Keynote lecture: Recente ontwikkelingen in grondonderzoek Gauthier Van Alboom afdeling Geotechniek MOW Vlaamse overheid
12-09-2013
Doel van grondonderzoek: beheersen van geotechnische risico’s van een project Risico’s Talud instabiliteit Zettingen en vervormingen van de ondergrond Verzakkingen (holtes in de ondergrond) Grondwater … Oorzaken geotechnisch falen Onvoorziene geotechnische omstandigheden Onvoldoende en/of niet geschikt grondonderzoek Fouten in het geotechnisch ontwerp Meestal combinatie van omstandigheden/fouten
Geotechnisch falen: een combinatie van oorzaken
Grondonderzoek is en blijft nodig om economisch en duurzaam te ontwerpen en de risico’s ivm bouwen met grond beter te beheersen (schadegevallen en verrekeningen vermijden)
Uitdaging: het gedrag van de grond adequaat voorspellen op basis van grondonderzoek
034.1 :étirucés ed tneiciffeoC TXTest Compression TXTest extension
DSS of Dir schuifproef
Recente ontwikkelingen in grondonderzoek
Informatiebronnen digitaal beschikbaar via internet Europese normalisatie context Documenten
Standaard procedures grondonderzoek BGGG SB 260 Hdstk 22 geotechnisch onderzoek
Recente ontwikkelingen in proefmethodes
In situ proeven (CPT met extra sensoren) Laboproeven
Monitoring
6
Informatiebronnen op het internet…
Nationaal Geografisch Instituut / Institut Géographique National http://www.ngi.be
Belgische Geologische Dienst / Service Géologique Belge http://www.natuurwetenschappen.be/geology
Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV) http://dov.vlaanderen.be
Les thématiques du sous-sol Wallon http://carto1.wallonie.be/soussol
Informatiebronnen Databank Ondergrond Vlaanderen
http://dov.vlaanderen.be
Gebruik DOV – geologische kaarten Aalter – Heraanleg verkeerswisselaar
Gebruik DOV - proefresultaten Aalter – Heraanleg verkeerswisselaar
Oude data: sonderingen en boringen 1938: fundering van bruggen over E40 1956: aanleg van nieuwe weg 1986 en 1987: fundering gebouw lang E40
Harde laag op diepte 6 à 7m diepte (+10mTAW)
Gebruik DOV – overige data
Voorbeelden dienstverlening Geotechniek Gebruik DOV: grondverschuivingen: Missing link N60- rondweg om Ronse
Geotechnische proeven
-> heterogene lagenopbouw, gevoelig voor grondverschuivingen, bronnen -> grondonderzoek belangrijk om geotechnische randvoorwaarden kunstwerken leggen (viaducten- tunnels-ophogingsmassieven)
vast te
Gebruik DOV – Grondmechanische kaarten
Les thématiques du sous-sol Wallon
http://carto1.wallonie.be/soussol
14
Cartographie des « Thématiques Sous-sol
Affleurements et sondages décrits (>150.000 fiches + 250.000 SGB) Atlas du Karst wallon Zones de glissement de terrain (données DGATLPE) Concessions minières (355) Puits de mines (7.000/15.000 déjà faits) Carrières souterraines (4.900 parcelles) Gîtes de minerai de fer exploités (3.300 occurrences) Gîtes de mines métalliques (1.200 occurrences) Terrils houillers (900 recensés) Zones déhouillées (en cours, sur base de coupes N-S tous les 100m) Inventaire géochimique des cours d’eau Divers (subvention ISSeP « Après-mines ») Radon (en cours) Zones sismiques (en projet), etc.
Thématiques du sous-sol Karst atlas
16
Thématiques du sous-sol Mijnputten
Liège, rue Chauve-Souris
17
Informatiebronnen Ferrariskaart (1777) http://belgica.kbr.be/nl/coll/cp/cpFerraris_nl.html
Europese normalisatie context Eurocode 7 “Geotechnical Design” omvat 2 delen:
Deel 1 (EN 1997-1): “General rules”, enkele hoofdstukken (3.2 tem 3.4) over “Planning of ground investigations”
Deel 2 “Ground investigation and testing” (EN1997-2) geotechnisch ontwerp ondersteund door respectievelijk laboratorium- en terreinonderzoek
19
Kwaliteitseisen EC7 voor beproevingslaboratoria
EC7 Een passend kwaliteitsborgingsysteem zal in gebruik zijn in het laboratorium, op het veld en het ingenieursbureau, en de kwaliteitscontrole zal gedegen worden doorgevoerd in alle fasen van de onderzoeken en de evaluatie ervan.
Eigen kwaliteitssysteem
Belac-accreditatie ISO 17025
20
Normalisatie context: recente Europese normen proeven
21
Toepassingsklassen elektrische sonderingen
Toepassingsklassen Mechanische sonderingen
22
Standaardprocedures grondonderzoek BGGG
23
Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek BGGG
Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: algemene bepalingen
Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: sonderingen Planning, uitvoering en rapportering Interpretaties, adviezen en berekeningen
Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: boringen en monstername
Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: laboratoriumonderzoek
24
Richtlijnen bemalingen Ontwerp en uitvoering bemalingen
Standaardbestek 250 + standaardbestek 260 voor Kunstwerken en Waterbouw
+ SB 260 met volledig hoofdstuk 22 gewijd aan geotechnisch onderzoek
26
Recente ontwikkelingen proefmethodes in situ
27
Technologische evolutie apparatuur van mechanische M4 naar digitale conus
Elektrische sonderingen met 15cm² conus Elektrische conussen met diameter ts 25mm (5cm²) en 50mm (20cm²) zijn toegelaten door de norm - standaard conussen zijn 10cm² / 15cm²
29
Mogelijke bijkomende sensoren voor elektrische conussen
Poriënwaterspanning → piezocone sondering Geofonen → seismische sondering Magnetisch veld → magnetometer sondering Pressiometer → pressiometer sondering Resistiviteitsmeting → resistiviteit sondering Camera Temperatuur pH Redox Fluorescentie …..
30
Piëzocone sondering CPTU
31
Piëzocone sondering: afleiding consolidatiecoëfficiënt uit dissipatieproef
32
Seismische sondering Principe: met sondeereenheid wordt conus met 1 of 2 geofonen in de grond gedrukt en looptijden van impuls aan grondoppervlak worden gemeten
Resultaat variatie Vs ( G0) met diepte
33
Magnetometersondering Dmv gevoelige magnetische sensoren voorwerpen in de ondergrond lokaliseren die het aardmagnetisch veld verstoren inheidiepte buispalen. ligging grondankers. ligging van diep ondergrondse kabels en leidingen (ook gestuurde boringen), mits de leiding stroomvoerend is of voor een aanzienlijk deel uit staal bestaat Speciale software voor modellering en interpretatie
34
Proeven verdichting controle - DPT
Pandasonde
Recente ontwikkelingen proefmethodes laboratorium
36
Korrelverdeling - laserdiffractiemethode
zeving + bezinking
laserdiffractie
37
Korrelverdeling - laserdiffractiemethode Korrelverdeling 2 mm – 0,04 µm Eventuele voorbehandeling monster: verwijderen organische stoffen en kalk Principe: Door absorptie, refractie en diffractie van invallend CEL
licht op een deeltje ontstaat er verstrooiing van een
lichtbundel.
DETECTOREN BRON
Bij de laserdiffractieproef wordt de lichtintensiteit van het verstrooiingspatroon geanalyseerd dmv een optisch model. Optische modellen gaan uit van een bolvormig deeltjes
Grote deeltjes verstrooien licht onder een kleine hoek
FOCUSLENS
Vervormings- en consolidatiekarakteristieken
Oedometerproef verplaatsingsmeter
Monster in cel
Last
=>
CRS proef
Vervormings- en consolidatiekarakteristieken: CRS-proef Principe: Monster zijdelings ingesloten Verticaal belasting via drukpers continue belasting met continue vervorming Verzadigd (monster staat onder water + binnendruk=BP) Opmeting van poriënwaterspanning Voordelen Duur van de proef Vervormingsgestuurd Meting poriënwaterspanning in monster
Benderproeven Bepaling maximale vervormingsmoduli G0 en E0 Principe: meting golfsnelheid in grondmonster ahv tijdsverschil tussen zend- en ontvangst-signaal
Benderproef
Vervormingskarakteristieken: G0 en E0 gzx
S golf
P golf
t z x
Velocity Vs
hc TravelTime
GO Vs E 2G (1 )
2
Cyclische triaxiaalproef voor wegenbouw
Laboratorium bepaling van de mechanische eigenschappen van ongebonden korrelvormige materialen, toegepast in funderingen en onderfunderingen van wegen
➙ Omkeerbare vervormingen om de reversibele vervormingsmodulus te bepalen (dimensionering) ➙ blijvende vervormingen pour om het lange termijn gedrag van de materialen te bepalen (gevaar voor spoorvorming)
Cyclische triaxiaalproef: principe van de proef
Een cilindervormig proefstuk wordt in een cel geplaatst en onderworpen aan een steundruk s3 en een axiale spanning s1=s3+q.
CCP proef - methode B: cyclische axiale spanning - constante steundruk (lucht)
VCP proef – methode A: axiale spanning en steundruk zijn cyclisch en in fase (ontlucht water)
q s3
q s3
Cyclische triaxiaalproef: voorbeeld van resultaten
Methode B (CCP)
Materialen: kalk, granulatsen van betonpuin, staalslakken
Studie van omkeerbare vervormingen: resultaten bij wOPM et OPM 1100
y = 19.19x0.62 2 R = 0.94
1000
Resilient modulus (MPa)
900
y = 5.09x0.79 2 R = 0.93
800 700
y = 9.86x0.64
600 500
CRR-OCW 21765
Limestone Trendline
400 300
Crushed concrete aggregate Trendline
200
Slag Trendline
100 0
0
100
200
300
400
Vertical stress (kPa)
500
600
700
Recente ontwikkelingen monitoring
46
Waterpeilmetingen in peilbuizen
Discontinue meting dmv peilmeetlint Continue meting d.m.v. peilbuisdatalogger
Geotechnische metingen
Voordeel continue waterpeilmetingen: seizoenschommelingen opvolgen bemalingen
Correct waterpeil oa nodig voor nodige voorzieningen tegen opdrijven tunnel
door de opwaartse waterdruk
Opdrijven tunnelmoot 15cm Aanbrengen tegengewicht
trekpalen
Meten van zuigspanningen in onverzadigde gronden
Metingen: Tensiometers, Watermarks
In boorgat Plaatselijke metingen Geautomatiseerde metingen Eerste resultaten na ~24H
Onderzoeksproject WTCB
« Tijdelijke sleuven in onverzadigde gronden »
Metingen van zuigspanningen in onverzadigde gronden Waarom? Uit de theorie blijkt dat bij afwezigheid van waterdrukken en voor onsamendhangende grond de maximale taludhelling as gelijk is aan de hoek van inwendige wrijving. Uit de praktijk weten we echter dat veel steilere taluds kunnen worden verwezenlijkt. Hoe komt dit? Er bestaat in partiëel verzadigde gronden een fictieve cohesie die het gevolg is van de aanwezigheid van de waterlensjes tussen de korrels. Deze waterlensjes veroorzaken een aantrekkingskracht tussen de deeltjes onderling. Dit effect is afhankelijk van de grondsoort en van de graad van verzadiging. De fictieve cohesie is afkomstig van verhoogde korrelspanningen die worden veroorzaakt door negatieve poriënwaterspanningen
Onverzadigde gronden – Theoretische benadering De wet van Coulomb (schuifweerstand) wordt aangepast
t c ' (s n u w ) tan( ' ) t c'(s n ua ) tan( ' ) (ua uw ) tan( b ) Hierin zijn ua: spanning in de gasfase in de poriën uw: spanning in de waterfase in de poriën ua-uw: « matric suction » Φb: deze hoek bepaalt de toename in schuifweerstand ten gevolge van de matric suction
Link tussen « zuiging » en « cohesie » 30
"cmatricielle" [kPa]
25 20 15 10 5 0 0
10
20 30 succion [kPa]
40
50
Empirische correlaties tussen b en ’: tan b = ½ tan ’... tan ’ Labo tests met geroerde/ongeroerde monsters Schattingen (met SWCC, compaciteit…) Databases 53
Onverzadigde gronden: taluds te Gasthuisberg (Leuven) Coefficient de frottement Rf = (fs/qc)*100 [%]
Résistance au cône qc [MPa]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
2
4
6
0
8 10 12 14 16 18 20 22
Profondeur [m]
Profondeur [m]
0
2
4
6
8 10 12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Kleihoudend zand (Formatie van Sint Huibrechts Hern) Fi=34° bepaald op basis van een analyse door "VO-MOW Afdeling geotechniek" van beschikbare triaxiaalproeven in deze geologische formatie in de buurt van de werf 54
Onverzadigde gronden: taluds te Gasthuisberg (Leuven)
Zuiging (ua-uw) [kPa]
0 1m60 diepte 3m20 diepte
-5 -10
2m10 diepte 4m diepte
-15 -20 -25 -30 -35
-40 01/12/09
05/01/10
09/02/10
16/03/10
20/04/10
Tableau 1. Pentes maximales obtenues par calcul pour un facteur de sécurité = 1 et Hauteur h 5m 7m 10m (*) L [m] L [m] L [m] Sans prise en compte de 34 7.4 34 10.4 34 14.8 succion : ca=0kPa Avec prise en compte de succion 65 2.3 60 4 50 8.5 ca=6.7kPa * L’angle et la distace L sont définis à la Figure 9
. 15m L [m] 34 22.2 45
15
55
Onverzadigde gronden: Berlijnse wand te Wetteren
Profondeur [m]
0 0 0
qc [MPa] Qst [kN]
10 10 25
20 20 50
30 30 75
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Résistance au cône qc Résistance totale au frottement Qst
56
Onverzadigde gronden: Berlijnse wand te Wetteren
Moment [kNm]
Cohesion apparente [kPa] 0
1
2
3
4
5
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0 0
0
surface
-1
-1
-2 niveau de l'excavation
-3 -4 -5
-4
-5
Nappe phréatique (NP)
-6
-6
-7 -8
-3
-7 mesure
-8
Profondeur [m]
Profondeur [m]
-2
calcul san s co hesion ap parente
-9
calcul avec co h esion ap parente
-9
57
Hoe omgaan met effect van zuigspanningen in de praktijk
Metingen met tensiometers/Watermark voor het uitgraving om een idee van te zuiging te hebben Eerste schatting van cohesie
Vrije prismaproeven en/of zuigingskrommen Beter schatting: onzekerheidscoëfficiënt gereduceerd
Voorzogsmaatregelen om zuiging aan te houden in functie van: Site omstandigheden (water: bescherming, drainagesysteem, …) Periode van het jaar Type grond (doorlatendheid & retentiekrom)
Controle: Continu metingen van zuiging/watergehalte 58
Meten vervormingen Inclinometer → SAAF
59
Meten vervormingen SAAF
VERTICAAL
a
α max = +/- 45 °
vast punt HORIZONTAAL
vast punt
a
Optische vezeltechnieken voor meten van rekken FBG horizontale sensoren
Optische vezel sensoren in geotextiel
SAAF sensor
“FBG extensometer”
Optische vezel metingen: verschillende typen voorbeeld BOTDA (Brillouin)
Brillouin shift is temperature and strain sensitive Use of pulsed light enables localization Spectral analysis of the scattered light provides the Temp. and strain information
Innovatieve monitoring tools voor online monitoring Rekken en afgeleide momenten in HEB profielen groutwand
Innovatieve monitoring tools voor online monitoring Instrumentatie onder sporen: Horizontale continue inclinometer (SAAF) Horizontale traditionele inclinometer
09/11/11 20u
14/12/11 13u45
15/03/12 6u
09/03/12 10u
08/12/11 7u
17/01/12 11u
18/01/12 17u
17/02 13u
20/02 12u
25/02 21/02 3u 16u
09/03 17u
12/03 7u
64
Innovatieve monitoring tools voor online monitoring: voor meer info
65
Conclusie
Op internet beschikbare geologische en geotechnische info laat toe vooraf reeds een eerste inzicht te hebben van te verwachten grondgesteldheid Documenten aanvullend op Europese normen zijn beschikbaar of in ontwikkeling Recente ontwikkelingen in proefmethodes laten enerzijds een nauwkeuriger bepaling geotechnische parameters toe, en anderzijds bepaling parameters nodig voor meer geavanceerde berekeningen Nieuwe monitoring technieken openen perspectieven voor online monitoring en continue opvolging van geotechnische constructies Globaal bestaat dus de mogelijkheid om door een kwalitatief en kwantitatief degelijk grondonderzoek de onzekerheden bij bouwen met grond beter te beheersen.
66