33
HOOFDSTUK 2 ZETTINGEN, STABILITEIT, AANLEG en ONTWATERING van de AARDEBAAN, alsmede TOEPASSING van LICHTE OPHOOGMATERIALEN en GEOKUNSTOFFEN
34
2.1. Inleiding: Het construeren van een aardebaan op een slappe ondergrond geeft altijd aanleiding tot zettingen. De grootte van deze zettingen hangt af van de grootte van de belasting, dit is het gewicht van de ophoging, en de vervormingskarakteristieken van de ondergrond. Doordat de grootte van de belasting en de vervormingseigenschappen van de grond altijd een zekere spreiding vertonen zullen zettingen bijna altijd ongelijkmatig van aard zijn. Ongelijkmatige zettingen (figuur 2.1) resulteren in onvlakheid van de weg of spoorweg en zijn daardoor van invloed op het rijcomfort en zelfs de veiligheid.
Figuur 2.1: Ongelijkmatige zettingen resulteren in een onvlakke weg. De reden waarom zettingen optreden is eenvoudig. De extra belasting die op de ondergrond wordt uitgeoefend door de ophoging moet worden gedragen door het korrelskelet, d.w.z. door de normaalspanningen en schuifspanningen die zich ontwikkelen in de raakpunten tussen de korrels. Als de schuifspanningen te groot worden zal de korrelstructuur zich moeten heroriënteren hetgeen betekent dat de hoeveelheid holle ruimte af zal nemen en dat het aantal contactpunten tussen de korrels toe zal nemen en wel zodanig dat een evenwichtstoestand is bereikt. Zettingen zijn daarom het gevolg van het afnemen van het poriegehalte van de grond. Deze zettingen worden de primaire zettingen genoemd. Het gebruik van het woord “primair” duidt erop dat er ook sprake is van secundaire zettingen. Deze secundaire zettingen zijn het gevolg van kruip van de korrels zelf ten gevolge van de extra aangebrachte belasting. Deze secundaire zettingen worden ook wel aangeduid met het begrip seculair effect.
35
De primaire zettingen zullen direct ontstaan wanneer de belasting in één keer wordt aangebracht. Dit is natuurlijk alleen mogelijk indien vervorming van het korrelskelet, of de afname van het poriegehalte, niet wordt belemmerd. Als echter de poriën gevuld zijn met water kan het porievolume alleen afnemen als het water uit de poriën wordt geperst. Het gemak waarmee dat kan gebeuren hangt echter direct af van de doorlatendheid van de grond. Als bv. de grond niet doorlatend is kan het water niet uit de poriën stromen en omdat water niet samendrukbaar is zullen er geen zettingen plaatsvinden. Bovendien wordt in dat geval de extra aangebrachte belasting geheel gedragen door het water hetgeen betekent dat er sprake is van “overspannen” water. Op zichzelf is dat geen probleem als we de evenwichtssituatie bekijken voor locaties onder het midden van een brede ophoging. Aan de randen van de ophoging, bij de taluds, zullen zich echter behoorlijk grote schuifspanningen in de ondergrond ontwikkelen en omdat we weten dat de schuifweerstand van met water verzadigde grond, en met name van grond met overspannen water, zeer laag is, zal het duidelijk zijn dat in zulke gevallen bij de taluds gemakkelijk afschuivingen kunnen ontstaan. Het is dus duidelijk dat het voorkomen van overspannen water moet worden tegengegaan. De belasting t.g.v. de ophoging moet worden gedragen door het korrelskelet en niet door het poriewater. Grond heeft echter altijd een zekere mate van doorlatendheid en dit houdt in dat het water geleidelijk uit de poriën wordt gedrukt als gevolg van de extra belasting door de ophoging. Gedurende een zekere tijd zal danook de extra belasting die in eerste instantie werd gedragen door het water in de poriën worden overgedragen op het korrelskelet. Het zal duidelijk zijn dat deze periode langer is naarmate de doorlatendheid van de grond kleiner is. Deze periode, die de hydrodynamische periode of de consolidatietijd wordt genoemd is (heel) kort voor grind dat een hoge doorlatendheid heeft maar kan zeer aanzienlijk van duur zijn voor klei die een (zeer) geringe doorlatendheid heeft. Uit de bovenstaande uiteenzetting zal duidelijk geworden zijn dat weg- en railbouwkundige ingenieurs voldoende kennis moeten hebben met betrekking tot het zettingsgedrag van aardebanen en de stabiliteit ervan.
2.2
Zettingen:
Zoals in de introductie is genoemd zijn zettingen het resultaat van een afname van het porievolume, de primaire zettingen, en van kruip van de korrels die het skelet vormen, het seculair effect. We kunnen dit in formulevorm schrijven als: ∆ht = ∆hp + ∆hs Waarbij:
∆ht ∆hp
(1) = totale zetting, = primaire zetting als gevolg van de afname van het porievolume,
36
∆hs
= secundaire zetting als gevolg van kruip van de korrels.
Als we voor het gemak even aannemen dat er geen water in de poriën aanwezig is, dan kan de wijze waarop zettingen zich in de tijd ontwikkelen schematisch worden weergegeven met figuur 2.2. Hoogte van de aardebaan
tijd
tijd Primaire zetting Secondaire zetting of kruip Zetting Figuur 2.2: Zettingen in de tijd bij afwezigheid van water. Als we de spanningen in de ondergrond beschouwen dan weten we dat de verticale spanning met de diepte toeneemt volgens: σt = γ . z Waarbij:
(2) σt γ z
= totale spanning op een bepaalde diepte, = volumegewicht van de grond, = diepte onder het maaiveld.
Grond bestaat uit korrels en poriën en de poriën kunnen geheel met water zijn gevuld (verzadigde grond), maar ze kunnen ook gedeeltelijk gevuld zijn met water of leeg zijn. Met de vullingsgraad moet rekening worden gehouden bij de berekening van γ. Het volumegewicht van een grond wordt berekend met: γ = n . Sr . g . ρw + (1 – n ) . g . ρs Waarbij:
γ n Sr g ρw ρs
= volumegewicht [ kN / m3 ], = porositeit, = verzadigingsgraad, = 9.81 m / s2, = specifieke dichtheid van water [ kg / m3], = specifieke dichtheid van de korrels [ kg / m3 ].
(3)
37
Soms wordt het poriegetal e gebruikt i.p.v. de porositeit n. Beide grootheden zijn aan elkaar gerelateerd volgens e = n / ( 1 – n ). Enige definities m.b.t. volumina en gewichten zijn gegeven in figuur 2.3. Volumes:
Va
air
Vp
n
e
water
Vw
solid V
Vs
1
Weights:
air water Ww γ
γsat
W solid Ws
γdry
Figuur 2.3: Enige definities betreffende volumina en gewichten (1). Verzadigde grond heeft een volumegewicht van: γsat = n . γw + ( 1 – n ) . γs Waarbij:
γs
(4)
= volumegewicht van de korrels.
Droge grond heft een volumegewicht van: γdry = ( 1 – n ) . γs
(5)
Korrels die onder het grondwater liggen hebben een lager volumegewicht t.g.v. de opwaartse kracht die gelijk is aan het gewicht van het verplaatste
38
volume water. Het effectieve volumegewicht van verzadigde grond onder water, γ’, is gelijk aan: γ’ = ( 1 – n ) . ( γs - γw )
(6)
In tabel 2.1 zijn voor de bovengenoemde grootheden van een aantal in Nederland voorkomende gronden wat kenmerkende waarden gegeven. Type of soil
Porosity n 0.30 – 0.50
uniform graded sand well graded sand and gravel 0.25 – 0.35 soft clay (Ic = 0.5 a 0.75) 0.50 – 0.70 stiff clay (Ic = 0.75 a 1) 0.25 – 0.50 hard clay Ic > 1 0.20 – 0.25 peat 0.70 – 0.95 Note: Ic = consistency index = ( LL – w ) / PI w = moisture content of soil considered
Volume weight [kN / m3] γsat γdr γ’ 18.5 – 21.5 13.5 – 18.5 8.5 – 11.5 21.0 – 22.5
17.5 – 20.0
11.0 – 12.5
15.0 – 18.5
8.0 – 13.5
5.0 – 8.5
18.5 – 23.0
13.5 – 20.5
8.5 – 13.0
23.0 – 24.0 10.0 – 14.0
20.5 – 22.0 0.5 – 0.7
13.0 – 14.0 0.0 – 4.0
Tabel 2.1: Indicatieve waarden voor n and γ voor enkele typische Nederlandse gronden (1). Met behulp van deze informatie kunnen we de verdeling van de vertikale spanningen in een grondmassa berekenen. E.e.a. is in grafische vorm weergegeven in figuur 2.4.
hgwl GW
z
u
σe
Onder GW: σt = hgwl . γdr + (z – hgwl) . γsat. Figuur 2.4: Vertikale spanningen in een grondmassief bij afwezigheid van capillair water. Figuur 2.4 geeft aan dat voor het berekenen van de totale vertikale spanning in een grondmassief boven het grondwaterniveau (GW) γdr moet worden gebruikt (bij afwezigheid van capillair water) en dat onder GW, γsat gebruikt moet worden. Verder geeft figuur 2.4 aan dat de totale spanning gedragen wordt door het korrelskelet en het poriewater volgens:
39
σt = σe + u Where:
(7) σt σe u
= totale of grondspanning, = effectieve spanning of korrelspanning, = waterspanning.
Vervolgens wordt een aardebaan op het grondmassief gebouwd. We nemen hierbij in eerste instantie aan dat de grond een zeer lage doorlatendheid heeft. De vraag is nu wat de grond-, korrel- en waterspanningen zijn direct na het aanbrengen van de aardebaan. De spanningsverdeling die ontstaat is weergegeven in figuur 2.5.
Aardebaan γe , he
ui
∆u = γe . he
σe
Figuur 2.5: Vertikale spanningen in een grondmassief met een zeer lage doorlatendheid direct na aanbrengen van de aardebaan. Als we figuur 2.4 met figuur 2.5 vergelijken dan zien we dat de totale spanning, de grondspanning, in het grondmassief tengevolge van het gewicht van de aardebaan is toegenomen met γe . he. Omdat de doorlatendheid zeer laag is moet de toename van de grondspanning worden gedragen door het grondwater. Daarom geeft de figuur aan dat de initiele waterspanning ui toegenomen is met γe . he. De korrelspanningen blijven in het begin onveranderd. Door het “overspannen” zijn van het water, wordt dit geleidelijk uit de poriën gedrukt en wordt de extra spanning t.g.v. van de aardebaan geleidelijk overgedragen op de korrels. Als de consolidatie uiteindelijk is voltooid, is een spanningsverdeling verkregen zoals weergegeven figuur 2.6. Zoals we in figuur 2.6 zien is de waterspanning in dat geval afgenomen tot de oorspronkelijke waarde terwijl de korrelspanning is toegenomen met γe . he.
40
u
σe
Figuur 2.6: Spanningsverdeling na voltooing van de consolidatie. De vertikale deformatie tijdens de consolidatie kan met behulp van de formule van Terzaghi worden berekend. m=∞
∆h = h . mv . ∆p . [ 1 - ∑ {2 . e-aT / a}]
(8)
m=0
Waarbij:
∆h h mv ∆p T
Cv t k γw a M
= zetting [m], = dikte van de samendrukbare laag [m], = samendrukbaarheidscoefficient [m2 / N], = toename van de spanning t.g.v. het gewicht van de aardebaan [N / m2] = γe . he (zie figuur 2.5), = Cv . t /( h2 ) (opm.: ½ h wordt gebruikt als de samendrukbare laag zowel aan de bovenzijde als onderzijde van de laag kan afwateren, echter h moet worden gebruikt indien de afwatering alleen aan de bovenzijde van de laag kan plaatsvinden), = consolidatiecoefficient = k /( mv . γw ) [m2 / s], = tijd [s], = doorlatendheid [m / s], = volumegewicht van water, = M 2, = π . (2m + 1) / 2.
De vergelijking kan eenvoudig worden begrepen als hij geschreven wordt als: ∆h / h = mv . ∆p . U Waarbij:
U
(9) = tijdsfactor die verdisconteert dat de zettingen niet direct optreden maar over een bepaalde periode t.g.v. het feit dat het tijd kost om het water uit de poriën te persen.
Vergelijking (9) kan ook worden geschreven als: ε=σ.U/E
(10)
41
Waarbij:
ε σ mv
= ∆h / h, = ∆p, = 1 / E.
Alles overziend betekent e.e.a. dat de vergelijking van Terzaghi niets anders is dan een speciale versie van de wet van Hooke. U is gedefinieerd als het consolidatiepercentage of de consolidatiegraad; we kunnen nu schrijven: U = 1 - ∑ 2 . e-aT / a
(11)
en vervolgens: ∆h = h . mv . ∆p . U
(12)
Figuur 2.7 geeft, voor het geval van tweezijdige afstroming, de consolidatiegraad als funktie van de tijd en de diepte in de samendrukbare laag.
Figuur 2.7: Consolidatiegraad als functie van tijd en diepte (2). De vergelijking van Terzaghi geeft aan dat de consolidatiegraad sterk afhangt van T. Omdat: T = Cv . t / h2 en Cv = k / (mv . λw)
(13)
42
verkrijgen we: T = k . t / (mv . λw . h2)
(14)
Om de consolidatieperiode zo kort mogelijk te laten zijn is het belangrijk dat de doorlatendheid van het grondmassief groot is, dat de samendrukbaarheid gering is en dat de dikte van de samendrukbare laag ook gering is. Ook is het van belang dat de afvoer van het overspannen water zowel aan de bovenzijde als aan de onderzijde van de samendrukbare laag kan plaatsvinden. Als dit slechts aan één zijde kan, dan wordt de consolidatietijd een factor 4 langer.
2.3
Zettingsberekeningen met de formule van Koppejan:
In Nederland wordt de formule van Koppejan veel gebruikt voor de berekening van zettingen. Deze formule luidt: ∆h / h = ( 1 / Cp + 1 / Cs . log ∆t / td ) . ln (( σi + ∆σ ) / σi ) Waarbij:
∆h h Cp Cs ∆t td σi ∆σ
(15)
= zetting [m], = dikte van de samendrukbare laag [m], = primaire samendrukkingscoefficient, = secundaire samendrukkingscoefficient, = tijd [dagen], = 1 dag, = initiële korrelspanning [kPa], = toename van de korrelspanning [kPa].
De vergelijking geeft de totale zetting als gevolg van de primaire zetting (bereikt na voltooing van de consolidatie) en de secundaire zetting die het gevolg is van de kruip van het korrelskelet. Opgemerkt wordt dat vergelijking (15) een vereenvoudigde versie is van de vergelijking van Koppejan omdat effecten van overconsolidatie niet in rekening zijn gebracht. Voor de volledigheid wordt hier vermeld dat overconsolidatie betekent dat de werkelijke korrelspanningen hoger zijn dan die men zou berekenen op basis van de volumegewichten en de diepte. Dit effect wordt hier niet verder behandeld. Voor meer details wordt verwezen naar het college “Grondmechanica”. De grondparameters moeten natuurlijk proefondervindelijk worden bepaald. Een eerste schatting van hun waarde kan evenwel ook worden verkregen door gebruik te maken van relaties die bestaan tussen deze parameters en een aantal grondkarakteristieken. Op deze wijze kan een snelle doch ruwe schatting worden gemaakt. Een voorbeeld van zo’n relatie is weergegeven in tabel 2.2.
43
Soil type gravel some silt
very silty
sand clean
Consistency 1
qc 2 [MPa]
Cp -
Cs -
E3 [MPa]
0
φ
c4 [kPa]
fundr 5 [kPa]
loose moderate firm
15 25 30
500 1000 1300
-
75 125 175
32.5 35 39
-
-
loose moderate firm
10 15 25
400 600 1250
-
50 75 140
30 32.5 37.5
-
-
loose moderate firm
5 15 25
200 600 1250
-
25 75 140
30 32.5 37.5
-
-
5–20 2-15
550 300
-
27.5 25
30 27.5
-
-
1 2 3
25 45 85
650 1300 2200
2 5 15
29 30 31
0 2 6
50 100 250
2
58
1650
7.5
31
1
75
weak moderate stiff
0.5 1 2
7 15 27.5
80 160 410
1 2 7
17.5 17.5 21
0 10 27.5
25 50 150
weak moderate stiff
0.7 1.5 2.5
10 20 40
110 240 500
1.5 3 7.5
22.5 22.5 25
0 10 27.5
40 80 145
1
37
1000
3.5
30
1
5
weak moderate
0.2 0.5
7.5 12.5
30 50
0.5 1.5
15 15
1 1
10 27.5
weak moderate
0.15 0.2
6.2 8.7
25 35
0.35 0.75
15 15
3.5 7.5
15 25
some silt/clay lot of silt/clay silt (loam) some sand
weak moderate stiff
lot of sand clay clean
some sand
lot of sand organic peat not preloaded preloaded
Coefficient of variation 0.25 0.25 note 1: for sand and gravel based on the relative porosity
note 2: qc normalised to an effective vertical stress of 100 kPa note 3: E normalised to an effective vertical stress of 100 kPa note 4: cohesion note 5: undrained shear strength
0.25 0.1 0.2 0.2 loose 0 < R ≤ 0.33 moderate 0.33 < R ≤ 0.66 firm 0.66 < R ≤ 1 R = ( nmax – n ) / ( nmax – nmin )
Tabel 2.2: Relatie tussen grondtype en grondparameter (1). Verder is in figuur 2.8 een relatie gegeven tussen de conussondeerwaarde, γsat, en de E modulus zoals bepaald uit samendrukkingsproeven. Deze relatie is bepaald voor Nederlandse samenhangende gronden. Figuur 2.9 toont de relatie tussen de vloeigrens, wL, en de consolidatiecoefficient Cv .
44
Figuur 2.8: Relatie tussen de conussondeerwaarde, E en γsat (1). Voor alle duidelijk herhalen we dat: Cv = k / mv . γw = k . E / γw Omdat warden voor Cv en E redelijk eenvoudig kunnen worden geschat, betekent dit ook dat k ingeschat kan worden. Uit de figuren 2.8 en 2.9 wordt wel duidelijk dat de schattingsprocedure nogal grof is. Daarom wordt nog eens met nadruk herhaald dat grondonderzoek te allen tijde nodig is om een juist inzicht te krijgen in de waarden die aan de verschillende grondparameters moeten worden gegeven. De schattingsprocedures zijn alleen toepasbaar indien invoerparameters nodig zijn om een snelle maar ruwe schatting van de zettingen te kunnen maken.
45
Figuur 2.9: Relatie tussen WL en Cv (1). In de praktijk zal men de zettingen m.b.v. een computerprogramma berekenen. Er bestaat echter ook een grafische procedure en omdat die een goed inzicht geeft hoe een zettingsberekening nu eigelijk verloopt, zal deze procedure hier worden beschreven. Als we Koppejan’s vergelijking op de volgende manier herschrijven: h . ln {(σi + ∆σ) / σi} = h 2.3 log {(σi + ∆σ) / σi} = 2.3 h [log (σi + ∆σ) – log σi] = 2.3 f A Waarbij:
f A
(16)
= schaalfactor voor de diepte / schaalfactor voor log( spanning), = oppervlak tussen log (σI + ∆σ) and log σi lijn (zie fig. 2.10).
dan verandert de vergelijking in: ∆h = 2.3 f A ( 1 / Cp + 1 / Cs . log ∆t / td ) Laten we nu het gebruik van de procedure beschrijven met een voorbeeld. Veronderstel dat we de zetting willen weten van een 10 m dik kleipakket dat wordt belast door een aardebaan van zand met een hoogte van 7 m. Het volumegewicht van de klei is 14 kN/m3, en dat van het zand is 17.4 kN/m3. Om redenen van eenvoud nemen we aan dat er geen water in de klei aanwezig is. Dit betekent dat de initiële korrelspanning varieert van 0 aan de bovenkant tot 140 kPa aan de bodem van de kleilaag, terwijl na het aanbrengen van de aardebaan de korrelspanning in de kleilaag varieert van
46
122 kPa aan de bovenzijde tot 262 kPa aan de onderzijde. Figuur 2.10 geeft de grafiek van het verloop van de log van de korrelspanningen over de dikte van de kleilaag voor en na het aanbrengen van de aardebaan. Zoals men ziet is er een klein probleem omdat de korrelspanning voor het aanbrengen van de aardebaan gelijk is aan 0 en het nemen van de log van 0 is niet mogelijk. Daarom berekenen we de zettingen beginnend vanaf een diepte van 10 cm onder het maaiveld; op deze diepte is de initieele korrelspanning gelijk aan 1.4 kPa.
Figuur 2.10: Berekening van de zetting m.b.v. de grafische procedure. In figuur 2.10 kunnen we zien dat de schaalfactor die gebruikt is voor de diepte gelijk is aan 100; 1 m is afgebeeld als 1 cm. De schaalfactor die gebruikt is om de korrelspanning af te beelden is gelijk aan (log 10 – log 1 = 1 en is gelijk aan 10 cm in de grafiek). Dit betekent dat f = 10. De waarde voor A kan worden gevonden door het aantal hokjes met een oppervlak van 1 cm2 te tellen. Dit aantal is gelijk aan 57. Als we nu aannemen dat Cp = 50 en Cs = 200 en ∆t = 10000 dagen dan vinden we: ∆h = 2 * 10 * 57 ( 1 / 50 + 1 / 200 * 4 ) = 46 cm Merk op dat de zetting in [cm] is vanwege de gebruikte schaalfactor voor de diepte.
47
2.4
Methoden ter beperking van de consolidatieperiode:
Zoals reeds eerder is gesteld kan de duur van de consolidatieperiode aanzienlijk zijn als de doorlatendheid van de samnedrukbare laag gering is. Ook is aangegeven dat de stabiliteit van de taluds tijdens de consilidatieperiode, en zeker gedurende de eerste fase daarvan, een probleem kan worden. Het is daarom van belang dat de overspanning van het grondwater zo snel mogelijk wordt afgebouwd. Dit brengt tevens een verkorting van de consolidatieperiode met zich mee. Er zijn diverse methoden om de consolidatieperiode te verkorten; in dit dictaat zal echter alleen aandacht worden geschonken aan de vertikale drainage d.m.v. zandpalen of geodrains. 2.4.1 Principe van vertikale drainage: Het principe van verticale drainage is weergegeven in figuur 2.11.
Ophoging
Ophoging
Samendrukbare laag
Zonder
Ds
Met
Figuur 2.11: Stroming van water in een samendrukbare laag met en zonder verticale drainage. De pijlen in figuur 2.11 geven de richtingen aan van de waterstroming in een samendrukbare laag met en zonder een vertikale drainage. Het principe van de vertikale drainage is dat de afstand die een waterdeeltje moet afleggen door de samendrukbare laag naar een vrij oppervlak wordt verkort. In figuur 2.11 is aangenomen dat boven en onder de samendrukbare laag drainage mogelijkheden zijn zodat de maximale afstand die een waterdeeltje moet afleggen gelijk is aan de halve dikte van de samendrukbare laag. Als alleen drainage aan de bovenzijde van de samendrukbare laag mogelijk is, is de drainageafstand gelijk aan de dikte van de samendrukbare laag. Eerder is al aangetoond dat in dat geval de consolidatieperiode 4 maal langer is dan bij een tweezijdige afstroommogelijkheid.. Als een vertikale drainage wordt toegepast kan er ook (en vooral) afstroming in de horizontale richting plaatsvinden. In dat geval is de afstand tussen de vertikale drains, Ds, van belang. Het zal duidelijk zijn dat de afstand van de
48
vertikale drains in ieder geval kleiner moet zijn dan de halve dikte van de samendrukbare laag, anders hebben ze geen effect. Vertkale drains ontlenen hun effectiviteit vaak ook aan het feit dat de horizontale doorlatendheid van de grond in veel gevallen groter is dan de vertikale; zeker bij veen is dat het geval. Dit betekent ook dat een drainage in de horizontale richting vaak veel effectiever is dan die in de vertikale richting. 2.4.2 Vertikale drainage door middel van zandpalen en geodrains: Zandpalen hebben een diameter van 0.25 to 0.35 m. Ze worden vervaardigd door het boren van een gat en dat vervolgens te vullen met zand. Een schoon gat wordt verkregen indien het toerental tijdens het boren, de vorm en lengte van de boor en de hoeveelheid te gebruiken water juist op elkaar zijn afgestemd. Ongeveer 1000 to 2000 m’ drain per unit kan per dag worden vervaardigd. Geodrains bestaan normaliter uit een geprofileerde plastic strip die een breedte heeft van zo’n 90 – 150 mm en een dikte van 2.5 – 5 mm. Een filterdoek is gewikkeld om de plastic strip. Ook een geperforeerde plastic pijp met een diameter van zo’n 30 – 50 mm kan voor dit doel worden gebruikt. Ook in dit geval wordt een filterdoek om de pijp gewikkeld. Geodrains worden normaliter met een dragline ingebouwd. De drain is verbonden aan een trilmechanisme en wordt de grond ingetrild (figuur 2.12).
trilarm met geodrain rol met geodrain dragline
Figuur 2.12: Inbouw van een geodrain. Per dag kan ongeveer 2000 – 6000 m’ geodrain worden geplaatst. De productie is natuurlijk afhankelijk van de eigenschappen van de grond, de dikte van de samendrukbare laag en de breedte van de geodrain. In figuur 2.13 zijn een aantal voorbeelden van geodrains gegeven.
49
Figuur 2.13: Voorbeelden van geodrains (8). Alhoewel het logisch lijkt om de de zandpaal of de geodrain te maken vanaf het maaiveld tot het diepe pleistocene zand wordt dit niet altijd aanbevolen of toegestaan. Door zoiets wel te doen wordt het oppervlakte water verbonden met het diepe grondwater wat vaak wordt gebruikt voor drinkwater. Verontreinigingen die op maaiveld niveau plaatsvinden kunnen dan via de vertikale drains dat diepe grondwater bereiken. Dit moet natuurlijk worden voorkomen en om die reden wordt de vertikale drain meestal niet doorgetrokken tot het pleistocene zand.
50
Het ontwerp van het drainagesysteem behelst de berekening van de horizontale afstand van de drains. In figuur 2.14 zijn twee mogelijke plaatsings-methoden weergegeven.
Figuur 2.14: Plaatsingspatroon voor zandpalen en geodrains. Figuur 2.15 geeft een diagram dat kan worden gebruikt om de h.o.h. afstand tussen de drains te berekenen.
Figuur 2.15: Diagram voor de berekening van de drainafstand. Het gebruik van figuur 2.15 wordt toegelicht aan de hand van een voorbeeld; daarbij zijn de volgende aannamen gedaan.
51
-
-
Dikte van de samendrukbare lagen is 10 m; Slechts drainage naar de bovenzijde van de samendrukbare laag is mogelijk, aan de onderzijde van de samendrukbare laag bevindt zich een ondoorlatende laag; binnen 1 jaar moet 95% van de consolidatie zijn gerealiseerd (t95 = 1 jaar = 3.15 * 107 s); vanwege de aanlegsnelheid moet de stabiliteit van de ophoging worden gezekerd, dit betekent in dit geval dat in een periode van 4 weken (dat is de snelheid waarmee de opeenvolgende lagen van de aardebaan worden aangebracht) een consolidatiegraad van 50% moet worden gerealiseerd (t50 = 4 weken = 2.42 * 106 s); Cv = 10-7 m2/s, dus Cv . t95 = 3.15 m2 (we noemen dit het zettingscriterium) en Cv . t50 = 0.24 m2 (we noemen dit het stabiliteitscriterium).
Uit deel A van figuur 2.15 blijkt dat voor vertikale consolidatiegraden van Uv = 95% en Uv = 50% en z = 10 m, de parameters Cv . t95 en Cv . t50 waarden aannemen van resp. 110 m2 en 20 m2. Deze waarden geven aan dat een vertikaal drainage systeem nodig is. Als we aannemen dat de horizontale consolidatiecoefficient Ch gelijk is aan 1.5 * 10-7 m2/s, dan resulteert dit in Ch . t95 = 4.72 m2 en Ch . t50 = 0.36 m2. Zettingscriterium: Deel A van figuur 2.15 geeft aan dat bij Cv . t 95 = 3.15 m2 en z = 10 m, de vertikale consolidatiegraad Uv = 20%. Deel B van figuur 2.15 toont dat bij Uv = 20% en bij de verlangde consolidatiegraad U = 95%, de horizontale consolidatiegraad gelijk moet zijn aan Uh = 93%. Dit wordt berekend via: U = 1 – (1 – Uv) (1 – Uh) Via deel C van figuur 2.15 leiden we af: f(D/d) = 1.3 m2 gegeven Uh = 93% en Ch . t95 = 4.72 m2. Met deel D van figuur 2.15 kunnen we D berekenen als d bekend is. Dit resulteert in: Zandpaal d = 0.25 m: Geodrain d = 0.065 m:
D = 2.8 m D = 2.2 m
De diameter van de geodrain is berekend onder de aanname dat de breedte 100 mm is en de dikte 3 mm. De equivalente diameter is berekend volgens: π . d = 2 . ( h + d ); d = 0.065 m. Stabiliteitscriterium: Op dezelfde wijze kunnen we bepalen dat bij Cv . t50 = 0.24 m2 en z = 10 m, Uv = 6% en dat Uh gelijk moet zijn aan 47% om een waarde voor U te bereiken van U = 50%. Deel C van figuur 2.15 toont dat f(D/d) 0.6 m2 moet zijn gegeven het feit dat Ch . t50 = 0.36 m2 en Uh = 47%. Met deel D van figuur 2.15 bepalen we: Zandpaal d = 0.25 m:
D=2m
52
Geodrain d = 0.065 m:
D = 1.5 m
In dit geval bepaalt het stabiliteitscriterium dus de afstand tussen de drains.
2.5
Evenwicht van de constructie:
2.5.1 Inleiding: Bij de opbouw van de aardebaan moet het evenwicht van de gehele constructie, maar ook van onderdelen van de constructie, verzekerd zijn. Met andere woorden: er mag geen doorpersing, uitpersing of afschuiving van het talud optreden. In deze paragraaf zal aandacht worden besteed aan de stabiliteit (afschuiven van een moot grond) en squeezen (uitpersen van grond). Beide fenomenen zijn vooral bij de aanleg van belang. 2.5.2 Stabiliteit: Stabiliteitsproblemen zullen zich vooral aan de rand van de ophoging voordoen; ze laten zich goed illustreren met de principeschets gegeven in figuur 2.16. Uit de figuur blijkt dat er onderscheid moet worden gemaakt in de aandrijvende krachten die de instabiliteit bevorderen en de tegenwerkende krachten welke juist de stabiliteit bevorderen. Uit de figuur blijkt dat de hoogte en het volumegewicht van de ophoging alsmede de taludhoek de grootte van de aandrijvende kracht Ga bepalen. Beperken van het gewicht van de ophoging en flauwere taluds bevorderen de stabiliteit. Uit de figuur blijkt ook dat cohesie c en hoek van inwendige wrijving φ van grondslag en ophoogmateriaal belangrijke factoren zijn die de grootte van de weerstand tegen afschuiven bepalen; ook het gewicht Gt van de tegenwerkende grondmoot is van belang. Omdat de schuifweerstand τ alleen door de korrels kan worden gegenereerd is ook de grootte van de korrelspanning σe van belang immers: τ = c + σe tanφ Dit impliceert direct dat zich een kritieke fase voordoet nadat een ophoogslag is aangebracht omdat in die fase de extra grondspanning door het water wordt gedragen en de schuifweerstand dus onvoldoende wordt gemobiliseerd. Maatregelen ter bevordering van de stabiliteit kunnen dus zijn: a. toepassen licht ophoogmateriaal (verlaging Ga), b. verlaging taludhoek α, c. toepassen steunbermen (verhoging Gt); let op dat de steunberm voldoende breed is, zodanig dat inderdaad Gt wordt vergroot, d. drainage (verhoging σe), e. materiaal vervangen (verhogen c, φ), f. verticale damwand (doorsnijding glijvlak), g. horizontale wapening (doorsnijding glijvlak), h. toepassen steenkolommen (verhoging σe, verhogen c en φ).
53
Figuur 2.16: Principe (in)stabiliteit. Hierboven is in algemene termen het instabiliteitsprobleem beschreven en de vraag is nu op welke wijze we hieraan berekeningen kunnen uitvoeren. In de literatuur zijn een groot aantal berekeningsmethoden te vinden die ook met de hand kunnen worden uitgevoerd. Het handmatig uitvoeren van stabiliteitsberekeningen is in het algemeen een tijdrovende bezigheid en daarom zijn hiervoor in de praktijk verschillende computerprogramma’s beschikbaar waarvan het programma MSTAB, ontwikkeld door Grondmechanica Delft, een van de bekendste is. Omdat gebruik van dit programma in het kader van dit college te ver voert, zal hier een grafische methode worden gepresenteerd die in Frankrijk voor dit doel is ontwikkeld (3). De uitgangspunten van de berekening zijn weergegeven in figuur 2.17. Uit de figuur blijkt dat de invloedsgrootheden zijn: de hoogte van de ophoging H, het volumegewicht van de ophoging γr, de hoek van inwendige wrijving van het ophoogmateriaal ϕr, (de cohesie van het ophoogmateriaal wordt op 0 gesteld) de taludhelling β, de dikte van de slappe laag D, de cohesie van de slappe grond c u, (de hoek van inwendige wrijving van dit materiaal wordt op 0 gesteld). Dat de cohesie van het ophoogmateriaal op 0 wordt gesteld is een redelijke aanname indien het zand betreft. Een hoek van inwendige wrijving van 0 voor de slappe laag is redelijk voor de ongedraineerde situatie (direct na het aanbrengen van de ophoging) die het meest kritiek is. Deze aannamen betekenen wel dat er wat conservatief wordt gerekend. Een voorbeeld van een grafiek ter bepaling van de veiligheidsfactor F tegen afschuiven is weergegeven in figuur 2.18. Voor de berekening van F moet de taludhelling (Pente) β worden aangenomen.
54
In appendix I zijn de meest relevante grafieken uit (3) opgenomen. De dimensieloze grootheid N die genoemd wordt bij figuur 2.18 wordt berekend met:
Figuur 2.17: Uitgangspunten van de grafieken voor de stabiliteitsbepaling.
Figuur 2.18: Voorbeeld van een grafiek ter bepaling van de veiligheid tegen afschuiving. N = cu / ( H . γr ) Ook zijn er in (3) grafieken gegeven die gelden voor de situatie waarbij het ophoogmateriaal ook een zekere cohesie heeft. Deze zijn niet in dit dictaat opgenomen. Tevens zijn in (3) grafieken gegeven waarmee het effect van steunbermen kan worden bepaald. Ook deze zijn niet in dit dictaat opgenomen. Met een voorbeeld wordt het gebruik van de grafieken geillustreerd. Stel dat de stabiliteit moet worden geanalyseerd van de situatie die is weergegeven in
55
figuur 2.19a. Uit de gegevens berekenen we dat N = 0,317 en D / H = 1. Grafieken zijn beschikbaar voor N-waarden van 0,3 en 0,4; deze zijn als figuren 2.19b en 2.19c weergegeven. Bij N = 0,3 is F = 1,655; bij N = 0,4 is F = 2,16. Voor de aanwezige N = 0,317 wordt F berekend met: F = F1 + ( F2 – F1 ) . ( N – N1 ) / ( N2 – N1 ) F = 1,655 + ( 2,16 – 1,655 ) . ( 0,317 – 0,3 ) / ( 0,4 – 0,3 ) = 1,73
Figuur 2.19a: Uitgangspunten van de voorbeeld berekening naar de stabiliteit.
Figuur 2.19b: Grafiek voor N = 0.3
Figuur 2.19c: Grafiek voor N = 0.4
56
Om de grafieken te kunnen gebruiken dient de cohesie cu van de slappe laag bekend te zijn. De cohesie is afhankelijk van de korrelspanning en zal daarmee met de diepte toenemen. In de grafieken dient de gemiddelde waarde voor de cohesie te worden ingevoerd. De vraag is nu hoe op eenvoudige wijze de cu kan worden bepaald. In de al eerder aangehaalde referentie (1) zijn diverse schattingsformules gegeven. Enkele daarvan worden hieronder genoemd. cu = qc / A’ waarbij:
qc cu A’
= conussondeerwaarde [MPa], = ongedraineerde schuifsterkte [MPa], = coefficient afhankelijk van de grondsoort (12 à 15).
Een andere relatie is die waarbij de cu gerelateerd is aan de korrelspanning en de plasticiteitsindex volgens: cu / σi = 0,11 + 0,0037 . PI waarbij:
σi PI cu
= initiele vertikale korrelspanning [kPa], = plasticiteitsindex [%], = ongedraineerde schuifsterkte [kPa].
2.5.3 Squeezen: Squeezen, waarvan het principe is weergegeven in figuur 2.20 (8), ontstaat wanneer door de aangebrachte belasting de grondlaag (b.v. klei) plastisch is geworden en zich gaat gedragen als een visceuze vloeistof. Als de spanning in de vloeistof groter is dan de verticale grondspanning van de bovenliggende “grondkorst” (b.v. bij talud of sloot) zal grondbreuk optreden, de korst barst, en de visceuze vloeistof wordt uitgeperst (een en ander is te vergelijken met het fenomeen dat uw neefje creëert als hij van het door u geschonken wafelijsje de wafeltjes kapot knijpt). Om het gevaar voor squeezen te beperken kunnen dezelfde maatregelen worden getroffen als die werden voorgesteld voor het zeker stellen van de stabiliteit van taluds.
Figuur 2.20: Principe van squeezen.
57
2.6
Gebruik van lichte ophoogmaterialen:
Het zal duidelijk zijn dat door het gebruik van lichte ophoogmaterialen de zettingen aanzienlijk kunnen worden beperkt. Voorbeelden van zulke materialen zijn geexpandeerd polystyreen schuim, het zgn. “piepschuim”, en schuimbeton. Beide materialen worden hier in het kort behandeld, de gegeven informatie is ontleend aan (4). 2.6.1 PS Hardschuim (EPS): Twee voor de wegenbouw interessante EPS varianten zijn EPS 15 met een droog volumegewicht van 0,15 kN / m3 en EPS 20 met een droog volumegewicht van 0,2 kN / m3. Volumetrisch gezien nemen deze EPS varianten weinig water op; bij EPS 15 is de opname 3% v/v, terwijl dat bij EPS 20 iets lager is nl. 2% v/v. De stijfheid van de beide EPS soorten is 4 MPa voor EPS 15 en 5 MPa voor EPS 20. De dwarscontractie is gering en bedraagt ca. 0,1. Ondanks dat EPS voornamelijk lucht bevat is het vrij kostbaar. Voor EPS 15 gelden prijzen van 40 euro / m3 terwijl EPS 20 ca. 50 euro / m3 kost. Deze prijzen zijn echter richtbedragen, ze zijn sterk afhankelijk van de bewegingen op de markt. Als de ophoging in EPS wordt gerealiseerd betekent dit dus dat de bovenliggende weg- of spoorwegconstructie op een zeer slap materiaal wordt aangelegd. Zoals later zal worden uitgelegd heeft dit consequenties voor de stijfheid van de boven de EPS aangebrachte ongebonden lagen. Deze ontwikkelen in dit geval bij lange na niet de stijfheid die ze zouden ontwikkelen indien de onderbouw uit zand bestond. Daarom is het altijd zinvol op het EPS een cementgebonden stijve laag aan te brengen teneinde in de daarop aangebrachte lagen voldoende stijfheid te laten ontwikkelen. Voorbeelden van constructies met EPS zijn schematisch weergegeven in figuur 2.21. Teneinde EPS met succes toe te kunnen passen, dient aan een aantal uitvoeringsregels te worden voldaan. Deze zijn alsvolgt: • De blokken moeten zodanig worden gestapeld dat de voegen elkaar niet overlappen. • De voegen mogen beslist niet onder het rijspoor voorkomen. • De voegen moeten zo klein mogelijk worden gehouden en zonodig worden gevuld met zand. • Mechanische beschadiging moet worden voorkomen omdat daardoor de wateropname sterk toeneemt. • Om de kans op beschadiging, die bij de uitvoering het grootst is, te voorkomen dient de stuik tot 4 . 10-3 m / m te worden beperkt. • Door de lage modulus van EPS kan de stijfheid in ongebonden lagen die daar direct bovenop worden aangebracht zich slecht ontwikkelen; daar dient rekening mee te worden gehouden. • Een zgn. capping layer van cement gebonden materiaal die op de EPS laag wordt aangebracht is daarom belangrijk.
58
•
Daar de dikte en stijfheid van de EPS laag slechts een beperkte invloed hebben op de spanningen en rekken in de lagen daarboven, kan de goedkoopste oplossing, het lichtste EPS, worden gekozen. Denk er echter aan dat om uitvoeringstechnische redenen een zwaarder type EPS soms de voorkeur kan hebben.
Figuur 2.21: Voorbeelden van wegconstructies met EPS. 2.6.2 Schuimbeton: Een ander licht bouwmateriaal is schuimbeton; in deze paragraaf zullen enkele relevante eigenschappen van dit materiaal worden besproken. Schuimbeton bestaat uit cement, zand met een maximale korrelafmeting van 2 mm en water met een schuim-middel. In plaats van zand wordt ook wel vliegas, stof dat vrijkomt bij steenbrekers etc. gebruikt. Voor de wegenbouw zijn als ophoogmateriaal de lichte typen schuimbeton interessant welke een droog volumegewicht van 6 kN/m3 hebben of minder. Een volumegewicht lager dan 4 kN/m3 is niet aan te raden omdat er altijd een bepaalde minimale hoeveelheid cement nodig is om een stabiele slurry te krijgen en omdat het materiaal een zekere sterkte nodig heeft. Voor een dichtheid van 5 kN/m3 is circa 175 kg/m3 aan water nodig en 160 kg/m3 aan cement. Indien het schuimbeton onder de grondwaterspiegel wordt toegepast moet rekening worden gehouden met een aanzienlijke wateropname. Bij een dichtheid van 4 kN/m3 is dat ca 15% en bij een dichtheid van 6 kN/m3 is dat ca 10% per volume-eenheid. Bij toepassingen boven de grondwaterspiegel wordt met een wateropname van 10% resp. 7% per volume-eenheid gerekend. Voor de elasticiteitsmodulus onder drukbelasting kan voor schuimbeton met een dichtheid van 5 kN/m3 een waarde van 300 MPa worden aangehouden. De buigtreksterkte van dit materiaal is ca 150 kPa, de druksterkte is ca 1 MPa; beide waarden gelden na een verhardingstijd van 28 dagen. Bij toepassing van het materiaal is het belangrijk om mechanische schade tijdens de uitvoering te voorkomen. Tevens dient rekening te worden
59
gehouden met de aanzienlijke gewichtstoename die kan ontstaan indien het materiaal nat wordt.
2.7
Toepassing van geokunststoffen:
Geokunststoffen of geotextielen kunnen een belangrijke functie vervullen bij de aanleg van aardebanen. Derhalve is het nuttig op zijn minst enkele basiscriteria ten aanzien van het toepassen van dit soort materialen te kennen. De tekst voor deze paragraaf is vrijwel geheel ontleend aan (1). Geokunststoffen kunnen worden toegepast ten behoeve van wapening, scheiding, filtering en drainage van grondlagen. Deze functies worden hieronder afzonderlijk behandeld. De wapeningsfunctie. Als wapening toegepaste geokunststoffen dienen ter voorkoming van stabiliteitsverlies of ontoelaatbare vervorming van grondconstructies. Ze worden vooral gebruikt bij ophogingen op een ondergrond met gering draagvermogen en bij de constructie van steile taluds, alsmede ten behoeve van de berijdbaarheid van onverharde wegen. De scheidingsfunctie. Een geotextiel kan worden gebruikt ter voorkoming van materiaalverlies en ongewenste vermenging van materialen. De filterfunctie. De uitspoeling van fijne deeltjes uit een grondmassa kan door toepassing van een geotextiel worden voorkomen. Dit is vooral van belang bij dynamische belasting van de constructie (“pumping”). De drainagefunctie. Geokunststoffen worden ook gebruikt voor de afvoer van overtollig water en de versnelling van het consolidatieproces. Typen In de civiele techniek worden de volgende geokunststoffen onderscheiden: het niet-geweven vlies, bestaande uit aan elkaar gehechte, in willekeurige richting georiënteerde, vezels; het weefsel, opgebouwd uit draden of stroken die zijn geordend volgens een regelmatige structuur; het grid of raster, bestaande uit net- of gaasachtige structuren met een open oppervlak van 40% tot 90%; folies of membranen met als belangrijkste kenmerk de ondoorlatendheid; een aantal combinaties van vlies, weefsel en grid. Materialen en eigenschappen De grondstoffen die voor de produktie van geokunststoffen worden gebruikt, bestaan uit thermoplastische polymeren. De beoogde functie stelt speciale eisen aan de materiaaleigenschappen en de constructievorm van de betreffende geokunststof. In tabel 2.3 zijn globale waarden van de eigenschappen van de meest voorkomende geokunststoffen weergegeven. Voor de wapeningsfunctie van een geokunststof is zowel sterkte als stijfheid benodigd. Vervorming van de geokunststof is een voorwaarde om een zekere
60
krachtsoverdracht te realiseren; vervorming van de totale constructie moet echter zoveel mogelijk worden beperkt. Daarom wordt voor de wapeningsfunctie gesteld dat de vereiste krachtsoverdracht bereikt moet zijn bij een rek van maximaal 5 à 6%. Dit resulteert in een hoge elasticiteitsmodulus. Met name PET-weefsels, die een hoge trektsterkte en stijfheid en een lage kruipwaarde bezitten, komen hiervoor in aanmerking. Soort
volumieke massa 3 (kg/m )
treksterkte 2 (N/mm )
breukrek (%)
E-modulus 2 (N/mm )
Polypropeen (PP) Polyetheen (PE) Polyamide (PA) Polyester (PET)
900 950 1140 1380
400 - 600 80 - 600 700 - 900 800 - 1200
18 - 25 10 - 80 18 - 25 8 - 15
2000 - 5000 500 - 5000 3000 - 4000 12000- 15000
Tabel 2.3: Globale waarden voor de materiaaleigenschappen van geokunststoffen. Indien minder hoge stijfheden benodigd zijn kunnen PA-weefsels worden toegepast. PP- en PE-weefsels zijn bruikbaar als de belastingen lager zijn en als grotere rekken toelaatbaar worden geacht. Bij nog lagere belastingen kunnen ook vliezen worden toegepast. Kruip is de vervorming die zich in de periode na een zekere initiële vervorming bij een gelijkblijvend belastingniveau blijft voortzetten. Dit fenomeen treedt bij geokunststoffen op door een heroriëntatie van molecuulketens. Afhankelijk van tijdsduur en materiaal kan een kruip optreden ter grootte van circa 150% van de initiële vervorming. Met name bij PE- en PPmateriaal treedt veel kruip op; in situaties waar hoge belastingniveaus gedurende lange perioden voorkomen zijn daarom PA- en PET-materialen meer geschikt. Een belangrijk deel van de totale verlenging van de geokunststoffen, dat wil zeggen een belangrijk deel van de vervorming van de constructie, treedt al op tijdens de uitvoering. De eisen ten aanzien van waterdoorlatendheid en gronddichtheid van geokunststoffen zijn vaak tegengesteld. Waterdoorlatendheid stelt een ondergrens aan de poriëngroottte, terwijl gronddichtheid een beperking oplegt aan de bovengrens daarvan. Beide aspecten worden bovendien beïnvloed door de wijze van toepassing in de constructie; door de aanwezige gronddruk kan, met name bij vliezen het materiaal worden samengedrukt. De wrijving tussen grond en geokunststof, die van belang is voor de krachtsoverdracht, is afhankelijk van de wijze van toepassing van de geokunststof en van de grondeigenschappen als cohesie en hoek van inwendige wrijving. Ter beperking van de achteruitgang van de mechanische eigenschappen moet de geokunststof zo kort mogelijk aan het daglicht c.q. UV-straling worden blootgesteld. Berekeningsmethoden Geokunststoffen in constructies op weinig draagkrachtige ondergrond hebben in overwegende mate een wapeningsfunctie. Hieronder zijn methoden beschreven, die worden gehanteerd bij de berekening van dergelijke gewapende constructies. De methoden hebben betrekking op de bepaling van het grensevenwicht van de constructie en de bepaling van de benodigde
61
sterkte van de geokunststof. Naast onderstaande methoden kunnen ook eindige-elementenberekeningen worden gemaakt, hoewel hieraan relatief hoge kosten zijn verbonden, terwijl bovendien een nauwkeurige kennis van de grondparameters vereist is. In het algemeen kunnen vijf bezwijkvormen worden onderscheiden: de overschrijding van het draagvermogen (zie figuur 2.22), het inwendige stabiliteitsverlies (zie figuur 2.23), het volledige stabiliteitsverlies volgens een cirkelvormig glijvlak (zie figuur 2.24), het volledige stabiliteitsverlies volgens een recht glijvlak (zie figuur 2.25), het stabiliteitsverlies als gevolg van squeezing (zie figuur 2.26). Indien het draagvermogen van de ondergrond ontoereikend is om het gewicht van de ophoging te dragen zal de constructie bezwijken. De ondergrond wordt daarbij onder de ophoging weggeperst of weggeschoven. Het aanbrengen van een geokunststof heeft echter nauwelijks of geen invloed op het draagvermogen van de ondergrond. Bij toepassing van geokunststoffen is de aanwezigheid van voldoende draagvermogen daarom een eerste voorwaarde voor het verkrijgen van een stabiele constructie. Het voert te ver hier uitgebreid op de berekeningsmethoden in te gaan. Daarvoor wordt verwezen naar de literatuur (1, 5).
Figuur 2.22: Overschrijding van het draagvermogen.
Figuur 2.23: Inwendig stabiliteitsverlies bij een gewapende grondconstructie.
62
Figuur 2.24: Afschuiving langs een cirkelvormig glijvlak bij een gewapende grondconstructie.
Figuur 2.25: Afschuiving langs een recht glijvak bij een gewapende grondconstructie.
Figuur 2.26: “Squeezing” bij een gewapende grondconstructie.
63
2.8
Aanleg van aardebanen:
In deze paragraaf zal aandacht worden gegeven aan de wijze waarop aardebaanlichamen worden aangelegd. De tekst van deze paragraaf is vrijwel geheel ontleend aan (6). Alvorens in te gaan op de thans gebruikelijke werkwijze zal eerst kort de zogenaamde doorpersmethode worden behandeld. Alhoewel deze methode niet meer wordt toegepast is enige kennis ervan nodig omdat veel bestaande aardebanen zo zijn gebouwd en men thans bij verbredingen wordt geconfronteerd met de consequenties van deze bouwwijze. 2.8.1 Doorpersing: Het doorpersen van de slappe lagen gebeurt door een zodanig hoge belasting op de slappe laag aan te brengen dat het evenwicht in deze laag verloren gaat en de opgebrachte grond (lees zand) in de slappe laag wegzakt (figuur 2.27). Teneinde de doorpersing en de daarbij optredende zettingen te versnellen wordt vaak een overhoogte aangebracht, die naderhand weer wordt verwijderd.
Figuur 2.27: Doorpersingsprofiel bij centrale aanvoer. Bij het doorpersen komt de slappe laag naast de doorpersing omhoog in de vorm van de zogenaamde oppersing. Uitvoeringstechnisch is doorpersing een riskante bouwwijze, daar het proces zeer schoksgewijs en moeilijk voorspelbaar kan verlopen. Men graaft ook wel ontlastingssleuven, die deze oppersing moeten localiseren en daarmee het doorpersproces moeten beheersen. Doorpersing kost veel zand en ter bezuiniging werd het zand wel in twee sporen aangevoerd, die van buiten naar binnen werden gestort. De doorpersing werd dan verkregen aan de flanken van de aardebaan, terwijl in het midden de slappe laag werd opgesloten en samengeperst (figuur 2.28). Uitvoeringstechnisch was zandaanvoer met spoor en karren de meest aantrekkelijke wijze.
64
Figuur 2.28: Doorpersingsprofiel bij aanvoer in twee sporen. Bij het doorpersen wordt de waterspanning in de slappe laag naast het doorgeperste zandlichaam tijdelijk verhoogd, waardoor een instabiele toestand kan ontstaan. Dit noodzaakt veelal tot het slaan van ontlastingsbronnen tijdens de uitvoering ter vermijding van risico’s en ter versnelling van de baanconsolidatie. Doordat een doorpersing een ongecontroleerd proces is kan de dichtheid van het zandbed van figuur 2.27 soms zeer laag zijn. Ook de aanwezigheid van een slappe kern als weergegeven in figuur 2.28 kan een bron van moeilijkheden zijn bij wegverbredingen. Door de wegverbreding kunnen dan in het zeer slecht verdichte zand of in de slappe kern gemakkelijk schuifspanningen worden opgewekt welke hoger zijn dan de schuifsterkte. Afschuiving, resulterend in scheurvorming in de bestaande verharding, is dan het gevolg. Door middel van sonderingen kunnen dergelijke zwakke plekken in de bestaande aardebaan evenwel worden opgespoord. 2.8.2 Ontgraven/uitbaggeren: Als een grondvervanging wordt toegepast of als de weg in ingraving wordt aangelegd moet materiaal worden ontgraven of uitgebaggerd. Ontgraven Als het te maken cunet een beperkte diepte heeft en/of de grondwaterstand laag is, kan worden ontgraven. Hiervoor wordt meestal een hydraulische graafmachine met dieplepel of een dragline gebruikt. Voor het maken van een zeer ondiep cunet kan de grond soms met een bulldozer opzij worden geschoven (zie figuur 2.29). Om ook onder de grondwaterstand te kunnen ontgraven wordt wel een tijdelijke bemaling toegepast. Of dit mogelijk is hangt onder meer af van de bodemgesteldheid, eventuele schade voor de omgeving (zoals schade door zetting of schade aan gewassen), de mogelijkheden tot lozing van het afgemalen water (afhankelijk van de kwaliteit van dit water) en de eventuele aanwezigheid van waterwingebieden langs het tracé. Voor de bouwputten ter plaatse van kunstwerken wordt vaak een diepere bemaling toegepast, soms in combinatie met een tijdelijke damwand. Uitkomende en voor bermbekleding geschikte grond wordt bij voorkeur aan weerskanten van het tracé opgeslagen zodat de bermbekleding later snel kan worden aangebracht (zie fig. 2.30). In het algemeen echter is het nodig om
65
voor uitkomende en opnieuw te gebruiken grond tijdelijke depots te maken. Verschillende grondsoorten moeten hierbij zorgvuldig worden gescheiden. Bij langdurige opslag moet de grond zodanig worden afgewerkt dat verweking en erosie worden voorkomen. Uitbaggeren Beneden de grondwaterstand kan het cunet ook worden uitgebaggerd. Hiertoe wordt eerst zodanig diep ontgraven dat werken met een baggerschuit mogelijk wordt. De baggerschuit wordt aangevoerd over land of door een daartoe gegraven vaarweg. Er bestaat een scala aan baggersystemen die onderling onder meer verschillen in geschiktheid voor bepaalde grondsoorten, baggercapaciteit en wijze van afvoer van het uitgebaggerde materiaal (zie figuur 2.31) (N.B. voor het uitbaggeren van een cunet komen niet al deze systemen in aanmerking). 2.8.3 Transport: In het algemeen bestaat in het dwarsprofiel geen kwalitatief en kwantitatief evenwicht tussen uitkomend materiaal en benodigd materiaal, zodat transport van grond noodzakelijk is. Als uitkomende grond elders langs het tracé kan worden gebruikt, vindt langstransport plaats. Bij overschot aan grond of als de uitkomende grond onbruikbaar is, wordt afvoer naar een stortplaats noodzakelijk. Bij tekort aan geschikt constructiemateriaal is aanvoer vanaf een of meer winplaatsen nodig. Ontgraven grond wordt doorgaans getransporteerd met vrachtwagens; soms ook worden wagens met betere terreineigenschappen (dumptrucks) gebruikt. Transport per transportband of spoor (kippers) wordt weinig meer toegepast. De door het transportmaterieel te volgen routes kunnen een belangrijk aspect vormen van de inrichting van het grondverzet. Soms moeten hiertoe tijdelijk ontsluitingswegen worden aangelegd. Gebaggerde grond kan, mede afhankelijk van het ingezette baggermaterieel, worden getransporteerd door afzonderlijke bakken of door het baggervaartuig zelf; ook kan de grond onmiddellijk vanaf het baggervaartuig worden verpompt via een drijvende persleiding. In de eerste twee gevallen moet natuurlijk een vaarroute aanwezig zijn. Soms worden de bakken en vaartuigen op een vaste losplaats door een bakkenzuiginstallatie of grijper gelost vanwaar de verdere afvoer via persleiding of vrachtwagen geschiedt. Ook hier wordt transport per spoor weinig meer toegepast. Bij het ontwerp van een systeem van persleidingen wordt gestreefd naar een optimale afstemming van aspecten als de verhouding tussen de hoeveelheden water en grond, de benodigde pompvermogens, de leidingdiameters en de plaats van tussenstations. De korrelgroottteverdeling van het materiaal speelt hierbij een overheersende rol. Tevens moet de ligging van de persleiding worden uitgewerkt. Meestal wordt deze gelegd in bestaande wegbermen met gebruik van bestaande bruggen en duikers, hier en daar zullen doorpersingen of overbruggingen gemaakt moeten worden.
66
Figuur 2.29: Materieel voor grondverzet en afwerking (zie ook tabel 2.4).
67
Figuur 2.30: Opslag teelaarde langs tracé.
Tabel 2.4: Materieel voor grondverzet en afwerking.
68
Figuur 2.31: Baggersystemen. 2.8.4 Inrijden/spuiten: Droog getransporteerd materiaal wordt in het algemeen per as in het werk gereden; als het materiaal nat is aangevoerd kan worden gekozen tussen direct spuiten of in depot spuiten en van daaruit in het werk rijden. In het laatste geval spreekt men van gemengd grondverzet. Inrijden Met vrachtwagens of dumptrucks aangevoerd materiaal wordt direct in het werk gereden. Door het materiaal met een bulldozer of laadschop uit te rijden in dunne lagen en de voertuigen versporend te laten rijden wordt vaak reeds tijdens het aanbrengen een aanzienlijke dichtheid bereikt. Nadat de laag is aangebracht wordt verder verdicht. De toe te passen laagdikte hangt af van de materiaalkwaliteit en het in te zetten verdichtingsmaterieel maar zal veelal niet groter zijn dan ca. 0.5 m. Het belangrijkste voordeel van inrijden is dat het materiaal in het algemeen een laag watergehalte heeft. Daardoor is zowel de verwerkbaarheid als de weerstand tegen afschuiven hoog. Ten opzichte van spuiten is de te behalen produktie lager. Voor het aanbrengen van de eerste lagen is een goede begaanbaarheid van het terrein gewenst. Bij een minder goede begaanbaarheid moet ‘over de kop’ worden gewerkt.
69
Spuiten Bij het spuiten van het materiaal kunnen twee mogelijkheden worden onderscheiden: spuiten op een boven water gelegen stort en spuiten op een onder water gelegen stort. Spuiten op bovenwaterstort Meestal wordt opgespoten op een bovenwaterstort. Voordelen van spuiten zijn dat een slecht begaanbaar terrein weinig bereden hoeft te worden (alleen voor het opzetten van perskaden) en dat hoge produkties mogelijk zijn (hoge graad van mechanisatie). Nadelen bestaan uit de grotere inhomogeniteit van het materiaal, de geringere stabiliteit tijdens de uitvoering (vooral bij toepassing van fijne materialen) en mogelijke gevolgen voor omgeving en milieu zoals waterbezwaar en uitslag van zout en fijn materiaal.
Figuur 2.32: Inrichting bovenwaterstort. Inrichting bovenwaterstort Een spuitvak wordt omgeven door perskaden (zie fig. 2.32). Bij de eerste ophoogslagen bestaan deze meestal uit uitkomende grond; als grotere hoogten worden bereikt worden de perskaden meestal uit zand opgetrokken. Hiertoe wordt meestal een bulldozer gebruikt. Zandkaden moeten in verband met doorsijpelend water en erosie wat groter worden gemaakt dan de uit samenhangend materiaal opgetrokken perskaden voor de eerste slagen en/of met een nieuw waterdoorlatende folie worden bekleed. In een van de perskaden wordt een lozingskist opgenomen. De persleiding wordt tot in het vak gelegd. De leiding kan zowel over de perskaden als direct over het stort worden geleid. Bij een minder goede ondergrond kan de ophoging meestal niet in een maal op hoogte worden gespoten, zodat het stort op dezelfde plaats meerdere malen moet worden
70
ingericht en de leidingen regelmatig moeten worden verlegd (zie fig. 2.32a, volgorde a t/m f). De persleidingen worden verplaatst met behulp van een bulldozer of laadschop (zie fig. 2.29). Spuiten Bij spuiten boven water worden grove deeltjes dicht bij de spuitmond afgezet terwijl de fijne fractie verder wordt meegevoerd. Hierdoor ontstaat een horizontale variatie in korrelgrootte; met toenemende afstand tot de spuitmond wordt de gemiddelde korreldiameter kleiner. Hierbij speelt de stroomsnelheid over het stort een overheersende rol. Deze stroomsnelheid hangt ondermeer af van de lengte van het stort, het verval over het stort en de waterstand bij de lozingskist. Deze laatste wordt ingesteld met behulp van planken (figuur 2.33).
Figuur 2.33: Spuiten op bovenwaterstort. Bij een hoge stroomsnelheid wordt de transportafstand groter en de ontmenging geringer. Het fijne materiaal wordt in suspensie gehouden en zal daarbij van het stort worden afgevoerd. Hiervan wordt gebruik gemaakt als het materiaal een hoog gehalte aan fijne delen bevat. Bij een lage stroomsnelheid wordt meer materiaal binnen het stort gehouden en ontstaat een kleinere uitslag van fijn materiaal. De ontmenging in horizontale richting wordt echter groter waarbij zich in de omgeving van de lozingskist een vaak aanzienlijke opeenhoping van fijn materiaal voordoet. Dit materiaal blijft lange tijd onbegaanbaar en zal weer verwijderd moeten worden. Om inhomogeniteit van het materiaal tegen te gaan is het aan te bevelen meerdere spuitmonden en bij voorkeur ook meer lozingskisten toe te passen (zie fig. 2.32b). Dit maakt het mogelijk om de door de ene spuitmond veroorzaakte inhomogeniteit gedeeltelijk teniet te laten doen door de andere spuitmond. Daarnaast is het aan te bevelen de spuitmonden boven hoge delen te plaatsen en vaak te verleggen. Ook door in dunne lagen te spuiten en de afmetingen van het stort beperkt te houden kan ontmenging worden bestreden; de snelheid van uitvoeren en de kosten worden hierdoor echter negatief beïnvloed. Bij spuiten boven water kan in het algemeen een hoge verdichtingsgraad worden bereikt. Nog volledig verzadigd zand laat zich gemakkelijk verdichten
71
doordat de zandkorrels zich gemakkelijk tot een dichtere pakking laten herschikken. De verdichtingsarbeid kan worden verricht door de bulldozer waarmee de perskaden worden opgezet ook in te zetten om het materiaal tijdens het spuiten te spreiden. Door deze dozer bewust zo veel mogelijk over het gehele stort te laten rijden (meer dan alleen voor het spuitwerk noodzakelijk is) kan een hoge dichtheid worden verkregen. Een verdichtingsgraad van 100% van de maximum Proctordichtheid is haalbaar (de betekenis van dit begrip wordt later uitgelegd). Voorwaarde hiervoor is dat het stort berijdbaar is; deze is niet meer verzekerd bij een CBR-waarde van minder dan 2%. Zonder berijden van het stort zal de verdichtingsgraad lager uitvallen dan 95%. Als wordt gespoten in een cunet, waarin een gedeelte van het slappe pakket is gehandhaafd om de grondwaterhuishouding niet te veel te verstoren, moet de eerste laag of sproeilaag zeer voorzichtig worden aangebracht om schade aan deze slappe laag door oppersingen te voorkomen.
Figuur 2.34: Spuiten in onderwaterstort. Spuiten in onderwaterstort Als een cunet zonder opbarsten van de cunetbodem niet kan worden leeggepompt of als een bemaling niet is toegestaan in verband met de invloed op de omgeving, moet worden gespoten op een onderwaterstort (fig. 2.34). Hierbij zijn de horizontale stroomsnelheden gering, waardoor in horizontale richting weinig ontmenging optreedt. Nu echter treedt in verticale richting ontmenging op door het verschil in bezinksnelheid tussen grove en fijne delen. Hierdoor kunnen zich na het beëindigen of onderbreken van het spuiten (bijvoorbeeld voor het verleggen van de spuitleiding) slecht waterdoorlatende lenzen in de constructie vormen waarboven schijnwaterspiegels kunnen ontstaan. Ook wordt een lagere verdichtingsgraad van het materiaal bereikt dan bij spuiten boven water. Door gebruik te maken van een drijvende spuitleiding voorzien van sproeikop kan verbetering worden bereikt.
72
Ook hier geldt dat het wenselijk is om, zodra de ophoging tot boven water is gevorderd, de diepere lagen onder water te verdichten. Zwaar verdichtingsmaterieel heeft bij verzadigd zand een grote dieptewerking. Er moet trillend worden verdicht. Ontwatering In het algemeen wordt getracht een zo snel mogelijke ontwatering van het materiaal te verkrijgen; hierdoor worden de begaanbaarheid van het stort en de stabiliteit van de constructie bevorderd en kan sneller worden opgehoogd. Een snelle ontwatering kan worden bereikt door een randgreppel toe te passen (zie fig. 2.35a). Hierbij fungeert de langs het tracé opgeslagen bekledingsgrond na de eerste ophoogslag als tweede kade.
Figuur 2.35: Zijdelingse ontwatering stort. Een goede waterdoorlatendheid vanuit het stort in zijdelingse richting is hierbij gewenst. Waterstroming door de perskade zelf is echter ongewenst in verband met het gevaar voor erosie en voor instabiliteit door de hogere graad van verzadiging. Om deze redenen wordt de perskade zelf meestal met folie bekleed (zie fig. 2.35a). Een cunet in een slecht waterdoorlatende ondergrond kan worden voorzien van een (tijdelijke) cunetdrainage (zie fig. 2.35b). Ook het berijden van het stort met de dozer draagt bij tot een snelle ontwatering (uitrijden van water).
73
Waterafvoer Het af te voeren water bevat fijn materiaal (in hoeveelheid afhankelijk van het aangeleverde materiaal en de wijze van spuiten) en soms zout. Het gaat bovendien meestal om aanzienlijke hoeveelheden water. Om deze redenen is het vaak moeilijk of onmogelijk een vergunning voor directe lozing op het polderwater te verkrijgen. Het gehalte aan fijn materiaal kan worden verlaagd door het water over een bezinkveld te leiden. Voor het hierin bezonken fijn materiaal zal een stortmogelijkheid gezocht moeten worden. Het water kan ook worden teruggevoerd naar de winplaats; hiertoe is een retourleiding noodzakelijk. De wincapaciteit kan hierdoor afnemen. 2.8.5 Spreiden en onder profiel brengen: Tijdens en na het inrijden of spuiten wordt het materiaal gespreid en onder profiel gebracht. Voor deze werkzaamheden wordt doorgaans gebruik gemaakt van bulldozers, graders of laadschoppen zie figuur 2.29. Tabel 2.4 geeft een overzicht van de toepassingsmogelijkheden en eigenschappen van de verschillende machines. Afwerken Na het onder profiel brengen van de grondconstructie vindt de afwerking plaats. Deze bestaat onder meer uit het aanbrengen van berm- en taludbekleding en het graven van wegsloten. Voor deze grondafwerking wordt vaak gebruik gemaakt van bulldozer, laadschop, graaflaadcombinatie, dragline of hydraulische graafmachine. Figuur 2.29 en tabel 2.4 geeft een overzicht van de toepassingsmogelijkheden en eigenschappen van de verschillende machines. Het verdient aanbeveling steile taluds zo snel mogelijk in te zaaien of van stapelzoden te voorzien om erosie terug te dringen en de weerstand tegen afschuiving te verbeteren. 2.8.6 Verdichten: In het algemeen zal het noodzakelijk zijn de aangebrachte ophoogslagen en de afgewerkte grondconstructie te verdichten om de vereiste verdichtingsgraad te behalen. Hiertoe staat een aantal methoden ter beschikking. Ook de berm- en taludbekleding moet worden verdicht. Bij aanbrengen door een bulldozer gebeurt dit meestal automatisch, bij toepassing van een dragline is dat niet het geval. Figuur 2.36a en tabel 2.5 geven enkele karakteristieken en bijzonderheden van het belangrijkste verdichtingsmaterieel. Methoden Grond kan worden verdicht door trillen, walsen (uitoefenen van een statische druk), stampen of kneden of door een combinatie daarvan.
74
Figuur 2.36a: Verdichtingsmaterieel (zie ook tabel 2.5)
75
Tabel 2.5: Verdichtingsmaterieel. Trillend walsen Een wals is in het algemeen voorzien van een of meer excentrische rotors waardoor behalve de statische belasting ook een dynamische belasting op de ondergrond wordt uitgeoefend. De frequentie hiervan is zodanig dat de inwerking van opeenvolgende belastingspulsen overlap vertoont. Bij trillend verdichten wordt een goede dieptewerking verkregen maar worden oppervlaktelagen minder goed of niet verdicht (vooral bij zware trilwalsen). Naarmate de grond verder wordt verdicht neemt de dieptewerking toe (zie fig. 2.36b). De belangrijkste machineparameters van een trilwals zijn: de frequentie (toerental rotor(s), doorgaans tussen 15 en 50 Hz) de massa en excentriciteit van de rotor(s) de totale massa van de wals en de verdeling hiervan over de verschillende onderdelen de breedte van de rol(len). Het uiteindelijke resultaat van het verdichten hangt behalve van deze machineparameters echter in hoge mate af van het te verdichten materiaal en de omstandigheden (in praktijk wel gehanteerde karakteriseringen zoals de slagkracht of de verdichtingscapaciteit van de wals hebben daarom vaak
76
weinig betekenis). De mineralogische samenstelling, korrelvorm, oppervlakteruwheid en korrelgrootteverdeling oefenen tot op zekere hoogte invloed uit op het verdichtingsproces; zo kan gesteld worden dat kleiige materialen, materialen met hoekige of ruwe korrels en materialen met een uniforme korrelgrootteverdeling meer verdichtingsenergie vergen. Daarnaast zijn de zijdelingse opsluiting van het materiaal en de stijfheid van de ondergrond (‘klankbodem’) van belang. Overheersend is echter de invloed van het watergehalte. Per materiaal is een watergehalte wopt aan te wijzen waarbij het materiaal zich het best laat verdichten. De belangrijkste parameters waarmee het verdichtingsproces in praktijk wordt gestuurd zijn het aantal walsovergangen, de trilfrequentie, de rijsnelheid en het watergehalte van het materiaal. Het aantal walsovergangen dat nodig is om een laag te verdichten zal meestal 4 tot 6 bedragen. Als meer walsovergangen nodig zijn dan is de gekozen wals minder geschikt of is het watergehalte te hoog of te laag. De eerste twee walsovergangen moeten bij voorkeur statisch worden uitgevoerd om vastlopen van de wals te voorkomen. De meest gunstige frequentie ligt iets boven de resonantiefrequentie van het systeem van wals en ondergrond (‘dansen’ van de wals). Bij grote werken wordt het aantal walsovergangen wel vastgesteld door het inrichten van een proefvak waarbij het resultaat van het verdichten wordt vastgesteld met behulp van bijvoorbeeld steekringbepalingen of vervanging. Een dergelijk proefvak leent zich ook om de correlatie vast te stellen tussen steekringbepalingen en nucleaire dichtheidsmetingen.
Figuur 2.36b: Dieptewerking bij trillend walsen. Statisch walsen
77
Met trilwalsen kan ook statisch worden verdicht door het stilzetten van de rotor(s). De dieptewerking van deze methode is beperkt. Omdat de (zware) trilwalsen echter de oppervlaktelagen slecht verdichten wordt deze methode vaak als nabewerking gekozen. De effectiviteit van het statisch walsen wordt bepaald door de lijnbelasting die door de rollen wordt uitgeoefend (vaak tussen 15 en 50 kN/m). Knedend walsen Er bestaan methoden om, gelijktijdig met de walsende bewerking, de te verdichten laag persend en wringend te bewerken. Het bekendste voorbeeld van deze methode is de schapenpootwals die wordt gebruikt voor samenhangend materiaal. Nadeel van deze machine is dat de ruimte tussen de ‘poten’ met grond gevuld kan blijven. In Nederland wordt deze machine daarom praktisch niet toegepast. Ook bandenwalsen hebben een knedende werking en worden ingezet voor niet-samenhangend materiaal. De effectiviteit wordt bepaald door de grootte van het contact-oppervlak band-ondergrond en de contactspanning. Beide parameters kunnen worden beïnvloed door de bandenspanning te variëren (doorgaans tussen 2 en 10 bar, d.w.z. tussen 200 en 1000 kPa). Stampen Principieel onderscheid tussen stampend en trillend verdichten is dat bij stampen het effect van een slag is uitgewerkt voordat de volgende slag op de ondergrond wordt uitgeoefend. Meestal wordt een explosiestamper gebruikt. Stampend verdichten wordt toegepast voor bijzondere werkzaamheden zoals het verdichten van sleuven met beperkte breedte. Aanbevelingen Voor verdichten is het watergehalte wopt in principe het meest gunstig. In het veld wordt het watergehalte echter liever enige procenten lager gehouden om een snelle terugval in het draagvermogen van het zand bij een kleine toename van het watergehalte te voorkomen. Als het zand te droog is kan een sproeiwagen worden ingezet. Dit voorkomt tevens verstuiving van het zand. Tegenwoordig worden op trilwalsen wel opnemers gemonteerd die de respons registreren. De hieruit te schatten toename van de stijfheid van het materiaal geeft een indicatie van de effectiviteit van het verdichtingsproces. Op grond van deze indicatieve metingen kan het verdichtingsproces worden bijgestuurd.
2.9
Drooglegging van de aardebaan:
2.9.1 Inleiding: De weg moet een zodanige hoogteligging hebben dan de interne afwatering en de afvoer van regenwater steeds is gewaarborgd. Dit houdt in dat er een systeem van wegsloten (bij hoge grondwaterstand) of zakgreppels (bij lage grondwaterstand) noodzakelijk is.
78
Water dat in de aardebaan voorkomt kan, indien de grond daarvoor gevoelig is, het draagvermogen doen afnemen. Deze wateroverlast kan worden veroorzaakt door een te grote afstand tussen de drainerende wegsloten of door een te geringe doorlatendheid van de grond. Een andere oorzaak van wateroverlast kan zijn een gestremde lozing. In de tweede plaats kan wateroverlast worden veroorzaakt door water dat niet snel genoeg van de weg wordt afgevoerd en infiltreert in de bermen. Toepassing van een gesloten wegdek, voldoende afschot, en het aanbrengen van een bermafdekking met geringe doorlatendheid kan veel verbetering brengen. Figuur 2.37 geeft een indicatie van het verloop van de grondwaterstand in de aardebaan en van de mogelijkheden om dit verloop te beïnvloeden.
Figuur 2.37: Verloop van de grondwaterstand in de aardebaan en de beïnvloeding daarvan. In hoofdstuk 1 hebben we gezien dat het vochtgehalte het draagvermogen beïnvloedt. Aan de hand van het verloop van de CBR bij verschillende pFwaarden kan de qua draagvermogen optimale hoogteligging van de baan t.o.v. het grondwaterpeil worden bepaald. Het verloop van een dergelijk onderzoek is in figuur 2.38 weergegeven. Daarnaast wordt de hoogteligging van de aardebaan bepaald door het vorstcriterium. Om opvriezen en opdooi te voorkomen dient het capillaire water zo ver onder het wegoppervlak te liggen dat het niet kan bevriezen. De capillaire stijghoogte kan globaal worden berekend met de volgende praktijkformule:
h=
30 d
79
waarin
h d
= =
capillaire opstijging in mm gemiddelde korreldiameter in mm.
Figuur 2.38: Bepaling van de voor het draagvermogen optimale hoogteligging van de aardebaan.
2.9.2 Drooglegging van de aardebaan: De drainage van het weglichaam kan op verschillende wijzen worden gerealiseerd. De eenvoudigste manier van draineren is d.m.v. sloten (figuur 2.39). Dit kan alleen worden toegepast als ook de bermen uit doorlatend materiaal zijn opgebouwd. Indien dit niet zo is ontstaat een “badkuip” (figuur 2.40).
Figuur 2.39: Drainage door middel van sloten.
80
Figuur 2.40: Zandlichaam ingesloten door klei; zonder aanvullende voorzieningen is hier een “badkuip” gecreëerd. De drainerende werking van sloten of drainbuizen in langsrichting kan worden berekend m.b.v. de methode zoals die beschreven is in (7). Deze methode is hieronder in het kort weergegeven. Regenwater dat aan de bovenzijde via de bermen het weglichaam binnendringt stroomt door de grond naar de bermsloten. De hoogte van de grondwaterstand op één moment wordt behalve door de neerslag o.a. bepaald door de afstand tussen de bermsloten, de doorlatendheid van de grond en de dikte van de grondlaag waardoor het water stroomt. Al deze factoren zijn in de methode samengevoegd tot een zgn. j-waarde welke berekend wordt met
µ L2 j= 2 π k •d Waarbij: µ = bergingsfactor van de grond waaruit de aardebaan is opgebouwd L = de hart op hart afstand van de bermsloten k = doorlatendheid van de ondergrond d = equivalente dikte van het bodemprofiel waarin ook de invloed van de dikte van de doorstroomde bodemlaag verwerkt is. De bergingsfactor µ wordt berekend met
µ= k De doorlatendheid k heeft in deze formule de eenheid [cm/etmaal]. De berekende bergingsfactor µ heeft de eenheid [volume procenten], die door vermenigvuldiging met een factor 0.01 wordt omgezet in absolute eenheden. Met behulp van figuur 2.41 kan, uitgaande van j en µ en uitgaande van een bepaalde overschrijdingskans, de opbolling van de grondwaterspiegel worden berekend. Aan de hand van een voorbeeld zal e.e.a. worden geïllustreerd.
81
Figuur 2.41: Verband tussen j-waarde en µij-waarde (volgens De Jager). Voorbeeld Uit het wegontwerp volgt dat de afstand tussen de bermsloten 24 m zal bedragen en dat het peil in de bermsloten 1.3 m onder de bovenkant van de verharding zal liggen. Uit het grondonderzoek is gebleken dat de doorlatendheid k 0.5 m/etmaal (= 50 cm/etmaal) bedraagt. Verder blijkt dat er een ondoorlatende laag aanwezig is op een diepte van H = 6 m. Uit de gegevens volgt:
µ = k = 0.01 50 = 0.07 Met
L = 24 m en H = 6 m volgt uit figuur 2.42:
d = 4.5 m Opgemerkt wordt dat deze figuur geldig is voor ro = 1 m. De grootheid ro is gelijk aan de natte omtrek van de sloot indien deze benaderd wordt met een halve cirkel. Voor een sloot met een bodembreedte van 1 m, een waterdiepte van 0.7 m, een taludhelling 1 : 1, geldt dan ro = 1 m. De grootheid j kan nu als volgt berekend worden (met k in [m/etmaal]): µ L2 j= 2 = 18 . etmaal π kd Uit figuur 2.41 volgt dan dat bij een overschrijdingsfrequentie van 1x per jaar, de µ ij waarde 26 mm is (= 0.026 m). Dit betekent dat 1x per jaar de grondwaterstand ij = 0.026/0.07 = 0.38 m
82
boven het slootwaterpeil komt. Als nu geëist wordt dat de poriën van het korrelskelet niet volledig gevuld mogen zijn met water over een diepte tot 0.8 m onder de bovenkant van de verharding dan blijkt dat er geen aanvullende drainage nodig is. Het grondwater komt immers 1x per jaar tot 1.3 - 0.38 = 0.92 m onder de bovenkant van de verharding (n.b. er is geen rekening gehouden met capillaire opstijging).
Figuur 2.42 Verband tussen d en L voor verschillende H-waarden.
Het cunet zoals in figuur 2.40 is geschetst kan worden ontwaterd d.m.v. drainbuizen (figuur 2.43) of drainsleuven (figuur 2.44).
Figuur 2.43: Ontwatering m.b.v. drainbuizen.
83
Figuur 2.44: Ontwatering m.b.v. drainsleuven. In principe is de drainerende werking van een drainsleuf niet gunstig, aangezien de grondwaterstroming in het zandbed geconcentreerd wordt op de uiteinden van de drainsleuven. 2.9.3
Bijzondere constructies:
Naast de hier beschreven drainagesystemen zijn er nog ontwateringsmethoden die in bijzondere gevallen worden toegepast. Genoemd worden de drainage van watervoerende lagen om de stabiliteit van de gehele wegconstructie te verzekeren, de drainage van een weg in ingraving en de drainage van een weg aan de voet van een dijk. De volgende figuren 2.45 t/m 2.47 geven deze systemen schematisch weer.
84
Figuur 2.45: Drainage van een watervoerende laag.
Figuur 2.46: Drainage van een weg in ingraving.
Figuur 2.47: Drainage van een weg aan de voet van een dijk.
85
Ook kan het nodig zijn om brede middenbermen, zoals die wel bij auto(snel)wegen worden toegepast, te ontwateren. Figuur 2.48 geeft hier een beeld van.
Figuur 2.48: Ontwatering van de middenberm bij (auto)snelwegen. Bijzondere aandacht vraagt ook de aardebaan met ballastbed bij spoorwegen. Figuur 2.49 toont de afvoer van het regenwater voor 2 gevallen, afhankelijk van de gekozen wijze van drooglegging: zijdelingse afvoer door toepassing van een waterdicht membraan of afvoer door de aardebaan waarbij aan de filterwetten voldaan moet zijn.
Figuur 2.49: Drooglegging van een spoorbaan.
86
2.10 Literatuur: 1. CUR Building with soil (in Dutch). Report 162 (2nd edition); CUR; Gouda; 1993. 2. Lambe, T.W.; Whitman, R.V. Soil mechanics. John Wiley & Sons Inc.; New York; 1969. 3. Pilot, M.; Moreau, M. La stabilite des remblais sur sols mous, abaques de calcul. Eyrolles, Paris – 1973. 4. Duskov, M. EPS as a light-weight subbase material in pavement structures. Dissertatie TU Delft, Delft – 1997. 5.
Voskamp, W. Toepassing van geotextielen in de aardebaan en fundering van wegen. PAO cursus “Ontwikkelingen op het gebied van de wegenbouwmaterialen”. Delft – 1992.
6.
Dienst Weg- en Waterbouwkunde. Handleiding Wegenbouw, ontwerp onderbouw. Deel II, techniek. Rijkswaterstaat, Delft – 1991.
7.
Stichting Studiecentrum Wegenbouw. Ontwerpaspecten van wegdrainage. Mededeling 36, Arnhem – 1974.
8.
CROW. Verticale drainage. Publikatie 77, Ede – 1993.
87
APPENDIX I Grafieken ter Bepaling van de Veiligheidsfactor tegen Afschuiving van Taluds
88
89
90
91
92
93
94
95
96
