Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond

Transcriptie

1 1 Kennis van constructieve toepassing van soilmix-wanden vastgelegd in handboek Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond Het soilmix-proces wordt in Nederland steeds vaker toegepast. Bij deze techniek wordt met behulp van een beitel-, avegaar- of freesmachine de bodem gemengd met een bindmiddel, vaak op basis van cement. Hiermee worden de eigenschappen van de bodem verbeterd. De techniek wordt niet alleen toegepast als grondverbeteringstechniek, maar ook bij de vorming van dragende wanden in grond- en waterkerende constructies: de zogenoemde soilmix-wanden. Door deze ontwikkeling ontstond de behoefte aan een praktisch toepasbare richtlijn Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond

2 ing. Oskar de Kok BodemBouw BV ir. Jeroen de Leeuw ConGeo BV 1 Toepassing soilmix-wand spooronderdoorgang Zutphensestraat Apeldoorn In de jaren zeventig werd in Japan het soilmix-proces geïntroduceerd als methode om grond te verbeteren. Tot aan het einde van de jaren tachtig werd deze techniek alleen in Japan en Scandinavië toegepast. Later deed de methode ook zijn intrede in de Verenigde Staten en Europa. Sinds het begin van deze eeuw wordt de soilmixtechniek ook gebruikt voor het vormen van constructieve elementen in grond- en waterkerende constructies van vooral bouwkuipen. Dit nieuwe toepassingsgebied kent een sterke groei in onder meer België en Nederland, vooral vanwege de economische en milieuvoordelen en het trillingsarme karakter van de methode. Bij deze constructieve toepassing worden stalen H- of I-profielen verticaal aangebracht in het verse soilmix-materiaal. Deze profielen fungeren als wapening om de sterkte en stijfheid van de wand te vergroten. Het soilmix-materiaal brengt door boogwerking de belasting over op deze profielen (zie onder kopje Ontwerp en fig. 6a). Aanleiding Handboek Soilmix-wanden Door de groei van de toepassing van de techniek ontstond vanuit de markt een steeds groter wordende behoefte aan een praktisch toepasbare richtlijn voor het ontwerp en de uitvoering van soilmix-wanden. Temeer omdat de bestaande richtlijnen en normen voor de van oorsprong toegepaste deep mixing techniek (o.a. NEN-EN 14679) weinig soelaas bieden voor deze nieuwe toepassingen. In België werd als antwoord hierop door het Belgische WTCB (Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf) in samenwerking met de ABEF en KU Leuven een uitgebreid onderzoeksprogramma opgezet om het materiaal soilmix te karakteriseren. Aanvullend is vanuit een unieke samenwerking tussen WTCB en SBRCURnet de afgelopen drie jaar gewerkt aan het Handboek Soilmix-wanden ontwerp en uitvoering. Dit handboek beschrijft alle aspecten die van toepassing zijn op de constructieve toepassing van het systeem. In het boek is in beide landen de beschikbare kennis gebundeld. In dit artikel worden enkele belangrijke onderdelen uit deze nieuwe publicatie belicht. Opbouw soilmix-wand Bij het soilmix-proces wordt de aanwezige grondslag vermengd met een nat mengsel van grout. De grond wordt in situ mechanisch (en eventueel hydraulisch of pneumatisch) gemengd, waarbij het grout wordt geïnjecteerd met behulp van een speciaal ontwikkelde machine. Omdat de grondslag een belangrijk bestanddeel vormt, is het van belang dat een geschikte grondslag aanwezig is. De beste grondslag is zand. Ook in leem en slappe klei worden goede resultaten geboekt. Grove grindlagen en veenlagen moeten voorafgaand aan de uitvoering worden beoordeeld op geschiktheid. Vaste kleilagen vergen meer tijd ten behoeve van de menging en een specifieke aanpassing van het mixsysteem. Begeleidingscommissie De samenstelling van de SBRCURnet/WTCB-begeleidingscommissie staat op Het grout in het soilmix-mengsel dient als bindmiddel. Dit grout bestaat uit cement en andere toevoegingen en soms ook bentoniet. De grootte van de behaalde druksterkte is afhankelijk van de aanwezige grondsoort, maar ook van de hoeveelheid toegediend bindmiddel. Dit ligt meestal in de orde van 250 tot 500 kg per m 3 gerealiseerde soilmix bij een water-bindmiddelfactor van circa 0,6 à 1,2. Hiermee wordt een karakteristieke druksterkte van uiteindelijk 1 à 12 N/mm 2 gerealiseerd (grote marge vanwege de grote invloed van de grondkarakteristiek). Aan het bindmiddel-watermengsel wordt vaak een hoeveelheid bentoniet toegevoegd (20 tot 50 kg per m 3 gerealiseerde soilmix) om de verwerkingseigenschappen te verbeteren. Dit bentoniet zorgt tevens voor een beperking van de uiteindelijke waterdoorlatendheid. Nadat een sleuf gevuld met het slurrymengsel is gevormd, worden hierin stalen H- of I-profielen afgehangen. Als zodanig ontstaat een gewapend soilmix-element (paneel of kolom). Vervolgens wordt op enige afstand een volgend element gemaakt. Door hierna een (secundair) element te storten tussen de al aanwezige (primaire) soilmix-elementen, wordt een doorgaande wand gerealiseerd (fig. 3 en 4). Bij toepassing van een kettingfrees wordt in één keer een doorgaande wand gerealiseerd (zie onder kopje Verschillende uitvoeringsmethoden ). Voordelen van toepassing van soilmix-wanden zijn: beperkt ruimtegebruik bij uitvoering; geen trillingsoverlast; minimale geluidsoverlast; minimale transportbewegingen door het gebruik van aanwezige grond; duurzame methode door minimaal gebruik van externe grondstoffen; mogelijk gebruik van de soilmix-wand als permanente constructie. Als nadelen/aandachtspunten worden genoemd: lagere bouwsnelheid dan een getrilde damwand (al is dat geen trillingsvrij systeem); niet in elke grondslag het meest geschikt: dikke klei- en veenlagen en ook grindlagen vergen een deskundige beoordeling van de toepasbaarheid; ervaringen met langetermijngedrag ontbreken; onbekendheid van het systeem bij controlerende partijen. Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond

3 2 Drie functies van een soilmix-wand 3 Kolomwand 4 Paneelwand 5 Doorgaande wand aangebracht door een kettingfrees functie A: tijdelijke grondkerende soilmix-wand 2 3 functie B: permanente grondkerende soilmix-wand primaire soil mix -kolom primaire kolom secundaire kolom secundaire soil mix -kolom functie C: tijdelijke waterkerende en grondkerende soilmix-wand > 6 cm of > D/8 Toepassingsgebied Bij het toepassen van een soilmix-wand is het als eerste van belang vast te stellen wat de functie is van de wand in het betreffende ontwerp. In het handboek is een opdeling gemaakt in acht functies A t.m. H. Functies A t.m. C zijn als voorbeeld in figuur 2 weergegeven. Het onderscheid in functie A t.m. H bestaat uit tijdelijk of permanent grondkerend en/of waterkerend, verticaal dragend of waterremmend (polder). Eén en dezelfde wand kan uiteraard verschillende functies al dan niet samen vervullen. Het is vanzelfsprekend dat de eisen die worden gesteld aan een soilmixwand afhankelijk zijn van de functie en voorziene levensduur. Een tijdelijke functie betekent in de praktijk dat de levensduur van de wand minder dan twee jaar bedraagt. Indien de levensduur van de wand groter is dan twee jaar, spreekt men van permanente (of definitieve) soilmix-wanden. Voor permanente toepassingen worden er bijzondere eisen gesteld aan de duurzaamheidsaspecten en moeten, afhankelijk van de uitvoeringswijze en de toepassing, bijkomende voorzieningen en/of maatregelen worden getroffen. Dit is nodig opdat de wand zijn functie gedurende de voorziene levensduur kan vervullen. Dit vertaalt zich in een aantal randvoorwaarden en aandachtspunten voor het soilmix-materiaal, het ontwerp en de kwaliteitsbeheersing. Deze zijn per functie A t.m. H in het handboek weergegeven. Verschillende uitvoeringsmethoden Op basis van het verschil in menginstallatie kan onderscheid worden gemaakt in drie typen soilmix-wanden: 1 kolomwanden (fig. 3); 2 paneelwanden (fig. 4); 3 wanden aangebracht door middel van een kettingfrees (fig. 5). primair paneel > 10 cm secundair paneel Kolomwanden worden aangebracht door één of meer boorbeitels of avegaars verticaal in de bodem te boren. Paneelwanden worden aangebracht door een frees de grond in te brengen. Gelijktijdig met het boren of het frezen wordt het bindmiddelwatermengsel geïnjecteerd, waardoor dit met de grond wordt gemengd. De staalprofielen worden direct na het frezen ingebracht. Ook kunnen wanden worden aangebracht door middel van een kettingfrees waarmee de grond mechanisch wordt vermengd met het bindmiddel, waarmee in één werkgang een doorgaande wand wordt verkregen. Door middel van deze methode worden voornamelijk waterremmende wanden gemaakt. Eventueel kunnen ook hier staalprofielen in de wand worden geplaatst, zodat ook grondkerende en constructieve toepassingen tot de mogelijkheden behoren Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond

4 beweging van de kettinggraaf machine 4 de verhardingsomstandigheden: temperatuur, ouderdom, vochtigheid; 5 de eventuele aanwezigheid van verontreinigingen of brak water. aanwezige bodem soilmix-sleuf = soilmix-scherm = soilmix-materiaal In het handboek is een overzicht van druksterkten weergegeven die zijn vastgesteld door het WTCB. Deze druksterkten zijn enkel indicatief en informatief. Het is aan de ontwerper de druksterke in te schatten. Het beste kan de ontwerper hiertoe informatie opvragen bij de beoogde uitvoerende partij. 5 Voor soilmix-wanden, uitgevoerd met deze drie methoden, gelden in Nederland en België de volgende karakteristieke afmetingen: de diameter van een soilmix-kolom bedraagt meestal 0,4 tot 0,6 m (in bepaalde gevallen kan deze oplopen tot 1,2 m); een veelvoorkomende lengte voor soilmix-panelen bedraagt 2,2 tot 2,8 m; de dikte van een soilmix-paneel bedraagt doorgaans 0,55 m; andere dikten zijn evenwel ook mogelijk; de dikte van de soilmix-sleuf verkregen met de kettingfrezen varieert in het algemeen tussen 0,35 en 0,50 m; de uitvoeringsdiepte voor soilmix-kolommen en panelen bedraagt meestal minder dan 20 m, maar grotere diepten zijn evenwel mogelijk; de uitvoeringsdiepte met de kettingfrees is, in verband met beperkingen van de machine, begrensd tot maximaal circa 12 m. Vooronderzoek druksterkte In het handboek is aangegeven dat verschillende vooronderzoeken nodig zijn om informatie te verzamelen voor de dimensionering en uitvoering van een soilmix-wand. Zo moet worden bepaald of er in de ondergrond aanwijzingen zijn die gevolgen hebben op de uitvoering en dimensionering van de wand. Omdat de druksterkte vooraf onbekend is, moet een realistische inschatting worden gemaakt van de te verwachten sterkte van het soilmix-materiaal. Achteraf moet deze waarde worden getoetst door middel van proefboringen. De ontwerper moet zich bewust zijn van het feit dat deze druksterkte en de aanwezige uniformiteit/heterogeniteit door talrijke parameters worden beïnvloed. De invloedsparameters zijn: 1 de grondkarakteristieken: grondsoort, ph, watergehalte; 2 het bindmiddel: type, additieven, dosering en water-bindmiddelfactor; 3 de mixmethode: apparatuur, mixenergie, graad van homogenisering; Ontwerp Het ontwerp van de soilmix-wand kan globaal worden opgesplitst in drie berekeningsonderdelen: 1 bepaling van de stabiliteit, vervorming en krachtswerking onder invloed van de aanwezige korrel- en waterdrukken en eventuele extern aangrijpende belastingen; 2 toetsing van de maatgevende snedekrachten aan de sterkte van de wand; 3 toetsing van overige van belang zijnde onderdelen, zoals stempelramen en verankeringen. Voor het bepalen van de benodigde wandlengte in de grond, de optredende vervormingen van de wand en de bijbehorende maximale momenten en dwarskrachten wordt voor de Nederlandse situatie aangesloten bij de berekening conform CUR-publicatie 166: Damwandconstructies en Eurocode 7. Het te hanteren stappenplan voor de toetsingsberekening en de bijbehorende veiligheidsfilosofie is in het handboek hieruit overgenomen. Stijfheid Specifieke input betreft de horizontale buigstijfheid van de wand. Deze wordt bepaald op basis van een volledige samenwerking tussen het staal en het soilmix-materiaal. Ter bepaling van deze samengestelde effectieve buigstijfheid EI eff zijn in het handboek twee methoden aangedragen. methode 1: EI eff berekend als het gemiddelde van de ongescheurde stijfheid EI-1 en de gescheurde stijfheid EI-2; methode 2: EI eff berekend als de som van de stijfheid van de wapening en de stijfheid van de gedrukte soilmix-zone. De SBRCURnet/WTCB-begeleidingscommissie (zie kader) heeft deze methoden als voldoende representatief beschouwd voor bepaling van de vervorming voor normale situaties. Voor de elasticiteitsmodulus van het soilmix-materiaal is een relatie gegeven, afhankelijk van de gemiddelde druksterkte (f sm,m ) van het materiaal. E sm = 1482 f sm,m 0,8 Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond

5 6a en 6b Afdracht van de drukken via drukbogen evenwicht wordt geleverd door de naastgelegen drukboog 6a c 1 of c 2 dekking profiel a = overspanning drukboog = hoh profielen d bg = dikte z bg = pijl drukboog h bg = hoogte tot buitenkant korrel- en waterdruk evenwicht wordt geleverd door de naastgelegen drukboog Sterkte drukboogsysteem De korrel- en waterdrukken worden via het soilmix-materiaal afgedragen naar de staalprofielen. Hierbij ontstaat een drukboog in de wand, waarbij evenwicht wordt verkregen door de naastgelegen boog (fig. 6a en 6b). Dit is mogelijk indien sprake is van een gedrongen constructie. In Eurocode 2 is aangegeven dat de overspanning van de boog, en hiermee de h.o.h.-afstand van de profielen, beperkt moet zijn tot maximaal 3 de hoogte van de boog. Hoe dit model werkt bij uitwendige hoeken wordt behandeld in het handboek. Op basis van de berekende geometrie van de boog zijn de optredende spanningen te bepalen. Deze worden getoetst aan de toelaatbare spanningen σ Rd gegeven voor staafwerkmodellen in Eurocode 2. 6b Deze relatie is afgeleid op basis van uitgebreid onderzoek door het WTCB. Het betreft een vuistregel bij een normaalspanning van 10 à 30% van de druksterkte en zonder kruipeffecten. De kruipfactor moet conform het handboek apart worden meegenomen. Sterkte De berekeningsmethodiek van de sterkte van de wand is toegespitst op de toepassing van stalen H- en I-profielen als wapening in de wand. De sterkte van de wand wordt bepaald door: 1 materiaaleigenschappen van de wand; 2 sterkte van het aanwezige drukboogsysteem; 3 sterkte van de samengestelde constructie van staalprofiel en soilmix-materiaal. Materiaaleigenschappen wand Voor de materiaaleigenschappen van het soilmix-materiaal zijn in het handboek relaties gegeven die zijn gerelateerd aan de druksterkte. Dit betreft de treksterkte, schuifsterkte en afschuifsterkte tussen staal en soilmix-materiaal. Deze relaties zijn gebaseerd op de rekenregels conform Eurocode 2 en 4. Voor de schuifsterkte (en ook voor bovengenoemde elasticiteitsmodulus) is een relatie gegeven die hiervan afwijkt. Deze zijn afgeleid uit onderzoek, dat onder andere door het WTCB is uitgevoerd. Voor de staaleigenschappen wordt verwezen naar Eurocode 3. Sterkte samengestelde constructie Ter bepaling van de sterkte van de samengestelde constructie van het staalprofiel en het soilmix-materiaal geeft het handboek een rekenmethodiek gebaseerd op Eurocode 4. Hierbij wordt een M-N-interactiediagram bepaald (fig. 7). Van belang is hierbij de meewerkende breedte van de soilmix-wand waarmee mag worden gerekend. In het handboek zijn hiervoor criteria aangegeven. Eén daarvan is dat voor permanente wanden in principe niet met een afschuifsterkte tussen het staal en het soilmix-materiaal wordt gerekend. Slechts onder bepaalde omstandigheden, zoals een bescherming van de wand tegen klimatologische invloeden, kan een opdrachtgever toestemming geven met een beperkte afschuifsterkte te rekenen. Hydraulische weerstand Naast de functie van grondkering heeft de soilmix-wand ook met grote regelmaat een waterkerende functie. Hierbij is de doorlatendheid (k-waarde) van het soilmix-materiaal bepalend. De range van deze waarde ligt globaal tussen en m/s. Bij toepassing van een soilmix-wand in een bouwkuip blijkt dat het soilmix-materiaal bijzonder goed waterkerend is. In de praktijk komt het voor dat er soms enig water de bouwkuip inkomt bij krimpscheuren en op plaatsen met verschil in vervormingen zoals uitwendige hoeken. De krimpscheuren kunnen zweetplekken op de wand geven. Ter plaatse van uitwendige hoeken, waar verschilvervormingen aanzienlijk kunnen zijn, kan een verticale scheur ontstaan. Indien nodig moeten aanvullende maatregelen worden getroffen om de scheurwijdte te beperken, zoals het plaatsen van een hoekschoor aan de bovenzijde van de soilmix-wand. Indien de soilmix-wand specifiek wordt toegepast als ongewapende dichtwand, moet er gedegen onderzoek worden gedaan naar de vervormingen. Zo nodig kan de wand worden voorzien van een folie. Verdere toelichting hiervan is terug te vinden in het handboek Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond

6 7 Bepaling M-N-interactiediagram A f sd N pl, Rd N B h f n sd N pl, Rd A Uitvoering Tijdens de uitvoering is het van belang minimaal de beoogde kwaliteit te behalen van de soilmix-wand zoals deze in het ontwerp is meegenomen. De belangrijkste aspecten met betrekking tot het uitvoeringsproces die invloed hebben op het eindproduct van het soilmix-materiaal zijn: de aanwezige grond waarin wordt gefreesd; het toegepaste bindmiddel en de hoeveelheid; het mixprocédé, aantal op- en neergaande bewegingen; ervaring van de uitvoerder; mengenergie. N pm, Rd 0,5 N pm, Rd 7 C D B M M pl, Rd M max, Rd C D 2h n h n h f n sd 2h n h n f sd M pl, Rd M pl, Rd N pm, Rd M max, Rd N pm, Rd 2 Na het vervaardigen van de soilmix-wand kunnen stalen profielen als wapening in de wand worden geplaatst. De profielen moeten bij voorkeur op eigen gewicht, dus zonder te drukken, worden ingebracht. De bovenzijde van het profiel kan zowel boven als onder werkniveau worden geplaatst. Aandachtspunten zijn hierbij de positie en oriëntatie van de profielen. De plaatsingstolerantie van profielen bedraagt normaliter circa 50 mm. In speciale gevallen waarbij de staalprofielen nauwkeuriger moeten worden geplaatst (plaatsingstolerantie van circa 25 mm), kan er worden gewerkt met een vooraf geplaatst frame. Kwaliteitsbeheersing Voor aanvang van de werkzaamheden moet een kwaliteitsplan worden opgesteld waarin het aantal en de frequentie van de controles gedurende en na de uitvoering zijn vastgelegd. Een voorwaarde is dat controle van het uitvoeringsproces en registratie van de uitvoeringsparameters plaatsvindt, onafhankelijk van het toepassingsgebied. Dit toepassingsgebied van de wand is wél van belang bij de bepaling van het type en het aantal benodigde proeven om de aangenomen karakteristieken (bijv. druksterkte) van de gerealiseerde wand te controleren. Deze controle moet worden uitgevoerd, voordat de wand maximaal wordt belast. Er moeten monsters worden genomen om de materiaaleigenschappen te verifiëren. Aantal te beproeven monsters, afmetingen monsters, locatie monstername en mogelijk toe te passen technieken, zijn alle beschreven in het handboek. Duurzaamheid Zeker met betrekking tot langetermijntoepassingen van soilmixwanden, is duurzaamheid van soilmix-materiaal een belangrijk onderwerp. Enerzijds betreft de duurzaamheid alle aspecten die gerelateerd kunnen worden aan de evolutie en/of degradatie van de eigenschappen (sterkte, doorlatendheid of ph) van het soilmix-materiaal zelf. Anderzijds betreft het de situatie van de duurzaamheid van soilmix gerealiseerd in verontreinigde grond. In beide gevallen kan er bovendien een invloed zijn op corrosie of een verhoogde corrosiesnelheid van het wapeningsstaal. Langdurige ervaring met de duurzaamheid van soilmix-wanden is momenteel nog niet voorhanden. Voor potentiële schademechanismen is in het handboek een overzicht gegeven, op basis van bestaande inzichten op het gebied van betontechnologie. Tot slot Het is de overtuiging van de begeleidingscommissie dat dit handboek aansluit op de wens van de markt. Het is een degelijk, semiwetenschappelijk onderbouwd en praktisch toepasbaar handboek, dat draagvlak biedt voor de toepassing van de soilmixtechniek bij het ontwerp, de realisatie en het beheer van grondkerende, waterkerende en waterremmende wanden. Het vormt bovendien de basis voor de verdere ontwikkeling en mogelijk nieuwe toepassingsgebieden van deze innoverende en duurzame techniek, die inmiddels haar brede economische toepasbaarheid heeft bewezen. LITERATUUR 1 CUR/WTCB Handboek Soilmix-wanden ontwerp en uitvoering, voorlopige versie februari 2016 zie 2 NEN-EN Eurocode 4: Ontwerp en berekening van staalbetonconstructies Deel 1-1: Algemene regels en regels voor gebouwen, Ganne, P., Huybrechts, N., De Cock, F., Lameire, B., Maertens, prof J., Soilmix-wanden als kerende constructies kritische analyse van de ontwerpparameters van het materiaal, Geotechniek, juli Beschikbaarheid De definitieve, gedrukte uitgave van het handboek Soilmixwanden ontwerp en uitvoering wordt verwacht in de zomer van Kijk voor meer informatie en de bestelmogelijkheid op Soilmix-wanden krijgen vaste voet aan de grond