Keynote lecture: Recente ontwikkelingen in grondonderzoek

Keynote lecture: Recente ontwikkelingen in grondonderzoek Gauthier Van Alboom afdeling Geotechniek MOW Vlaamse overheid

12-09-2013

Doel van grondonderzoek: beheersen van geotechnische risico’s van een project Risico’s  Talud instabiliteit  Zettingen en vervormingen van de ondergrond  Verzakkingen (holtes in de ondergrond)  Grondwater  … Oorzaken geotechnisch falen  Onvoorziene geotechnische omstandigheden  Onvoldoende en/of niet geschikt grondonderzoek  Fouten in het geotechnisch ontwerp  Meestal combinatie van omstandigheden/fouten

Geotechnisch falen: een combinatie van oorzaken

Grondonderzoek is en blijft nodig om economisch en duurzaam te ontwerpen en de risico’s ivm bouwen met grond beter te beheersen (schadegevallen en verrekeningen vermijden)

Uitdaging: het gedrag van de grond adequaat voorspellen op basis van grondonderzoek

034.1 :étirucés ed tneiciffeoC TXTest Compression TXTest extension

DSS of Dir schuifproef

Recente ontwikkelingen in grondonderzoek   

Informatiebronnen digitaal beschikbaar via internet Europese normalisatie context Documenten  



Standaard procedures grondonderzoek BGGG SB 260 Hdstk 22 geotechnisch onderzoek

Recente ontwikkelingen in proefmethodes  

In situ proeven (CPT met extra sensoren) Laboproeven



Monitoring

6

Informatiebronnen op het internet…



Nationaal Geografisch Instituut / Institut Géographique National http://www.ngi.be



Belgische Geologische Dienst / Service Géologique Belge http://www.natuurwetenschappen.be/geology



Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV) http://dov.vlaanderen.be



Les thématiques du sous-sol Wallon http://carto1.wallonie.be/soussol

Informatiebronnen Databank Ondergrond Vlaanderen

http://dov.vlaanderen.be

Gebruik DOV – geologische kaarten Aalter – Heraanleg verkeerswisselaar

Gebruik DOV - proefresultaten Aalter – Heraanleg verkeerswisselaar

 Oude data: sonderingen en boringen 1938: fundering van bruggen over E40 1956: aanleg van nieuwe weg 1986 en 1987: fundering gebouw lang E40

 Harde laag op diepte 6 à 7m diepte (+10mTAW)

Gebruik DOV – overige data

Voorbeelden dienstverlening Geotechniek Gebruik DOV: grondverschuivingen: Missing link N60- rondweg om Ronse

Geotechnische proeven

-> heterogene lagenopbouw, gevoelig voor grondverschuivingen, bronnen -> grondonderzoek belangrijk om geotechnische randvoorwaarden kunstwerken leggen (viaducten- tunnels-ophogingsmassieven)

vast te

Gebruik DOV – Grondmechanische kaarten

Les thématiques du sous-sol Wallon

http://carto1.wallonie.be/soussol

14

Cartographie des « Thématiques Sous-sol              

Affleurements et sondages décrits (>150.000 fiches + 250.000 SGB) Atlas du Karst wallon Zones de glissement de terrain (données DGATLPE) Concessions minières (355) Puits de mines (7.000/15.000 déjà faits) Carrières souterraines (4.900 parcelles) Gîtes de minerai de fer exploités (3.300 occurrences) Gîtes de mines métalliques (1.200 occurrences) Terrils houillers (900 recensés) Zones déhouillées (en cours, sur base de coupes N-S tous les 100m) Inventaire géochimique des cours d’eau Divers (subvention ISSeP « Après-mines ») Radon (en cours) Zones sismiques (en projet), etc.

Thématiques du sous-sol Karst atlas

16

Thématiques du sous-sol Mijnputten

Liège, rue Chauve-Souris

17

Informatiebronnen Ferrariskaart (1777) http://belgica.kbr.be/nl/coll/cp/cpFerraris_nl.html

Europese normalisatie context Eurocode 7 “Geotechnical Design” omvat 2 delen: 

Deel 1 (EN 1997-1): “General rules”, enkele hoofdstukken (3.2 tem 3.4) over “Planning of ground investigations”



Deel 2 “Ground investigation and testing” (EN1997-2) geotechnisch ontwerp ondersteund door respectievelijk laboratorium- en terreinonderzoek

19

Kwaliteitseisen EC7 voor beproevingslaboratoria 

EC7 Een passend kwaliteitsborgingsysteem zal in gebruik zijn in het laboratorium, op het veld en het ingenieursbureau, en de kwaliteitscontrole zal gedegen worden doorgevoerd in alle fasen van de onderzoeken en de evaluatie ervan. 

Eigen kwaliteitssysteem



Belac-accreditatie ISO 17025

20

Normalisatie context: recente Europese normen proeven

21

Toepassingsklassen elektrische sonderingen

Toepassingsklassen Mechanische sonderingen

22

Standaardprocedures grondonderzoek BGGG

23

Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek BGGG 

Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: algemene bepalingen



Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: sonderingen  Planning, uitvoering en rapportering  Interpretaties, adviezen en berekeningen



Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: boringen en monstername



Standaardprocedures voor geotechnisch onderzoek: laboratoriumonderzoek

24

Richtlijnen bemalingen Ontwerp en uitvoering bemalingen

Standaardbestek 250 + standaardbestek 260 voor Kunstwerken en Waterbouw

+ SB 260 met volledig hoofdstuk 22 gewijd aan geotechnisch onderzoek

26

Recente ontwikkelingen proefmethodes in situ

27

Technologische evolutie apparatuur van mechanische M4 naar digitale conus

Elektrische sonderingen met 15cm² conus Elektrische conussen met diameter ts 25mm (5cm²) en 50mm (20cm²) zijn toegelaten door de norm - standaard conussen zijn 10cm² / 15cm²

29

Mogelijke bijkomende sensoren voor elektrische conussen           

Poriënwaterspanning → piezocone sondering Geofonen → seismische sondering Magnetisch veld → magnetometer sondering Pressiometer → pressiometer sondering Resistiviteitsmeting → resistiviteit sondering Camera Temperatuur pH Redox Fluorescentie …..

30

Piëzocone sondering CPTU

31

Piëzocone sondering: afleiding consolidatiecoëfficiënt uit dissipatieproef

32

Seismische sondering  Principe: met sondeereenheid wordt conus met 1 of 2 geofonen in de grond gedrukt en looptijden van impuls aan grondoppervlak worden gemeten

Resultaat variatie Vs ( G0) met diepte

33

Magnetometersondering  Dmv gevoelige magnetische sensoren voorwerpen in de ondergrond lokaliseren die het aardmagnetisch veld verstoren  inheidiepte buispalen.  ligging grondankers.  ligging van diep ondergrondse kabels en leidingen (ook gestuurde boringen), mits de leiding stroomvoerend is of voor een aanzienlijk deel uit staal bestaat  Speciale software voor modellering en interpretatie

34

Proeven verdichting controle - DPT 

Pandasonde

Recente ontwikkelingen proefmethodes laboratorium

36

Korrelverdeling - laserdiffractiemethode

zeving + bezinking

laserdiffractie

37

Korrelverdeling - laserdiffractiemethode  Korrelverdeling 2 mm – 0,04 µm  Eventuele voorbehandeling monster: verwijderen organische stoffen en kalk  Principe: Door absorptie, refractie en diffractie van invallend CEL

licht op een deeltje ontstaat er verstrooiing van een

lichtbundel.

DETECTOREN BRON

 Bij de laserdiffractieproef wordt de lichtintensiteit van het verstrooiingspatroon geanalyseerd dmv een optisch model.  Optische modellen gaan uit van een bolvormig deeltjes

Grote deeltjes verstrooien licht onder een kleine hoek

FOCUSLENS

Vervormings- en consolidatiekarakteristieken

Oedometerproef verplaatsingsmeter

Monster in cel

Last

=>

CRS proef

Vervormings- en consolidatiekarakteristieken: CRS-proef Principe:  Monster zijdelings ingesloten  Verticaal belasting via drukpers continue belasting met continue vervorming  Verzadigd (monster staat onder water + binnendruk=BP)  Opmeting van poriënwaterspanning Voordelen  Duur van de proef  Vervormingsgestuurd  Meting poriënwaterspanning in monster

Benderproeven  Bepaling maximale vervormingsmoduli G0 en E0  Principe: meting golfsnelheid in grondmonster ahv tijdsverschil tussen zend- en ontvangst-signaal

Benderproef

Vervormingskarakteristieken: G0 en E0 gzx

S golf

P golf

t z x

Velocity  Vs 

hc TravelTime

GO    Vs E  2G (1 )

2

Cyclische triaxiaalproef voor wegenbouw



Laboratorium bepaling van de mechanische eigenschappen van ongebonden korrelvormige materialen, toegepast in funderingen en onderfunderingen van wegen

➙ Omkeerbare vervormingen om de reversibele vervormingsmodulus te bepalen (dimensionering) ➙ blijvende vervormingen pour om het lange termijn gedrag van de materialen te bepalen (gevaar voor spoorvorming)

Cyclische triaxiaalproef: principe van de proef 

Een cilindervormig proefstuk wordt in een cel geplaatst en onderworpen aan een steundruk s3 en een axiale spanning s1=s3+q.



CCP proef - methode B: cyclische axiale spanning - constante steundruk (lucht)



VCP proef – methode A: axiale spanning en steundruk zijn cyclisch en in fase (ontlucht water)

q s3

q s3

Cyclische triaxiaalproef: voorbeeld van resultaten 

Methode B (CCP)



Materialen: kalk, granulatsen van betonpuin, staalslakken



Studie van omkeerbare vervormingen: resultaten bij wOPM et OPM 1100

y = 19.19x0.62 2 R = 0.94

1000

Resilient modulus (MPa)

900

y = 5.09x0.79 2 R = 0.93

800 700

y = 9.86x0.64

600 500

CRR-OCW 21765

Limestone Trendline

400 300

Crushed concrete aggregate Trendline

200

Slag Trendline

100 0

0

100

200

300

400

Vertical stress (kPa)

500

600

700

Recente ontwikkelingen monitoring

46

Waterpeilmetingen in peilbuizen  

Discontinue meting dmv peilmeetlint Continue meting d.m.v. peilbuisdatalogger

Geotechnische metingen

Voordeel continue waterpeilmetingen: seizoenschommelingen opvolgen bemalingen

Correct waterpeil oa nodig voor nodige voorzieningen tegen opdrijven tunnel

door de opwaartse waterdruk

Opdrijven tunnelmoot 15cm Aanbrengen tegengewicht

trekpalen

Meten van zuigspanningen in onverzadigde gronden 

Metingen: Tensiometers, Watermarks    

In boorgat Plaatselijke metingen Geautomatiseerde metingen Eerste resultaten na ~24H

Onderzoeksproject WTCB

« Tijdelijke sleuven in onverzadigde gronden »

Metingen van zuigspanningen in onverzadigde gronden Waarom? Uit de theorie blijkt dat bij afwezigheid van waterdrukken en voor onsamendhangende grond de maximale taludhelling as gelijk is aan de hoek van inwendige wrijving. Uit de praktijk weten we echter dat veel steilere taluds kunnen worden verwezenlijkt. Hoe komt dit? Er bestaat in partiëel verzadigde gronden een fictieve cohesie die het gevolg is van de aanwezigheid van de waterlensjes tussen de korrels. Deze waterlensjes veroorzaken een aantrekkingskracht tussen de deeltjes onderling. Dit effect is afhankelijk van de grondsoort en van de graad van verzadiging. De fictieve cohesie is afkomstig van verhoogde korrelspanningen die worden veroorzaakt door negatieve poriënwaterspanningen

Onverzadigde gronden – Theoretische benadering De wet van Coulomb (schuifweerstand) wordt aangepast

t  c ' (s n  u w )  tan( ' ) t  c'(s n  ua )  tan( ' )  (ua  uw )  tan( b ) Hierin zijn ua: spanning in de gasfase in de poriën uw: spanning in de waterfase in de poriën ua-uw: « matric suction » Φb: deze hoek bepaalt de toename in schuifweerstand ten gevolge van de matric suction

Link tussen « zuiging » en « cohesie » 30

"cmatricielle" [kPa]

25 20 15 10 5 0 0 



 

10

20 30 succion [kPa]

40

50

Empirische correlaties tussen b en ’: tan b = ½ tan ’... tan ’ Labo tests met geroerde/ongeroerde monsters Schattingen (met SWCC, compaciteit…) Databases 53

Onverzadigde gronden: taluds te Gasthuisberg (Leuven) Coefficient de frottement Rf = (fs/qc)*100 [%]

Résistance au cône qc [MPa]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

 

2

4

6

0

8 10 12 14 16 18 20 22

Profondeur [m]

Profondeur [m]

0

2

4

6

8 10 12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Kleihoudend zand (Formatie van Sint Huibrechts Hern) Fi=34° bepaald op basis van een analyse door "VO-MOW Afdeling geotechniek" van beschikbare triaxiaalproeven in deze geologische formatie in de buurt van de werf 54

Onverzadigde gronden: taluds te Gasthuisberg (Leuven)

Zuiging (ua-uw) [kPa]

0 1m60 diepte 3m20 diepte

-5 -10

2m10 diepte 4m diepte

-15 -20 -25 -30 -35

-40 01/12/09

05/01/10

09/02/10

16/03/10

20/04/10

Tableau 1. Pentes maximales obtenues par calcul pour un facteur de sécurité = 1 et Hauteur h 5m 7m 10m (*)  L [m] L [m] L [m]     Sans prise en compte de 34 7.4 34 10.4 34 14.8 succion : ca=0kPa Avec prise en compte de succion 65 2.3 60 4 50 8.5 ca=6.7kPa * L’angle  et la distace L sont définis à la Figure 9

. 15m L [m]  34 22.2 45

15

55

Onverzadigde gronden: Berlijnse wand te Wetteren

Profondeur [m]

0 0 0

qc [MPa] Qst [kN]

10 10 25

20 20 50

30 30 75

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Résistance au cône qc Résistance totale au frottement Qst

56

Onverzadigde gronden: Berlijnse wand te Wetteren

Moment [kNm]

Cohesion apparente [kPa] 0

1

2

3

4

5

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0 0

0

surface

-1

-1

-2 niveau de l'excavation

-3 -4 -5

-4

-5

Nappe phréatique (NP)

-6

-6

-7 -8

-3

-7 mesure

-8

Profondeur [m]

Profondeur [m]

-2

calcul san s co hesion ap parente

-9

calcul avec co h esion ap parente

-9

57

Hoe omgaan met effect van zuigspanningen in de praktijk 

Metingen met tensiometers/Watermark voor het uitgraving om een idee van te zuiging te hebben  Eerste schatting van cohesie



Vrije prismaproeven en/of zuigingskrommen  Beter schatting: onzekerheidscoëfficiënt gereduceerd



Voorzogsmaatregelen om zuiging aan te houden in functie van:  Site omstandigheden (water: bescherming, drainagesysteem, …)  Periode van het jaar  Type grond (doorlatendheid & retentiekrom)



Controle: Continu metingen van zuiging/watergehalte 58

Meten vervormingen Inclinometer → SAAF

59

Meten vervormingen SAAF

VERTICAAL

a

α max = +/- 45 °

vast punt HORIZONTAAL

vast punt

a

Optische vezeltechnieken voor meten van rekken FBG horizontale sensoren

Optische vezel sensoren in geotextiel

SAAF sensor

“FBG extensometer”

Optische vezel metingen: verschillende typen voorbeeld BOTDA (Brillouin)

  

Brillouin shift is temperature and strain sensitive Use of pulsed light enables localization Spectral analysis of the scattered light provides the Temp. and strain information

Innovatieve monitoring tools voor online monitoring Rekken en afgeleide momenten in HEB profielen groutwand

Innovatieve monitoring tools voor online monitoring Instrumentatie onder sporen:  Horizontale continue inclinometer (SAAF)  Horizontale traditionele inclinometer

09/11/11 20u

14/12/11 13u45

15/03/12 6u

09/03/12 10u

08/12/11 7u

17/01/12 11u

18/01/12 17u

17/02 13u

20/02 12u

25/02 21/02 3u 16u

09/03 17u

12/03 7u

64

Innovatieve monitoring tools voor online monitoring: voor meer info

65

Conclusie 

Op internet beschikbare geologische en geotechnische info laat toe vooraf reeds een eerste inzicht te hebben van te verwachten grondgesteldheid  Documenten aanvullend op Europese normen zijn beschikbaar of in ontwikkeling  Recente ontwikkelingen in proefmethodes laten enerzijds een nauwkeuriger bepaling geotechnische parameters toe, en anderzijds bepaling parameters nodig voor meer geavanceerde berekeningen  Nieuwe monitoring technieken openen perspectieven voor online monitoring en continue opvolging van geotechnische constructies Globaal bestaat dus de mogelijkheid om door een kwalitatief en kwantitatief degelijk grondonderzoek de onzekerheden bij bouwen met grond beter te beheersen.

66