Het effect van grondwaterstijging op funderingen op staal Bijnagte GeoDelft prof, ft. int,F. van Tol TU-Delft 82 GeoDelft R. Elprama Gemeentewerken Rotterdam
SAMENVATTI NG .
ipimputiminnwilmmagil
Naast het ontstaan van zakkingen en daardoor schade ten gevolge van peilverlaging, kan er in beginsel ook schade ontstaan door peilverhoging. Naar aanleiding van een eerder artikel van Verruijt in dit vaktijdschrift is door de Commissie Bodemdaling door Aardgaswinning een onderzoek gestart om antwoord te krijgen op de vraag in hoeverre schade kan optreden door peilverhoging. Het onderzoek heeft bestaan drie onderdelen: een literatuurstudie, een uitgehreide studie met NEN 6744 en Naxisanalyses, en tot slot een uitwerking voor een praktijkgeval. De eindconclusie is dat peilverhoging nagenoeg nooit de oorzaak zal zijn van schade. Voor twijfelgevallen is een beoordelingsprocedure opgesteld.
INLEIDING
Door gaswinning oritstaat bademdaling. Om de gemiddelde drooglegging ongeveer constant te /louden, kunnen dan peilaanpassingen nodig zjn. Doordat de zakking over een gebied vaak niet gelijkmatig is, kan daarbij in een deel
uitgevoerd door Game entewerken Rotterdam en een literatuurstudie en de toetsing van een praktijkgeval door GeoDelft.
LITERATUURSTUDJE
deren van de effectieve korreIsoanning. In
In ole literatuur zijn, naast de artikelen van Verruijt, to artikelen gevonden die betrekking hebben op het effect van een grondwaterstijging op draagkracht en/of zakking van een fundering op staal. Opvallend is dat op basis van metingen een veel geringere reductie van de draagkracht wordt gevonden dan op basis van analyses [Williams 1957, Meyerhof 1955 en Eastwood 1951]. In het algemeen is de reductie
figuun is dit schematisch weergegeven voor
van de maximaie draagkracht klein.
een geval waarbij cle heiasting in de huurt ligt
proeven [Williams 1957] blijkt tevens dat er in de praktijk, voor een fundering op zand, verschil in maximale draagkracht optreedt bij
van het gebied sprake zijn van minder droogleggrng, dus een relatieve grondwaterstijging, en in een ander deel van meet drooglegging, dus een relatieve grondwaterdahng. Door Verruijt [2000] en Verruijt Brinkgreve [z000] is aangegeven dat een grondwaterstijging kan leiden tot extra zakking door een reductie van de draagkracht ten gevolge van het vermin-
van de rnaximale draagkracht. De blauwe liin geeft het last-zakkingsgedrag van de fundering in de oorspronkelijk situatie weer, terwijI de rode hjn geldt voor een hogere grondwaterstand. Indian de grondwaterstand stijgt, zal het gedrag, weergegeven in de grafiek, dus overgaan van de blauwe naar de rode Iijn, oftewel er treedt extra zakking op. De grootte van die zakking zal bepalen of, en zo ja hoeveel, schade aan het gebouw ontstaat Orn te kunnen beoordelen of dit in het algemeen een me chanisme is orn rekening mee te houden, is dit nader onderzocht. Hierbij is een studie met NEN 6744 en zijn Plaxis-analyses
44
een verschillende volgorde van belasten waterstandsverandering. Volgens de in NEN 6744 gehanteerde theorie is dat niet het geval. Het in de praktijk relevante geval met een reeds aanwezige belasting en een daarna optredende grondwaterstijging blijkt bij de proeven het kleinste effect te geven. Tevens gelclen de in de artikelen genoemde getallen vaak voor extreme verschillen, van geheel droog tot geheel verzadigd. In het geval van aardgaswinning in Groningen it sprake van veel kirinere verschillen, orde 0,1 a 0,15 rn
grondwaterstijging. Dat zal voor een normale fundering slechts resulteren in Een geringe reductie van de draagkrac ht. Een punt van aandacht bij de gepresenteerde berekeningen is de grootte van de berekende zakkingen. In die gevalien waarbij een gehnge verhoging van de grondwaterstand resulteert in een relatief grote extra zakking en daardoor kans op schade, wordt vrijwel altijd al eel_ zeer grote zakking van de fundering uitgerekend in de situatie van vOór de grondwaterstijging. Vaak is dat al in de orde van meters! Daze barekeningen sluiten niet echt aan bij de meeste gevalden in de praktijk: de zakkingen zijn dusdanig grout dat die vrijwei ahijd. in werkelijkheld aantoonbaar niet zullen zijn opgetreden. Indien dat wel het geval is, voldoet de fundering, door de grate zakkingen, in de oorspronkelijke situatie al niet en is de fundering verkeerd ontworpen.
ANALYSES
Om het effect van een peilverhoging voor Groningse omstandigheden re bepalen, zijn op basis van bore austudies een serie analyses nitgevoerd [GW Rotterdam 2004]. Uit de berekeningen blijkt dat met draagkrachtanalyses Volgens de methode van NEN 6 744 (met representatieve waarden), wat betreft de maximale
Geotechniek 2o0C
Het effect van grondwaterstijging op funderingen op staal
igkracht, nagenoeg hetzelfde antwoord .dt verkregen als met een Plaxis-analyse Arel voor het Mohr-Coulomb model als het t Soil model). or de be paling van de maximaie draagIcht en de veiligheid tegen bezwijken kan .s warden urtgegaan van analyses volgens EN 6744.
lir-
oewel niet gene ernd in de literatuur, zijnkruiparmten, indien aanwezig, ongonstig voor de . raagkracht en bus dienen ze in de berekenin;en te warden meegenomen Het effect daarvan can relatief groat zijn: een D,Im lager liggend aodemniveau heeft ongeveer een even grate reductie van de draagkracht tot gevolg als een grondwaterstijging van 0,15 a 0,20 m.
- nauwkeuriger
S.
vaststellen van de eigenschapper van cle bodem ter plaatse met behulp van boringen en laboratoriurnonderzoek - nerberekening van de grensdraagkracht conform NEN 6744 Mien be draagkracht bil stap 4 niet voldoende is [veiligheidsfactor 1,2 of lager), client de eventuele bijdrage door een grondwaterstandstijging aan de totale vervorming te worden vastgesteld: - bepalen van de op getreden vervormingen van het gebouw door middel van waterpassingen; - uitvoeren plaatdrukproef; - berekenmgen met een eindige elementenrnodel.
BEOORDELINGSPROCEDURE
PRAM KGEVAL
Op basis van de analyses is een procedure apgesteld om soh adegevallen te beoardelen: Nagaan of er een wijziging van de drooglegging is. Eij afname van de droogiegging verder gaan met stap 2, bij toename van de drooglegging wordt getoetst aan het rapport `Studieresultaten betreffende ongelijkmatige zakkingen in verband met aardgaswinning in Groningen' [8]. 2. Nagaan of de fundering een zeer lage veiligheid kan hebben tegen bezwijken (veiligheidsfactor 1,4 of minder), zo ja doorgaan met stap 3. Voorbeelden hiervan zijn o.a. (zwaardere) nieuwbouw op bestaande fundering en toename van belastingen door verb ouwingen. 3. Bepalen van de veiligheid van de fundering tegen bezwijken: vaststellen van de belastingen op de fundering(en); afmetingen; breedte aanlegdiepte en eventuele kruipruimten; - vaststellen van de eigenschappen van de bodem ter plaatse met behuip van sonderingen: - berekening van de grensdraagkracht conform NEN 6744. Vaststellen van de situatie van het grondwater ter plaatse, ten minste: - het bepalen van de natuurlijke variatie van de grondwaterstand - de mate waarin de grondwaterstand verhoogd 4 Ms de grondwaterstand is verhoogd en de veiligheid teger bezwiiken blijkt zeer laag te zijn (veiligheidsfactor 1,4 of minder), ban is het denkbaar dat de bodemdaling schade heeft veroarzaakt indien dit het gevallijkt te zijn:
De procedure is toegepast op een praktijkgeval van E'en wooing met schade, zie foto
C-eotechnie O V i 2000
Bij de terreininspectie van de waning zijri de volgende zaken geconstateerd: - de wooing bestaat nit meerdere delen die op verschillende tijdstippen zijn gebouwd. - rand be waning ligt het maaiveld hoger clan de omringende weilanden (magelijk een oude terp?). de schade aan de woning bestaat hoofdzakelijk uit een verticate spleet tussen het voorste deel en het achterste deel van de waning. Deze spleet wardt naar boven toe steeds wijder. Het vervorrningsbeeld komt overeen met dat van een in me erdere fasen gebouwde wooing.
Drankracht IkNI
0.00 0.10
11111111—rr• ■—•■ kL. 'M=
0.20 030
NM%
0.40
sik
1111
"4: 030 ,ara o ktng o.Gc
qy.
GY150Wig
270 0.50 090 1.00 Ooopmkelijk No slijgen
Figuur 1 Voorbeeld van een last-rakkIngsdiagram var
eff, furulering op snal
:Foch is voor deze waning be gehele voorgestelde procedure cloorlopen am te kijken of deze goed toepasbaar is, of clat aanpassingen nodig zijn. Om de draagkracht van de fundering te kunnen bepalen, is een funderingsinspectie uitgevoerd waarbij de fundering op twee plaatsen is vrij gegraven. Hieruit bleek dat sprake is van een strokenfundering met een funderingsbreedte van 0.85 m er aanlegniveaus van 0,75 m - my aan cle voorkant (linkerkant van het gebouw in de figurer 2 en 3) en 0,62 in- mv aan de achterkant van de waning. Deze laatste diepte voldoet net car de eis 1/00r cle minimale aanlegolepte in verband met wrist (minimaal 0,6 tot o,8 m - maaiveld). Os funderingsbelastingen zijn voor de woning bepaaid op; - ter plaatse van de fundering aan de voorkant var de waning: 38 kNim (re presentatieve waarde, de rekenwaarde is 47 kEl/m);
45
Het effect van grondwaterstijging op funderingen op staal
Gracht
B.:Om
opnj pad
1.05 1.04
11.1 r.ncieringsinspecti
1.02
* Waterpass■ngspunt Rondom gtheuwinivorg meting
- Boom
Figuur 2
-
0.58 0.56
Sondering
0
Schematische weergave Ivgternater Net op schaa1i boogtematen in mete7s to y. NAP
Boring Plaatdrukproe£
Prattegrord onn er mee7unterl
Figuur 3
ter plaatse van de fundering aan de achtet kar t van de waning: 29 kN/m (rekenwaarde 36 kN/m).
Deze waarclen zijn in de verdere analyses aangehooden. Omdat zonder watorpassing niet duidelijk is welk deel van de waning is verzakt, en hoeveel, zijn waterpassingen uitgevoerd. Het betreft zowel de bepaling van de hoogten van de vloeren als een lintvoegwaterpassing, zie figuur 3. De meetlocaties zijn weergegeven in figuur 2. Uit de metingen biijkt dat: - de voorkant van het huis (linkerkant in figuur 2) near de gracht toe iets verzakt (maximaal 0,08 m); - de achterkant van het huis zakt in de andere richting. Het hoogteverschil be draagt ca. 0,2 m. Beide effecten dragen bij aan de vorming van een scheur tussen de beide gebouwdelen. Het is niet duidelijk of de sorong in de lintvoegmeting ter plaatse van de aansluiting van de
Rsultaten I rt ycegwaterpassir g
G RON DONDERZOEK
WALING REKENPARAMETERS
Cm de bodemgesteldheid, en eventuele variaties daarin, te bepalen zijn 3 sonderingen eni boring met monsterneming uitgevoerd. Daaruit blijkt dat de toplaag bestaat uit uitge-
De olaatdrukproef is ongedraineerd uitgevoerd en heeft gediend als basis vo ox de analyses
droogde klei, lokaal mogelijk met wat veen. Vanaf een diepte van ongeveer 3,5 m - my wordt de laei zandiger. Beneden 8 a 8,5 m my wordt zand aangetroffen, zie ookfiguur. 4. Op de monsters uit de boring zijn volumegewichtbepalingen en 2 triaxiaalproeven uitgevoerd, een op materiaal van bo yen en een op materiaal van order de grondwaterspiegel. De resultaten zijn weergegeven in tube! 1. De grondwaterstand is enkele maandenregelmatig gemeter. en be y ond zich op circa 1,3 m -my.
waarvoor de proef met Plaxis is nagerekend. In eerste instantie is uitgegaan van de waarden coals die zip bepaald met de gedraineerde parameters uit de triaxiaalproeven, maar met ongedraineerd grondgedrag. lift de analyses bleek dat daarmee een te slap gedrag wordt verkregen. Een goede fit worth echter -Dereikt indien uitgegaan wordt van de aanwezigheid van grote horizont ale spanningen in de toplaag (K, =1). Op zich is dit aannemelijk: doordat de grond in de toplaag sterk uitgedroogd is, zal ET sprake zijn van capillaire spanningen waardoor onderdruk in de porien aanwezig is. Deze onderdruk werkt in alle richtingen even sterk, wat overeenkomt met een K , van ongeveer
PLAATORUKPROEF
Om de Plaxis-berekeningen voor het last-zaklcingsgedrag yarn de fundering te kunnen ijken, is
Het result aat van deze Plaxis-anaiyse is weer gegeven in figuur 5. Aangezien de piaatdia-
ook een plaatdrukproef gedaan, zie foto 2. De piaatdrakproef is uitgevoerd met behulp van een sondeerwagen uitgerust met een vijzel order de
meter 0,3 m was, komt een kracht van 30 kN overeen met eon spanning van 424 kN/mVoor de woning lig gen de belastingen slechts in de orde van 40 a 45 kN/m-, dit komt infiguur
beide delen van de woning bij de bouw van het achterste deel al aanwezig was als y erschil in
bumper. Hierbij bleek het gewicht van de wagen
voeghoogte, of dat dit door latere zetting is ontstaan.
in eerste instantie onvoldoende. De opstelling is daarna aangepast waarna een tweede proef is uitgevoerd tot een hoger belastingsniveau. Beide metingen zijn weergegeven infiyuurs.
$ dus overeen met een kracht van circa 3 kN. Voor dat traject is de fit uitstekend en is de invloed van de K., overigens gering. AIs uitdroging van grond een sterktetoename
O'
c'
[kl\i/m31
E [MPa]
Fr'i
[kPa]
13
10
31,3
7
9
6,4
41,1
o,6
Diepte
r,
't
[ro toy. mirl
11:N/m1
0,904,35 rn
18
1.35-2,62 m
15,5
Tale! ResjItatri tram.; allroeve.:
46
tot gevolg heeft, dan roept dat natuurlijk de vraag op of het verzadigen van uitgedroogde klei tot gevolg heeft dat, behaive wijzigen van het effectieve gewicht, ook de sterkte wijzigt. Dirt verschijnsel zou in bepaalde gevallen eer delangrijke bijdrage kunnen leveren sari het verminderen van de draagkracht van een fun-
Geotechniek
Het effect van grondwaterstijging op funderingen op stn.!
111.
qc [MPa] 0 1 2 3
10 Figuur
denng op staal. Een moeilijkheid daarhij is dat hierover geen algemeen gelderide uitspraak is te daen (zie ook Meyerhof 1955). Hier is uitgegaan van een y olledige aanpassing naar verza-
maximale draagkracht. De peilwijziging zoals
digde sterktewaarden. De verschillen in sterkte
blijkt zeer gering: ten gevolge van die grandwaterstijging neemt de maximale draagkracht slechts met ca. 2 % af. In dit geval kan de grand-
zijn hier echter zeer gering.
BEREKENINGEN VOOR DE FUNDERINC OP STAAL
Als eerste zijn, zowel voor het voorhuis als het achterhuis, analyses uitgevoerd volgens NEN 6744. Hierbij is voor de grondmechardsche gegevens uitgegaan van de waarden zoals die zijn verkregen bij de triaxiaalproeven. Als grondwaterstand is uitgegaan van een oorspronkelijk niYeau van NAP -0,90 m (= 1,45 m mv). Llit de analyses volgt dat de sterkte van de funderingen ruim y oldoende is: de belasting bedraagt ongeveer 13 % van de berekende
die ter plaatse in de loop der jaren is opgetreden, correspondeert met een grondwaterstijging van 0,13 m. Het berekende effect daarvan
waterstijglng dus niet veramwoordelijk zijn voor het optreden van grate extra zakkinger en claardoor schade. Met Plaxis is vervolgens de fundering aan de y oorkant van het gebouw berekend. Aangezien de verwachte zakkingen gering zijn, volstaat een berekening met het Mohr-Coulomb mode). Hierbij is de belasting ongedraineerd aangebracht en daarna is het effect van consolidate berekend. De elementen mesh is weergegeven in figuur 6. Omb at zowel de fundering als de
gen en is dtiv,tok rutin voldoende MI y en mspe.: tIt Itl p rk h y t vootste der] van de wonmg l.i.il eli1k run kr itprinulte tv bezitten. In een tweetb analyw ic daatom onk een kruiprmmte 31 4 ;rhoudim imibq it-, ern antgraving,sdlept y tot vertandmg van de fundering aanp.rhoud • n 1 . 11 . 1 versuhtl iii zakkingsgedrav, met bet g,eval zondsi k ruipruimte
is niet erg 8 root vriligheid tvrn hezwijken is gtoot (wee] dart pen todol ii Di giondwater st ijging van oxi nt ITO 1 in dit 1 n-v1 oak gen probleem 1 wroolvaak i.), rrn iii is menswaardige exlm ,Ak I De concluste op Iwo ., van dr NA x v. Analyses is dos dai dr finsiirtity volttorndr bezit orn een trial levy o■ndwatsto ionv, van m te kunnen
opornirn er (131
weeggebiA, ;Akk
dr daardonr te•
Inver
vri wamloos
haat 21111
belasting symmetrisch zijn veronderstekl, volstaat het modelleren van een halve fundering. De berekende dire cte zakking van de fundering bedraagt ca. 4 mm onder cen funderingsbelasting van 44,1 kN/m = . Dit neemt ten gevolge van cor.solidatie toe tot ca. 6 mm. Het eerste getal is tijdens de bouw al grotendeels opgetreden, het tweede ten gevolge van aanpassing van de bodem daarna. In de berekening is tevens een grondwaterstijging van NAP -o,go m naar NAP -0,77 m gemodelleerd. De daardoor veroorzaakte berekende zakking is verwaarloosbaar (0,02 mm). De berekende Figuur 5
_ast-zakOngsdiagram plaawn..kproef en laxis-
ana.y5E
Geatechrue
rnaximale draagkracht blijkt voor deze verhoogde grondwaterstand 140 te bedra-
Figut p 6
47
111. .
Het
effect
L v ALUATIE
van
giondwaterstqging op funderingen op staal
BEREKENINGSRESULTATEN EN GEMETEN
MIINGEN VAN DE WONING firt
volgen van de voorgestelde procedure
Inengt in dit geval aan het licht dat er aanzienI ijke verschillen kunnen optreden tussen de berekende en de gemeten zakkingen. Er zijn 1/00.r dit geval slechts beperkte zakkingen borekend: m de orde van millimeters (Plaxis) tot maximaal enkele centimeters (NEN 6744 analyses). Op basis van de waterpassingen is er echter sprake van zakkingsverschillen van ca. 0,2 m, Dit betekent dat het reeei ann zijn om zakkingen te verwachten die in de orde van 0,2 a 0, 5 m liggen. Er moeten dus andere factoren een rol gespeeld nebben bij de opgetreden zakkingen. Dit kunnen onder andere polderpeiverlagingen nit het verleden, kruip, ophogingen, 'uitzakken van de terp en effecten van beplant1ng (er zijn enkele grote bornen aanwezig) zijn. Deze factoren konden in het kader van bit onderzoek niet warden onderzocht. Dit is weliswaar onbevredigend, mar op basis van be beschikbare gegevens kan wel worden geconcIudeerd dat 0,13 rn grondwaterstilging Met verantwoordelijk kan zijn voor bet ontstaan van de opgetreden .schade.
CONCLUSIES
in de liieratuur blijkt met betrekking tot reductie van de maximale draagkracht van een fundering op staal ten gevolge van een grond-
48
waterstijging een verschil te bestaan tussen proeven en berekeningen. Het bij pro even
[41
Buttetworths scientific publications 1957 G.G. Meyerhof, Influence of roughness of
gevonden effect is aanzienlijk kleiner clan bij de berekeningen.
base and ground-water conditions on the ultimate bearing capacity of foundations.
Voor het in slit artikel gemesenteerde praktijkgeval blijkt het berekende effect vrijwel nihil te zijn. la de meeste gevallen zal een geringe grondwaterstijging dan ock niet de oorzaak zjin van schade. In twijfeigevallen kan de opgesfelde beoordelingsprocedure warden toegepast. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een aantal beoordelingsstappen waarbij steeds nauwkeuriger informatie wordt verzameld en gebruikt. Uit de hier gepresenteerde toetsing is gebleken dat deze procedure in cle braktijk goed werkt,
Geotechnique, The international Journal of Soil Mechanics Volume V, September 1955 00.3. pp. 227-242.
LITERATUUR
[1] Verruijt A., Schade bij gelijkmatige bodemdaling; Geotechniek, vol. 4, 2000, p.15-18, [2] Verruijt A. and Brinkgreve , Structural damage by uniform subsidence. Land subsidence, Vol I, p.167-175; Proc. of the sixth symp. on !arid subsidence, Ravenna, Italia, 24-29 September 2000 [31 A.A.B. Williams, Studies of shear strength and bearing capacity of some partially saturated sands. Proceedings of the fourth international conference on soil mechanics and foundation engineering, Volume I Divisions ]-3a, pp. 453-456
[51 B. Eastwood, A comparison of the bearing power of footings on dry and inundated sand. Paper to be read before the Institution of Structural Engineers at n. Upper Belgrave Street, London, SW 1. on Thursday, January nth, 1951 at 6 p.m. [6] Gemeentewerken Rotterdam rapport: aiiderndaling Groningen, Effecten peilverhoging op fundering op staal. Relate afname draagvermogen en zakking fundering' Januari 2004. 171 GeoDelft rapport: CO -41494a-oo9 v02 Gebouwenschade t.g.v. peilverhoging / Geocheck rap. 2000-005/B GW Rofteidarri, Januari 2005 [8] Studieresultaten betreffende ongelijkmatige zakkingen in verband met aardgaswinning in Groningen. Commissie Boderndaling door Aardgaswinning, maart 1987.
