grondsoorten in Noord-Nederland spannend

Transcriptie

1 In de afgelopen jaren zijn in Groningen, Friesland en Drenthe grote bouwprojecten gerealiseerd in bijzondere grondcondities. Het ontwerp en de uitvoering van een ondergrondse bouwconstructie vergt dan ook andere technieken vergeleken met de rest van Nederland. De aanwezige potklei, keileem en overgeconsolideerde zand lagen kunnen voor uitdagende funderingstechnische vraagstukken zorgen, maar er kan ook geprofiteerd worden van deze bijzondere grondsoorten met slimme oplossingen. Kortom: de wijzen komen uit het Noorden! Funderen in het Hoge Noorden Overgeconsolideerde ing. Jos Peels Wiertsema & Partners ing. Onno Dijkstra Fugro Ingenieursbureau BV grondsoorten in Noord-Nederland spannend In de afgelopen decennia zijn bij bouwputten in het noorden van het land veel problemen opgetreden, die kunnen worden verklaard door de bijzondere bodemgesteldheid. Onvoldoende kennis en ervaring bij ontwerp en uitvoering en een falende monitoring zijn belangrijke factoren waardoor de faalkosten sterk kunnen oplopen, met name bij deze spannende grondsoorten. Met een juiste aanpak kunnen potentiële problemen in ontwerp en uitvoering tijdig worden gesignaleerd, waardoor de risico s kunnen worden beheerst. De geotechnische normen zijn niet altijd afgestemd op de specifieke omstandig - heden bij overgeconsolideerde grondsoorten. Met name de schachtwrijving van potklei wordt in de huidige norm veel te laag berekend. De verdringingsrisico s bij keileem en potklei en de ontspanningsrisico s bij overgeconsolideerde zandlagen zijn sterk afhankelijk van specifieke projectomstandigheden. Overgeconsolideerde grondsoorten In het noorden zijn de volgende spannende grondsoorten aanwezig: Figuur 1 Rademarkt sondering: invloed van ontgraven en trillen. Figuur 2 Representatieve potklei-sondering. overgeconsolideerde zandlagen (figuuur 1) potklei (figuuur 2) keileem (figuuur 3) Deze grondsoorten zijn voorbelast doordat er in het verleden landijs op heeft gelegen. Hier - door is sprake van zeer dichte grondsoorten, die bovendien tot op de dag van vandaag horizontaal zijn opgespannen. Overgeconsolideerd zand In algemeen fijn tot zeer fijn. In algemeen zeer vast: conusweerstanden van 20 tot 60 MPa zijn normaal. Nat volumegewicht 20 à 22 kn/m 3 Horizontale opspanning: horizontale spanning 1 tot 3 maal verticale spanning; deze is echter zeer gevoelig voor ingrepen zoals ontgravingen, trillingen e.d. Wrijvingsgetal 1 tot 2,5; wrijvingsgetal van circa 2 duidt op forse overconsolidatie. Matig waterdoorlatend zand. Potklei Hoog lutumgehalte. 22 GEOtechniek Funderingsdag 2010 Special december 2010

2 Geerts Willigenplein te Heerenveen Effect voorboren en fluideren tijdens intrillen damwand tot NAP -11,3 m Conusweerstand [MPa] Zand-, klei en veen (toplaag) -2 stalen damwand Zand -4 Diepte [m t.o.v. NAP] DKM8 Leem, lokaal doorsneden met zandlaagjes Zand, vast tot uiterst vast gepakt -12 DKM sondering DKM8, voor installatie damwand sondering DKM54, na installatie damwand Figuur 4 Heerenveen: ontspanning zand door voorboren/fluïderen. Figuur 3 Representatieve keileem-sondering. Zeer hoge cohesie, echter hoek van inwendige wrijving als normale klei. Volumegewicht 16 à 17 kn/m 3 ; slecht te verdichten. Horizontale opspanning. Wrijvingsgetal 5 tot 9. Zeer slecht waterdoorlatend, waardoor waterbezwaar minimaal is indien de potklei aaneengesloten aanwezig is (Westerhaven Groningen: polderprincipe bij 4-laags kelder en dikte potklei van 0,2 tot 1,5 m). Variatie locaal zeer sterk: Sterk gelaagd (bijvoorbeeld omgeving Winschoten). Aanwezig in de vorm van brandende golven (onder Gasunie-hoofdkantoor, waardoor lange palen diepwandpanelen noodzakelijk waren). Weggeperst. Keileem Korrelverdeling: fijne tot grove bestanddelen alle vertegenwoordigd en zeer wisselend, ook zand- en grindlagen, keien en blokken. Vol. gewicht 20 à 23,5 kn/m 3, waardoor nauwelijks te verdichten. Horizontale opspanning. Wrijvingsgetal 1,5 tot 5,0. Matig tot slecht waterdoorlatend (Sneek en Leeuwarden: 2-laags kelders met polderprincipe; dikte leempakket 5 m). Problemen bij overgeconsolideerde grondsoorten in Noord-Nederland De volgende problemen treden met name bij deze grondsoorten onverwacht of extreem op: 1. Op diepte komen (palen, ankers, grondkeringen, sonderingen) a. Door obstakels (keileem) b. Door kleef (potklei en keileem) c. Door vastheid (zand) 2. Variatie 3. Grondbeweging a. Door zwel (potklei) b. Door verdringing c. Door grondverwijdering 4. Te lage draagkracht en stijfheid door ontspanning a. Door verwijderen bovenbelasting (ontgraving) b. Door trilling c. Door (voor-)boren/-spuiten/fluïderen 5. Invloed naar omgeving (door trillingen of grondbeweging) Ad. 1. Keileem bevat vrijwel altijd grote fracties, ook al worden deze tijdens het grondonderzoek niet aangetroffen. Dit kan worden verklaard doordat sprake is van puntmetingen (sonderingen, boringen). Stenen, keien en blokken kunnen de uitvoering ernstig verstoren. Voor het op diepte komen van funderingen en grondkeringen is zwaar materieel benodigd. Sonderingen en grondverdringende palen of grondkeringen kunnen niet zonder meer diep in overgeconsolideerde zandlagen worden door - gezet: meestal zijn extra voorzieningen nodig. Indien daarbij zand wordt verwijderd leidt dit tot forse afname van sterkte en stijfheid van het zand. Ad. 2. De variatie van deze grondsoorten kan dermate groot zijn, dat in het algemeen moet worden uitgegaan van een maximum onderlinge afstand van sonderingen van 10 tot 15 m. Op veel locaties komen overgangen onder een hoek van 45 of zelfs te lood voor. Ad. 3. Het verwijderen van bovenbelasting zal met name bij potklei kunnen leiden tot zwel. Overigens treedt zwel ook op bij normaal geconsolideerde kleien. Echter het zwellen van potklei kan door de sterkte van dit materiaal leiden tot het ongewenst omhoogkomen van constructie-onderdelen. GEOtechniek Funderingsdag 2010 Special december

3 Figuur 5 Kernboring Ciboga Groningen. Figuur 6 Rademarktkelder Groningen. Door de grote dichtheid van de grondsoorten in Noord-Nederland zal grondverdringing per definitie leiden tot het verplaatsen en omhoog komen van de grond. Dit kan leiden tot bijvoorbeeld paalbreuk en een slap paalpuntgedrag ( opheien ), ook wanneer er niet wordt geheid. Grondverwijdering leidt bij potklei en keileem in het algemeen niet tot grote problemen, maar bij overgeconsolideerde zandlagen wel. Indien bijvoorbeeld een sleuf wordt gemaakt zal dit leiden tot een verplaatsing van het zand richting de sleuf. Ad. 4. Te lage draagkracht en stijfheid door ontspanning is met name een probleem bij overgeconsolideerde zandlagen. Door het verlagen van de actuele (verticale) korrelspanning wordt de verhouding tussen verticale en horizontale spanning extreem, hetgeen leidt tot afname van de dichtheid van het zand. In geval van trillingen na ontgraving zal de pakking van het zand significant verlagen. (figuur 1, Rademarkt sondering: invloed van ontgraven en trillen.) Toepassing van de normen leidt ook tot een significante verlaging. Probleem is dat projectomstandigheden in grote mate bepalen hoeveel ontspanning optreedt. Tenslotte leidt grondverwijdering door bijvoorbeeld boren, voorboren of fluïderen ook tot een forse afname van de sterkte van het zand. zie figuur 4, ontspanning zand door voorboren/fluïderen. Ad. 5. Invloed naar de omgeving door trillingen en grondbeweging is in de rest van Nederland bij binnenstedelijk bouwen ook een probleem. Bij de overgeconsolideerde grondsoorten is een extra probleem dat de trillingen niet snel dempen. Grondbeweging is vaak een onvoorzien probleem, terwijl bij slappe grond de ontwerpers en aannemers bekend zijn met het probleem. Praktijkvoorbeelden Voorbeelden van de in het voorgaande be - schreven problemen zijn kort beschreven voor een aantal projecten dat in de afgelopen decennia is uitgevoerd in Noord-Nederland: Westerhaven Groningen: variatie potkleilaag lastig voor toepassing polderprincipe; zand verdwijnt in sleuf van cement-bentonietwand (waardoor lekkage onderzijde waterkering), grondkering overbelast door afname sterkte en stijfheid zandlaag, verzakking belendingen >50 mm; Chopinflat Groningen: paalbreuk door opheien keileem en potklei onder hoogbouwproject (breuk op 4,5 m diepte was niet gedetecteerd bij akoestisch meten maar werd zichtbaar door kernboring); palen onvoldoende gewapend; wegdrukken belending; alternatieve oplossing avegaarpalen alleen mogelijk na voorgraven tot grote diepte i.v.m. keien; Geerts Willigenplein Heerenveen: forse ontspanning van overgeconsolideerde zandlaag doordat stalen damwand alleen op diepte kon komen met behulp van voorboren/fluïderen; UMCG Groningen: ligging aan zijkant ijstong heeft geleid tot variatie in dikte van 0,5 tot >20 m over afstand van 50 m; zwel bouwputbodem 3-laags kelder maakte toepassing palen vrijwel onmogelijk; gekozen voor vijzelbare fundering op staal;probleem vanwege dikke potkleilaag opgelost door vijzelbare constructie; Rademarktkelder Groningen: variatie keileem groot; locaal aanwezige obstakels in keileem maken toepassing verbuisde buisschroef - palenwand niet uitvoerbaar; enorme afname draagkracht trekelementen (tegen opdrijven onderwaterbetonvloer) door halverwege ontgraving (6 m droog ontgraven en 6 m nat ontgraven) intrillen van H-profielen; Ciboga Groningen: paalbreuk door zwel bij grondverdringende, onvoldoende gewapende Onderzoek door kernboren, zie figuur 5; Ossenmarkt Groningen: 130 mm zwel van bouwputbodem bij parkeerkelder van 15 m diepte en diameter van 56 m; vijzelbare fundering op staal noodzakelijk; polder - principe toegepast. Als voorbeeld voor de extreme afname van de conusweerstand die kan optreden in overge - consolideerd zand, door een combinatie van ontgraving en trilling, wordt verwezen naar de sondeergrafieken van de Rademarktkelder. Paaldraagkracht en normen GESCHIEDENIS Tot het jaar 1991, waarin de geotechnische 24 GEOtechniek Funderingsdag 2010 Special december 2010

4 Funderen in het Hoge Noorden Figuur 7 Ossenmarkt-vijzel. normen NEN 6740 en NEN 6743 van kracht werden, was het in de noordelijke advieswereld gebruikelijk om de draagkracht van paalfunderingen in overgeconsolideerde, cohesieve gronden als volgt te berekenen: Voor het puntdraagvermogen werd de normale 4D/8D methode op basis van de gemeten conusweerstanden toegepast. Als basis voor het bepalen van de schacht - wrijving werd de ongedraineerde schuifweerstand genomen, zoals bepaald uit laboratoriumonderzoek of uit de gemeten conusweerstand van sonderingen. Ongedraineerde schuifweerstand C u = (1/15 tot 1/20) x conusweerstand Q c bij potklei en C u = (1/30 tot 1/40) Q c bij keileem. Vervolgens werd bij grondverdringende paal - systemen een veiligheidscoëfficiënt van 3,0 gehanteerd, om tot de representatieve draagkracht van de paal te komen. Het destijds zogenaamde toelaatbare paaldraagvermogen. Voor grondverwijderende systemen zoals de avegaarpalen werd een veiligheidscoëfficiënt van ca. 3,5 aangehouden. Figuur 8 Sondering proeflocatie Delfzijl. Meer genuanceerd werd in de loop der tijd de visie van Tomlinson gebruikt, zoals beschreven in Pile design and construction practice Daarbij wordt de invloed en kwaliteit van de toplagen op de onderliggende cohesieve grond, als functie van de lengte van de (geheide) paal, verwerkt in de effectief aan de paal toe te Figuur 9 Ossenmarkt Groningen. GEOtechniek Funderingsdag 2010 Special december

5 rekenen schuifweerstand. Vergelijken wij deze rekenwijze voor de paalschachtwrijving met de vanaf 1991 geldende methodiek uit de normen NEN 6740 en NEN 6743, dan levert dit een gelijk paaldraagvermogen op, mits de volgende αs-factoren worden toegepast: Vóór 1991: Potklei: 3,5% voor grondverdringende palen en 2,8% voor grondverwijderende Keileem: wrijvingsgetal voor grondverdringende palen, 80% van wrijvingsgetal voor grond verwijderende Norm 6743 vanaf 1991: Voor klei en silt, Q c > 1 MPa α s = 3,5 % Geen verschil tussen (kei-)leem en Potklei Geen reducties voor grondverwijderend In de noordelijke adviespraktijk werd dit praktisch ingevuld met een limitering van de wrijving voor (kei-)leem gelijk aan het wrijvingsgetal en een reductie van de wrijving voor grond wijderende palen tot 80% van grond - verdringende Norm 6743 vanaf 2006: Wel onderscheid leem/klei. α s voor leem, maximum gekoppeld aan het wrijvingsgetal. α s voor klei, Qc < 3 MPa max. 2% α s voor klei, Qc > 3 MPa max. 3% Geen reductie voor grondverwijderende Grondsoort q c;gem MPa Grondverdringende palen Doordat het merendeel van de vereiste paal - funderingen hun draagkracht in de Potklei ontlenen aan het traject waarin conusweer - standen van maximaal 3 MPa worden gemeten betekent dit ten opzichte van de normsituatie van voor 2006 een teruggang van de toe te passen wrijvingsfactor van 3,5% naar 2%. Voor een prefab betonpaal, welke een rekendraagvermogen van 700 kn dient te bezitten zal bij een paallengte van ca. 15 m in de klei, hierdoor de vereiste schacht afmeting toenemen van / 220 mm 2 naar / 380 mm 2. Dit betekent een toename van het geïnstalleerde betonvolume met een factor 3 voor een gelijk draagvermogen. In analogie hieraan geldt voor een grondver wijderende avegaarpaal een paal - diameter van Ø500 mm in plaats van 400 mm. Dit is een volumetoename met een factor 2. De aanpassing van de waarden voor (Pot)klei is volgens tabel 3 in de norm NEN :2006 gebaseerd op proefbelastingen in Delfzijl. Deze proeven zijn verricht onder bijzondere omstandigheden: afwijkend paaltype, waterdiepte van 10 m en een Potklei van een zeer matige kwaliteit (relatief lage wrijvingsweerstand: zie sondering figuur 8). Consequenties De norm voor het berekenen van de schacht - wrijving in cohesieve gronden van funderings - palen is op basis van slechts een beperkte proefbelasting gewijzigd. Daarbij is een trendbreuk ontstaan ten opzichte van de adviespraktijk, welke reeds tientallen jaren met succes voor met name Potklei- afzet tingen in het noorden van Nederland wordt gehanteerd. Deze aangepaste rekenwijze betekent in de praktijk Grondverwijderende palen Klei/leem Wrijvingsgetal b met een Wrijvingsgetal b met een maximum van 0,025 maximum van 0,025 Potklei c 0,035 0,028 à 0,030 Keileem d Wrijvingsgetal b met een Wrijvingsgetal b met een maximum van 0,03 maximum van 0,025 Veen 0 0 b Het wrijvingsgetal moet zijn bepaald met een elektrische kleefmantelconus conform NEN 5140 en klasse 2. c Potklei heeft wrijvingsgetal b 5%. d Keileem is zwak tot sterk zandige, voorbelaste leem. Tabel Waarden van s in het geval van klei, leem en veen. langere en/of dikkere palen met consequenties voor materiaalverbruik, transport, heimaterieel, en bovendien een verhoogde kans op schade: extra verdringing met paalbreuk en effecten op de omgeving als risico. Het is waar dat er onvoldoende proefbelastingen zijn uitgevoerd om de draagkracht van funderingsconstructies in potklei en keileem eenduidig te kunnen be Dit geldt echter eveneens voor funderingen in normaal geconsolideerd zand! Het is daarom van belang dat de komende jaren in Nederland een groot aantal proefbelastingen wordt uitgevoerd voor diverse paaltypen en dat deze proefbelastingen niet alleen worden uitgevoerd bij normale grondsoorten maar zeker ook op overgeconsolideerde grondsoorten. Er zijn voldoende argumenten om de normen niet op basis van 1 niet representatieve proef significant te wijzigen. Vanuit de noordelijke adviespraktijk stellen wij daarom voor om zolang er geen proefbelastingen zijn uitgevoerd de wrijvingsfactoren zoals in de onderstaande tabel zijn weergegeven in de eerstvolgende normwijzigingen door te voeren. Conclusies en aanbevelingen De bodem van Noord-Nederland heeft veel mogelijkheden voor bijzondere funderingsen bouwputoplossingen maar kent ook gevaren. Er is veel specifieke kennis en ervaring nood - zakelijk om goed met deze specifieke bodem om te gaan en de juiste keuzes te doen tijdens ontwerp en uitvoering. Vereist is het gedetailleerd in kaart brengen van de bodem vanwege de grote variaties in bodemgesteldheid en bijzondere faal - mechanismen. Er zijn onvoldoende proefbelastingen uitgevoerd om draagkrachtfactoren eenduidig te bepalen en 1 proefbelasting kan geen reden zijn voor een trendbreuk in de normen. De wrijvingsfactor voor palen in Potklei dient te worden herzien. De uitvoering kent veel kritische punten: op diepte komen van palen, ankers, grond - keringen en sonderingen. Variatie van bodemopbouw. Grondbeweging door zwel, grondverdringing en grondverwijdering. Afname draagkracht en stijfheid door ontgraving, trilling en boren/ fluïderen Invloed naar omgeving door trilling of grondbeweging. Iedere bouwput is min of meer een experiment, waarin monitoring en meten belangrijk zijn en dit geldt in het bijzonder bij over - geconsolideerde grondsoorten. 26 GEOtechniek Funderingsdag 2010 Special december 2010