook van 2D modellen moet worden uitgegaan. De vertaling van de 3D situatie naar een 2D vereenvoudiging is daarom ook in dit project belangrijk geweest. Omdat de spreiding van de eigenschappen van de betonnen funderingsplaten behoorlijk groot bleek te zijn, zijn de sleufstabiliteits- en stijfheidsberekeningen dubbel uitgevoerd: met een volledig granulaire poer en met een poer van (lage sterkte) beton.

Sleufstabiliteit Aanvankelijk werd rekening gehouden met grondverbetering (jetgrouten) om aan voldoende sleufstabiliteit te komen. Nadere analyse van de grondeigenschappen (hoge sterkte en stijfheid) en de mindere kwaliteit van de betonnen funderingsplaat, maakten grondverbetering minder aantrekkelijk. De verwachte toename van de sterkte zou beperkt zijn, terwijl bij het maken van grote jetgroutvolumes soms lastig te voorspellen vervormingen op kunnen treden die een extra risico zouden vormen voor de kwetsbare funderingsplaat. Ook zouden uitstulpingen aan de jetgroutkolommen stagnatie of afwijking van de helling tijdens het graven van de diepwanden kunnen veroorzaken. Het doel van de sleufstabiliteitsberekeningen was

Figuur 6 – Berekeningsresultaat sleufstabiliteit.

46

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 47

NIEUWE VO ETEN VOOR DE SPOORBRUG OVER DE WA AL BIJ NIJMEG EN

Figuur 8 – Weergave Plaxis 3D model. Figuur 7 – Voorbeeld van een rekenresultaat met diepwandsleuven in Plaxis 3D.

daarom om aan te tonen dat de stabiliteit kon worden gewaarborgd zonder grondverbetering. Een veelgebruikt rekenprogramma om de stabiliteit van een diepwandsleuf te analyseren is GGUTrench, dat een praktische implementatie biedt van de DIN 4126 rekenregels voor diepwand sleufstabiliteit. In de DIN 4126 wordt uitgegaan van het afschuiven van een wigvormige grondmoot (figuur 5). In GGUTrench is in het verrekenen van de bovenbelasting een optie beschikbaar om het positief effect van een bovenbelasting op de korrelspanningen en dus op de effectieve schuifsterkte van de grond uit of (deels) aan te zetten. Als er bijvoorbeeld sprake is van een sleuflengte groter dan de afmetingen van een bovenbelasting, dan zal de bovenbelasting (als die zich naast het midden van de sleuf bevindt), wel een aandrijvend effect hebben op het afschuiven van de grondwig in de sleuf maar geen of nauwelijks positief effect op de effectieve schuifsterkte van de ‘zijvlakken’ van de grondwig. In dit project is de lengte van de poer met 20 m aanzienlijk groter dan de sleuflengte (3 m) zodat in dit geval mag worden gerekend met de hogere schuifsterkte langs de ‘zijvlakken’ van de grondwig die het gevolg is van de hogere effectieve korrelspanningen die volgen uit de funderingsdruk van de poer. Vanwege het benodigde doorstroomprofiel van de nevengeul is door Rijkswaterstaat een maximale breedte (haaks op de stroomrichting) van de inpakking vastgelegd van 16 m. Aangezien de poer in die richting 10 m breed is blijft er per zijde 3 m over voor de diepwand en een bufferzone tussen diepwand en poer. Om voldoende stijfheid van de wand te verkrijgen is voor een diepwanddikte van

1,5 m gekozen. De ruimte die tussen poer en diepwand over blijft is daarmee 1,5 m. Uit de sleufstabiliteitsberekeningen met GGUTrench (figuur 6) en uit handberekeningen voor boogwerking, volgt dat deze buffer voldoende groot is als de sleuflengte beperkt blijft tot 3 m. Een pijler met diepwanden is eveneens in Plaxis 3D gemodelleerd (figuur 7). Elk paneel is gesimuleerd met een ontgravingsfase en betonneringsfase. De met Plaxis 3D berekende veiligheidsfactoren voor een openstaande sleuf kwamen goed overeen met de door GGUTrench berekende veiligheidsfactoren. Het rekenen met Plaxis 3D staat ook analyse van vervormingen en stijfheden toe, terwijl GGUTrench daar niet op in gaat. Het effect van de kwaliteit van de poer op de sleufstabiliteit bleek relatief beperkt te zijn: midden onder de granulaire poer zijn de funderingsdrukken aanzienlijk hoger dan bij een betonnen poer maar deze spanningsconcentratie bevindt zich op grotere afstand van de diepwandsleuf. De betonnen poer spreidt de belastingen weliswaar beter maar brengt ze ook dichterbij de diepwandsleuf. Per saldo leverde de granulaire poer een net iets lagere sleufstabiliteit op. Daarnaast zijn ook de korrelgrootteverdelingen geanalyseerd om verlies van bentoniet in de grove lagen te kunnen inschatten. De grindlagen op locatie bleken voldoende fijne fractie te bevatten om steunvloeistof goed te laten functioneren. In de ontwerpfase zijn trillingsmetingen uitgevoerd om het effect van spoortrillingen op de sleufstabiliteit in te schatten.

47

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

De trillingen nemen duidelijk toe naarmate er hoger aan de pijler wordt gemeten (meer vrijheidsgraden en dichter bij de trillingsbron). Ook is er een goede correlatie tussen rijsnelheid en gemeten trillingen. Het type trein heeft in dit geval slechts beperkte invloed op de gemeten trillingen. De door het treinverkeer veroorzaakte trillingen in de ondergrond kunnen worden vertaald naar een afname van de effectieve sterkte van de grond. Op de maatgevende frequentie (55 Hz) was de maximale gemeten trilling 0,3 mm/s. Dit komt overeen met een versnelling van 0,1 m/s2. Verrekend met de valversnelling van ca 10 m/s2, wordt een reductie van de effectieve hoek van inwendige wrijving verkregen:

waarin: afname_Φ

afname van de effectieve hoek van inwendige wrijving ahorizontaal horizontale versnelling (m/s2) verticale versnelling (m/s2) averticaal Dit komt neer op een afname van de effectieve hoek van inwendige wrijving van 0,6°. Afgezien van de (geringe) invloed op de sleufstabiliteit, is er het lastiger te kwantificeren effect van de trillingen op de vervormingen. Ondanks de kleine rekken als gevolg van de trillingen kan toch een doorgaande vervorming worden verwacht als de sleuf langere tijd open staat. Bij elke treinpassage kunnen de vervormingen fractioneel toenemen. Het is daarom van belang de sleuven zo kort mogelijk open te hebben staan.

Systeemstijfheid Om van tevoren aan te tonen dat de stijfheid van


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:47 Pagina 48

Figuur 9 – Berekeningsresultaat eindsituatie met Plaxis 3D model.

Figuur 10 – ‘Oneindig’ lange strook (2D situatie, in Plaxis 3D benaderd).

Figuur 11 – Poer met realistische afmetingen (3D)

Figuur 12 – Diepwanden pijler 1 gereed.

het systeem niet of nauwelijks wijzigt was voor dit project het 3D effect van doorslaggevend belang. Als de poer als oneindig lange strook met aan beide zijden diepwanden zou zijn gemodelleerd, dan zou de funderingsbelasting zijn overschat. De poer is namelijk niet oneindig lang en draagt ook aan de korte zijden belasting af op de omgeving. Ook zou de samenwerking van de tegenover elkaar liggende diepwanden, via de ‘kopwanden’ niet zijn meegenomen. Als gevolg daarvan zou de berekende systeemstijfheid onrealistisch laag zijn geworden. Daarom is een pijler volledig in 3D gemodelleerd (hetzelfde model is gebruikt om de sleufstabiliteit af te schatten). Met dit model kon niet alleen het grondspanningen deel van het installatie effect van de diepwanden worden gesimuleerd, maar ook het gedrag tijdens het toekomstig vrijbaggeren en het gedrag van de pijler onder de horizontale rem- en aanzetbelastingen. Uit de Plaxis berekeningen blijkt dat tijdens het graven van de diepwanden weliswaar zettingen optreden, maar dat de stijfheid van de ondergrond vrijwel niet wijzigt en zelfs iets toe kan nemen. Dat

48

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 49

NIEUWE VO ETEN VOOR DE SPOORBRUG OVER DE WA AL BIJ NIJMEG EN

Figuur 13 – Werk in uitvoering. gedrag is gunstig voor het opneembaar zijn van de aanzet- en remkrachten. De invloed van de poer (granulair of beton) op het vervormingsgedrag is vrij groot. De berekende zettingen zijn voor de granulaire poer meer dan dubbel zo groot als voor de betonnen poer. In beide gevallen zijn de verwachte totale zettingen acceptabel. De spanningsspreiding en de onderlinge samenhang wordt dan weliswaar goed berekend door Plaxis 3D, het herleiden van momenten en dwarskrachten is echter minder eenvoudig, laat staan een UGT bepaling van deze krachten. Voor een BGT/UGT bepaling van de momenten en dwarskrachten is daarom een vertaling gemaakt naar 2D rekenmodellen, waarbij de berekende vervormingen in de BGT situatie steeds zijn vergeleken met de vervormingen in het 3D model. Om de funderingsdruk in 3D naar 2D te vertaling is gebruik gemaakt van een Plaxis 3D model waarin het verschil tussen ‘oneindige’ strook (figuur 10) en poer (figuur 11) is afgeschat. Als de funderingsdrukken met 30% worden gereduceerd, wordt in dit geval een realistische 2D be-

nadering verkregen. Met deze funderingsdrukken zijn DSheet, PCSheetPileWall en Plaxis 2D berekeningen uitgevoerd om de momenten en dwarskrachten in de BGT/UGT situatie te bepalen. Het door Gerrit Wolsink geschreven rekenmodel PCSheetPileWall (http://members.ziggo.nl/wolsink/) is een erg nuttige ontwerptool gebleken voor diepwanden, omdat de transitie van ongescheurde naar gescheurde stijfheid van de diepwand kan worden afgetast. Het programma bepaalt iteratief de stijfheid op basis van het M-κ diagram van de opgegeven wand (met wapeningsconfiguratie). Het verdient aanbeveling om bij het ontwerp van een diepwand eerst met PCSheetPileWall het stijfheidsgedrag van de wand te simuleren, waarna (indien van toepassing) de plaatselijk lagere (deels gescheurde) EI in de andere programma’s kan worden gebruikt.

Conclusies Op korte afstand van een zwaar belaste fundering op staal kunnen diepwanden worden gemaakt, mits de sleufstabiliteit zowel met een EEM als analytisch (DIN 4126) model voldoende is. De berekende stabiliteit van de DIN 4126 berekeningen komt goed overeen met de met Plaxis 3D

49

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

berekende sleufstabiliteit. Met de 3D berekeningen is aangetoond dat de aangepaste constructie naar verwachting nagenoeg dezelfde systeemstijfheid biedt als de oorspronkelijke situatie, zodat de bovenbouw van de brug niet hoeft te worden aangepast. Bij het aanpassen van bestaande constructies is controle van de (materiaal-) kwaliteit essentieel. Niet alleen kunnen materialen in de tijd degraderen, er kan ook sprake zijn van een ander materiaal en afwijkingen tussen ontwerp en uitvoering. Bij het analyseren van het gedrag van het systeem onder verticale en horizontale belastingen, is het rekenen met 3D Plaxis nuttig. Voor het bepalen van de momenten en dwarskrachten in diepwanden is het gebruik van 2D modellen praktischer. Het programma PCSheetPileWall is bij het ontwerp van diepwanden zeer handig omdat daarin het overgaan van een ongescheurde naar een gescheurde stijfheid van de diepwand automatisch kan worden beschouwd. De zo verkregen verdeling van de stijfheid over de hoogte van de diepwand kan worden gebruikt in andere rekenmodellen. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 50

Stabiliteitsanalyses met ongedraineerde schuifsterkte voor regionale waterkeringen Inleiding Stowa onderzoekt de consequenties van het toepassen van ongedraineerde schuifsterkte in macrostabiliteitsanalyses voor boezemkaden. Hiervoor zijn door zes waterschappen case-studies gedaan. De uitwerking van de cases is verzorgd door de betrokken waterschappen, met ondersteuning van diverse ingenieursbureaus. Deltares heeft het onderzoek begeleid. Aanleiding voor dit Stowa-onderzoek vormt een nieuwe methode voor het toetsen van macrostabiliteit van primaire waterkeringen, die binnen het onderzoeksprogramma WTI2017 van Rijkswaterstaat door Deltares wordt ontwikkeld. Ten opzichte van primaire keringen is bij boezemkaden

vaak sprake van betrekkelijk lage effectieve spanningen. Vanwege dit verschil zijn de consequenties van het toepassen van deze nieuwe toetsmethode voor macrostabiliteit specifiek voor boezemkaden door Stowa onderzocht. In de nieuwe toetsmethode voor macrostabiliteit wordt uitgegaan van de bezwijksterkte van grond en – wanneer de belastingsituatie daarvoor aanleiding geeft – van ongedraineerd grondgedrag. Met deze punten is de nieuwe rekenregel principieel afwijkend van de vigerende werkwijze. Deze huidige werkwijze voor de macrostabiliteittoets voor waterkeringen gaat uit van de effectieve sterkteparameters cohesie en hoek van inwendige wrijving en is met name gebaseerd op de celproef.

Ing. T.A. van Duinen Deltares, adviseur/onderzoeker

Ir. H. van Hemert STOWA, programmaleider Regionale waterkeringen

Deze werkwijze werd ontwikkeld voor het beoordelen van de macrostabiliteit van boezemkaden (boezemkade-onderzoek door het Centrum Onderzoek Waterkeringen (COW)). Later werd deze werkwijze ook toegepast voor het ontwerpen en toetsen van dijken. Inmiddels wordt de celproef niet meer uitgevoerd en voorzien de recentste richtlijnen van het Expertise Netwerk Waterveiligheid (ENW) alleen in veiligheidsfactoren voor schuifsterkteparameters uit triaxiaalproeven. Het ongedraineerd gedrag van klei- en veenlagen is een belangrijk aspect van het grondgedrag. Taludafschuivingen treden meestal snel op, binnen enkele uren of een dag. In deze korte periode vertoont klei en veen bij afschuiven ongedraineerd

Case

Beheerder

Kenmerken kade

Aanleiding keuze case

Oordeel toetsing

Bijleveldse kade te Kockengen

Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden (HDSR)

H = 1,5 à 2,0 m Talud 1:1,5 Kleikade op veen

Vervorming en scheuren in de waterkering en de weg.

Onvoldoende

Oudelandsdijk te Purmerland

Hoogheemraadschap Hollands Noorder-kwartier (HHNK)

H = 2,5 m Talud 1:2,5 Kleikade op veen en klei

Maatgevende situatie gecreëerd door boezempeil tot MBP op te hogen, waarbij kunstmatig werd beregend. Hierbij geen bezwijken of tekenen van enige vervorming.

Onvoldoende

Linker Rottekade te Bergschenhoek

Hoogheemraadschap Schieland en de Krimpenerwaard (HHSK)

H = 5,0 m Talud 1:2,3 Klei op veen

Fors veenvolume in het kadelichaam, kade is steil en hoog, reeds ondergrondinfo aanwezig.

Net onder normwaarde (F=0,81)

Boezemkade in het Groteof Achterwaterschap nabij Bleskensgraaf

Waterschap Rivierenland (WSRL)

H = 3,0 m Talud 1:2,5 Kleikade op veen en klei

Binnenwaartse stabiliteit onvoldoende bij toetsing.

Onvoldoende

Kade langs de Tjonger te Schoterzijl

Wetterskip Fryslân (WF)

H = 2,0 m Kleikade op veen

In 2011 onderzocht in een pilotonderzoek van WF.

Recent aangelegde kade.

H = 5,0 m Kleikade op veen en klei

Handmatig gebouwde kade (dus kleikern op veen). Scheurvorming bij extreme droogte. Instabiliteit uit het verre verleden bekend.

Stabiliteit is relatief hoog

Kade langs de Berkelse Hoogheemraadschap Zweth te Berkel en Rodenrijs Delfland

Tabel 1 – Overzicht van de onderzochte cases.

50

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 51

Samenvatting Bij het analyseren van de macrostabiliteit van taluds van regionale waterkeringen leidt het toepassen van de ongedraineerde schuifsterkte voor klei- en veenlagen tot hogere stabiliteitsfactoren dan het toepassen van de gangbare effectieve schuifsterkteparameters cohesie en hoek van inwendige wrijving. Dit is het resul-

gedrag. Dit is het gevolg van de lage doorlatendheid van deze materialen. Door het deformeren en afschuiven ontstaan wateroverspanningen die niet voldoende snel kunnen dissiperen. Deze wateroverspanningen reduceren de mobiliseerbare schuifsterkte. Omdat ongedraineerd gedrag bij bezwijken van grond niet mag worden uitgesloten, moet voor macrostabiliteitsanalyses ongedraineerd grondgedrag worden beschouwd.

taat van een consequentieanalyse, die is uitgevoerd door Stowa, Deltares, zes waterschappen en ingenieursbureaus. Uit de consequentieanalyse, waarvoor zes boezemkaden zijn onderzocht, kan worden geconcludeerd dat het rekenen met ongedraineerde schuifsterkte kansrijk is voor het toetsen van boezemkaden.

Figuur 1 – Karakterisering van de schuifsterkte volgens het Critical State Soil Mechanics raamwerk (CSSM).

Cases Zes waterschappen hebben het belang van de consequentie-analyse onderkend en zijn bereid gevonden in het onderzoek te participeren. Deze waterschappen hebben een case vanuit het eigen beheersgebied aangereikt en hebben voor deze locaties veld- en laboratoriumonderzoek laten uitvoeren. Een overzicht van de participerende waterschappen en de door hen aangeleverde cases is weergegeven in tabel 1. In tabel 1 zijn ook enkele karakteristieken van de cases vermeld.

Beoordeling macrostabiliteit cases Voor het beoordelen van de macrostabiliteit van boezemkaden en regionale waterkeringen kunnen de volgende scenario’s worden onderscheiden: 1. Gemiddelde dagelijkse situatie met normaal boezempeil en normale neerslagdebieten en een gemiddeld niveau van het freatisch vlak in de kade. 2. Maatgevende situatie met maatgevend boezempeil (MBP) en grote neerslagdebieten en een hoog niveau van het freatisch vlak in de kade. 3. Situatie met grote droogte met normaal boezempeil en een laag niveau van het freatisch vlak in de kade. 4. Snelle val van de waterstand in de boezem (buitenwaartse macrostabiliteit). 5. Situatie tijdens de uitvoering van kadeverbeteringswerken (uitvoeringsstabiliteit). De scenario’s 2, 3 en 4 zijn onderzocht voor de zes cases. Bij de scenario’s 2, 3, 4 en 5 is het goed denkbaar dat een eventuele taludinstabiliteit zich snel voltrekt (binnen enkele uren). Het grondgedrag is in dat geval ongedraineerd. Bij deze scenario’s is daarom het beschouwen van ongedraineerd grondgedrag in de macrostabiliteitsanaly-

ses relevant. Bij scenario 1 wordt bij een marginale of onvoldoende taludstabiliteit langzaam deformeren van de kade verwacht. In dat geval is het bezwijkgedrag van de grond gedraineerd. Omdat zowel de belastingsituatie op een kade als het grondgedrag verschillend zijn bij de scenario’s, moet de taludstabiliteit voor alle scenario’s worden onderzocht. Het beoordelen van de dagelijkse gemiddelde situatie is niet voorgeschreven in de huidige toetsschema’s, maar is voor boezemkaden wel relevant. Het veld- en laboratoriumonderzoek voor de consequentieanalyse bestond uit sonderingen, bolsonderingen, boringen met ongestoorde monstername, waterspanningsmetingen, triaxiaalproeven op klei, direct simple shear proeven op veen, constant rate of strain proeven en classificatieproeven. Dit onderzoek is uitgevoerd volgens het protocol voor het uitvoeren van geotechnische laboratoriumproeven, dat recent door Stowa en Deltares is opgesteld [1]. Op basis van het veld- en laboratoriumonderzoek zijn de ondergrond en de waterspanningen geschematiseerd en zijn grondparameters bepaald. Voor het afleiden van de karakteristieke waarden en rekenwaarden van de schuifsterkteparameters van de grondlagen zijn vaste waarden voor de variatiecoëfficiënten en een fictief aantal van tien proeven toegepast. Dit om te voorkomen dat de

51

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

beperkte hoeveelheid proefresultaten per case het resultaat van de consequentie-analyse te veel zou beïnvloeden. De variatiecoëfficiënten zijn gebaseerd op ervaring uit het WTI-onderzoek. Er zijn indicatieve partiële veiligheidsfactoren toegepast voor de schuifsterkteparameters volgens de nieuwe toetsmethode. Deze veiligheidsfactoren zijn afgeleid in het WTI-onderzoek, maar nog niet definitief en niet officieel vastgesteld. Voor alle scenario’s zijn zowel stabiliteitsberekeningen volgens de nieuwe toetsmethode uitgevoerd (zowel met gedraineerde schuifsterkte als met ongedraineerde schuifsterkte) als berekeningen volgens de vigerende werkwijze met cohesie en hoek van inwendige wrijving, op basis van de bij de waterschappen beschikbare proevenverzamelingen, die volgens de vigerende leidraden en technische rapporten zijn opgesteld. De glijvlakberekeningen zijn uitgevoerd met het Bishop glijvlakmodel en het glijvlakmodel Spencer-Van der Meij. De berekende evenwichtsfactoren zijn getoetst aan een schadefactor van 0,9 of 1,0, afhankelijk van de kadeklasse, en aan een overall veiligheidsfactor van 1,3, waar het om berekeningen met verwachtingswaarden van de schuifsterkte gaat.

Karakterisering grondgedrag Bij het uitvoeren van macrostabiliteitsanalyses


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:41 Pagina 52

wordt in de huidige adviespraktijk uitgegaan van het volgende model om de sterkte van de grond te bepalen:

Ȟ = c’ + σ’v tan ᒌ’ Hierin zijn: Ȟ maximaal mobiliseerbare schuifsterkte (kPa), c’ cohesie (kPa), verticale effectieve spanning σ’v (korrelspanning) (kPa),

(1)

ᒌ’

hoek van inwendige wrijving (º).

De cohesie c’ en de hoek van inwendige wrijving ᒌ’ worden in de huidige praktijk afgeleid uit triaxiaalproeven (meertraps of enkeltraps procedure en 2% à 5% verticale rek) of uit celproeven. In de nieuwe toetsmethode voor macrostabiliteit van dijken wordt uitgegaan van het zogenaamde Critical State Soil Mechanics raamwerk (CSSM) [2] [3]. In dit raamwerk wordt bij de beschrijving van

de schuifsterkte van de grond onderscheid gemaakt tussen de pieksterkte en de critical state schuifsterkte en tussen normaal geconsolideerd gedrag en overgeconsolideerd gedrag van de grond (zie figuur 1). De critical state van de grond is een belangrijk aspect. Voor het beoordelen van taludstabiliteit is de critical state van de grond een goede maat van de sterkte van de grond. In een validatie studie voor het eerder genoemde WTI-project is dit ook vastgesteld voor diverse Nederlandse dijken. De bezwijkomhullende voor de critical state van de grond wordt als volgt gedefinieerd:

Ȟcs Figuur 2a, b – Gedrag van grond weergegeven binnen het Critical State Soil Mechanics raamwerk. a De grond is overgeconsolideerd (OCR > 1,0). b De grond normaal geconsolideerd (OCR = 1,0).

Figuur 3 – Bezwijkomhullenden voor Hollandveen onder de kade bij de HHNK case.

= σ’v tan ᒌ’cs

(2)

Hierin zijn: mobiliseerbare schuifsterkte op de critical state line (kPa), verticale effectieve spanning σ’v (korrelspanning) (kPa), ᒌ’cs hoek van inwendige wrijving van de critical state line (º).

Ȟcs

In deze definitie van de bezwijkomhullende van de critical state speelt cohesie geen rol. In het CSSM-raamwerk is cohesie het gevolg van overconsolidatie. De grond is overgeconsolideerd wanneer de grensspanning σ’p hoger is dan de verticale effectieve spanning σ’v. Wanneer grond overgeconsolideerd is, heeft de grond cohesie (bij de pieksterkte). Wanneer de grond normaal geconsolideerd is, heeft de grond geen cohesie. Bij een toenemende overconsolidatie en een toenemende grensspanning wordt ook de cohesie c’p hoger (zie figuur 1). Voor het definiëren van de bezwijkomhullende van de pieksterkte van overgeconsolideerde grond, is de cohesie c’p van belang. Voor het definiëren van de bezwijkomhullende van de critical state sterkte van de grond is cohesie niet van belang. Voor het beoordelen van de taludstabiliteit kan ongedraineerd gedrag van de grond relevant zijn, namelijk wanneer een belastingverandering op een grondlichaam snel plaats vindt. De mate van overconsolidatie is bepalend voor de ongedraineerde schuifsterkte su die door de grond kan worden gemobiliseerd. De ongedraineerde schuifsterkte van de grond wordt als volgt bepaald [4]:

Ȟ = su = σ’v0 (su/σ’v)nc OCRm, met OCR = σ’p / σ’v0 Hierin zijn:

Ȟ su σ’v0

52

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

mobiliseerbare schuifsterkte (kPa), ongedraineerde schuifsterkte (kPa), in situ effectieve verticale spanning (korrelspanning) (kPa),

(3)


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:41 Pagina 53

STABILITEITSANALYSES MET ONGEDRAINEERDE SCHUIFSTERKTE VOOR REGIONALE WATERKERINGEN

Figuur 4 – Berekende stabiliteitsfactoren voor het scenario hoogwater.

Figuur 5 – Berekende stabiliteitsfactoren voor het scenario droogte.

(su/σ’v)nc normaal geconsolideerde ongedraineerde schuifsterkteratio (-), OCR overconsolidatieratio (-), m sterkte toename exponent (-), grensspanning (kPa). σ’p De sterkte toename exponent m bepaalt in welke mate de overconsolidatieratio OCR doorwerkt op de ongedraineerde schuifsterkte. De exponent m ligt tussen 0,5 en 1,0. Voor de meeste kleisoorten is de waarde van m hoog, ongeveer tussen 0,7 en 1,0, met name bij lage waarden voor OCR [4] [5]. In figuur 2 is het ongedraineerde gedrag van grond weergegeven binnen het critical state raamwerk. In figuur 2a is de grond overgeconsolideerd (OCR > 1,0). In figuur 2b is de grond normaal geconsolideerd (OCR = 1,0). De actuele effectieve verticale spanning σ’v is in de Figuren 2a en 2b gelijk. Ondanks dat het niveau van de actuele effectieve verticale spanning σ’v in beide figuren gelijk is, is het niveau van de ongedraineerde schuifsterkte Ȟ = su in figuur 2a hoger dan in figuur 2b. De overconsolidatieratio OCR is de oorzaak van dit verschil. In het computerprogramma D-Geo Stability (en voorheen Mstab) wordt (vooralsnog in de huidige versie) met een vereenvoudigde vorm van formule (3) gewerkt:

Ȟ = su = (σ’v0 + POP) (su/σ’v)nc = σ’p (su/σ’v)nc

(4)

De formules (3) en (4) zijn aan elkaar gelijk wanneer m = 1, want (σ’v0 + POP) = σ’p = σ’v0 × OCR. POP is de Pre Overburden Pressure = σ’p - σ’v0 (kPa). Wanneer m < 1 wordt de ongedraineerde schuifsterkte su met formule (4) iets overschat. Ter illustratie van het voorgaande zijn in figuur 3

Figuur 6 – Berekende stabiliteitsfactoren voor het scenario val buitenwater.

de bezwijkomhullenden voor Hollandveen onder de kade bij de HHNK case weergegeven. Het gaat om de bezwijkomhullenden volgens de vigerende werkwijze, de eindwaarde van de normaal geconsolideerde hoek van inwendige wrijving en op basis van de ongedraineerde schuifsterkte. Bij de lagere spanningen geeft de werkwijze met ongedraineerde schuifsterkte duidelijk een hogere bezwijkomhullende. De hogere mobiliseerbare schuifsterkte bij lage spanningen wordt veroorzaakt door de bijdrage van de grensspanning.

Resultaten In de Figuren 4 tot en met 7 zijn de berekeningsresultaten voor alle cases en de verschillende scenario’s weergegeven. Voor alle cases is met ongedraineerde schuifsterkte een stabiliteitsfactor berekend die ruimschoots hoger is dan de stabiliteitsfactor op basis van de gangbare aanpak. Dit kan worden verklaard door de bijdrage van de grensspanning. De ongedraineerde schuifsterkte is onder andere afhanke-

53

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

lijk van de grensspanning (zie formule 3). De grensspanning is vaak in de orde van twee maal zo hoog als de effectieve verticale spanning. Dit resulteert in een hogere mobiliseerbare schuifsterkte (zie Figuur 3) en ook in een hogere stabiliteitsfactor. De berekende stabiliteitsfactoren met de gangbare c’ en ᒌ’ benadering zijn voor de cases HHSK, HHNK, HDSR lager dan de toetsnorm (figuur 4). Voor de case WSRL is bij de toetsing ook een stabiliteitsfactor berekend lager dan de toetsnorm. Het lokale onderzoek voor deze consequentieanalyse heeft voor deze case geresulteerd in een gunstiger schematisatie van de grondopbouw en waterspanningen, waardoor de berekende stabiliteitsfactor met de gangbare c’ en ᒌ’ benadering nu hoger is dan de toetsnorm. Uitgaande van ongedraineerde schuifsterkte voldoet de berekende stabiliteitsfactor voor vrijwel alle cases aan de norm. Uitzondering is de case HHSK, met respektievelijk een berekende en vereiste stabiliteitsfactor van 0,96 en 1,0.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:41 Pagina 54

hoger ligt. Uit de uitgevoerde consequentieanalyse kan worden geconcludeerd dat de nieuwe toetsmethode leidt tot een hogere berekende stabiliteitsfactor voor boezemkaden. Dit gunstiger beeld van de stabiliteit sluit aan bij de ervaringen van de beheerder en in zekere zin de bewezen sterkte. Het toepassen van de nieuwe toetsmethode vraagt een investering in parameterbepaling. Dit betreft het uitvoeren van veld- en laboratoriumonderzoek, maar daarnaast moeten waterschappen en ingenieursbureau’s ook leren omgaan met de nieuwe manier van uitvoeren van veld- en laboratoriumonderzoek en de interpretatie en toepassing hiervan. Deze consequentieanalyse heeft daar een mooie aanzet voor gegeven, omdat verschillende waterschappen, ingenieursbureau’s en grondonderzoeksbureau’s betrokken zijn geweest.

Figuur 7 – Berekende stabiliteitsfactoren met het Bishop glijvlakmodel en het Spencer glijvlakmodel.

Met de berekeningen met een hoek van inwendige wrijving wordt beoogd de lange termijn stabiliteit te beoordelen. Voor de cases HHSK en HHNK is de berekende stabiliteitsfactor lager dan de toetsnorm. Echter de berekeningen met rekenwaarde van de hoek van inwendige wrijving zijn uitgevoerd met MBP. Voor de analyse van de lange termijn stabiliteit mag het streefpeil als uitgangspunt worden gekozen. Hier is dus nog wat ruimte in de uitgevoerde analyses. Voor het scenario droogte zijn berekeningen uitgevoerd met streefpeil en met een verlaagd volumegewicht van de veenlagen, voor zover deze boven het freatisch vlak liggen en niet zijn afgedekt door een kleilaag. Ook voor het droogtescenario zijn de stabiliteitsfactoren op basis van ongedraineerde schuifsterkte hoger tot ruim hoger dan de stabiliteitsfactoren op basis van de vigerende werkwijze. De stabiliteitsfactoren van alle uitgevoerde berekeningen zijn hoger dan de toetsnorm, evenals bij de analyses met hoek van inwendige wrijving (figuur 5). Hieruit kan worden afgeleid dat de stabiliteit tijdens droogte van de onderzochte kades voldoende is. Voor het scenario snelle val van de buitenwaterstand geldt dat voor alle cases de berekening met ongedraineerde schuifsterkte een hogere stabiliteitsfactor geeft. De berekeningen laten tevens zien dat de stabiliteit voor de meeste cases voldoende is gewaarborgd (figuur 6). Dit geldt voor alle karakteriseringen van de schuifsterkte. Uitzondering is de case HHNK, waarbij de buiten-

waartse stabiliteit alleen voldoende is met de berekening op basis van ongedraineerde schuifsterkte.

Stowa is voornemens te werken aan een verdere uitwerking van de toetsmethode. Hierbij vraagt onder andere de parameterbepaling in het veld en in het laboratorium nog verdere aandacht. Ook de inpassing in de veiligheidsbenadering zal een plaats krijgen in het vervolgonderzoek.

Dankwoord De hiervoor gepresenteerde berekeningsresultaten zijn gebaseerd op het Spencer-Van der Meij schuifvlakmodel. Alle berekeningen zijn ook uitgevoerd met het Bishop schuifvlakmodel. Het Spencer schuifvlakmodel geeft stabiliteitsfactoren die ongeveer gelijk zijn aan de stabiliteitsfactoren volgens het Bishop schuifvlakmodel of tot 10 à 15% lager liggen (figuur 7). De lagere stabiliteitsfactoren van het Spencer-model worden veroorzaakt door het meenemen van de horizontale krachten in de evenwichtsbeschouwing en de vrije vorm van het schuifvlak.

Conclusies en vervolg Het uitgevoerde onderzoek heeft aangetoond dat voor boezemkaden met de nieuwe toetsmethode voor macrostabiliteit een hogere schuifsterkte kan worden toegekend aan de grondlagen. Voor alle cases leidt de nieuwe toetsmethode tot een gunstiger beoordeling van de macrostabiliteit van de kaden dan de vigerende werkwijze. Dit is een opmerkelijk resultaat, omdat in de eerder genoemde validatie-studie voor het WTI-onderzoek voor primaire keringen een gevarieerder en minder gunstig effect is gevonden. Dit verschil in resultaten kan worden verklaard door de relatieve bijdrage van de grensspanning in de stabili- teitsberekeningen. In kades bij relatief lage spanningen is het effect van de grensspanning groter dan bij primaire keringen waar de effectieve spanning meestal

54

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Alle betrokkenen van waterschappen, ingenieursbureaus en grondonderzoeksbureaus worden hartelijk bedankt voor hun inbreng in het project en de plezierige samenwerking.

Referenties [1] Greeuw, G., Duinen, T.A. van, Essen, H.M. van. Protocol Laboratoriumonderzoek voor toetsing macrostabiliteit van dijken. Geotechniek, jaargang 17, nummer 3, juli 2013. [2] Schofield, A.N. and Wroth, C.P. Critical State Soil Mechanics. McGraw Hill, Maidenhead, 1968. [3] Wood, D.M. Soil Behaviour and Critical State Soil Mechanics. Cambridge University Press, Cambridge. 2007. [4] Ladd, C.C. Stability evaluation during staged construction: 22nd Terzaghi Lecture. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1991, 117(4), 537-615. [5] Jardine, R.J. and Hight, D.W. Laboratory and Field Techniques for obtaining design parameters. Embankments on soft ground, Public Work Research Center, Athens, Chapter 4, pp 245 – 296. 쎲


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 55


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 56

Dijken optimaliseren met sensoring Inleiding In 2007 is men in Nederland begonnen met de toepassing van sensoring bij dijken. Er is uitgebreid geëxperimenteerd om te kijken of sensoring een waardevolle bijdrage kan leveren bij een nieuwe manier van dijkbeheer. Tijdens de experimenten is diverse malen gebleken dat dijken later bezwijken dan we uit onze huidige theoretische kennis voorspellen. In de praktijk is dit zichtbaar bij waterschappen die grote strekkingen dijken theoretisch af moeten keuren terwijl uit de praktijk blijkt dat veel van deze dijken prima voldoen. Sensoring bij dijken heeft de rol op zich genomen om het gat tussen theorie en praktijk te dichten middels het aloude adagium ‘meten is weten’. Tot op heden was er geen directe link te leggen tussen de sensormetingen en een optimalisatie van een dijkontwerp. De in dit artikel voorgestelde methode legt een directe link tussen sensormetingen en de optimalisatie van grondparameters en daarmee het dijkontwerp. De methode is gebaseerd op een gemodificeerde versie van de TAW rapportage ‘bewezen sterkte voor rivierdijken’ [1].

Toepassing sensormetingen voor bewezen sterkte In juni 1996 is er door destijds de TAW (Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen, tegenwoordig het ENW, Expertise Netwerk Waterveiligheid) een rapport verschenen voor de bepaling van actuele sterkte van rivierdijken. In dit rapport wordt een handreiking gegeven om historische meetwaarden te gebruiken om de bewezen sterkte in een kering te kwantificeren. De methode is in figuur 1 schematisch samengevat.

Aan de basis van de initiële berekening van de maatgevende stabiliteitsfactor (ȍstab,0) liggen de in die berekening gebruikte cohesie (cini) en hoek van inwendige wrijving (ϕini) van de grondlagen. Het basisprincipe van het TAW rapport is dat er een situatie ontstaat waarbij de maatgevende toestand uit de initiële berekening overschreden wordt (bv. extreem hoogwater). Als deze goed gemeten en gedocumenteerd is kan dit gebruikt worden om bewezen sterkte te kwantificeren. Op basis van de initiële sterkteparameters wordt een berekening gemaakt met de gemeten waarden tijdens de extreme situatie. De berekening levert een nieuwe stabiliteitsfactor (ɣstab,his) op die lager is dan ȍstab,0. Via de in het TAW rapport opgenomen formule kan vervolgens een correctiefactor voor bewezen sterkte (ȍcor) bepaald worden: (1)

ȍcor ȍd ȍn ȍstab,his

correctiefactor gevoeligheidsfactor / modelfactor schadefactor laagst bekende (gemeten) stabiliteitsfactor

De initieel berekende stabiliteitsfactor wordt verhoogd door gebruikmaking van de kennis dat de dijk een maatgevender toestand heeft doorstaan. De aangepaste veiligheidsfactor wordt bepaald met de volgende formule: (2)

ȍstab,cor ȍstab,0

Figuur 1 – Schematisering van de TAW methode.

aangepaste stabiliteitsfactor initieel berekende stabiliteitsfactor

Ing. R.D. van Putten Waternet, Amsterdam senior adviseur geotechniek en innovatie

Om nu de initiële berekening aan de nieuwe stabiliteitsfactor te fitten worden de sterkte eigenschappen (ccor en ϕcor) van de door de glijcirkel doorsneden grondsoorten iteratief aangepast tot de stabiliteit uit de originele berekening voldoet aan ȍstab,cor. Hiermee is een directe relatie te leggen tussen historische metingen en een opwaardering van sterkte eigenschappen van de grondlagen waar de glijcirkel aanwezig is.

Modificaties methode De in het TAW rapport omschreven methode richt zich op primaire keringen waarbij een extreme situatie heeft plaatsgevonden die de maatgevende situatie overschrijdt. Met geringe aanpassingen is deze methode geschikt voor secundaire keringen die door sensoring gemonitord worden. In figuur 2 is de aangepaste methode geschematiseerd. De nieuwe methode volgt dezelfde gedachtegang als de oude maar wijkt in een belangrijk onderdeel af. De oude methode baseert zich op een toestand waarin de dijk zwaarder is belast dan in de maatgevende toestand. De nieuwe methode stelt dat de sterkteparameters opgewaardeerd mogen worden op basis van de dagelijkse omstandigheden waarna deze geoptimaliseerde parameters toegepast worden om de maatgevende toestand te bepalen. Hoewel dit een risico lijkt, is de methode toch veiliger dan dat hij was. Het verschil tussen dagelijkse en maatgevende omstandigheden bij secundaire keringen is zeer gering. Veelal komt het neer

Figuur 2 – Schematisering van de nieuwe methode.

56

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 57

Samenvatting De toepassing van sensoren bij secundaire dijken kan direct leiden tot een verscherpt ontwerp van een dijkverbetering. De in dit artikel beschreven methode baseert zich op een TAW rapportage uit 1996 waarin bewezen sterkte direct

invloed heeft op de sterkteparameters van de grond. De methode wordt praktisch uitgewerkt voor één van de livedijken van Waternet.

Figuur 3 – Schematisering van de waterkering.

Figuur 4 – Verloop van de waterspanningen in de tijd, Ringdijk Waternet.

op een extra verkeersbelasting, een geringe stijging van het boezempeil en een conservatief ingeschatte freatische lijn. Met langdurige sensoring wordt in feite al continu gemeten aan een situatie die dicht bij de maatgevende toestand ligt. Dit in tegenstelling tot de oude methode waarbij een eenmalig sterk afwijkende toestand gebruikt wordt om sterkteparameters structureel te verbeteren. In het volgende deel van dit artikel wordt de nieuwe methode praktisch toegepast bij één van de livedijken van Waternet.

Praktische toepassing - casus Ringdijk In 2010 is Waternet als één van de eerste waterschappen begonnen met de uitvoering van een viertal ‘livedijken’ . In de periode tot 2011 zijn vier specifiek gekozen secundaire keringen uitgerust met een totaal van circa 80 sensoren die continu de waterspanning, temperatuur en relatieve hoekverdraaiing meten. Aan de basis van de locatiekeuze van de keringen lag het gebruik van de livedijken als referentiekader voor een groot deel van alle dijken in het beheergebied van Waternet. Eén van de dijken die uitgerust is met deze sensoren is de Ringdijk. Deze dijk is onderdeel van de dijkring die rondom de Watergraafsmeerpolder in Amsterdam loopt en is representatief voor een typische stadsdijk met weinig ruimte voor verbete-

ring in verband met bestaande infrastructuur en bebouwing. In drie raaien op deze dijk zijn in totaal 17 geobeads van de firma Alert Solutions geplaatst die sinds augustus 2011 continu meten. In figuur 3 is de schematisatie van één van deze raaien inclusief de locatie van de sensoren weergegeven. Tijdens de toetsronde van 2012 is de Ringdijk afgekeurd. De dijk wordt al tientallen jaren goed gemonitord door het uitvoeren van dijkinspecties en toont geen tekenen van instabiliteit. Hier is duidelijk sprake van een gat tussen theorie en praktijk.

Sensormetingen De geobeads meten bij de Ringdijk met een interval van één uur en sturen deze data vervolgens via een telefonische verbinding door naar een centrale database. Via een webinterface zijn deze gegevens vervolgens met geringe vertraging beschikbaar. In figuur 4 is het verloop van de gemeten waterspanning in één van de raaien weergegeven.

Vertaling van sensordata naar rekenmodellen Voor de methode is door de auteur software ontwikkeld die sensordata aan de analytische reken-

57

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

modellen kan koppelen. De software is daarmee in staat om het model te voeden met de door de sensoren gemeten waterdrukken en op deze wijze het historisch verloop van de waterdruk en bijbehorende veiligheidsfactor voor de macrostabiliteit te bepalen. Aan de basis van de software ligt de rekensoftware DGeoStability van Deltares. Voor de Ringdijk is een schematisatie van de kering gemaakt waarin 4 waterlijnen opgenomen zijn die representatief zijn voor de waterdruk in de verschillende lagen. Deze lijnen worden vanuit de database van de sensorleverancier gevoed met de sensormetingen waardoor er voor elk moment van sensormetingen een rekenbestand beschikbaar is. Voor de ligging van de waterlijnen tussen de sensoren is lineaire interpolatie toegepast. De gegenereerde rekenbestanden worden door de eigen software in een batch met DGeoStability berekend waarna de uitvoer automatisch in een grafiek gepresenteerd wordt. In figuur 3 is te zien hoe de sensoren (in hoofdletters) gekoppeld zijn aan drie waterlijnen. De code (in kleine letters) bij de punten op de waterlijnen komt overeen met de koppeling naar de sensor (in hoofdletters). Op basis van de sensormetingen zijn meer dan 3000 berekeningen uitgevoerd. In figuur


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 58

5 is het verloop van de berekende veiligheidsfactor over de tijd weergegeven. De berekeningsuitkomsten tonen aan dat de laagst voorkomende veiligheidsfactor 0,73 bedraagt. ȍstab,his = 0,73 laagst opgetreden stabiliteitsfactor bepaald a.d.h.v. >3000 berekeningen geba seerd op 2 jaar sensormetingen. Op basis van de TAW rapportage kan gesteld worden dat ȍd = 1,0 modelfactor Bishop ȍn = 1,0 Appendix A1, figuur A1.6 met dijkring lengte 5,5km, ɣn niet gerelateerd aan optreden van hoogwater (afgerond naar 1,0) Toepassing van formule 1 leidt tot ȍstab,cor = 1,37 De stabiliteitsfactor waarin bewezen sterkte verwerkt zit bedraagt hiermee (formule 2) ȍstab,cor = 1,0 Dit houdt in dat we de sterkte eigenschappen van de grondsoorten waarin de glijcirkel zich ontwikkelt dusdanig kunnen aanpassen dat we toewerken naar een stabiliteitsfactor van 1,0. Middels een iteratief proces blijkt voor de Ringdijk berekening een factor van 1,35 op de sterkte eigenschappen van de door de glijcirkel doorsneden grondlagen nodig te zijn om tot een veiligheidsfactor van 1,0 te komen. ccor

ϕinitieel

ϕcor

kPa

kPa

graden

graden

2,27 1,62

3,1 2,2

20,20 10,74

27,3 14,5

Grondsoort cinitieel

Klei venig Veen cinitieel ϕinitieel ccor ϕcor

initiële cohesie initiële hoek van inwendige wrijving op bewezen sterkte gecorrigeerde cohesie op bewezen sterkte gecorrigeerde hoek van inwendige wrijving

Na correctie blijken de nieuwe parameters goed te passen binnen de marges die bepaald zijn uit de proevenverzameling van triaxiaalproeven die voor het gehele beheergebied van Waternet opgesteld is. De hoek van inwendige wrijving voor de venige klei is hoog te noemen. De invloed van deze parameter bedraagt circa 2-3% op de uitkomst van de berekening.

Effecten op ontwerp Na de aanpassing van de sterkteparameters is

Figuur 5 – Veiligheidsfactor macrostabilieit over de tijd, Ringdijk Waternet.

Figuur 6 – Benodigde bermlengte met en zonder bewezen sterkte.

gekeken naar de berekeningsuitkomsten voor maatgevende omstandigheden. Hierbij is de freatische waterstand conservatief ingeschat op basis van extreme en langdurige regenval. Daarnaast is een verkeersbelasting toegepast van 13kN/m2 over een breedte van 2,5m. Uitgaande van de oude parameters bedraagt de veiligheidsfactor hierbij 0,63. De benodigde bermlengte bedraagt 12 meter bij gebruik van de oude parameters. Na toepassing van de geoptimaliseerde parameters komt de veiligheidsfactor op 0,88. De benodigde bermlengte om tot een voldoende veiligheidsfactor te komen wordt beperkt tot 5 meter. Globaal komt dit uit op een besparing van circa 7m3 / m1 dijk (ca. 60% minder materiaal) waarbij het effect van een 12 meter brede berm op de dichtbebouwde omgeving nog niet eens meegenomen is.

Conclusie De in dit artikel gepresenteerde methode maakt het mogelijk om op een eenvoudig toepasbare manier sensordata direct te gebruiken om een dijkontwerp te optimaliseren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het bewezen sterkte principe waarin

58

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

ervaringsgegevens direct invloed hebben op de sterkte parameters van de grondlagen. De toegepaste methode wijkt af van de in het onderliggende TAW rapport opgenomen methode. De optimalisatie van de sterkteparameters vindt plaats in de gebruiksfase van de dijk waarna de nieuwe sterkteparameters als invoer dienen bij de berekening naar maatgevende omstandigheden. Het risico van over-optimalisatie wordt bij de nieuwe methode lager ingeschat omdat de dataset in de gebruiksfase vele malen groter is en het verschil tussen de dagelijkse en maatgevende omstandigheden bij secundaire keringen t.o.v. primaire keringen erg gering is. Daarnaast biedt sensoring de mogelijkheid om het risico van overoptimalisatie te reduceren aangezien er bij dijken waarin sensoren aanwezig zijn altijd een ‘vinger aan de pols’ is om de werkelijke toestand te toetsen aan de rekenmodellen.

Referenties [1] Onderzoeksrapport voor de bepaling van de actuele sterkte van rivierdijken, juni 1996, Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen. 


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 59


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 60

Geo-Impuls Webportaal Betrouwbaar Ondergrondmodel: wegwijzer naar vaste grond

Ondergrondmodellen voor geotechnisch ontwerp zijn een sterke versimpeling van de werkelijke grond onder onze voeten. In Nederland berust de modellering van de ondergrond vaak op puntinformatie als sonderingen en boringen. Deze metingen onderzoeken maar een minimale fractie van het volume ondergrond dat het gedrag van de constructie beïnvloedt. Onderzoek op nog kleinere monsters levert de parameters voor het geotechnisch ontwerp. De kans is dus groot dat het grondonderzoek een lokale heterogeniteit in de ondergrond niet aantoont. In de huidige praktijk gaat het meestal toch goed omdat de lokale heterogeniteit geen grote invloed heeft op geotechnisch ontwerp of uitvoering. Soms gaat het niet goed. Twee voorbeelden laten dit zien:

sondeeronderzoek. Tijdens uitvoering bleek het niveau van de draagkrachtige laag veel sterker te variëren en systematisch lager te liggen dan in het ontwerp. Deze verrassing leidde tot 25 km extra paallengte, vertraging en meerkosten [Geo-Impuls, 2011] – De aannemer A4all van rijksweg A4 tussen Delft en Schiedam stuitte op oude zandpalen in het tracé. De palen zijn dieper dan gedacht en staan via een tussenzandlaag in verbinding met het watervoerende pleistocene zand. Daardoor moet A4all waarschijnlijk de uitvoeringswijze ingrijpend aanpassen. De aanpassingen vanwege de zandpalen maken deel uit van een meerkosten claim van 163 miljoen die de aannemer bij Rijkswaterstaat heeft ingediend [Cobouw, 2013].

– De vernieuwde N210 in de Krimpenerwaard is in 2010 grotendeels aangelegd op een paalmatrassysteem. Circa 35.000 heipalen zijn nodig voor circa 14 km weg. Het niveau van de draagkrachtige zandlaag volgde uit een relatief beperkt

Hadden de faalkosten in deze voorbeelden kunnen worden vermeden? Misschien, zegt de geoloog die ondergronddata heeft. Misschien, zegt de geofysicus die heterogeniteiten kan opsporen met geofysische meetmethoden. Hun kennis en

Inleiding

Figuur 1 – De voorpagina van het Webportaal Betrouwbaar Ondergrondmodel.

60

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

Ir. A. Venmans Deltares, trekker werkgroep Betrouwbaar Ondergrondmodel

methoden behoren echter niet tot de standaard gereedschapskist van de geotechnisch ontwerper. Bovendien kunnen de meeste geotechnisch ontwerpers moeilijk overweg met de onzekerheid in de uitspraken van geologen en geofysici. De GeoImpuls werkgroep Betrouwbaar Ondergrondmodel wil precies deze kloof overbruggen.

Aanpak Geo-Impuls is een programma van 40 Nederlandse opdrachtgevers, aannemers, ingenieursbureaus en kennisinstellingen, met als doel het geotechnisch falen vanaf 2015 tot de helft terug te brengen. Uitvoeringsprojecten gaan hiertoe de methode GeoRM toepassen, als versterking van het risicomanagement van ondergrond risico’s. Voor toepassing van GeoRM zijn 10 acties geformuleerd [Geo-Impuls, 2013]. De werkgroep Betrouwbaar Ondergrondmodel richt zich op de actie ‘Benut alle beschikbare geo kennis & ervaring’. De leden van de werkgroep (zie kader) hebben een achtergrond in geotechniek, geologie of geofysische meetmethoden. Ondanks deze verschillende achtergronden was men het eens over de belangrijkste verbeterslag: niet de ontwikkeling van nieuwe meetmethoden, maar beter gebruik van ervaringen, bestaande data en methoden. De aanpak heeft zich daarom gericht op de volgende speerpunten: – Een gemeenschappelijke taal: geotechnici moeten weten wat ze wel en niet kunnen verwachten van geologische data en geofysische metingen, en welke vragen ze moeten stellen aan geologen en geofysici. Andersom moeten deze weten welke informatie ze moeten vragen van de geotechnicus, en hoe ze de onzekerheid in de resultaten van hun werk kunnen communiceren. – Gebruik van ervaringen en bestaande data: een gewaarschuwd mens telt voor twee. Veel geotechnisch falen kan worden voorkomen door ervaringen in vergelijkbare grondslag te gebruiken bij risico inventarisatie en analyse. Hoe komt de juiste kennis op het juiste moment op de juiste plaats? – Gebruik succesvolle methoden uit aanpalende velden: een methode die succesvol is voor waterkeringen is mogelijk ook bruikbaar voor wegen of bouwputten.


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 61

Samenvatting Om een bouwproject goed uit te voeren is kennis van de ondergrond noodzakelijk. Waar liggen de risico’s en hoe groot zijn die? Welke bouwmethode is geschikt? Hoe weet ik hoe betrouwbaar mijn kostenraming is? Het Geo-Impuls project Betrouwbaar Ondergrondmodel heeft de afgelopen vier jaar methoden ontwikkeld om deze vragen te beantwoorden, en de methoden gedemonstreerd in pilot-

projecten. Integratie van geologische informatie en geofysisch onderzoek in het geotechnisch ontwerp vormt de rode draad. Een webportaal ontsluit de resultaten van het Geo-Impuls project en bestaande bronnen van ondergrondinformatie. Dit artikel geeft een vooruitblik naar de informatie op het webportaal.

Figuur 3 – Situatie van case study rond vliegveld Zestienhoven in Rotterdam, met terreineenheden (rood, I tot en met III) en de locatie van profiel A-A’ in figuur 4.

Figuur 2 – Nadere beschrijving van producten op het webportaal

– Kwantificeer onzekere informatie in geotechnische modellen: veel data uit geologische bronnen is voor geotechnische begrippen vaag, en harde uitspraken over opeenvolging of continuïteit van lagen zijn vaak niet mogelijk. Resultaten van geofysische metingen zijn vaak op meerdere wijzen te interpreteren. Kwantificering moet aansluiten op de vertrouwde gereedschappen van de geotechnicus zodat deze het effect op de ontwerpuitkomst kan bepalen. – Koppel methode ontwikkeling aan praktijkprojecten: dit is tegelijk een demonstratie en validatie van nieuwe methoden. Ervaringen worden meteen deel van de methode. – Ontsluit kennis via een webportaal: hiermee is het mogelijk kennis en instrumenten te updaten met nieuwe informatie, en feedback van gebruikers te krijgen hoe zij de informatie gebruiken en waarderen.

De resultaten op het webportaal Het kader geeft een overzicht van de resultaten van de werkgroep. Deze zullen eind 2013 alle beschikbaar zijn via het webportaal. Het webportaal zal ook kennis en gereedschappen ontsluiten die niet in Geo-Impuls zijn ontwikkeld. Deze informa-

tie is opgenomen omdat deze een waardevolle aanvulling vormt op de werkgroep en nog geen deel uitmaakt van de standaard geotechnische gereedschapskist. Het webportaal is te bereiken via de Geo-Impuls website www.geoimpuls.org. Figuur 1 geeft een indruk van de voorpagina van het portaal. De voorpagina bestaat uit vier keuzemenu’s die de gebruiker zo snel mogelijk leiden naar de producten die het best aansluiten op zijn vraag. Bij doorklikken op de lijst producten volgt een korte beschrijving van het doel en de reikwijdte van de producten, zie figuur 2. Voor elke product is een contactpersoon gegeven en de mogelijkheid om te reageren op de getoonde informatie.

Focus op het kwantificeren van onzekerheid Het rapport ‘Kwantificeren van ondergrond onzekerheid voor geotechnisch ontwerp’ is één van de belangrijkste producten van de werkgroep. Het rapport beschrijft de stapsgewijze aanpak om geologische data en resultaten van geofysische metingen en puntmetingen zoals boringen en sonderingen te integreren tot een ondergrondmodel

61

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013

dat aansluit op gangbare geotechnische ontwerpinstrumenten zoals de D-serie van Deltares. De aanpak is een veralgemenisering en versimpeling van de methode die bekend is van stabiliteitsanalyse van dijkringen [Deltares, 2013]. Onderstaand voorbeeld illustreert de stappen en kenmerken aan de hand van een case voor de aanleg van een weg in het gebied rond vliegveld Zestienhoven in Rotterdam (figuur 3). Kenmerk 1: de stappen in de methode komen overeen met de stappen van het opzetten van een risicogestuurd grondonderzoek zoals beschreven in CUR richtlijn 247 ‘Risico gestuurd grondonderzoek, van planfase tot realisatie’ [Brassinga & van Dalen, 2013]: 1.Welk type grondgerelateerde constructie speelt in het project? 2. Wat zijn de belangrijkste risicobronnen en wat zijn de gevolgen voor het project? à Kenmerk 2 3. Welke zijn de geotechnische mechanismen? 4. Welke ontwerp- en uitvoeringsmethodieken beschrijven het mechanisme? 5. Welke zijn de bijbehorende geotechnische parameters en kenmerken van de laagopbouw? 6. Welk grondonderzoek en monitoring zijn nodig


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 62

om parameters en laagopbouw te bepalen? à Kenmerk 3 en 4

ment. Dit vergroot de hoeveelheid beschikbare data sterk.

De methode maakt vervolgens expliciet hoe groot de betrouwbaarheid van het ondergrondmodel (parameters en laagopbouw) is. Indien deze onvoldoende is kan aanvullend grondonderzoek noodzakelijk zijn  kenmerk 5.

Kenmerk 4: gebruik geofysische methoden en remote sensing waarnemingen om plaats en omvang van ondergrondfenomenen snel te detecteren. Figuur 6 laat de resultaten zien van geo-elektrische metingen in Midden-Delfland langs het tracé van rijksweg 4 [Ngan-Tillard e.a., 2010]. De grondslag is globaal vergelijkbaar met het gebied rond Zestienhoven. De interpretatie van het geofysisch onderzoek volgt uit validatie met sonderingen. De conclusie uit de studie is dat ondiepe zandlichamen goed zichtbaar zijn in de geo-elektrische metingen. Zandlichamen dieper dan 10 m zijn moeilijker te onderscheiden en ook is niet duidelijk te zien of deze zandlichamen zijn ingesneden in het pleistocene zand. Dezelfde studie laat zien dat de hoge resolutie hoogtemetingen van het Actueel Hoogtebestand Nederland [AHN, 2013] ook goed bruikbaar zijn om ondiepe zandlichamen te lokaliseren. De zandlichamen verraden zich door een iets hoger maaiveldniveau, als gevolg van geringere compactie ten opzichte van de omliggende slappe grond.

Kenmerk 2: gebruik een twee- of driedimensionale visualisatie om kwalitatief de ondergrondfenomenen in beeld te brengen die de ongewenste gebeurtenissen veroorzaken. Kwalitatief wil zeggen: de visualisatie bevat alle ondergrondfenomenen die een risico vormen voor de constructie. De visualisatie zegt nog niets over de omvang of de frequentie van voorkomen. De visualisatie kan eenvoudig worden ontleend aan bestaande geologische bronnen zoals de toelichting op een geologische kaart of het GeoTop model op DINO loket [TNO, 2013]. Geotechnische profielen kunnen bruikbaar zijn maar missen soms relevante fenomenen door te lage datadichtheid. Figuur 4 geeft een voorbeeld van de visualisatie voor de case Zestienhoven. Tabel 1 geeft de bijbehorende risicobronnen. Kenmerk 3: gebruik gebiedsdata in plaats van lijndata. In Nederland is het gebruikelijk om een ondergrondmodel voor lijnelementen op te bouwen uit puntinformatie langs het tracé van het lijnelement. De ondergrond trekt zich echter weinig aan van menselijke tracékeuzen. Inspectie van geologische kaarten en GeoTop geeft snel inzicht in de uitgestrektheid van geologisch homogene terreineenheden (figuur 3). Sonderingen en boringen uit het hele gebied van de terreineenheid zijn representatief voor de ondergrond onder het lijnele-

Zo is bijvoorbeeld de gemiddelde zetting bepalend voor de kostenraming van de weg. Om inzicht te krijgen in de kosten en de spreiding in de kostenraming, worden voor alle scenario’s uit figuur 5 zettingsberekeningen gemaakt, waarbij ook variaties van zettingsparameters worden meegenomen. De resultaten van de zettingsberekeningen worden vervolgens gewogen met de kans van voorkomen van de scenario’s. Ook kan een spreiding worden bepaald, en de betrouwbaarheid van de resultaten.

Hoe borgen we die kennis? De ervaring leert dat het collectief geheugen van de geotechnische sector in Nederland beperkt is tot 5 tot 10 jaar. Oudere onderzoeksrapporten, websites en CUR en CROW publicaties zijn niet meer bekend bij de huidige generatie geotechnici. Volgens de werkgroep is veel geotechnisch falen het gevolg van het ontbreken van kennis van ervaringen. Het verbeteren van het collectief geheugen is dus een zeer kosteneffectieve actie. Om de resultaten van – de eenmalige – Geo-Impuls in de lucht te houden, is meer nodig dan het openen van een webportaal. Nog in te vullen is hoe het web-

Kenmerk 5: schematiseer onzekerheden tot discrete ondergrondscenario’s. De grondopbouw in geologisch homogene terreineenheden kan sterk heterogeen zijn (figuur 4, terreineenheid III). Om de betrouwbaarheid in een geologisch ontwerp te bepalen is het noodzakelijk om meerdere ontwerpberekeningen te maken voor alle relevante ondergrondscenario’s. Figuur 5 geeft de scenario’s voor terreineenheid III uit figuur 4, met de kans van voorkomen die is bepaald uit een combinatie van puntwaarnemingen en continue metingen met geofysische methoden of remote sensing.

Figuur 5 – Ondergrondscenario’s voor terreineenheid III uit figuur 4, met de kans van voorkomen.

Figuur 6 – Resultaten van geo-elektrisch onderzoek in Midden-Delfland. Figuur 4 – Kwalitatieve visualisatie van geologische laagopbouw en relevante ondergrondfenomenen.

62

Boven: contourplot van specifieke weerstand gemeten met de Supersting, 5 m spacing. Midden: specifieke weerstand gemeten met GEM-2. Onder: geotechnische interpretatie, legenda als figuur 5.

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 63

GEO-IMPULS WEBPORTAAL BETROUWBAAR ONDERGRONDMODEL: WEGWIJZER NAAR VASTE GROND

portaal en de producten op het portaal in de toekomst verbeterd worden, welke aanvullende producten zinvol zijn, en hoe ervaringen kunnen worden ontsloten.

Producten die via het webportaal worden ontsloten De volgende producten van de werkgroep worden via het webportaal ontsloten: – Procedure de voor snelle beoordeling van de haalbaarheid van bouwmethoden. – Procedure voor het opstellen van een ondergrondmodel en het bepalen van de betrouwbaarheid van het ondergrondmodel, met voorbeeld. – Procedure voor het verbeteren van het ondergrondmodel voor piping met lokaal onderzoek, met voorbeeld. – Keuzehulpmiddel voor geofysische meetmethoden; procedure voor uitbesteding en integratie van geofysisch onderzoek. – Voorbeeld van integratie van geofysisch onderzoek in het ontwerp van waterkeringen. – Voorbeeld van integratie van geofysisch onderzoek in het ontwerp van wegen.

Literatuur – AHN (2013) website AHN, via www.ahn.nl, d.d. 14 oktober 2013. – Brassinga & van Dalen (2013) ‘CUR richtlijn 247 Risico gestuurd grondonderzoek, van planfase tot realisatie’, Vakblad Geotechniek, april 2013. – Cobouw (2013a) ‘Zandpalen maken kortsluiting met waterhoudende laag onder A4’, 8 maart. – Cobouw, (2013b) ‘Contract A4 Schiedam opengebroken’, 17 september. – Deltares (2013) ‘Lancering DAM 1.0’, via https://oss.deltares.nl/web/dam/project d.d. 14 oktober 2013. – Geo-Impuls (2011) ‘Evaluatie Risico-Verdeling – Geotechniek’ Geo-Impuls werkgroep 1. – Geo-Impuls (2013) Flyer ‘GeoRM & Top 10 Acties, van onzekere veiligheid naar veilige onzekerheid’, via www.geoimpuls.org d.d. 14 oktober 2013. – Ngan-Tillard e.a. (2010) ‘Total engineering geology approach applied to motorway construction and widening in the Netherlands. Part II: Pilot site in tidal deposits’, Engineering Geology, 114, 171-180 – TNO (2013) website DINOloket, www.dinoloket.nl, d.d. 14 oktober 2013. De volgende producten van andere bronnen worden via het webportaal ontsloten: – SoilRisk Horizontaal Gestuurde Boringen: met één klik op de kaart een lokatiespecifieke lijst van de belangrijkste ondergrondrisico’s voor Horizontaal Gestuurde Boringen. – Zettingskaart van Nederland: de hoeveelheid zetting die optreedt onder een belasting van 1 m zand. – Wegen Analyse Model Overgangsconstructies: keuze van de bouwmethode van kopterpen bij de overgangen naar kunstwerken, op basis van levenscyclus kosten. – Geo(hydro)logische informatie van Nederland: diktekaart van slappe holoceen lagen, DINOloket / GeoTOP, Actueel Hoogtebestand Nederland, Nationaal hydrologisch Instrumentarium, Bodemloket. – GeoBrain Funderingstechniek: expertsysteem en database met circa 3000 uitvoeringservaringen. – Procedure voor het opstellen van een ondergrondmodel voor waterkeringen. – CUR richtlijn 247 ‘Risico gestuurd grondonderzoek, van planfase tot realisatie’. – Bodemtool voor visualisatie van ruimtelijke ordening aspecten, en beoordeling van duurzaamheidseffecten. 

Leden van de werkgroep Betrouwbaar Ondergrondmodel De volgende personen hebben in de loop der tijd zitting gehad in de werkgroep: Henkjan Beukema Joost Borgers Mark Franssen Rhanajit Ghose Jan Gunnink Wim de Haas Robert Hack Jan-Jaap Heerema Kor van den Hoek Marco de Kleine Arend Kremer Gerard Kruse Mario Moura Dominique Ngan-Tillard Govertine de Raat Siefko Slob Arjan Venmans

Rijkswaterstaat Grote Projecten en Onderhoud Waterschap Veluwe Rijkswaterstaat Grote Projecten en Onderhoud TU Delft TNO Bouw & Ondergrond Rijkswaterstaat Centrale Informatievoorziening University Twente International Institute for Geoinformation Science and Earth Observation (ITC) Rijkswaterstaat Grote Projecten en Onderhoud Rijkswaterstaat Grote Projecten en Onderhoud Deltares ProRail Deltares Ingenieursbureau Gemeente Utrecht TU Delft Rijkswaterstaat Water, Verkeer en Leefomgeving Witteveen+Bos Deltares

Tabel 1 – Risicobronnen voor de ondergrond visualisatie in figuur 4. Geologische formatie 1. Kleidek / antropogene afzettingen en begraven zandgeulen

Risicobron Verschilzettingen door oude voorbelastingen Grote (rest)zettingen

2. Veen

Grote (rest)zettingen

3. Wadafzettingen: zand, silt, klei

Verschilzettingen door oude voorbelastingen

met veenlagen / antropogene

en begraven zandgeulen

afzettingen

Grote (rest)zettingen

4. Rivierafzettingen: zand, silt, klei met veenlagen

Verschilzettingen door begraven zandgeulen Grote (rest)zettingen

5. Pleistocene rivierafzettingen: zand

Zoute kwel

6. Begraven geulen: zand, silt

Verschilzettingen

Wisselende draagkracht Zoute kwel door insnijding in pleistocene afzettingen

63

GEOTECHNIEK SPECIAL – December 2013


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 64


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 11:43 Pagina 65

Kies 3 3 3 3 3 3 3 3

VAKBLAD GEOTECHNIEK EN

VOOR HET

bereik

Leden KIVI NIRIA, afd. Geotechniek Leden Ingeokring Leden NGO (Nederlandse Geotextielorganisatie) Leden ie-net (v/h KVIV) Leden NVAF (Nederlandse Vereniging Aannemers Funderingswerken) Leden BGGG (Belgische Groepering voor Grondmechanica en Geotechniek) Leden ABEF (Belgische Vereniging Aannemers Funderingswerken) 5.000+ professionals uit de GWW-sector in Nederland en BelgiĂŤ (waaronder ook prospects als overheden) Word sponsor of mede-ondersteuner van Geotechniek en bereik uw doelgroep effectief! U ontvangt een aantrekkelijk publiciteitspakket waarmee u uw organisatie, dienst of product kunt profileren d.m.v. publicatie/adverteren.

Interesse? Bel +31 (0)10 425 65 44 of mail naar info@uitgeverijeducom.nl en wij nemen contact met u op om de diverse mogelijkheden te bespreken.

Uitgeverij Educom BV Uitgeverij Marketing Drukwerk Investeringen Internet www.uitgeverijeducom.nl


N103 GEO Special_Opmaak 1 25-11-13 10:48 Pagina 66

Geotechniek special december 2013  

Onafhankelijk vakblad voor het geotechnische werkveld - Geotechniekdag 2013

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you