Mogelijkheden en limieten van het sonisch doormeten van funderingspalen. ir. P.Middendorp, Ing. G. Custers Profound, VFD Fugro N.V.

Transcriptie

1 Mogelijkheden en limieten an het sonisch doormeten an funderingspalen. ir. P.Middendorp, Ing. G. Custers Profound, VFD Fugro N.V. Introductie Sinds de jaren 70, heeft het sonisch doormeten, in de olksmond ook wel "Hamertje Tik" genoemd, in Nederland een grote lucht genomen. Reden is de sterke opkomst an de in de grond geormde paal, die mede is mogelijk gemaakt door het beschikbaar zijn an een testmethode oor het controleren an de paalschacht. Deze controlemethode is door TNO Profound ontwikkeld en in Nederland worden meer dan palen per jaar getest. Oer de gehele wereld genomen is het aantal an 5 miljoen sonische testen waarschijnlijk ruimschoots oerschreden. De in de grond geormde paal heeft zich ontwikkeld tot een kwalitatief hoogstaand product (Fig. 1). De factoren die essentieel zijn oor het eraardigen an een betrouwbare paal, kunnen als olgt worden samengeat: Gedegen grondonderzoek Goed ontwerp Eraren aannemer Juiste machines Eraren machinist Goede betonkwaliteit Ondersteunend toezicht Betrouwbare testmethode Vakbekwaam testbureau Het testen alleen is dus niet oldoende om een betrouwbare paal te garanderen. Figuur 1. In de grond geormde palen na ontgraen.

2 Het principe an het sonisch doormeten is gebaseerd op het introduceren an een geluidsgolf (sonisch) op de paalkop met een hamerklap en het analyseren an reflecties die onstaan door discontinuiteiten in de paal en omringende grond. De klap en de reflecties worden geregistreerd met een op de paalkop astgehouden ersnellingsopnemer (Fig. 1). Door het ersnellingssignaal te integreren wordt de snelheid an de paalkop () ens de hamerklap en de reflecties bepaald. Deze paalkopsnelheid wordt gebruikt oor de interpretaties. Ondanks de wijde erbreiding en eeluldige toepassing wordt het sonisch doormeten aak nog gezien als een magische methode, slecht toegankelijk oor ingewijden. De interpretatie raagt inderdaad enige eraring en inzicht, maar de basisprincipes zijn eenoudig. De basis oor de interpretatie an het sonisch doormeten is de spanningsgolftheory, deze zal hier niet worden behandeld maar de belangrijkste basisbegrippen zullen worden toegelicht. Met sonisch doormeten kunnen grote paalgebreken worden opgespoord, maar de methode heeft ook duidelijk zijn beperkingen bij het detecteren an paalproblemen. Deze beperkingen zijn in de bouw-praktijk niet algemeen bekend of worden niet geaccepteerd. Als complicerende factor zijn er ook meerdere meetsytemem in de markt, die ieder weer hun mogelijkheden en beperkingen ertonen. De mogelijkheden en beperkingen an het sonisch doormeten zullen in het hierna olgende worden behandeld. Verder zal worden ingegaan de relatie opdrachtgeer en meetbureau en hoe deze de interpretatie kunnen beinloeden. hamerklap paalpunt reflectie c T= 2L/c Tijd Tijd Figuur 1. Opnemer en hamer op paakop Golfoortplant ingssnelheid De geluidssnelheid of de golfoortplantingssnelheid in een material hangt af an de materiaaleigenschappen. In lucht is deze snelheid 300m/s, in beton ongeeer 4000m/s en in staal 5100m/s. Volgens de theorie kan de geluidsnelheid c worden berekend met de formule L Diepte Figuur 2. Diepte diagram c = (E/ρ) waarin E de elasticiteitsmodulus en ρ de dichtheid an het materiaal representeert. Voor beton is de elasticiteitsmodulus sterk afhankelijk an de kwaliteit en leef an het beton. Voor in de grond geormde palen met een goede betonkwaliteit arieert de snelheid tussen de 3800 en 4000m/s. Voor zeer jonge palen of beton an mindere kwaliteit komt de golfsnelheid onder de 3400 m/s. Bepalen paallengte De op de paalkop geintroduceerde geluids-golf loopt naar de paalpunt, reflecteert en loopt dan weer naar de paalkop. Met een paallengte L is de sduur T oor het doorlopen an de paal, an kop naar punt en weer naar de kop T = 2L/c De sduur T wordt ook wel een periode genoemd. Boengenoemde

3 begrippen kunnen worden uitgezet in -diepte diagram (Fig.1) Als de golfsnelheid bekend is kan de paallengte worden bepaald. L = c.t/2 Het kennen an dejuiste waarde golfsnelheid c is één an de cruciale punten oor het bepalen an de juiste paallengte. Het bepalen an de golfsnelheid kan indien an één der palen de lengte bekend is, bijoorbeeld een paal die door de opzichter geolgd is. De golfsnelheid kan dan worden teruggerekend met c = 2L/T Bij het ontbreken an een referentiepaal moet de golfsnelheid worden geschat en kunnen fouten in het bepalen an de paallengte ontstaan. Ook moet rekening worden gehouden met leefserschillen in palen. Een jonge paal met een lage E-modulus zal langer lijken dan een uitgeharde paal met een hogere E-modulus. In de praktijk wordt aak uitgegaan an kwalitatiee ergelijkingen. Palen die in eenzelfde periode zijn geproduceerd en een zelfde lengte hebben, dienen ook de puntreflectie op hetzelfde stip te ertonen. De meeste palen zullen een oereenkomstig beeld ertonen en worden dan als betrouwbaar aangemerkt. De golfsnelheid wordt zodanig aangepast dat de gemeten lengte oereenkomt met de ereiste lengte. Palen die sterk an dit gemiddelde beeld afwijken, dienen nader te worden genanalyseerd om tot een erklaring an de afwijking te komen en worden zonodig als erdacht aangemerkt. Paaldoorsnede- en materiaalariaties Een ander begrip uit de spanningsgolf theorie is de impedantie Z. Deze wordt bepaald door de paaleigenschappen en is gedefinieerd als Z = A (E.ρ) Hierin is A het paaldoorsnede opperlak. Bij een erandering an impedantie wordt een reflectie opgewekt die naar de paalkop toeloopt. Bij een ermindering an impedantie, bijoorbeeld een doorsnede ermindering, uit de reflectie aan de paalkop zich als een neerwaartse snelheid, terwijl bij een toename an de impedantie de paalkop een omhooggerichte snelheid krijgt. reflectie insnoering reflectie erdikking Tijd Tijd t= 2a/c t= 2a/c c Tijd Tijd a a Diepte Diepte Met het bekend zijn an het stip waarop de reflecties (t) optreden kan de locatie (a) an de discontinuiteit worden bepaald. a = c.t/2

4 De grootte an de reflectie is een maat oor de doorsnedeerandering. Uit de formule oor de paalimpedantie Z kan ook worden afgeleid dat de methode geoeliger is oor het detecteren an doorsnedeeranderingen (A), dan oor eranderingen in materiaaleigenschappen (E en ρ). Indien het doorsnedeopperlak een factor 2 erandert, dan erandert de impedantie ook een factor 2. Verandert de elasticiteitsmodulus een factor 2, dan erandert de impedantie Z slecht een factor 1,41. Indien er een reflectie door een impedantieerandering gemeten wordt is niet al duidelijk door welke factor de reflectie bepaald wordt. Zowel een erandering in A, E of ρ of een combinatie genereren reflecties. Een afnemende impedantie kan duiden op een insnoering, scheur of mindere materiaaleigenschappen. Een toenemende impedantie duidt op een erdikking of een erbetering in materiaaleigenschappen. Men is eelal geneigd om reflecties toe te wijzen aan doorsnedeeranderingen. Wordt er bij ontgraen geen doorsnedeerandering geonden dan wordt snel de conclusie getrokken dat de paal goed is, terwijl er zich bijoorbeeld in het inwendige an de paal toch grondinsluitingen of ontmenging an materiaal kunnen beinden. Inloed grond De grond langs de paal heeft een dempende werking op de geluidsgolf. Stije grondlagen leeren een hogere demping dan slappe lagen. Dit betekent dat de detectie an de paalpunt en daarmee de bepaling an paallengte eindig is. Voor zeer stije kleilagen of leem kunnen slechts de eerste 5 meters gemeten worden, in zeer slappe gronden zijn wel palen tot 80m gemeten. In Nederland en België licht de grens meestal bij de 30 à 35m. Grond geeft impedantieeranderingen waardoor reflecties worden opgewekt die een duidelijke inloed hebben op de meetsignalen. Stije lagen geen reflecties gelijksoortig aan een erdikking en bij een teruggang naar slappe lagen treden er reflecties op gelijksoortig aan een insnoering. Het is daarom uitermate belangrijk dat het grondonderzoek bij de interpretatie wordt betrokken. Reflecties die an grotere diepte komen zijn door de grondwrijing meer erzwakt en om ze zichtbaar te maken wordt het meetsignaal in de exponentieel ersterkt. Detecteren paalkopproblemen Door eel meetssytemen worden problemen nabij de paalkop oer het hoofd gezien. Oorzaak hieran is het introduceren an een te lange hamerpuls. De duur an een hamerpuls wordt bepaald door de hamermassa en het hamermateriaal. Bij een te lange hamerpuls erdwijnt de reflectie an een discontinuiteit in de hamerpuls. Dit is toegelicht in Fig Hierin is het reflectiepatroon getekend oor palen waarbij een insnoering zich steed dichter bij de paalkop beindt oor brede pulsen en oor smalle pulsen. Bij de brede pulsen oerlappen de pulsen elkaar nabij de kop en kunnen niet meer afzonderlijk worden onderscheiden. Voor de interpretator ziet dit er uit als alleen de puls an de hamerklap en wordt het defect oer het hoofd gezien. Voor smalle pulsen blijft het onderscheidend tot dicht onder de paalkop waarneembaar. Praktijkoorbeelden an een brede en smalle hamerpuls met de bijbehorende ontgraen paal met insnoering is gepresenteerd in Fig, Fig en Fig..Voor het opwekken an een smalle hamerpuls is door TNO een speciale hamer ontwikkeld. Uit de metingen kan worden afgelezen dat de lengte an de smalle hamerpuls met 0,5m paallengte oereenkomt, terwijl bij de brede pulse de lengte 1m of meer bedraagt. Paalpuntdetectie blijft bij de brede hamerpuls wel mogelijk.

5 diepte diepte reflectiepatroon brede hamerpuls diepte diepte diepte reflectiepatroon smalle hamerpuls diepte

6 [mm/s] [m] /3 SITE PREFAB ZOETERMEER PILE [m] 4200[m/s] f:3 exp:50 te a:0 Mon Sep 27, 1999 V6.1

7 Innoatieforum Genootschap Grondmechanica & Funderingstechnieken, Antwerpen 1999.

8

9

10 [mm/s] [m] /3 SITE FILTER PILE [m] 3800[m/s] f:1 exp:50 te a:0 Tue May 18, 1999 V [mm/s] [m] /3 SITE FILTER PILE [m] 3800[m/s] f:9 exp:50 te a:0 Tue May 18, 1999 V6.1

11

12 [mm/s] [m] /3 SITE PILE_1 PILE #1_ [m] 4000[m/s] f:1 exp:1 no a:0 Tue Oct 14, 1986 V [mm/s] [m] /3 SITE PILE_1 PILE #3_ [m] 4000[m/s] f:5 exp:100 sr a:0 Fri Oct 17, 1986 V2.8