Overgangsconstructie zonder onderhoud?

Ing. Piet G. van Duijn Movares, lid CUR159 Ir. Suzanne J.M. van Eekel Deltares, TU Delft, voorzitter CUR159 Samvatting Eerste Paalmatras onder spoorbaan in Nederland Overgangsconstructie zonder onderhoud? Inleiding Wie kt het niet, de schokbrekertest bij het passer van e kunstwerk in het west van Nederland. Ook veel wegbeheerders zijn niet blij met de problem rondom overgang tuss 'zachte' aardeban 'harde' kunstwerk. Deze overgang verg veel onderhoud. Hierdoor heeft de infrastructuur e lagere beschikbaarheid. Voor de aanleg van overgang tuss aardeban viaduct is vaak te weinig tijd beschikbaar. ij de studiefase wordt al weinig zettingstijd voor baanlicham gereserveerd. Teg de tijd dat er gebouwd moet word, is de beschikbare zettingstijd vaak nog verder ingekort. En juist ter plaatse van de overgang is de beschikbare zettingstijd nóg korter vanwege de aanleg van het landhoofd. In de gemete Hout wordt het spoor verbreed van 2 naar 4 spor. Voor het ctrum van Hout betekt dat e nieuw spoorwegviaduct. En helaas, ook bij dit project liep de ataafse lliantie 1 teg dit tijdsprobleem aan. Door vertraging tijds de bouw was de voorbelastingstijd bij één van de overgang tot één maand gereduceerd. Voor deze overgang is voor e paalmatrassysteem gekoz. Deze 70 m lange, robuuste overgangsconstructie zal e minimum aan verschilzetting, dus onderhoud gev. De paalmatras kwam op basis van e lifecycle-kost-analyse als gunstigst uit de bus. Met de paalmatras is e overgang gerealiseerd waarbij de restzetting geleidelijk verlop van 0,15 m aan de zijde van de 'zachte aardebaan', tot kele millimeters aan de zijde van het 'harde' viaduct. De geleidelijke overgang is ontworp door creatief om te gaan met paalafstand paalpuntniveaus. Ontwerp Tabell 1 2 gev de details van het ontwerp van de paalmatrasconstructie. De geokunststof waping (geogrid) is gedimsioneerd volgs de rekregels uit de EGEO, versie 2004. Geleidelijke overgang Het ontwerp van deze paalmatras zorgt voor e geleidelijke overgang van het harde kunstwerk naar de 'zachte' aardebaan. Dit gebeurt door het geleidelijk vergrot van de paalafstand het verkort van de paallgt. In de ij de spoorverbreding in Hout was er weinig tijd voor de aanleg van de aansluiting van de nieuwe spoorban op het nieuwe spoorwegviaduct. Na e zorgvuldige afweging werd ervoor gekoz om hier e paalmatras te bouw. Het werd de eerste paalmatras onder e Nederlandse spoorlijn. De paalmatras zorgt voor e geleidelijke overgang van het harde viaduct naar de zachte aardebaan. De paalmatras is in augustus 2008 gebouwd sinds november 2008 in bedrijf. Om de ontwerpregels te valider is e groot monitoringsproject opgezet. Dit artikel beschrijft ervaring tijds het ontwerp de aanleg, geeft de eerste meetresultat. De paalmatras voldoet tot nu toe uitstekd. langdoorsnede (figuur 1) zijn vijf zones onderscheid. Elke zone heeft zijn eig functie. Op het viaduct (rechts in figuur 1) ligg ingegot spoorstav. Het spoor op het kunstwerk zal daardoor niet zakk, heeft e hoge dynamische stijfheid. Zone 1 is de overgang van deze ingegot spor naar spoor in ballast. Direct onder het ballastbed is e gewapde betonn overgangsplaat gestort. Deze is scharnierd opgelegd op het landhoofd, rust op de granulaatmatras op pal. In zone 1 zal ge zetting optred. De dynamische stijfheid is er echter wel lager dan die van de viaduct. Doel hiervan is de overgang viaduct-paalmatras geleidelijk te lat verlop. Paalmatrasovergangsconstructie Opbouw ondergrond Paalfundering ardebaan met gewapd granulaatmatras Dubbel sporig baanvak, = 11 m 70 meter lang 1 m zand 3 m klei 20 m zand 300 HSP-pal Paalschacht ø 0,22 m Paalkop ø 0,40 m Spoor in ballast 0,7 m ballast 0,1 m sub ballast 1,0 m zand 1,0 m granulaat Geokunststof waping volgs Tabel 2 Totale dikte aardebaan 2,8 m Zone 1-2 Zone 3 Zone 3 Zone 4 edding tuss de Pal k [kn/m 3 ] 0 100 300 Lgte [m] 45 9,6 9,5 5 Paalafstand [m x m] 1,25x1,4 1,45x1,6 1,45x1,9 ge pal Waping: Fortrac dwarsrichting M450-50* M450-50 M450-50 M450-50 langsrichting M450-50 T600-50 T600-50 T600-50 *Codering waping: ijvoorbeeld Fortrac M450-50 betekt Fortrac type M, treksterkte in sterkterichting is 450 kn/m', treksterke in de richting loodrecht daarop is 50kN/m'. De stijfheid E van het geokunststof is afhankelijk van de rek de belastingsduur, te bepal uit de isochrone curv van Fortrac M. Tabel 1 Globale gegevs matras Hout. Tabel 2 Geokunststof waping (geogrids) van de matras. 60 GEOkunst oktober 2009

Figuur 1 Langsdoorsnede van de palmatras aanlichaam 300 HSP piles ø0,22/0,40m allast Zand Granulaat Overgangsplaat Ingegot spoor Overgangsplaat 2.8m Zand Klei Zand Zone 4 Zone 3 Zone 3 Zone 2 Zone 1 Figuur 2 Locatie paalmatras bij station Hout. Figuur 3 Installatie van de HSP-pal langs het oude in bedrijf zijnde spoor. Voor zone 2 is de paalfundering zettingsvrij ontworp. De pal staan op stuit zijn in staat om zonder te zakk de totale belasting te drag (inclusief de maximale treinbelasting). Toch zal in zone 2 al e beetje zetting optred (kele ctimeters). Dit komt doordat het geogrid geleidelijk zal gaan kruip. Door op het granulaat 1 m zand aan te brg is de dynamische stijfheid lager dan ter plaatse van zone 1. Dit garandeert e geleidelijke overgang. In zone 3 3 word de zetting weer iets groter. De paalafstand word geleidelijk groter, zoals gegev in tabel 2. In zone 3 is bovdi het paalpuntniveau 0,5 m hoger gekoz, zodat de pal onder maximale belasting iets zull zakk. In zone 3 3 wordt Figuur 4 De zandlaag tuss de paalkopp is hier nog niet aangebracht. De rij pal langs het spoor is iets hoger geplaatst om het bestaande talud niet te hoev afgrav. Hier daar is e extra paal geplaatst vanwege obstakels in de ondergrond. GEOkunst oktober 2009 61

Figuur 5 Uitroll van de langs- dwarswaping. Figuur 6 anbrg van het granulaat. Figuur 7 De overgangsplaat. Figuur 8 Inbouw van de rekopnemers. 62 GEOkunst oktober 2009

Eerste Paalmatras onder e spoorbaan in Nederland erop gerekd dat de grond tuss de pal e deel van de belasting opneemt. In zone 4 is e 'overgangsplaat' gerealiseerd. Deze overgangsplaat is weer e granulaat matras, maar nu zonder pal. In de zones 3, 3 4 is de geleidelijke overgang gerealiseerd van kele ctimeters zetting naar 0.15 m zetting van de convtionele aard baan. Opgemerkt wordt dat de bodem in Hout in verhouding tot het west van Nederland erg goed is. De samdrukbare laag heeft slechts e dikte van 3 m. Zonder matras was de te verwacht zetting circa 0.7 m. Uitvoering De uitvoering is begonn in augustus 2008. In deze periode is e werkvloer gerealiseerd, zijn 300 HSP-pal ingetrild is e 1 m dikke gewapde granulaatlaag aangebracht, met daarbovop 1 m zand. Omdat er ge ruimte was voor natuurlijk talud is ook de zandlaag met geogrids gewapd. ovop het zand is de gebruikelijke ballastconstructie aangebracht. De betonn overgangsplaat ter plaatse van het kunstwerk is in situ gestort. In de figur 3 tot met 8 is e korte impressie gegev van de diverse uitvoeringstapp. Mogelijke optimalisaties In het ontwerp de uitvoering van dit project zijn kans gesignaleerd om de paalmatras in de toekomst economischer te kunn mak. We gev vier voorbeeld. e matras e noodstop van e trein erg verveld. De volle horizontale belasting wordt dan via de pal overgebracht naar de ondergrond. Hierom zijn de wapingskorv in de pal beduidd langer dan destijds de gewoonte was met HSP pal. Het aanbrg van lange wapingskorv in het natte beton van slanke HSP pal bleek niet evoudig, maar is na wat experimter met de betonsamstelling toch gelukt. Maar: moet e paal wel over de hele hoogte gewapd word, of mag er e plastisch schanier ontstaan? De ervaring in Hout hebb ertoe geleid dat de CUR commissie 'Ontwerprichtlijn Paalmatrass' onderzoek deed naar de noodzaak om de pal volledig te wap. In overleg met de TU-Delft is vastgesteld dat de gebruikelijke rekregels voor paalwaping erg pessimistisch zijn voor in de grond gevormde pal onder e grondmatras. Overlap In e paalmatras wordt bijna altijd e uni-axiale geokunststof waping toegepast. Uni-axiale geogrids hebb e sterkte richting e zwakke richting. Het is gebruikelijk om de wapingsstrok met e bepaalde overlap te legg. Sterkterichting In de sterkterichting is het duidelijk dat dit nodig is: de kracht moet immers word overgebracht van de e naar de volgde wapingsstrook. Deze situatie komt echter vaak niet voor, omdat de waping in sterkterichting e grote lgte heeft. paal configuratie ligt tusss de 0,3 tot 0,8 m. In Hout betekde dit dat 20% van het materiaal 'verlor' ging aan overlap in de zwakke richting. Het argumt voor overlap in de zwakke richting is dat de waping niet 'lek' mag word, door bijvoorbeeld legonnauwkeurigheid of insnoering van de waping. ls de waping lek is kan er granulaat weglekk. Maar: Waarom zou e zo grote overlap in de zwakke richting noodzakelijk zijn? inn de CUR werkgroep wordt hierover nog discussie gevoerd. Door e goede kwaliteitsbewaking zou de vereiste overlap in zwakke richting misschi verkleind kunn word tot 0,1 à 0,2 m. Stijfheid van de geokunststof waping Welk geogrid voldoet het beste aan de gewste sterkte stijfheid? E ontwerpeis was dat de kruiprek van de geogrids tijds de exploitatiefase klein is. Gekoz is voor e stijf geogrid (Fotrac M). E alternatief kunststof, Fotrac T, met dezelfde sterkte maar e hogere breukrek is echter beduidd goedkoper. Maar: Wellicht was het beter geweest om voor goedkoper materiaal te kiez met e in verhouding lagere stijfheid. Door e zwaarder geogrid te kiez (hogere breuksterkte) kan met dat goedkopere kunststof dezelfde axiale stijfheid word verkreg. Het grote voordeel van e hogere breuksterkte breukrek is e grotere betrouwbaarheid. Waping pal Remmde optrekkde trein zijn altijd lastig. Naast reizigers vind ook de pal onder Drukdoos Zwakke richting Ook in de zwakke richting wordt e overlap toegepast. De overlap wordt afgestemd op de Locatie 1 2 Zone 3 2 Paalafstand hart op hart (mxm) 1,45 x 1,90 1,25 x1,40 Drukdoz 2 2 Drukdoz + 2 2 Rekopnemers // spooras 2 2 Rekopnemers dwars op spoor 2 2 Tabel 3 Monitoringsprogramma. Periode November 2008 - maart 2009 Meet frequtie 1 maal per 10 minut C C C C C C Maart 2009 - nu 1 maal per minuut Drukdoos + Voor zeer korte periodes 25 Hz Figuur 9 Monitor krachtsverdeling in de matras. Tabel 4 Meetfrequtie. GEOkunst oktober 2009 63

225 ouwfase Treinverkeer 200 Verticale paalbelasting [kn] 175 150 125 100 75 50 Opslag bouwmateriaal Passage spoorkraan Kirow (zie figuur 12) Treinbelasting (EbGeo) 25 Kracht via grid () 0 7-08 4-09 2-10 30-10 27-11 25-12 22-01 19-02 19-03 16-04 14-05 11-06 Totale kracht op paal (+) Kracht via boogwerking () Kracht via geogrid () EbGeo totaal (+) EbGeo via grid () Figuur 10 Gemet paalkracht locatie 1 (zone 3, hart op hart afstand pal 1,45x1,90 m 2 ). Figuur 11 Passage Kirow over het ctrum viaduct. Locatie 1 Locatie 2 0,04 0,02 04-11-2008 19-12-2008 20-02-2009 80 0,00 70 F paal [kn] 60 50 40 30 Totale toame paalbelasting (+) Paalbelasting via geogrid () Zetting [m] -0,02-0,04-0,06-0,08 20-0,10 10 0-20 - 15-10 - 5 0 5 10 fstand tuss aslast tot paal [m] -0,12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 fstand [m] Figuur 12 Gemet paalkracht tijds passage Kirow. Figuur 13 Gemet zetting in zone 3, 3 zone 4, direct onder het matras, tuss de pal. Monitor Inleiding Innovatieve oplossing zijn niet zonder risico's. Het ontwerp is gemaakt door verschillde partij. Movares bedacht de zone indeling. CRUX Engineering.V., Movares, Voorbij Funderingstechniek Huesker hebb het ontwerp uitgewerkt. Deltares heeft het ontwerp gereviewd. Toch blijft het de vraag of de matras zich gedraagt volgs de ontwerpregels. Om de ontwerpregels te valider is e uitgebreid monitoring programma opgezet. Voor het interpreter van de meting aan de krachtsverdeling in de matras definiër we, ( C), zie figuur 9. ij het ontwerp van de geokunststof waping van e paalmatras wordt uitgegaan van boogwerking. De belasting in het systeem verdeelt zich in drie del:. het belastingsdeel dat rechtstreeks naar de pal gaat;. het belastingsdeel dat via trekkracht in de geokunststof waping alsnog naar de pal gaat; C. het deel van de belasting dat door de slappe ondergrond tuss de pal wordt gedrag. Op twee meetlocaties, zone 3 zone 2, zijn op 4 pal 8 drukdoz recht bov pal geplaatst. Vier daarvan staan bovop het geogrid. Die met alle het belastingsdeel. De vier ander staan onder het geogrid. Die met +. Verder zijn op beide locaties rondom 1 paal 4 rekmeters aangebracht, in totaal 8 stuks. Per locatie met 2 rekmeters de rekk van het geogrid in dwarsrichting 2 rekmeters met in langsrichting. 64 GEOkunst oktober 2009

Eerste Paalmatras onder e spoorbaan in Nederland Resultaat paalkracht Figuur 10 laat zi dat de EGEO de gemet paalkracht goed heeft voorspeld. De 'piek' in de meting zijn passerde trein. In de EGEO-bereking neemt de beddingsconstante k langzaam af, zodat de groe lijn langzaam toeemt. Dit is niet standaard in e EGEO bereking. Hiermee wordt het effect van consolidatie in reking gebracht. De grootste piek in figuur 10 is de passage van de spoorkraan Kirow. De Kirow is veel zwaarder dan 'normale' trein. Hij heeft voor achter e onderstel met ieder vier ass. Het totaal van aslast van het voorste onderstel is 130 ton, die van de achterste onderstel 60 ton. Tijds de passage van de Kirow is hoogfrequt (25 HZ) gemet. Hierdoor kan e perfecte relatie gelegd word tuss de positie van de kraan de gemet paalreacties, zie figuur 12. Deze figuur laat zi hoe de aslast van de Kirow zich spreid in de aardebaan. Op locatie 1 voelt iedere paal maximaal 7% van de last van e onderstel, op locatie 2 is dat 5%. Op locatie 1 zi we ige blijvde invloed van de passage van de zware Kirow. Dit is ook te zi in figuur 10. Dit is in overestemming met de theorie van de 'boogwerkingscyclus', die in e latere publicatie zal word beschrev. We zi dat de aardebaan zich langzaam herstelt. Resultat zettingsmeting Om de zetting te monitor is in de matras verspreid over de beide meetveld circa 300 m zettingsmeetslang uitgerold. De zettingsslang ligg op 3 verschillde niveau's lop tuss over de paaldeksels. Met regelmaat word de zetting bepaald. De gemet zetting ligg in de orde van 0 tot 0,15 m. Niet iedere meting is echter evgoed gelukt. Figuur 13 geeft de gemet zetting. De resultat van de monitoring zull in e volgde publicatie uitgebreider word besprok. Werkt het? In november 2008 is het eerste spoor in dist gegaan in maart 2009 het tweede spoor. uit e zeer locale stopbeurt in de eerste week na indistname zijn er tot op de dag van dit schrijv ge spoorcorrecties nodig geweest. Dus ja: de praktijk toont aan dat deze overgangconstructie werkt! Dankwoord Monitor is duur, peperduur. Niet alle het inbouw van meetapparatuur, maar ook met de registratie interpretatie zijn orme kost gemoeid. Het monitoringsprogramma is voor Hout circa 50% van de aanlegkost van het matras. Het geheel was dan ook niet mogelijk geweest zonder onze sponsors, te wet: de ataafse lliantie, (ProRail, Mobilis, CFE KWS Infra), Deltares, Voorbij Funderingstechniek Huesker. Movares CRUX Engineering.V. sponsor de verwerking interpretatie van de meetresultat. De CUR commissie Paalmatrassystem presteert de Eerste Nederlandse ontwerprichtlijn 'Paalmatrassystem' tijds de Geotechniekdag 2009. De ontwerprichtlijn gaat in op het ontwerp van eis aan de pal de gewapde granulaatmatras. In grote lijn volgt het ontwerp van de gewapde matras de Duitse EGEO. De regels zijn echter aangepast aan de Nederlandse bouwpraktijk veiligheidsfilosofie. 1 ataafse lliantie: ProRail de bouwcombinatie CH4, die bestaat uit Mobilis, CFE KWS infra werk intsief sam om binn de gemete Hout4 spor te realiser. Wap n van grond Ontwat ater van slib Sportveld par kings fd ichtin ting eton- waping Erosiecont ntro role van grond rotse s Wet doo oor met Oeverer- verded iging Optimale inzet van knis ervaring met geokunststoff: Drainage infiltratie Weg Gel uidsw swand ontdek de TEXION-touch. eschermi ng zeebod em sfalt alt- waping TEXION GEOKUNSTSTOFFEN NV - dmiraal de oisotstraat 13-2000 ntwerp - elgië - Tel. +32 (0)3 210 91 91 - Fax +32 (0)3 210 91 92 - www.texion.be