98-CON-R0782 Predictie statische belastingproef Tweede Heinenoordtunnel. 26 mei 1998

Transcriptie

1 98-CON-R0782 Predictie statische belastingproef Tweede Heinenoordtunnel 26 mei 1998 dr.ir. G.P.C. van Oosterhout, TNO Bouw ir. P.P.T. Litjens, GD ir. M.J.L van Prooijen, TNO Bouw K100-W-082 Werkrapport CUR/COB Uitvoeringscommissie K100 Praktijkonderzoek boortunnels

2 Auteursrechten Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de CUR/COB. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave te citeren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt vermeld, alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt. "8 Rapport K100-W-082, mei 1998, Predictie statische belastingproef Tweede Heinenoordtunnel, CUR/COB, Gouda." Aansprakelijkheid CUR/COB en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en CUR/COB sluit, mede ten behoeve van al diegenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mocht voortvloeien uit opzet of grove schuld zijdens CUR/COB en/of degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt.

3 Titel en sub-titel: Predictie statische belastingproef Tweede Heinenoordtunnel Datum rapport: Mei 1998 Rapportnummer opdrachtnemer: 98-CON-R0782 Projectleider(s) opdrachtnemer: dr. ir. G.P.C. van Oosterhout Schrijver(s): P.P.T. Litjens, M.J.L. van Prooijen, G.P.C. van Oosterhout Type rapport: Werkdocument COB/K100-document nummer: K100-W-082 Projectbegeleider opdrachtgever: ir. P.S. Jovanovic Naam en adres opdrachtnemer: TNO-Bouw Postbus AA Delft Naam en adres opdrachtgever: Centrum Ondergronds Bouwen Postbus AK Gouda Opmerkingen: Samenvatting rapport: Een predictie voor een statische belastingproef in de Tweede Heinenoordtunnel is uitgevoerd. Er zijn twee posities beschouwd: een proef ter plaatse van Meetring Noord respectievelijk Zuid. Per locatie is met een driedimensionaal eindige elementenmodel van de tunnel plus omringende grond berekend tot welke verplaatsingen, krachten, momenten en spanningen een belastingproef aanleiding geeft. Daarbij zijn drie belastingrichtingen beschouwd: verticaal, horizontaal en diagonaal. De maatgevende vervormingen en spanningen treden op bij verticale belasting, hoewel opgemerkt dient te worden dat de drie beschouwde belastinggevallen leiden tot sterk overeenkomende responsies in de tunnel en bodem.. De vervormingen zijn bij Meetring Zuid circa 10% groter dan bij Meetring Noord, hetgeen verklaard kan worden door een groter aandeel van slappe grondlagen in Meetveld Zuid. De buigende momenten in de tunnel zijn in termen van spanningen het meest interessant, daar zij de gestelde ontwerpwaarden overschrijden. Voorgesteld wordt om bij uitvoering van de statische belastingproef de meetringen on-line te monitoren, zodat in stappen de maximaal toelaatbare vijzelkracht kan worden bepaald. Relationele rapporten: K100-W-049 K100-W-061 K100-W-066 Trefwoorden: Boortunnels, Krachtswerking, Vervormingen Classificatie: Classificatie Intern COB-rapport pagina: nee deze Verspreiding: COB-commissie K100 Aantal blz: 73 Prijs: Versie Datum Namens opdrachtnemer Paraaf Namens opdrachtge ver concept 29/04/98 dr. ir. G.P.C. van Oosterhout drs. W. van Schelt Paraaf

4 definitief 26/05/98 dr. ir. G.P.C. van Oosterhout drs. W. van Schelt

5 Title and sub-title: Prediction of the static load experiment in the Second Heinenoord tunnel Date report: May 1998 Reportnumber contractor: 98-CON-R0782 Project manager(s) contractor: dr.ir. G.P.C. van Oosterhout Author(s): P.P.T. Litjens, M.J.L. van Prooijen, G.P.C. van Oosterhout Type report: Interim-report COB/K100-report number: K100-W-082 Project attendant principal: ir. P.S. Jovanovic Name and address contractor: TNO-Bouw P.O. Box AA Delft The Netherlands Name and address principal: Centrum Ondergronds Bouwen P.O. Box AK Gouda The Netherlands Remarks: Summary of report: A prediction of the forces, moments, displacements and stresses due to a static load test in the Second Heinenoordtunnel has been performed. Two possible test sites were considered: Instrumented Ring North or South. Each site, including the surrounding soil, was modelled as a three dimensional finite element model. Three load directions were considered: vertical, horizontal and diagonal. It appeared that the vertical load leads to the largest displacements and stresses, although it should be noted that the tunnel and soil response of the other load cases have strong similarities to the vertical load case. The displacements of Instrumented Ring South are about 10% larger than the displacements of Instrumented Ring North, which is due to the softer soil conditions in that area. In terms of stresses, the ring moments are most significant, as they are larger than the design values for bending moments that were used for the Second Heinenoordtunnel. It is proposed to perform on-line monitoring of the Instrumented Rings during the execution of the static load test, such that the load can be increased in steps until the design value of the bending moment is reached. Relational reports: K100-W-049 K100-W-061 K100-W-066 Keywords: Bored tunnels, Forces and deflections Classification: Internal COB-report Classification this page: no Distribution: COB-committee K 100 Number of Price: pages: 73 Version Date On behalf of contractor Initials On behalf of principal draft 29/04/98 dr.ir. G.P.C. van Oosterhout final 26/05/98 dr. ir. G.P.C. van Oosterhout drs. W. van Schelt drs. W. van Schelt Initials

6 INHOUDSOPGAVE Hoofdstuk 1 INLEIDING...1 Hoofdstuk 2 BASISGEGEVENS VOOR PREDICTIE Inventarisatie modelgegevens Meetringen Bodemgesteldheid Tweede Heinenoordtunnel Statische belasting...6 Hoofdstuk 3 EINDIGE ELEMENTENMODEL Inleiding Lining Omliggende grond...10 Hoofdstuk 4 RESULTATEN Inleiding Verplaatsingen Momenten en krachten Gronddrukken Meetring Noord versus Meetring Zuid Beoordeling rekenresultaten...17 Hoofdstuk 5 CONCLUSIES...19 LITERATUUR...20 Bijlage A: Resultaten Meetring Noord...21 Bijlage B: Resultaten Meetring Noord...49

7 HOOFDSTUK 1 INLEIDING Dit rapport beschrijft de uitvoering van een predictie van de krachten, momenten en verplaatsingen tengevolge van een statische proefbelasting in de Tweede Heinenoordtunnel. Het streven is om bij de twee meetringen in de westelijke tunnelbuis van de Tweede Heinenoordtunnel een statische proef uit te voeren, waarbij de responsie van de ringen kan worden vastgelegd met de instrumentatie van de meetringen, bestaande uit rekopnemers, drukdozen en verplaatsingsopnemers. De eerste ring is geplaatst in het Noordelijke meetveld, de tweede in het Zuidelijke meetveld zoals gedefinieerd door het Centrum Ondergronds Bouwen. Figuur 1 toont een lengteprofiel van de tunnel met de ligging van de meetringen. De eerste meetring is nummer 78 geteld vanaf de startschacht die aan de noordelijke zijde van tunnel ligt. De tweede meetring is nummer 570 geteld vanaf de startschacht meetveld Noord -11 meetveld Zuid N eerste meetring (ring 78) -28 tweede meetring (ring 570) oostelijke tunnelbuis westelijke tunnelbuis Figuur 1 Overzicht meetvelden en positie meetringen. De peilen zijn ten opzichte van NAP, in meters. 1

8 In het volgende hoofdstuk wordt de opbouw van de ringen in de Tweede Heinenoordtunnel beschreven. Daarnaast wordt de grondopbouw ter plaatse van de twee meetringen beschreven. Tot slot van dit hoofdstuk wordt de uitvoering van de belastingproef volgens het projectplan [3] beschreven. Hoofdstuk 3 behandelt het aanmaken van het eindige elementen model op basis van de gegevens in hoofdstuk 2. Hoofdstuk 4 gaat in op de resultaten van de statische analyses die zijn uitgevoerd op het eindige elementen model. Hoofdstuk 5 bevat de conclusies van dit onderzoek. 2

9 HOOFDSTUK 2 BASISGEGEVENS VOOR PREDICTIE 2.1 Inventarisatie modelgegevens In dit hoofdstuk worden de basisgegevens ten aanzien van tunnelconstructie, omringende grond en de belasting uit de statische belastingproef beschreven. Hierbij is gebruik gemaakt van de reeds verschenen gegevens over de tunnelconstructie en de omliggende grond, zoals die in de diverse K100- werkdocumenten zijn vastgelegd. 2.2 Meetringen Er zijn twee meetringen gemaakt voor de tweede Heinenoordtunnel. Deze bestaan uit acht geïnstrumenteerde segmenten, waarvan één sluitsteen. In Figuur 2 zijn de segmenten met het referentienummer afgebeeld. In Figuur 2 zijn de posities van de diverse opnemers schematisch weergegeven. De tweede meetring is op dezelfde manier geplaatst als de eerste, zodat de posities overeenkomen met de posities in de eerste ring. De opnemers worden aangeduid met de polaire coördinaat ϕ van de doorsnede waarin ze liggen. De polaire coördinaat loopt linksom en is nul bij de doorsnijding van de y-as met de ring (bovenkant tunnel). De voeg tussen segment 2 en 3 ligt precies op 90 graden. De positie van de setjes verplaatsingsopnemers is ook aangegeven in Figuur 2. De segmenten worden in halfsteensverband geplaatst. Elk setje bestaat uit de axiale voegverplaatsing tussen twee ringen, de radiale voegverplaatsing tussen twee ringen en de tangentiële verplaatsing binnen de meetring tussen twee segmenten. Elk segment, uitgezonderd de sluitsteen, heeft 10 rekopnemers, 6 in tangentiële richting en 4 in axiale richting. De tangentiële opnemers zitten in paren op een kwart, de helft en driekwart van de lengte van een segment. De axiale opnemers zitten in paren op 1/8 respectievelijk 5/8 van de lengte van een segment. Daarnaast zijn de segmenten aan de buitenkant voorzien van drukdozen. Deze zijn ook gebaseerd op het principe van de snaarrekopnemer en de output bestaat daarom uit een frequentie en temperatuur. De mechanische eigenschappen van de meetringen zijn bekend uit de calibratie van de rekopnemers. In december 1996 zijn op alle segmenten, exclusief de sluitstenen, van de twee meetringen drukproeven gedaan. Daarnaast zijn op de segmenten S2 tot en met S6, zie Figuur 2, buigproeven uitgevoerd. Tijdens de drukproeven zijn op vier verschillende plaatsen in axiale richting geconcentreerde krachten aangebracht, waarbij de responsie van de rekopnemers werd bepaald. Bij de buigproef greep een vijzelkracht excentrisch aan op het segment, zodanig dat tangentiële buigende momenten in het segment ontstaan. Het was niet mogelijk om de sluitsteen en omringende segmenten op buiging te belasten vanwege de afgeschuinde vorm van de elementen. Tijdens de proeven is, per segment, in alle rekopnemers de rek gemeten. Het bleek dat voor elke opnemer door middel van regressie een lineair verband tussen de in het laboratorium aangebrachte kracht en de rek in de opnemer kon worden gevonden, waarbij de correlatie groter is dan

10 sluitsteen y 0 1 S8 2 6 S7 S1 315 S2 90 S6 ϕ x S3 5 S5 S Legenda: S1..7 = segment 1 t/m = verplaatsingopnemerset 1 t/m 6 = doorsnede met tangentiele rekopnemers = doorsnede met axiale rekopnemers = begrenzing segment = positie drukdozen Figuur 2: Doorsnede van de meetring. Kijkrichting: naar de boormachine toe (Zuiden). Posities van alle opnemers zijn schematisch weergegeven. De segmenten zijn aangeduid met het referentienummer. Per paar opnemers is de positie in graden weergegeven. 4

11 De gevonden regressiecoëfficiënten zijn gecontroleerd met een lineair elastische berekening. Daarbij is een elasticiteitsmodulus E = N/m 2 gehanteerd, die bepaald is door middel van sonische metingen. Er is een goede overeenkomst gevonden tussen de lineair elastische berekening en de metingen, met afwijkingen die in de meerderheid van de gevallen onder de 10 % liggen. In dit rapport zal daarom met een elasticiteitsmodulus van N/m 2 worden gewerkt. 2.3 Bodemgesteldheid Tweede Heinenoordtunnel De statische belastingproef zal ter plaatse van twee ringen uitgevoerd worden, te weten de meetring onder de noordelijke oever van de Oude maas (nr. 78) en de meetring aan de zuidelijke oever (nr. 570). Het bodemprofiel en de bijbehorende parameters zijn vastgesteld aan de hand van de beschikbare parametersets voor de verschillende predicties [Projectbureau Boortunnels 1995]. In onderstaande tabellen zijn de gebruikte waarden voor de predicties van de statische belastingproef gegeven. Daarin zijn de volgende symbolen gebruikt: γ d volumieke massa verzadigde grond, γ n volumieke massa droge grond, c cohesie, ϕ inwendige wrijvingshoek, ψ dilatantiehoek, ν dwarscontractie coëfficiënt, G glijdingsmodulus, K 0 verhouding tussen verticale en horizontale spanningen, elasticiteitsproef uit triaxiaalproef. E 50 Bij de berekeningen betreffende de meetring Noord wordt uitgegaan van de volgende waterstanden/stijghoogten: freatische grondwaterstand: stijghoogte laag 18 en dieper gelegen lagen: NAP +0,48 m NAP - 0,10 m Hierbij wordt aangenomen dat het verloop van de watersprong van NAP +0,48 m naar NAP - 0,10 m lineair is vanaf de bovenzijde van laag 18. Ten behoeve van de predicties betreffende de meetring Zuid is gebruik gemaakt van de volgende waterstanden/stijghoogten: freatische grondwaterstand: stijghoogte laag 16 en dieper gelegen lagen: NAP +0,30 m NAP - 0,50 m Ook nu wordt aangenomen dat het verloop van de watersprong van NAP +0,30 m naar NAP - 0,50 m lineair is, in dit geval over laag 4. 5

12 Tabel 1 Bodemprofiel en bijbehorende grondmechanische parameters ter plaatse van meetring Noord (nr. 78) type bk laag γ d /γ n c ϕ' ψ ν G K 0 E 50 Grondsoort [kn/m 3 ] [kpa] [ o ] [ o ] [-] [MPa] [-] [MPa] OB / klei / klei, siltig / zand, kleilaagjes / zand, kleilaagjes zand, kleilaagjes zand, grindig 38A klei, zandig 38F zand Tabel 2 Bodemprofiel en bijbehorende grondmechanische parameters ter plaatse van meetring Zuid (nr. 570) type bk laag γ d /γ n c ϕ' ψ ν G K 0 E 50 Grondsoort [kn/m 3 ] [kpa] [ o ] [ o ] [-] [MPa] [-] [MPa] OA / zand OB / klei / klei, siltig / zand, kleilaagjes veen klei, siltig/humeus zand klei, siltig/zandig zand, grindig 38E zand 38A klei 2.4 Statische belasting In het Instrumentatie- en Meetplan [7], opgesteld door CUR/COB-commissie K100, dat de proeven in de Tweede Heinenoordtunnel beschrijft, is de statische belastingproef één van de constructieve experimenten. In het Instrumentatie- en Meetplan wordt gesteld dat het doel van de statische belastingproef is om gegevens op te leveren omtrent de statische stijfheid van de tunnel. Daartoe dient de proef bij beide meetringen uitgevoerd te worden, waarbij drie belastingrichtingen worden beschouwd: horizontaal, verticaal en diagonaal. In februari 1997 is een projectvoorstel Statische belastingproef opgesteld [3], waarin de uitvoering van de belastingproef nader is uitgewerkt. Er is gekozen voor een uitvoering waarin de statische belasting wordt aangebracht over vijf ringen, waarvan de middelste ring wordt gevormd door een meetring. De kracht wordt aangebracht met een beproevingsinstallatie volgens de principe-opzet die is geschetst in Figuur 3. Het hart van de beproevingsinstallatie wordt gevormd door een stalen spil, die glijdend is opgelegd op twee komscharnieren, die op hun beurt rusten op twee lorries. Aan de stalen spil zijn tien paren vijzels aangebracht. Eén paar vijzels wordt gevormd door vijzels die 180 graden ten opzichte van de ander zijn gedraaid. Eén segment wordt steeds door twee vijzels belast. 6

13 Door de glijdende oplegging kan de spil om zijn lichaamsas draaien, waardoor beproeving in elke oriëntatie mogelijk is. De vijzels worden afzonderlijk aangestuurd, zodat het in principe mogelijk is om de vijzelkracht per vijzel te variëren. In de predictie is er vanuit gegaan dat alle vijzelbelastingen gelijk zijn. De totale kracht die op de tunnel wordt uitgeoefend, is maximaal 8 MN. Eén vijzel geeft dus maximaal 0.8 MN radiale belasting op de tunnelwand. 7

14 Schaal 1:20 Figuur 3 Principe-schets van de beproevingsinstallatie voor de statische belastingproef. 8

15 HOOFDSTUK 3 EINDIGE ELEMENTENMODEL 3.1 Inleiding Op basis van de basisgegevens omtrent de tunnel en de belastingproef, die in het vorige hoofdstuk zijn gepresenteerd, is een model van de tunnel gemaakt op basis van de eindige elementenmethode. Hiervoor is het pakket DIANA gebruikt. Er is een drie-dimensionaal model gemaakt, waarbij gebruik is gemaakt van symmetrie-overwegingen. De belasting is symmetrisch ten opzichte van de meetring. Voor het doel van deze predictie kan de meetring als symmetrievlak voor de lining worden beschouwd. Dat laatste geldt bij benadering ook voor de grond. Op grond van deze overweging is een verticaal symmetrievlak gedefinieerd, lopend door het midden van de meetring. De symmetrievoorwaarden op het symmetrievlak zijn: axiale verplaatsing u ax = 0 rotatie om een horizontale as φ ax = 0 Het model is beschreven in een ruimte die wordt opgespannen door een x-y-z-assenstelsel. De z-as wijst in de lining- (langs-)richting, de y-as wijst verticaal naar boven en de x-as ligt horizontaal loodrecht op de y- en z-as. De x- en y-as vormen het symmetrievlak, dat eerder ter sprake is gekomen. Zodoende ligt de oorsprong van het assenstelsel in het hart van de tunnel en in het symmetrievlak. Om de locatie in omtreksrichting aan te kunnen geven is een polaire coördinaat φ ingevoerd die linksom gericht is en bovenin de tunnel gelijk aan 0 graden is. 3.2 Lining De belasting werkt op 2.5 ringen van het eindige elementen model. Daarnaast zijn 3 onbelaste ringen beschouwd om de lastspreiding in de langsrichting van de tunnel te beschouwen. Het geometrie-model van de constructie bevat zodoende 5.5 ringen. De ringen zijn opgebouwd uit segmenten, waarvan de afmetingen worden gebaseerd op ontwerptekeningen van de Tweede Heinenoordtunnel, die in het kader van de instrumentatie van de meetring aan TNO zijn verstrekt [6]. Alle segmenten zijn verdeeld in 3 elementen over de dikte. De langs- en ringvoegen hebben 1 element over de dikte. De segmenten van de 2.5 ringen die belast worden, zijn opgebouwd uit elementen met een afmeting van 0.75 m in langsrichting. In omtreksrichting is bij de elementenverdeling rekening gehouden met de ligging van de oppervlakken waarop de vijzels de belasting uitoefenen. Tussen de belaste ringen onderling en tussen de buitenste belaste ring en de daarnaast liggende (onbelaste) ring zijn de ringvoegen meegenomen in het model. De drie onbelaste ringen zijn grover en eenvoudiger gemodelleerd: 1 element in langsrichting (dus 1.5 m lang) en zonder ringvoegen ertussen. Hierdoor is het halfsteensverband, waarmee de tunnellining is opgebouwd niet meegenomen. 9

16 De langs- en ringvoegen zijn gemodelleerd door de geometrie van het segment te verjongen en/of de materiaaleigenschappen van de elementen ter plaatse van de voegen equivalent aan de stijfheid van de voeg te maken, zoals uit laboratoriumproeven is gebleken [5]. In het model zijn geen interface-elementen ter modellering van mogelijke gaping van de voegen toegepast. Op grond van de berekeningsresultaten zal in de statische analyse worden beoordeeld of dit uitgangspunt terecht is gehanteerd. De afmetingen van de tunnel zijn als volgt: de segmenten zijn 1.5 m breed (in langsrichting) en 350 mm dik. De langs- en ringvoegen hebben een afmeting van 210 mm in radiale richting. De ringvoegen zijn 2 mm dik (in langsrichting). De binnen- en buitendiameter van de ringen is respectievelijk 7.6 en 8.3 m. De volgende materiaaleigenschappen zijn gebruikt: Segmenten en langsvoegen (beton): Elasticiteitsmodulus E = N/m 2 Dwarscontractiecoëfficiënt ν = 0.2 Soortelijke massa γ = 2400 kg/m 3 Ringvoegen (triplex plaatjes): Equivalente Elasticiteitsmodulus E = N/m 2 Dwarscontractiecoëfficiënt ν = 0.1 Equivalente soortelijke massa γ = 800 kg/m 3 De eigenschappen van de segmenten zijn gebaseerd op de calibratie van de rekopnemers in de meetringen, die in december 1996 is uitgevoerd bij TNO Bouw [4]. De eigenschappen van de triplexplaatjes zijn gebaseerd op eerder genoemd experimenteel onderzoek aan de voegen. Aangenomen is dat de belasting, die de vijzels op de ringen uitoefenen, over de hele breedte van een segment aangrijpt. De lengte van het belaste oppervlak in omtreksrichting is geschat uit Figuur 3. Voor deze lengte is aangenomen 0.34 m. De belaste oppervlakken zijn gemodelleerd op 0 en 180 voor de situatie met verticale belasting, op 90 en 270 voor de situatie met horizontale belasting en op 135 en 315 voor de situatie met diagonale belasting. Zoals al vermeld is, bedraagt de belasting 0.8 MN per vijzel. Deze belasting is omgerekend naar een uniform verdeelde belasting. 3.3 Omliggende grond De grond is in verticale zin (y-richting) gemodelleerd van het maaiveld tot één tunneldiameter onder de tunnel door middel van volume-elementen. In horizontale zin (x-richting) is het bodemmodel in totaal zes tunneldiameters breed. De z-coördinaat aan de achterzijde van het model is m (5.5 x x 0.002). De randvoorwaarden die zijn aangenomen voor het eindige-elementenmodel, zijn als volgt: z-verplaatsing u z = 0 voor de knooppunten in het symmetrievlak (op z = 0), x-, y- en z-verplaatsing u x = u y = u z = 0 voor de knooppunten in het achtervlak (z = ), x-, y- en z-verplaatsing u x = u y = u z = 0 voor de knooppunten in beide zijvlakken (x = ±25), x-, y- en z-verplaatsing u x = u y = u z = 0 voor de knooppunten in het ondervlak (y = ). De belastingproef zal op twee plaatsen plaatsvinden, ter plaatse van meetring Noord (78) en van meetring Zuid (570). Op basis van de geotechnische gegevens die zijn gepresenteerd in paragraaf 2.3, 10

17 zijn relevante parameters voor de elementen, waarmee de bodem is gemodelleerd, vastgesteld. Deze parameters zijn verzameld in Tabel 3 (Noord) respectievelijk Tabel 4 (Zuid). Tabel 3: Grondparameters meetveld Noord. Laag E [N/m 2 ] ν [-] γ [kg/m 3 ] Tabel 4: Grondparameters meetveld Zuid. Laag E [N/m 2 ] ν [-] γ [kg/m 3 ] De dikten van sommige grondlagen ter diepte van de tunnel zijn lichtelijk aangepast om een goede aansluiting met het elementennet van de tunnel te verkrijgen. Figuren 4 en 5 tonen de eindige elementenmodellen voor beide locaties waarbij door middel van kleuren de verschillende bodemlagen zijn aangegeven. 11

18 Figuur 4 Eindige elementen model van bodem en tunnel ter plaatse van Meetring Noord. 12

19 Figuur 5 Eindige elementen model van bodem en tunnel ter plaatse van Meetring Zuid. 13

20 HOOFDSTUK 4 RESULTATEN 4.1 Inleiding Het eindige elementen model van de meetring Noord respectievelijk Zuid met de omliggende grondlagen is statisch doorgerekend in DIANA met de volgende drie belastinggevallen: horizontaal verticaal diagonaal (45 graden) De vijzelkracht is gemodelleerd als vlakbelasting, waarbij de afmetingen en posities van de vlakken gebaseerd zijn op Figuur 3. In het projectvoorstel Statische belastingproef [3] zijn de volgende aspecten van de reactie van de constructie op de statische belastingproef onderkend: Inwendige spanningen en vervormingen in een segment, met name in de ringrichting; Krachtswerking in de langsvoeg, leidend tot voegverplaatsingen tussen segmenten; Krachtswerking in de ringvoeg, leidend tot voegverplaatsingen tussen ringen; Reactiekrachten uit de omringende grond als gevolg van vormverandering van de tunnel als geheel. Een boortunnel heeft een relatief dunne wand en de steundruk van de omringende grond speelt daarom een voorname rol in het krachtenspel; Al deze aspecten spelen een rol bij de werkelijk optredende stijfheid van de tunnellining. Uit de predictie volgt een voorspelling van de invloed van de diverse aspecten. Omdat de belasting bekend is, kan daaruit een voorspelling omtrent de stijfheid van de tunnel worden gedaan. Daartoe zullen in de komende paragrafen, per onderwerp, krachten, momenten en verplaatsingen van de constructie in de langs- en ringrichting worden gepresenteerd. Daarnaast zullen de spanningen en vervormingen van de grond worden gepresenteerd. In de bijlagen vindt men een complete set grafieken die de resultaten van de berekeningen weergeven. Het betreft: BIJLAGE A: Resultaten meetring Noord BIJLAGE B: Resultaten meetring Zuid De resultaten zullen worden behandeld aan de hand van meetring Noord. In paragraaf 4.5 worden de verschillen tussen de ringen behandeld. Tot slot van dit hoofdstuk zullen de resultaten nader worden geanalyseerd, waarbij de nadruk zal liggen op de maximale momenten en krachten in relatie tot de ontwerpwaarden die door de aannemer zijn afgegeven in TCH fax MLA/atz/962364/30.08 d.d. 2/12/1996. Geotechnisch zal de nadruk liggen op de toelaatbaarheid van de maximaal optredende vervormingen. 14

21 4.2 Verplaatsingen De eerste drie figuren in bijlage A tonen de vervormde doorsnede van de meetring Noord ten gevolge respectievelijk verticale, horizontale en diagonale belasting. De drie figuren vertonen sterke gelijkenis: een duidelijke ovalisering. Daar waar de kracht aangrijpt, dijt de ring uit en ter compensatie van die vervorming wordt de ring 90 graden verder smaller. Tabel 5 vat de maxima samen. Uit Tabel 5 blijkt inderdaad dat de belastinggevallen tot op grote hoogte identieke vervormingen geven. De verticale belasting leidt tot de grootste vervorming, waarschijnlijk doordat de steundruk door de omringende grond bovenin de tunnel het kleinst is. Tabel 5: Maximale radiale verplaatsingen van Meetring Noord ten gevolge van de statische belastingproef belastinggeval maximum uitdijing maximum indeuking verticaal horizontaal diagonaal Uit figuur 1 tot en met 3 blijkt dat de voegverplaatsingen tussen segmenten voornamelijk tangentieel zijn. Radiale voegverplaatsingen zijn verwaarloosbaar. Figuur 4 van bijlage A toont de vervorming van de omringende grond bij het belastinggeval verticaal. We zien dat de sterkste vervorming zich concentreert bij de top en bodem van de tunnel. Binnen een viertal meters vanaf het aangrijpingspunt van de belasting is de vervorming van de grond gereduceerd tot minder dan 10% van het maximum. De figuren 5 tot en met 10 van bijlage A tonen het verloop van de verplaatsing in de belastingrichting alsmede de axiale verplaatsing als functie van de afstand tot het hart van de meetring. In de figuren zijn de ringvoegen duidelijk te herkennen aan de discontinuiteiten in de verplaatsingslijn. Verder kan worden opgemaakt uit de figuren dat de belasting vrij snel gespreid is in de liningrichting: na 8.5 m is de verplaatsing weer praktisch nul. Tot slot van deze paragraaf kan worden gesteld dat de voegverplaatsingen in de ringvoegen gering zijn. Radiaal treden de grootste ringvoegverplaatsingen op tussen de grens van belaste/onbelaste ring en bedraagt dan circa 0.1 mm. Gezien de reeds gemeten radiale voegverplaatsingen bij meetring Noord [2], die tot 4 mm kunnen oplopen, is de optredende radiale ringvoegverplaatsing klein te noemen. De grootste axiale ringvoegverplaatsingen treden op tussen de meetring en de naburige ringen. Ook deze verplaatsing is orde 0.1 mm en klein vergeleken met de reeds gemeten axiale voegverplaatsing in de orde 1 mm [2]. 4.3 Momenten en krachten Zoals te verwachten was op basis van de vervormingsbeelden voor de diverse belastinggevallen, komen de verdelingen van momenten en krachten over de ring sterk overeen bij verticale, horizontale of diagonale belasting. Het duidelijkst is dat te herkennen in figuur 11 van bijlage A, waar de tangentiele normaalkracht in de meetring als functie van de polaire coördinaat φ is weergegeven. Grofweg gezien verschuift de krachtsverdeling steeds 45 graden gaande van verticaal via diagonaal naar horizontaal. Het verloop is steeds dat bij het aangrijpingspunt van een kracht grote tangentiële trekkrachten optreden, waarna 90 graden verder de tangentiële normaalkracht vrijwel nul is. Het eerste verschijnsel is te 15

22 verklaren uit het ovaliseren van de ring, waardoor er trek komt op die plekken waar de diameter van de ring toeneemt. Het tweede verschijnsel kan verklaard worden door de steundruk van de grond, die blijkbaar bijna de gehele belasting opneemt, waardoor de tangentiële normaalkracht op 90 graden van het aangrijpingspunt zeer klein is. Belangrijkste verschil tussen de belastinggevallen doet zich voor bij 180 graden, waar de verticale belasting een sterke piek vertoont, die in de overige belastinggevallen niet terugkomt. Deze piek is te verklaren door naar het vervormingsbeeld te kijken in figuur 1 van bijlage A. Onderin grijpt de belasting aan op de grens van twee segmenten, waardoor de voeg aldaar enigszins wijkt. Dit leidt tot een grotere tangentiële trekkracht dan aan de bovenzijde, waar de voeg dichtgeknepen wordt. De andere belastinggevallen kennen dezelfde aangrijpcondities voor beide puntlasten, waardoor het belastingbeeld veel meer symmetrisch is. De tangentiële buigende momenten vertonen dezelfde verschuiving van de pieken die bij de tangentiële normaalkrachten werd waargenomen, zoals uit figuur 13 van bijlage A blijkt. De verdeling van de momenten over de ring is te verklaren door naar het vervormingsbeeld te kijken. Nabij het aangrijpingspunt van de krachten neemt de diameter van de tunnel toe en zijn de buigende momenten dus positief. Negentig graden verder moet de diameter van de ring, op basis van de constitutieve vergelijkingen voor een ring, kleiner worden en zijn de buigende momenten negatief. De grootste negatieve buiging is kleiner dan de grootste positieve buiging, overeenkomstig de waarden voor de uitdijing respectievelijk indeuking in Tabel 5. De verdeling van de dwarskrachten (figuur 12 van bijlage A) volgt keurig het verloop van de buigende momenten, daar de dwarskracht gelijk is aan de eerste afgeleide van het buigend moment naar de omtrek van de ring. Figuren 14 tot en met 22 van bijlage A tonen het verloop van de tangentiële normaalkracht, dwarskracht en momenten in representatieve doorsneden als functie van de afstand tot het hart van de meetring voor respectievelijk de verticale (fig ), horizontale (fig ) en diagonale (fig 20-22) proefbelasting. In deze figuren zijn opvallende sprongen te zien bij de tangentiële normaal- en dwarskracht. De plaats van de sprongen komt overeen met de posities van de ringvoegen in het model. De sprongen kunnen worden verklaard door naar het verloop van de vervormingen en de buigende momenten als functie van de afstand tot het hart van de meetring te kijken. We zien dat de vervormingen het grootst zijn bij de meetring en langzaam naar nul lopen naarmate met verder van de meetring gaat. Het verloop van de momenten correspondeert met het verloop van de vervormingen, zoals bijvoorbeeld blijkt uit een vergelijking tussen figuur 6 en 16. Het verloop van de buigende momenten vereist dat er een herverdeling van de tangentiële normaal- en dwarskrachten tussen de ringen optreedt. Het duidelijkst is dat bij de eerste onbelaste ring (ring 75) en de eerste belaste ring ( ring 76). In de belaste ring ontstaan krachten door de ovalisering van de belasting. De onbelaste ring gaat mee in die ovalisering. Dat kan alleen als er in de voeg tussen deze twee ringen interactiekrachten ontstaan. Deze krachten leiden tot het scheve verloop van de krachten in een ring. Direct naast de voeg wordt de interactiekracht in de onbelaste ring geïntroduceerd, wat leidt tot een piek in normaal- en dwarskrachten in die ring. Andersom is het zo dat de belaste ring direct naast de voeg door de interactiekracht als het ware wordt ontlast, hetgeen leidt tot een afname in de normaal- en dwarskrachten in die ring. 16

23 4.4 Gronddrukken De gronddrukken ten gevolge van de diverse belastinggevallen zijn terug te vinden in figuren 23 tot en met 28 van bijlage A. In alle gevallen geldt dat de invloed van de belastingproef relatief gering is, zoals ook al uit het vervormingsbeeld bleek. De invloed op de spanningstoestand in de omringende grond strekt zich uit tot ongeveer één tunneldiameter. De grootste veranderingen treden op direct naast de ring. De grondspanningen veranderen daar maximaal 15 kpa. Deze waarde is voor alle belastinggevallen gelijk. De heersende gronddrukken rondom de Meetringen zijn orde kpa [1], [2]. De belastingproef leidt dus tot veranderingen in de spanningstoestand direct naast de tunnel van circa 10 %. Verder van de tunnel is de verandering mimiem. Op grond hiervan kan gesteld worden dat de belastingproef geen significante verandering in de spanningstoestand van de bodem leidt. 4.5 Meetring Noord versus Meetring Zuid In Bijlage B zijn grafieken opgenomen voor Meetring Zuid met figuurnummering die overeenkomt met de corresponderende grafiek voor Meetring Noord in bijlage A. De bodem bij Meetring Zuid is slapper dan de grond die wordt aangetroffen bij Meetring Noord. Het is daarom niet verwonderlijk dat de verplaatsingen iets groter zijn. De belangrijkste waarden zijn verzameld in Tabel 6. Tabel 6: Maximale radiale verplaatsingen van Meetring Zuid ten gevolge van de statische belastingproef belastinggeval maximum uitdijing maximum indeuking verticaal horizontaal diagonaal Gemiddeld zijn de verplaatsingen 10% groter. Het verplaatsingsbeeld blijft echter hetzelfde. Wel zien we dat de radiale ringvoegverplaatsingen iets groter zijn, waarschijnlijk door een kleinere gronddruk ter plaatse. Dit is met name duidelijk in figuur 6 van Bijlage B. De grootste radiale ringvoegverplaatsing is nu circa 0.4 mm. In meetring Zuid zijn de gemeten radiale ringvoegverplaatsingen veel kleiner dan in meetring Noord, namelijk 1.5 [1] versus 4 [2] mm. De berekende voegverplaatsingen ten gevolge van de statische belastingproef blijven nog ruim onder beide waarden. De krachtswerking bij Meetring Zuid en aanpalende ringen verschilt niet wezenlijk van de situatie bij Meetring Noord. Blijkbaar zijn de verschillen in grondsamenstelling niet zodanig dat er andere mechanismen in de krachtswerking optreden. 4.6 Beoordeling rekenresultaten Door TCH, de aannemerscombinatie van de Tweede Heinenoordtunnel, zijn in TCH fax MLA/atz/962364/30.08 d.d. 2/12/1996 ontwerpwaarden voor de buigende momenten en normaalkrachten in ringrichting gegeven. De volgende waarden gelden: een buigend moment van 100 knm, een normaalkracht van 1400 kn, optredend tegelijkertijd met het bovengenoemd buigend moment, waarden gelden voor een veiligheidsfactor 1. 17

24 In genoemde fax is niet aangegeven of bovenstaande waarden per strekkende meter lining gelden of per segment. Veiligheidshalve wordt aangenomen dat de waarden per segment gelden (breedte segment is 1.5 m). Van de zes predicties die zijn uitgevoerd, leidde het belastinggeval verticaal ter plaatse van Meetring Noord tot de grootste krachten, momenten en verplaatsingen. De maximale normaalkracht in ringrichting bedraagt 800 kn/m en het buigend moment 300 knm/m. Per segment is dat 1200 kn respectievelijk 450 knm. Deze waarden zijn een fikse overschrijding van de ontwerpwaarden. Ten aanzien van ontwerpwaarden, zoals gehanteerd door TCH, kan worden opgemerkt dat de metingen aan de meetringen, zoals gerapporteerd [1] en [2] aangeven dat tijdens de inbouw van de ringen en de dagen daarna de ontwerpwaarden reeds ruim worden overschreden. Waarden van 400 knm voor de buigende momenten en 4000 kn voor de normaalkracht worden in die periode gemeten. Dit is een overschrijding met een factor 3 à 4. Afgezien van lokale schade, is er geen schade opgetreden bij de segmenten. Een ondergrens voor de grenswaarden van buigend moment en normaalkracht in een segment is dus 400 knm respectievelijk 4000 kn. Na de eerste paar dagen na montage nemen de krachten in de Meetringen af tot circa 50% van de maximaal gemeten waarden. Dit betekent dat in de huidige toestand de maximale momenten en krachten 200 knm respectievelijk 2000 kn zijn. De extra buigende momenten ten aanzien van de belastingproef leiden tot 450 knm en het totaal wordt 650 knm. Dit is groter dan 400 knm en dus een overschrijding van de experimentele grenswaarde voor het moment. Door de belasting uit de vijzels te reduceren tot 40% van 8MN, worden de buigende momenten verkleind tot 180 knm en zijn de totale buigende momenten 380 knm, hetgeen minder is dan de experimentele grenswaarde voor het moment. Eenvoudig is in te zien dat de normaalkracht dan ook voldoet aan de experimentele grenswaarde voor de normaalkracht van 4000 kn. Tot slot zij opgemerkt dat tijdens de uitvoering van de statische belastingproef de meetringen on-line gemonitord kunnen worden. Door stapsgewijs de belasting te verhogen, beginnend vanaf nul, kan de maximaal toelaatbare vijzelkracht proefondervindelijk worden vastgelegd. 18

25 HOOFDSTUK 5 CONCLUSIES Een predictie van een statische belastingproef in de Tweede Heinenoordtunnel is uitgevoerd. Twee locaties zijn beschouwd: nabij Meetring Noord en nabij Meetring Zuid. Per locatie is met een driedimensionaal eindige elementenmodel van de tunnel plus omringende grond berekend tot welke verplaatsingen, krachten, momenten en spanningen een belastingproef aanleiding geeft. Daarbij zijn drie belastingrichtingen beschouwd: verticaal, horizontaal en diagonaal. Het is gebleken dat de belastinggevallen leiden tot sterk overeenkomende responsies in de tunnel en bodem. De verschillen zijn gering, maar zowel in termen van vervormingen als spanningen is het belastinggeval verticaal maatgevend. De belastingproef bij Meetring Zuid leidt tot circa 10% grotere vervormingen dan bij Meetring Noord, hetgeen verklaard kan worden door een groter aandeel van slappe grondlagen in Meetveld Zuid. De statische belastingproef leidt tot geringe spanningsverhogingen in de bodem. In de tunnel zijn met name de buigende momenten veroorzaakt door de puntlasten van belang. Beoordeeld aan de hand van de reeds beschikbare meetresultaten van de twee meetringen kan gesteld worden dat de gekozen opzet van de statische belastingproef lokaal mogelijk tot overschrijding van de toelaatbare buigende momenten leidt. Het wordt daarom aanbevolen om bij uitvoering van de statische belastingproef de meetringen on-line te monitoren. Beginnend vanaf nul kan de vijzelkracht in kleine stappen worden verhoogd. Na elke stap kunnen de optredende buigende momenten en normaalkrachten in de meetring worden bepaald. Hiermee kan proefondervindelijk worden vastgelegd wanneer de vijzelkracht de ontwerpwaarden voor buigend moment en normaalkracht benaderd, waarmee tevens de maximaal toelaatbare vijzelkracht is bepaald. 19

26 LITERATUUR [1] C. B. M. Blom & G.P.C. van Oosterhout, Tweede orde evaluatie tunnelconstructie Tweede Heinenoordtunnel - Deel 2, K100 rapport K100-W-066, Gouda, november [2] C. B. M. Blom & G.P.C. van Oosterhout, Tweede orde evaluatie tunnelconstructie Tweede Heinenoordtunnel - Deel 1, K100 rapport K100-W-061, Gouda, juni [3] J. P. M. Bol, Projectvoorstel statische belastingproef, K100 rapport K100-W-049, Gouda, februari [4] G.P.C. van Oosterhout, Calibratie meetringen Tweede Heinenoordtunnel, TNO-rapport 97- CON-0333, Rijswijk, januari [5] D.A. Hordijk & F.B.J. Gijsbers, Laboratoriumproeven tunnelsegmenten, K100 rapport K100- W-026, Gouda, juni [6] TNO-rapport 96-CON-R0302 Specificatie van de instrumentatie ten behoeve van de meetringen in de Tweede Heinenoordtunnel, mei [7] Instrumentatie- en Meetplan, CUR/COB-rapport K100-01, CUR/COB-uitvoeringscommissie K100 Praktijkonderzoek Boortunnels, Gouda, maart

27 Volgnummer voor figuren: 0 Volgnummer voor tabellen: 13 21

28 BIJLAGE A: RESULTATEN MEETVELD NOORD FEMGV TNO Bouw 30 MAR 98 Model: NOORD LC1: Load case 1 Nodal DTX...G RESDTX Max/Min on model set: Max =.284E-2 Min =.893E-3 Factor = 249 Y Z X Figuur 1 Vervorming Meetring Noord bij verticale belastingproef. 22

29 FEMGV TNO Bouw 30 MAR 98 Model: NOORD LC2: Load case 2 Nodal DTX...G RESDTX Max/Min on model set: Max =.266E-2 Min =.833E-3 Factor = 266 Y Z X Figuur 2 Vervorming van Meetring Noord ten gevolge van belastingproef horizontaal. 23

30 FEMGV TNO Bouw 30 MAR 98 Model: NOORD LC3: Load case 3 Nodal DTX...G RESDTX Max/Min on model set: Max =.271E-2 Min =.849E-3 Factor = 261 Y Z X Figuur 3 Vervorming Meetring Noord bij diagonale belastingproef. 24

31 FEMGV TNO Bouw 30 MAR 98 Model: NOORD Def = 352 LC1: Load case 1 Nodal DTX...G RESDTX Max =.291E-2 Min = 0 Z Y X.282E-2.273E-2.264E-2.255E-2.246E-2.237E-2.228E-2.218E-2.209E-2.2E-2.191E-2.182E-2.173E-2.164E-2.155E-2.137E-2.127E-2.118E-2.109E-2.1E-2.91E-3.819E-3.728E-3.637E-3.546E-3.455E-3.364E-3.273E-3.182E-3.91E-4 Figuur 4 Vervorming van bodem ter plaatse van Meetring Noord ten gevolge van verticale belastingproef. 25

32 Figuur 5 Verticale verplaatsing als functie van de coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 26

33 Figuur 6 Axiale verplaatsing als functie van de coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 27

34 Figuur 7 Horizontale verplaatsing als functie van de coordinaat z, Meetring Noord, horizontale belastingproef. 28

35 Figuur 8 Axiale verplaatsing als functie van de coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 29

36 Figuur 9 Verplaatsingen op 135 graden als functie van de coordinaat z, Meetring Noord, diagonale belastingproef. 30

37 Figuur 10 Verplaatsingen op 315 graden als functie van de coordinaat z, Meetring Noord, diagonale belastingproef. 31

38 Figuur 11 Tangentiele normaalkrachten als functie van de polaire ring coordinaat ϕ, Meetring Noord. 32

39 Figuur 12 Tangentiele dwarskrachten als functie van de polaire ring coordinaat ϕ, Meetring Noord. 33

40 Figuur 13 Tangentiele buigende momenten als functie van de polaire ring coordinaat ϕ, Meetring Noord. 34

41 Figuur 14 Tangentiele normaalkrachten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 35

42 Figuur 15 Tangentiele dwarskrachten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 36

43 Figuur 16 Tangentiele buigende momenten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 37

44 Figuur 17 Tangentiele buigende momenten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, verticale belastingproef. 38

45 Figuur 18 Tangentiele normaalkrachten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, horizontale belastingproef. 39

46 Figuur 19 Tangentiele buigende momenten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, horizontale belastingproef. 40

47 Figuur 20 Tangentiele normaalkrachten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, diagonale belastingproef. 41

48 Figuur 21 Tangentiele dwarskrachten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, diagonale belastingproef. 42

49 Figuur 22 Tangentiele buigende momenten als functie van de axiale coordinaat z, Meetring Noord, diagonale belastingproef. 43

50 Volgnummer voor figuren: 0 Volgnummer voor tabellen: 13 44

51 BIJLAGE B: RESULTATEN MEETVELD ZUID FEMGV TNO Bouw 15 APR 98 Model: ZUID LC1: Load case 1 Nodal DTX...G RESDTX Max/Min on model set: Max =.319E-2 Min =.962E-3 Factor = 187 Y Z X Figuur 1 45

52 FEMGV TNO Bouw 15 APR 98 Model: ZUID LC2: Load case 2 Nodal DTX...G RESDTX Max/Min on model set: Max =.285E-2 Min =.904E-3 Factor = 209 Y Z X Figuur 2 46

53 FEMGV TNO Bouw 15 APR 98 Model: ZUID LC3: Load case 3 Nodal DTX...G RESDTX Max/Min on model set: Max =.305E-2 Min =.928E-3 Factor = 195 Y Z X Figuur 3 47

54 FEMGV TNO Bouw 15 APR 98 Model: ZUID Def = 350 LC1: Load case 1 Nodal DTX...G RESDTX Max =.319E-2 Min = 0 Z Y X.309E-2.299E-2.289E-2.279E-2.269E-2.259E-2.249E-2.239E-2.229E-2.219E-2.209E-2.199E-2.189E-2.18E-2.17E-2.15E-2.14E-2.13E-2.12E-2.11E-2.997E-3.898E-3.798E-3.698E-3.598E-3.499E-3.399E-3.299E-3.199E-3.997E-4 Figuur 4 48

55 Figuur 5 49

56 Figuur 6 50

57 Figuur 7 51

58 Figuur 8 52

59 Figuur 9 53

60 Figuur 10 54

61 Figuur 11 55

62 Figuur 12 56

63 Figuur 13 57

64 Figuur 14 58

65 Figuur 15 59

66 Figuur 16 60

67 Figuur 17 61

68 Figuur 18 62

69 Figuur 19 63

70 Figuur 20 64

71 Figuur 21 65

72 Figuur 22 66