Simpson Bay Causeway, St. Maarten Geotechnisch ontwerp in uitvoering

Transcriptie

1 Simpson Bay Causeway, St. Maarten Geotechnisch ontwerp in uitvoering ing. R. Thijssen Volker InfraDesign B.V. ir. B. Bader Volker InfraDesign B.V. Figuur 1 - Overzicht ligging project Inleiding Op het Caribische eiland Sint Maarten heeft Volker Stevin Caribbean (tegenwoordig opererend als Volker Stevin International) als hoofdaannemer de Simpson Bay Causeway aangelegd. Opdrachtgever Simpson Bay Lagoon Authority Corporation NV met als Engineer Lievense heeft begin 2012 het contract bekrachtigd. De Simpson Bay Causeway is gelegen op het Nederlandse deel van het bovenwindse eiland. De causeway biedt een additionele ontsluiting van het Princess Juliana International Airport in het zuidwesten van het eiland richting de hoofdstad Philipsburg en het franse deel van het eiland (zie figuur 2). De toeristische bestemming in het Caribische gebied ontvangt in het hoogseizoen meer dan toeristen per dag, middels de vele cruiseschepen die het eiland aan doen en via een van de vele vliegtuigen die landen op de luchthaven. De huidige infrastructuur op het eiland en specifiek in het zuidwesten rondom de Simpson Bay Lagoon is druk bezet. Omdat de lagune zelf een populaire bestemming voor (zeil)jachten is, was de bestaande ontsluiting afhankelijk van het aantal passerende jachten en de openingstijden van de bestaande brug. De nieuwe Simpson Causeway ontlast hiermee de bestaande infrastructuur. Figuur 2 - Overzicht ligging Simpson Bay Bridge in lagune (gele lijn) De totale lengte van de Causeway is circa 1200 m. Een oostelijke en westelijke landaanwinning worden verbonden door een brug. Deze brug is ongeveer 800 m lang en bestaat uit 32 betonnen overspanningen en een beweegbare stalen draaibrug. De draaibrug, gewicht circa 450 ton, biedt twee doorvaartopeningen met een breedte van ruim 24 m, geschikt voor doorvaart van de klasse mega yachts (langer dan 300 ft). Volker Stevin Caribbean heeft in samenwerking met Hollandia en WindWard Roads de gehele 48 GEOTECHNIEK - Funderingsdag 2014 special

2 Samenvatting Dit artikel gaat in op enkele uitdagingen van het Design & Construct (D&C) project Simpson Bay Causeway te St. Maarten welke door Volker Stevin Caribbean eind 2013 is opgeleverd. Meer specifiek wordt ingegaan op hoe omgegaan is met het geotechnisch ontwerp op gebied van aardbevingen alsook het draagvermogen van de palen in verweerde rots. Onzekerheden vanuit het ontwerp met betrekking tot ligging van de funderingslaag alsook draagvermogen van deze laag zijn beheerst door tijdens de uitvoering dynamische paaltesten uit te voeren. Door gebruik van deze (PDA-DLT) testen is een link gelegd tussen eindkalender en draagvermogen van de palen en is het heiproces van de palen bewaakt. scope van het design & construct contract uitgevoerd. WindWard Roads was verantwoordelijk voor de toegangswegen en Hollandia voor de swing bridge. De scope van Volker Stevin Caribbean omvatte de landaanwinningen inclusief baggerwerk, de betonnen brug inclusief fundatie alsook de aanvaarbescherming rondom de swing bridge. Het ontwerp is uitgevoerd door Volker InfraDesign. Allnamics heeft tijdens de uitvoering geassisteerd bij het opstarten van het dynamisch paaltestprogramma waarna Volker InfraDesign dit heeft gecontinueerd. Betonson heeft de engineering van de voorgespannen betonnen liggers voor zijn rekening genomen. Bouwen op een eiland in de Caribische Zee Het bouwen van een brug op een klein eiland in de Caribische Zee brengt de nodige uitdagingen met zich mee. De beschikbare middelen, het beschikbare materieel en de lokale mogelijkheden zijn beperkt. Grootschalige infrastructuur projecten zijn zeldzaam, hetgeen natuurlijk samenhangt met de grootte van het eiland. Volker Stevin Caribbean heeft gekozen voor een strategie waarin de beperkingen van het eiland niet voor verstoring zorgen. De betonnen brug is opgebouwd uit een open stalen buispaal fundering (Ø1016mm), betonnen onderslagbalken met een dek bestaande uit voorgespannen betonnen liggers. Buispalen, liggers, wapening en zelfs de draaibrug zijn afkomstig uit Nederland. In een internationaal gezelschap van Nederlandse staf, lokaal bouwplaatspersoneel en ervaren Caribische specialisten is de uitvoering eind 2013 afgerond. Figuur 3 - Kenmerkende bodemopbouw projectlocatie Figuur 4 - Landaanwinning Westzijde Geotechnische condities Sint Maarten maakt onderdeel uit van de Oostelijke gordel van Caribische eilanden en is als zodanig een oud vulkanisch eiland dat in de tijd door plaattektoniek Oostelijk van de actieve subductiezone is gemigreerd. De vulkanische bodem, waarvan de bovenste zone verweerd is (in dit geval de funderingslaag voor de palen van de brug) is overlaagd met recente kalkhoudende (calcareous) sedimenten. Boven op deze afzettingen zijn holocene klei-, silt- en zandlagen afgezet. De kenmerkende bodemopbouw is in figuur 3 weergegeven. Met name de slappe toplaag van silt, aanwezig ter plaatse van de te realiseren landaanwinning aan de Westzijde, bleek bij monstername een dusdanig lage consistentie te hebben dat sampling niet mogelijk was. Voor de uitvoering van zettings-/stabiliteitsberekeningen is daarom gebruik gemaakt van proefresultaten op de iets stijvere, onderliggende siltlaag, waarbij een veiligheidsfactor is toegepast om de stijfheid en sterkte van de slappere laag te benaderen. Deze methode heeft geleid tot goede overeenkomsten tussen berekende zettingen (ca. 1.7 m) en gemeten zettingen (ca. 1.6 m) ter plaatse van de landaanwinning aan de Westzijde (figuur 4). Hierbij zijn verticale drains h.o.h m toegepast om voldoende consolidatie binnen 8 maanden bouwtijd te realiseren om te voldoen aan een restzettingseis van 0.05 m in het eerste jaar na oplevering. 49 GEOTECHNIEK - Funderingsdag 2014 special

3 Figuur 5 - Opbouw relatieve wateroverspanning Ru versus veiligheid tegen verweking volgens [6] Figuur 6 - Voorbeeld analyse verwekingsrisico Een grote onzekerheid was verder gelegen in het beperkt beschikbare grondonderzoek. Totaal waren er 8 boringen beschikbaar over een bruglengte van circa 800 meter waarbij zowel de ligging van de funderingslaag alsook de sterkte/ hardheid van deze laag sterk varieerde. Hierdoor was een variatie in paallengte van 20 tot 34 meter aanwezig en is voor de palen tussen de boringen in lokaal een overlengte meegenomen. Paalontwerp Doordat de D&C planning geen ruimte bood voor uitvoering van aanvullend grondonderzoek, waren de uitdagingen van het paalontwerp gelegen in het geschatte draagvermogen van de palen in de (deels) verweerde rotslaag alsook de heibaarheid ervan. Op basis van geëxtrapoleerde SPT-waarden ( blows/foot) is een indicatie van de UCS waarden van het gesteente verkregen van ca MPa conform [1]. Voor het behalen van het benodigde draagvermogen (ULS = 4 6 MN) bleek, afhankelijk van de mate van verwering van de top van de laag, circa m penetratie van de palen noodzakelijk. Heianalyses toonden aan dat met een eindkalender variërend van bl/0.25 m de palen met een lokaal beschikbare IHC S-70 hamer van Volker Stevin Caribbean heibaar moesten zijn. Een contractuele verplichting was gelegen in het ontwerp van de palen conform API RP2A (2000) [2]. Gezien het feit dat deze code van toepassing is op het ontwerp van offshore platforms voor de olie- en gasindustrie, waarbij bij bezwijken van een fundering grote risico s optreden op gebied van veiligheid en milieu, is geadviseerd om de overall veiligheid op draagvermogen voor de Simpson Causeway te verlagen gezien het verlaagde risicoprofiel voor dit type constructie. Om de onzekerheid van draagvermogen van de palen te reduceren (als gevolg van het beperkte grondonderzoek) is daarbij door Volker Infra- Design geadviseerd om PDA-DLT testen (Pile Driving Analysis Dynamic Load Testing) uit te voeren. In het paalontwerp is verder rekening gehouden met een gereduceerd draagvermogen als gevolg van het heien van de palen in de kalkhoudende granulaire laag: door makkelijke verbrijzeling van dit materiaal is sprake van een reductie in schachtdraagvermogen. Hiervoor is de methode Kolk [3] gebruikt, zoals onderstaand weergegeven. = (1) 4 20 met: f s = schachtweerstand gecorrigeerd voor carbonate content [kpa] f s,si = schachtweerstand uitgaande van silicazand ( 20% carbonate content) [kpa] f s,80 = K 0.tanδ * σ v = 0.14 * σ v 15 kpa CC = carbonate content [%] De carbonate content van de specifieke laag varieerde van 40 80%, waarmee het schachtdraagvermogen significant gereduceerd diende te worden in vergelijk tot silica-zanden. Verder zijn aanvullend factoren toegepast om effecten van paallengte (strain softening en zogenaamd whipping effect) op het draagvermogen in rekening te brengen volgens Semple & Rigden [4]. Ontwerp op aardbevingen Sint Maarten ligt in een aardbevingsgebied. De volgende aardbevingsbelastingen waren van toepassing op het ontwerp van de landaanwinningen en de brug: - Landaanwinningen: T return = 95 jaar, PGA = 0.21g, M w = Brug: T return = 475 jaar, PGA = 0.31g, M w = 5 Ten aanzien van het ontwerp van de landaanwinningen op aardbevingsbelasting zijn de mechanismes verweking (liquefaction), verdichting, alsook taludstabiliteit onder aardbevingsbelasting geanalyseerd. Voor verwekingsanalyses zijn de aanbevelingen uit de NCEER workshop [5] gevolgd, waarbij de veiligheid tegen verweking de verhouding is tussen de cyclische weerstand ratio (CRR) en de cyclische schuifspanningsratio (CSR). Om verweking van de zandaanvulling te voorkomen en een grote opbouw van wateroverspanning te beperken, is de eis gesteld om een minimale veiligheid tegen verweking van SF = 1.2 aan te houden. Hierbij is een relatieve wateroverspanningsratio R u = 0.2 aangehouden volgens [6] (zie figuur 5). De hierbij benodigde cyclische weerstandsratio is vertaald naar een eis betrekking hebbend op de minimale relatieve dichtheid van de aanvulling. Deze dichtheid is vervolgens na aanbrengen van het zand getoetst aan de gecorreleerde SPT blowcount voor clean sand (< 5% fijne delen) N 60;cs [blows/foot] zoals zichtbaar in figuur 6. De gemeten SPT-waarden lagen hierbij boven de minimaal vereiste waarden vanuit het ontwerp. Om de mate van verdichting van de fill als ge- 50 GEOTECHNIEK - Funderingsdag 2014 special

4 SIMPSON BAY CAUSEWAY, ST. MAARTEN GEOTECHNISCH ONTWERP IN UITVOERING Figuur 7 - Voorbeeld Newmark / sliding block analyse Figuur 8 - Heien van paal met PDA-sensoren volg van de aardbeving te bepalen, is gebruik gemaakt van de methode bepaald door Ishihara [7]. Een veiligheid tegen verweking van S.F. = 1.2 resulteert in een maximale volumerek van circa 0.5% hetgeen een acceptabele vervorming van de zandaanvulling opleverde. Figuur 9 - Resultaten signal match bij PDA- (initial drive) en DLT-test (redrive) De taludstabiliteit is geanalyseerd door gebruik van een glijcirkel-programma op basis van model Bishop waarbij gekeken is naar de grensversnelling (yield acceleration) waarbij het talud net voldoet aan de gestelde veiligheidseis. Middels een sliding block (Newmark) analyse, is vervolgens bepaald hoeveel vervorming er gedurende de ontwerpaardbeving zou optreden. Dit doet men door het versnellingssignaal twee maal te integreren waarbij een versnellingspiek boven de grensversnelling uiteindelijk resulteert in een vervorming. Het talud mocht bij een ontwerpaardbeving niet meer vervormen dan 0.15 m. Een voorbeeld van een dergelijke analyse is gegeven in figuur 7. Uit de verwekingsanalyse voor de paalfundering van de brug bleek dat een losgepakte, siltige zandlaag zou verweken tijdens de ontwerpaardbeving. Er is daarom geen draagvermogen aan deze grondlaag ontleend voor dit belastinggeval. Dynamische paaltesten Om zekerheid over het draagvermogen van de palen te verkrijgen is door Allnamics en Volker InfraDesign een serie PDA- en DLT-testen uitgevoerd. Hierbij worden tijdens heien rekken en versnellingen in de paal gemeten (zie figuur 8). De opwaartse golf in de paal bevat informatie over de weerstand van de grondlagen langs de schacht van de paal alsook ter plaatse van de punt van de paal. Door middel van een zogenaamde signal match, waarbij de dynamische en statische parameters van de bodem worden gefit op het gemeten signaal, is de statische weerstand van de paal te bepalen tijdens initieel heien (PDA-test) en na uitvoeren van een redrive (DLT-test) na enige setup tijd. Voor dit project zijn de redrives op de palen uitgevoerd na minimaal circa 48 uur wachttijd na initieel heien van de palen. Uit de redrives bleek een gemiddelde setup factor van 2 (draagvermogen uit redrive / initial drive, zie figuur 9) waarbij vooral de schachtweerstand sterk was toegenomen. Deze setup is onder andere verklaarbaar doordat: a) de wateroverspanning bij de redrive lager is (één belastingcyclus versus vele bij initieel heien), b) een verandering in radiale spanning om de paalschacht zich heeft voorgedaan. c) een toename van de sterkte van de initieel geroerde grond (reststerkte) plaats heeft gevonden. De resultaten van de dynamische paaltesten zijn gebruikt om de minimaal benodigde kalenderwaarde per paal te bepalen, op basis van het benodigde draagvermogen. Dit is gedaan door de resultaten van de paaltesten om te zetten naar de hoeveelheid hei-energie (per klap) welke benodigd is om de paal 1 mm dieper te heien in de funderingslaag (figuur 10). Voor de heier is op basis van deze gegevens een overzicht gemaakt van de minimaal benodigde eindkalender per paal. Hiermee was het mogelijk om het heiproces te beheersen en eventuele afwijkingen op te merken waarop geacteerd kon worden. Uiteindelijk was het nodig om slechts één paal te verlengen, omdat hier de benodigde eindkalender niet gehaald kon worden. Speciaal transport Swing bridge Als eerder vermeld, is de draaibrug door Hollandia in Krimpen aan de IJssel gefabriceerd en per schip vervoerd naar het Caribische gebied. Door de 450 ton wegende draaibrug op het schip te plaatsen, is het mogelijk zonder kraan of bok de draaibrug op het definitieve steunpunt te schuiven. Het plaatsen van de brug op het schip in Nederland, de passage door de bestaande brug, de grootte van het schip in de relatief on- 51 GEOTECHNIEK - Funderingsdag 2014 special

5 Figuur 10 - Bepaling hoeveelheid energie per mm penetratie in de funderingslaag Figuur 11 - Passen en meten bij aankomst oude Simpson Bay Bridge Figuur 12 - Invaren van de draaibrug en schuiven op fundering diepe lagune en het skidden (zie figuur 12) levert prachtige plaatjes op en laat het benutten van de uiterste grenzen van de randvoorwaarden zien. Referenties [1] CIRIA report 181 Piled foundations in weak rock, London, 1999 [2] API RP2A Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms, 21 edition, 2000 [3] Kolk, H.J., Deep Foundations in Calcareous Sediments, Proceedings of the Second International Conference on Engineering for Calcareous Sediments, Bahrain, Vol. 2, pp , [4] Semple R.M. & W.J. Rigden Shaft Capacity of Driven Pipe Piles in Clay. Proceedings, Symposium on Analysis and Design of Pile Foundations, ASCE, edited by J.R. Meyer, p.59, 1984 [5] National Center for Earthquake Engineering; Youd, T.L., Idriss, I.M., Andrus, R.D., Arango, I., Castro, G., Christian, J.T., Dobry, R., LiamFinn, W.D., Harder, L.F., Hynes, M.E., Ishihara,K., Koester, J.P., Liao, S.S.C., Marcuson III, W.F.,Martin, G.F., Mitchell, J.K., Moriwaki, Y., Power,M.S., Robertson, P.K., Seed, R.B. and Stokoe II,K.H. Liquefaction resistance of Soils:Summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils. J. Geotechnical and Geoenvironmental Eng., ASCE, 127 (10), pp , 2001 [6] Marcuson, W.F., Hynes, M.E., and Franklin, A.G. Evaluation and Use of Residual Strength in Seismic Safety Analysis of Embankment Dams, Earthquake Spectra, Vol 6., No. 3, pp , [7] Ishihara, K., and M. Yoshimine. Evaluation of settlements in sand deposits following liquefaction during earthquakes, Soils and Foundations 32(1), , GEOTECHNIEK - Funderingsdag 2014 special