Damwandproef Raamsdonkveer: observaties tijdens het in- en uittrillen van damwanden

Transcriptie

1 P. Meijers Deltares A.F. van Tol Technische Universiteit Delft, Deltares Damwandproef Raamsdonkveer: observaties tijdens het in- en uittrillen van damwanden Samenvatting Bij het in- en uittrillen van damwanden treedt vaak maaiveldzakking op. Deze zakking kan nadelige gevolgen hebben voor objecten in de omgeving, zoals leidingen, gebouwen, wegen en spoorwegen. Voor de validatie van een nieuw model om deze zakkingen te voorspellen is een goed geïnstrumenteerde damwandproef uitgevoerd. In dit artikel worden de achtergrond van de damwandproef, de proefopzet en de meest interessante meetresultaten beschreven. gepresenteerd. In een komend artikel zal het rekenmodel en de validatie uitgebreid worden beschreven. Figuur 1 Uitvoering damwandproef, een deel van de instrumentatie is zichtbaar aan de linkerkant van de geleidebalk. Inleiding Damwanden worden veel gebruikt voor de verticale begrenzing van bouwputten. Vergeleken met andere technieken als diepwand, palenwand, grondinjectie en grondbevriezing zijn ze relatief goedkoop, eenvoudig te plaatsen en terug te winnen. In- en uittrillen van damwanden gaat gepaard met, zoals de naam van de methode al aangeeft, trillingen. Het opleggen van trillingen is in de weg- en waterbouw een beproefde methode om zand te verdichten. Daarbij is de verdichting een gewenst resultaat. Bij het in- en uittrillen van damwanden is verdichting vaak juist niet gewenst. Verdichting leidt namelijk tot zakking van het maaiveld. Dit kan weer tot schade tot gevolg hebben zoals verzakking van wegen en spoorwegen, scheurvorming in gebouwen en breuk van leidingen. Dit aspect is onderwerp geweest van diverse onderzoeken, zie bijvoorbeeld [Hergarden, Tol 1], [Nijs 3], [Meijers 4] en [Meijers 7]. Dit heeft geresulteerd in een aantal modellen om de zakking te kunnen voorspellen. Ook in het buitenland zijn door diverse onderzoekers modellen ontwikkeld om de zakking te voorspellen [Drabkin et al. 1996], [Massarsch 199], [Massarsch 4], [Bement, Selby 1997]. In dit artikel wordt ingegaan op een uitgebreide veldmeting in Raamsdonksveer die gebruikt is om een nieuw rekenmodel [Meijers 7] te valideren. Eerst wordt kort het rekenschema van het nieuwe rekenmodel beschreven. De belangrijkste resultaten van de damwandproef worden Globale beschrijving van de deelmechanismen Het nieuwe model gaat uit van de zogenaamde 'bron-pad-object' benadering. Figuur toont het schema. Het proces dat uiteindelijk tot verdichting leidt kan worden opgedeeld in een aantal deelprocessen. Deze zijn (voor de nummering zie ook figuur ): 1. Overdracht van trillingen (schuifspanningen) vanuit de plank naar de omgeving, aangezien het de bedoeling is dat de plank in de grond zakt kan worden aangenomen dat op het grensvlak plank-grond de bezwijkspanning wordt overschreden.. Voortplanting van de trillingen in de ondergrond. 3/4. De trillingen veroorzaken een verdichting van het korrelskelet, onder de grondwaterstand zal in eerste instantie een opbouw van wateroverspanning optreden. 5. Een eventuele wateroverspanning dissipeert, waardoor het grondvolume afneemt. 6. Het volume van de damwand veroorzaakt ook een grondverplaatsing, bij het plaatsen van de damwand compenseert deze het volumeverlies door verdichting, bij het verwijderen van de damwand geeft dit een extra volume verlies. 7. De grond zal zakken om het volumeverlies te compenseren, met als gevolg een maaiveldzakking. Op basis van deze beschrijving is een rekenmodel opgezet [Meijers 7]. In dit model zijn voor de verschillende subprocessen deelmodellen opgezet. Dit model zal in een komend artikel uitgebreider worden beschreven. Opzet damwandproef Voor de validatie van het rekenmodel is in 4 GEOtechniek april 9

2 oktober 4 te Raamsdonksveer een damwandproef uitgevoerd. De instrumentatie tijdens de proef is zodanig gekozen dat de zoveel mogelijk de verschillende deelprocessen uit figuur gevalideerd kunnen worden. Dit heeft geleid tot de volgende metingen: - versnelling damwand ( versnellingsopnemers) - tijd waarin de planken worden geplaatst en verwijderd (draad extensometer) - versnelling op maaiveld en op diepte (17 versnellingsopnemers) - wateroverspanning (4 waterspanningsmeters) - verandering locale dichtheid (4 elektrische 7 dichtheidssondes) - verandering conusweerstand (33 sonderingen) 5 - verloop waterspanning in de tijd (4 opnemers) - zakking maaiveld (3 maaiveldpiketten) - zakking op diepte (8 vastpunt conussen). Figuur 3 toont schematisch de plaats van de diverse opnemers op diepte. 6 m 3,4 Tijdens de proef zijn dubbele damwandplanken (5 maal AZ6 en 5 maal Larssen 65) met een lengte van 15 m trillend geplaatst en getrokken. De triltijd voor installeren was 4 à 5 minuten per plank, voor verwijderen was ongeveer 3 minuten per plank nodig. Na verwijderen van de stalen damwand zijn ook 3 betonnen Spanwand elementen in de grond getrild en verwijderd. Ten behoeve van dit gedeelte zijn extra maaiveldpiketten geplaatst en extra sonderingen uitgevoerd. De resultaten worden hier niet besproken, verwezen wordt naar [Meijers, Tol 7]. Figuur Schema met deelprocessen die maaiveldzakking geven, voor een verklaring van de nummers wordt naar de tekst verwezen Tmv3 Tmv Tmv Qc [MPa] ed1 De ondergrond ter plaatse is als volgt te beschrijven. De toplaag bestaat uit ophoogzand. ed3 Daaronder bevindt zich ongeveer 1 m klei. Daaronder bevindt zich tot ongeveer NAP - 11 m vp7 vp5 vp3 vp1 middelvast zand, gevolgd door vast zand. Figuur 3 toont een representatieve sondering. Td3 ed4 Td Td1 ed -8 Hierna zullen de meest relevante meetresultaten -1 worden gepresenteerd en besproken. Binnen vp8 vp6 vp4 vp het kader van dit artikel is het niet mogelijk alle meetresultaten te bespreken. Gemeten zakking De zakking van op maaiveld is gemeten in 5 meetraaien, met op iedere meetraai een meetpunt op.5 m, 1.5 m, 3 m, 5 m, 1 m en 15 m uit de voorkant van de damwand. De zakking op diepte is gemeten op.5 m, 1.5 m, 3 m en 5 m uit de voorkant van de damwand. Voor de meting van de zakking op diepte zijn zogenaamde vastpuntconussen gebruikt. Dit zijn gemodificeerde mechanische conussen die tot een bepaalde diepte worden weggedrukt. Daarna wordt de Niet op schaal CPT vp Plaats sondering Vastpunt conus Waterspanningsmeter ed Tmv Td Figuur 3 Plaats opnemers op diepte. Elektrische dichtheidsmeting Trillingsopnemer op maaiveld Trillingsopnemer op diepte GEOtechniek april 9 41

3 buitenstang gedeeltelijk getrokken. Deze fungeert daarna als mantelbuis voor de binnenstang zodat de punt de verticale beweging van de grond op puntniveau kan volgen. In figuur 4 zijn de zakkingen op drie niveaus (maaiveld, 7 m onder maaiveld en 11 m onder maaiveld) weergegeven. Om een goed ruimtelijk inzicht te krijgen zijn de zakkingslijnen verschoven, zodanig dat het nulniveau van de zakking overeen komt met het niveau waarop de opnemers zijn geplaatst. Vlakbij de damwand is de maaiveldzakking na intrillen ongeveer 3 cm. Tijdens het uittrillen neemt de maaiveldzakking vlak bij de damwand toe met ongeveer 5 cm. In de zakkingslijnen is het punt waar de zakking ongeveer nul is te schatten. Door deze punten te verbinden is er een lijn te trekken waar de zakking nul is. Twee zaken vallen op in deze figuren. Uit deze vergelijking volgt dat tijdens deze proef bij het intrillen de meeste verdichting optreedt maar dat de zakking gedeeltelijk wordt gecompenseerd door het volume van de damwand. Bij het uittrillen is er een omgekeerd effect. Er treedt bijna geen extra verdichting op maar de zakking is groter omdat nu ook het verwijderde volume van de damwand moet worden gecompenseerd. Bij de laatste conclusie moet nog wel een kanttekening worden geplaatst. Tijdens de proef is er niet ontgraven zodat er in de grond ook geen spanningsveranderingen zijn opgetreden. Denkbaar is dat bij een echte bouwput zich achter de damwand bij het ontgraven actieve gronddrukken ontwikkelen die de grond plaatselijk plastisch maken. Hierdoor kan het opgebouwde effect van preshearing (het feit dat de structuur van het korrelskelet is veranderd door de verdichting bij het plaatsen van de damwand) gedeeltelijk teniet worden gedaan. Dit aspect verdient nader onderzoek. Na afloop van de proef is gekeken of ook visueel een maaiveldzakking was te zien. Ondanks het feit dat er bijna 8 cm zakking is opgetreden en er ter plaatse van het meetveld geen verstoring is opgetreden door bouwverkeer e.d. was het alleen met de wetenschap dat er zakkingen zijn opgetreden iets van een zakking te zien. De grootte was visueel niet te schatten. Het is daarom waarschijnlijk dat in de praktijk naast de damwand regelmatig zakkingen van 5 à 1 cm optreden zonder dat dit wordt opgemerkt. Gemeten verandering dichtheid zand De verandering van de dichtheid van het zand tijdens de proef is gemeten met een elektrische dichtheidsmeting. Bij deze meting wordt de elektrische weerstand van de grond gemeten. Het principe van deze meting is dat water de elektriciteit goed geleidt en kwarts niet. Als de dichtheid toeneemt (wat hetzelfde is als een Tabel 1 Volume balans. Volume [m 3 /m] Na plaatsen Na verwijderen T.g.v. verwijderen zakkingstrog *.78 *.34 *.156 damwand verdichting zand ,5 cm 5 cm -7 zakking [cm] -7 Diepte [m+m.v.] nazakken 6,5 cm 4,5 cm cm 5 cm -17 α Afstand tot hartlijn damwand [m] verdichtingszone Figuur 4 Gemeten zakking op maaiveld en op diepte door plaatsen en door verwijderen. Links: zakking door plaatsen. Rechts: zakking door verwijderen. Totale zakking is de som van beide figuren. Figuur 5 Vertaling lokale verdichting naar maaiveldzakking. 4 GEOtechniek april 9

4 Diepte [m+nap] Damwandproef Raamsdonkveer: observaties tijdens het in- en uittrillen afname van de porositeit) zal de elektrische weerstand toenemen. In figuur 6 is de uit de dichtheidsverandering afgeleide volumerek gepresenteerd. De dichtheidsmetingen op korte afstand van de wand (opnemers ed-1 en ed, geplaatst op ongeveer,3 m uit de voorkant van de damwand) geven een volumerek van ongeveer 3% tijdens het intrillen. Tijdens het uittrillen komt daar nog ongeveer 1% bij. De verdichting treedt op als de damwandplanken direct naast de opnemer worden geplaatst of verwijderd. De opnemers ed-3 en ed, op m uit de damwand geven praktische geen volumeverandering aan. Hieruit volgt dat de verdichting optreedt in een beperkte zone direct naast de damwand. Figuur 7 Sonderen op korte afstand van de damwand. Verandering conusweerstand Na het intrillen en na het uittrillen van de damwanden zijn op verschillende afstanden vanaf de damwand nasonderingen uitgevoerd. In figuur CPT r,5 m 1 m 1,5 m 3 m 5 m Volumerek [%] -3 ed -1 ed ed -3 ed : 1 1: 18: 1-1 Datum en tijd -1 Volumerek [%] -1-3 ed -1 ed ed -3 ed : 1: 18: : 6: 1: 18: Datum en tijd Conus weerstand [MPa] Figuur 6 Gemeten volume rek, tijdstip van plaatsen of verwijderen damwanden is aangegeven met een verticale pijl. Figuur 8 Verandering conusweerstand door het plaatsen van de damwand (r is de afstand tot dagzijde damwand). GEOtechniek april 9 43

5 worden de nasonderingen vergeleken met sonderingen die voorafgaand aan de proef zijn gemaakt. De zwarte en grijzen lijnen vertegenwoordigen de sonderingen die vooraf zijn gemaakt. De gekleurde lijnen vertegenwoordigen de nasonderingen. De kleurkeuze komt overeen met de kleuren van de regenboog, waarbij rood de nasondering vlak bij de wand is en blauw de nasondering op 5 m afstand van de wand. Duidelijk is te zien dat de conusweerstand is afgenomen. De afname is het grootst vlak bij de wand. Op ongeveer 5 m afstand is er praktische geen verschil meer in de oorspronkelijke conusweerstand en de nasondering. Deze afname van de conusweerstand is opmerkelijk. Alle andere metingen wijzen op verdichting zodat het niet waarschijnlijk is dat de afname het gevolg is van een afname van de dichtheid. Een andere reden waardoor de conusweerstand kan afnemen is een afname van het spanningsniveau. Een afname van de verticale korrelspanning zou verklaard kunnen worden uit een nog aanwezige wateroverspanning of uit het hangen van de grond aan de damwand. De uitgevoerde waterspanningsmetingen (hier niet gepresenteerd) geven aan dat de wateroverspanning binnen 1 minuut na het beëindigen van het intrillen is verdwenen. De tweede verklaring is ook onwaarschijnlijk. Als de grond na het intrillen nog aan de wand hangt geeft dit een afname van de verticale spanning geven. Als deze hypothese juist is zou er na het uittrillen geen afname van de conusweerstand mogen zijn, er is immers geen wand meer waaraan de grond kan hangen. Bij sonderingen na het verwijderen van de damwand wordt echter ook een afname van de conusweerstand gevonden zodat deze hypothese moet worden verworpen. Een derde mechanisme is dat door het trillen de horizontale spanning afneemt. Een afname van de horizontale spanning kan worden verklaard uit de verdichting van het zand. Als de volumerek isotroop is dan wil de grond niet alleen verticaal maar ook horizontaal krimpen. Vanuit continuïteit kan dit niet en dus zal de grond in horizontale richting ontspannen. Tijdens de proef zijn de horizontale spanningen niet gemeten zodat deze hypothese noch bewezen noch afgewezen kan worden. Een indicatie voor dit gedrag wordt gevonden bij de metingen van White en Lehane [White, Lehane 4]. Zij voerden modelproeven uit met cyclisch axiaal belaste paaltjes waarbij de horizontale spanning op het paaltje is gemeten. Uit hun metingen blijkt dat de horizontale spanning tijdens de proef sterk afneemt. Uit deze conclusie volgt tevens dat niet alleen het ontstaan van wateroverspanningen de reden is dat trillen een effectieve methode is om damwandplanken te installeren. Ook een afname van de horizontale korrelspanning (anders gezegd: een afname van de K waarde) nabij de plank draagt bij aan het verminderen van de grondweerstand tijdens het intrillen. Ook na het verwijderen van de planken zijn sonderingen gemaakt. Deze vertonen globaal hetzelfde beeld als de sonderingen na het plaatsen van de damwand. Denkbaar is dat in de loop der tijd door kruip de horizontale spanning, en daarmee de conusweerstand, weer oploopt. Bij de proef zijn geen sonderingen enige maanden na afloop uitgevoerd, zodat deze hypothese hier niet kan worden onderbouwd. Conclusies Uit de hier gepresenteerde meetresultaten kunnen de volgende conclusies worden getrokken: Bij in- en uittrillen van damwanden wordt de zakking niet alleen bepaald door verdichting maar ook door het ingebrachte of verwijderde volume van de damwand. In middelvast zand is de zone met verdichting beperkt (naar schatting,5 à 1m), de breedte van de zakkingstrog komt ongeveer overeen met een actief glijvlak vanuit de teen van de damwand, vermeerderd met de breedte van de verdichtingszone. De grootste zakking hoeft niet op maaiveld op te treden maar kan, afhankelijk van de grondopbouw, ook op enige diepte optreden. Verdichting betekent niet automatisch dat de conusweerstand toeneemt. Naast de optredende wateroverspanningen is waarschijnlijk een afname van de horizontale gronddrukcoëfficiënt mede de reden dat intrillen van damwanden een efficiënte methode is. Afsluiting De damwandproef is uitgevoerd als onderdeel van het Delft Cluster programma Nieuw perspectief voor funderingen en bouwputten. De auteurs bedanken Deltares, Delft Cluster, WoudWormer, NVAF, Spanbeton, ArcelorMittal, PSD en Dieseko voor hun bijdragen die het uitvoeren van deze damwandproef hebben mogelijk gemaakt. Referenties [1] Bement, R.A.P., Selby, A.R., Compaction of granular soils by uniform vibration equivalent to vibrodriving of piles Geotechnical and Geological Engineering, 15, 1997, pagina [] Drabkin, S., Lacy, H., Kim, D.S., Estimating settlement of sand caused by construction vibration. Journal of Geotechnical Engineering, November 1996, pagina [3] Hergarden, R.H., Tol, A.F. van, Zakkingen tijdens het trillend trekken van damwanden. Geotechniek, juli 1, pagina [4] Massarsch, K.R., Static and dynamic soil displacements caused by pile driving. Proceedings 4th Int. Conference Application of Stress-wave Theory to Piles, Den Haag 199, pagina 154. [5] Massarsch, K.R., Vibrations caused by Pile Driving.The Magazine of Deep Foundations Institute, najaar 4, pagina 39. [6] Meijers, P. Tol, A.F. van, The Raamsdonksveer sheet pile test, measured surface settlements during vibratory sheet piling Proc. 14th Eur. Conf. Soil Mech. Geotech.Eng., Madrid, Sept. 7, pp.639. [7] Meijers, P., Invloed inbrengen en verwijderen van damwanden op omgeving Geotechniek, oktober 4, pagina [8] Meijers, P., Settlement during vibratory sheet piling Dissertatie TU Delft, december 7. [9] Nijs, R.E.P. de, Het trillen van damwanden in granulaire bodem Geotechniek, oktober 3, pagina 564. [1] White, D.J., Lehane, B.M., Friction fatigue on displacement piles in sand Géotechnique 54, no. 1, pagina 64558, 4. Reageren op dit artikel? Stuur dan uw reactie vóór 9 mei 9 naar info@uitgeverijeducom.nl 44 GEOtechniek april 9