Ontwerp paalmatrassystemen literatuurstudie en interviews Ons kenmerk
Versie
CO-418350/00016
01 Concept
Datum
Delft Cluster partner
november 2006
Opgesteld in opdracht van
Delft Cluster en CUR Postbus 69
Telefoon
NL-2600 AB
26 93 500
ING Bank NV
Stieltjesweg 2
Telefax (015) 26 10
rek.nr.65.09.62.524
NL-2628 CK Delft
821
KvK S41146461
[email protected]
BTW NL80097476B01
www.geodelft.nl
(015)
Postbank 234342
Rapportnummer
Datum
Samenvatting rapport
CO-418350/00016 v01 november 2006 Concept
De maatschappij stelt nieuwe eisen aan wegenbouw.
Versie
Aantal pagina's
De verkeersdoorstroming moet maximaal en de
01 Concept
42
verkeershinder moet minimaal zijn. De aanleg moet dus sneller en er moet minder onderhoud nodig zijn. Bovendien wordt met nieuwe contractvormen de verantwoordelijkheid hiervoor bij de aannnemer gelegd. Hiermee worden innovatieve
Titel / subtitel
wegconstructie-methoden interessanter.
Ontwerp paalmatrassystemen / literatuurstudie en interviews
Eén van die snelle en onderhoudsarme technieken is een weg op een aardebaan op palen (paalmatrassystemen). In Nederland zijn al een aantal van deze wegen aangelegd, maar in sommige andere landen gebeurt dit al veel vaker. Eén van de redenen hiervoor is dat er in
Projectleider(s)
Nederland nog geen richtlijnen zijn voor het
ir. S.J.M. van Eekelen
ontwerp van paalmatrassystemen. Dit maakt het lastig om bij een tender, waarbij meestal beschikbare tijd kort is, mee te doen met een paalmatrassysteem. Er is immers geen tijd
Projectbegeleider(s)
beschikbaar voor discussie over het ontwerpen.
ir. A. Bezuijen ir. J. van Ruijven
Enkele CUR werkgroepen, die in 2005 en 2006 zijn gestart, houden zich bezig met consensusvorming voor het ontwerp van paalmatrassystemen. Parallel hieraan ontwikkelt Delft Cluster een softwaretool
Overige leden projectteam
waarmee paalmatrassystemen op analytische wijze
ir. M.A.T. Visschedijk
snel kunnen worden ontworpen. Het is de bedoeling om met de inhoud van deze softwaretool aan te sluiten op de wensen van de gebruikers van de Mserie, en op de bevindingen van de CUR commissies die zich bezig houden met paalmatrassystemen. De softwaretool zal in ieder
Opgesteld in opdracht van
geval de mogelijkheid bieden om te rekenen met de
Delft Cluster en CUR
meest gangbare internationale normen: de britse en de duitse normen. Dit rapport geeft de resultaten van een studie naar de gangbare ontwerpmodellen. Mede op basis
Verspreiding
CUR C147 (in hoofdstuk 5 rapportage CUR), intern
van dit rapport worden de keuzes gemaakt voor de ontwerpmodellen waar MPiro mee zal gaan rekenen.
Versie
Datum
Opgesteld door
01
November 2006
ir. Suzanne van Eekelen
Paraaf
Gecontroleerd door
ir. Joris van Ruijven
Rapportnummer
Datum
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
Paraaf
Inhoudsopgave 1
2 3
Inleiding
1
1.1
Doelstelling
2
1.2
Leeswijzer
2
1.3 Vervolgtraject Wat is een paalmatrassysteem? Overzicht bestaande normen paalmatrassystemen
2 3 5
3.1
Bestaande normen en richtlijnen
5
3.2
Faalmechanismen
5
3.3
Veiligheidsfilosofie (partiële belastingsfactoren en materiaalfactoren) 3.3.1 De Britse norm BS 8006 3.3.2 De Duitse aanbeveling EBGEO 3.3.3 De Nederlandse CUR 2002-7
4
6 6 8 9
3.4 Eisen aan de aard van het matrasmateriaal Overzicht van ontwerpregels voor het matras
10 11
4.1
Ontwerp van een aardebaan op palen
11
4.2
Verticale belasting in een aardebaan op palen: boogwerking
13
4.3
Minimale dikte van het matras
15
4.4
Het analytisch ontwerpen van de matraswapening (verticale belasting) 4.4.1 De methode ‘Guido’, Guido, Bush, Jenner 4.4.2 Zweedse school: Carlsson, Rogbeck en uitgebreid Rogbeck 4.4.3 Svanø et al. 4.4.4 British Standard BS8006 4.4.5 McKelvey 4.4.6 De ‘oude Duitse school’: (gebaseerd op Hewlet en Randolph en Kempfert) 4.4.7 De ‘nieuwe Duitse school’, EBGEO
4.5 5 6 7
15 16 17 19 20 21 21 21
Het analytisch ontwerpen van de matraswapening
(horizontale belasting) Discussie ontwerpmethoden matrassen Vervolgonderzoek DC-BVW Referenties
23 25 29 30
Bijlage(n) Bijlage 1
Interviews
Tabellen Tabel 3.1
Te toetsen faalmechanismen tijdens de uiters
Tabel 3.2
Te toetsen vervormingen tijdens de bruikbaar
Tabel 3.3 Samenvatting van partiële factoren die volgens de Britse norm BS 8006 moeten worden gebruikt bij aardebanen op palen (tabel 27, blz 98 van de BS 8006). De rechterkolom noemt de NEN normen die hiermee zoveel mogelijk overeenkomen, maar die niet speciaal voor aardebanen op palen zijn bedoeld.
6
Rapportnummer
Datum
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
Tabel 3.4
Materiaalfactoren geotextiel
Tabel 3.5
Bepalen ontwerpsterkte geotextiel
Tabel 3.6
Bepaling schad
Tabel 3.7
materiaalfactoren matrasmateriaal
Tabel 3.8
Materiaalfactoren wapening
Tabel 3.9
Partiële factoren wapening
Tabel 3.10
Belastingsfactoren ontwerp palen
Tabel 3.11
Partiële factoren volgens de NEN 6702
Tabel 3.12
Materiaalfactoren matrasmateriaal
Tabel 3.13
Veiligheidsfilosofie dimensionering palen
Tabel 4.1
Fasering ontwerp paalmatrassysteem
Tabel 4.2
ontwerp wapening paalmatrassysteem
Tabel 4.3
ontwerp wapening paalmatr
Tabel 5.1
Hoe gaan rekenmethoden om met een aantal dis
Figuren Figuur 2.1
Paalmatrassysteem: aardebaan, gewapend met é
Figuur 2.2
CUR – publicatie 2006
Figuur 4.1
Boogwerking: de verticale spanning in punt A
Figuur 4.2
Onvolledige boogwerking: de dikte van het ma
punt A groter zijn dan bij Figuur 4.1. Figuur 4.3
Verklaring symbolen a, s en H
Figuur 4.4 Figuur 4.5:
14 Ontwerpmodel volgens Bush
Boogwerking volgens Carlsson
18
Figuur 4.6: Verschil tussen 2D en 3D benadering
18
Figuur 4.7: Uitbreiding van de methode Rogbeck
19
Figuur 4.8: Boogwerking met de methode van Svanø et al, 2000
20
Figuur 4.9
Boogwerking volgens Hewlett et al. (1988)
Figuur 4.10
Geometrie, boogwerking en evenwicht van de s
Figuur 4.11
Trekspanning in geogrid
Rapportnummer
Datum
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1 Inleiding De maatschappij stelt nieuwe eisen aan wegenbouw. De verkeersdoorstroming moet maximaal en de verkeershinder moet minimaal zijn. De aanleg van een weg(verbreding) moet dus sneller en er moet minder onderhoud nodig zijn. Bovendien wordt met nieuwe contractvormen de verantwoordelijkheid hiervoor bij de aannnemer gelegd. Hiermee worden innovatieve wegconstructie-methoden interessanter. Innovatieve wegconstructiemethoden zijn bijvoorbeeld - lichtgewicht-bouw (EPS, bims, schuimbeton), - drainagemethoden (IFCO, Beaudrain), - grondverbeteringstechnieken (blokstabilisatie, gestabiliseerde kolommen) en - dragende technieken ofwel paalmatrassystemen (aardebaan op palen: spijkerbed, AuGeo, HPS, Kyotoweg (houten palen), ringtrac (met geotextiel omhulde palen)) In dit rapport concentreren wij ons op paalmatrassystemen. Het toepassen van palen in de slappe grond onder een aardebaan (paalmatrassystemen) is een zettingsarme technologie die in veel landen al heel gebruikelijk is, zoals in Duitsland, (Alexiew [2004]), Engeland, Skandinavie en de Verenigde staten, (AASHTO en FHWA, [2002]). Bijvoorbeeld in de Verenigde Staten worden paalmatrassen veel veel toegepast, hoewel de paalmatrassytemen er toch nog vaak worden geassocieerd met hoge kosten. In Europa, en zeker in Nederland, worden paalmatrassystemen minder toegepast, ondanks het feit dat de technologie juist in de Europese landen al ver is ontwikkeld. Zo zijn er verschillende technieken beschikbaar (snellere installatie, lichter materieel) waarmee de kosten aanmerkelijk kunnen worden gereduceerd. Eén van de redenen waarom paalmatrassystemen in Nederland nog niet regelmatig toepassing vinden, is dat er in Nederland nog geen richtlijnen zijn voor het ontwerp van paalmatrassystemen. Dit maakt het lastig om bij een tender, waarbij de beschikbare tijd kort is, mee te doen met een paalmatrassysteem. Er is immers geen tijd beschikbaar voor discussie over het ontwerpen. Bovendien is er geen tijd voor het tijdrovende rekenwerk dat de internationaal beschikbare ontwerpmethoden of numerieke rekenmethoden vragen. Daarnaast speelt een discussie over de contractvormen bij grote civiel-technische projecten. Er wordt op een andere manier over risicodragen gedacht, en over life-cycle-kosten. Met deze discussie èn met de nieuwste goedkopere en snellere technieken, komen paalmatrassystemen wereldwijd, maar zeker ook in Nederland, steeds meer in de belangstelling te staan. Delft Cluster speelt hierop in met één van de 4 werkpakketten van het Delft Cluster Thema Blijvend Vlakke Wegen dat zich richt zich op paalmatrassystemen. Doel van dit werkpakket is de ontwikkeling van ontwerpkaders en een Nederlands ontwerpinstrument voor paalmatrassystemen. Blijvend Vlakke Wegen sluit met dit ontwerpinstrument aan bij de werkgroepen paalmatrassystemen van de CUR. Deze werkgroepen hielden en houden zich bezig met consensusvorming voor uitgangspunten bij het ontwerp van paalmatrassystemen. Parallel hieraan ontwikkelt Delft Cluster de softwaretool (MPiRo) waarmee paalmatrassystemen op analytische wijze snel kunnen worden ontworpen. De naam MPiRo verwijst naar ‘piled roads’. Dit rapport geeft een overzicht van beschikbare ontwerpregels voor paalmatrassystemen. Bovendien wordt de lopende discussie over diverse aspecten van de ontwerpmodellen beschreven. Dit rapport is gebaseerd op de resultaten van een literatuurstudie en een serie interviews en vormt daarmee één van de eerste stappen op weg naar de softwaretool MPiro.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1 van 33
1.1
Doelstelling
Door middel van een literatuurstudie en interviewrondes met ontwerpers en aanbieders wil Delft Cluster beschikbare ontwerpmodellen, discussie over uitgangspunten, witte vlekken, behoeften en ervaringen op het gebied van het ontwerpen van paalmatrassystemen in kaart brengen.
1.2
Leeswijzer
Hoofdstuk 2 beschrijft wat een paalmatrassysteem eigenlijk is. Hoofdstuk 3 geeft een globale beschrijving van de beschikbare ontwerpnormen en –richtlijnen. Hierbij wordt een overzicht gegeven van de ontwerpfilosofie en daarmee van de diverse partiële factoren waar volgens de normen mee gerekend moet worden. Hoofdstuk 4 concentreert zich op het ontwerp van het matras boven de palen en geeft een overzicht van een aantal beschikbare rekenregels. Bij het rekenen aan aardebanen op palen moeten een aantal uitgangspunten worden vastgesteld. Er loopt nog een discussie over een aantal van deze uitgangspunten. Hoofdstuk 5 geeft een overzicht over deze discussiepunten.
1.3
Vervolgtraject
De overzichten en discussiepunten in dit rapport vormen een basis voor een vervolgtraject van discussie met marktpartijen en nader onderzoek. Dit moet uiteindelijk leiden tot een breed geaccepteerd ontwerpinstrument. De voorlopige naam van dit ontwerpinstrument, waarmee aardebanen op palen kunnen worden ontworpen is MPiro (Piled Roads)
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
2 van 33
2 Wat is een paalmatrassysteem? Paalmatrassystemen worden gebruikt voor wegenbouw, spoorwegenbouw en andere ophogingen op slappe grond waar vrij grote vlakheidseisen gelden (zoals bijvoorbeeld parkeerplaatsen, sportvelden). Bij een paalmatrassysteem wordt de belasting van de aardebaan plus de bovenbelasting via palen door de slappe grond afgedragen naar de draagkrachtige ondergrond. Om de ruimte tussen de palen te overbruggen, wordt de aardebaan ondersteund door een of meer lagen horizontaal geplaatst geokunststof (de wapening). In het algemeen wordt bovenop de geokunststof (meestal geogrid) een laag granulair materiaal aangebracht. Als er meerdere lagen geokunststof worden toegepast dan kan tussen de verschillende lagen een laag van 1015 cm granulair materiaal worden aangebracht. Tegenwoordig zijn heel sterke geokunststoffen beschikbaar (een treksterkte tot 1800 kN/m), zodat zelfs vrij grote ruimtes tussen de palen zijn te overbruggen. De belasting op het geokunststof is vaak lager dan volgens de klassieke grondmechanica werd verondersteld, omdat er (enige) boogwerking in de aardebaan optreedt. Soms worden de lagen geokunststof met tussenliggende granulaire lagen beschouwd als een matras met daarbovenop de rest van de aardebaan en de verkeersbelasting als bovenbelasting. Het spijkerbed bij Monnikendam is daarvan een voorbeeld. Anderen beschouwen aardebaan en wapening als één geheel en noemen dat een matras. Alleen Bush-Jenner (en daarmee CUR 2002-7) gaat uit van een matras die bestaat uit meerdere lagen geokunststof. Alle andere ontwerpmodellen gaan uit van een aardebaan met daarin een wapening. Ongeacht of die wapening bestaat uit één of meer lagen geokunststof.
Figuur 2.1 Paalmatrassysteem: aardebaan, gewapend met één of meer lagen geokunststof, gefundereerd op palen
Er zijn verschillende paalmatras-concepten beschikbaar op de markt. CUR-commissie ‘zettingsarm en snel’ heeft hiervan in september 2006 verslag gedaan (CUR 2006-2, zie Figuur 2.2). Deze publicatie geeft een beschrijving van innovatieve funderingsmethoden voor weg en rail en negen projecten waarin deze zettingsarme funderingen zijn toegepast. De publicatie geeft ook een overzicht van de betrokken aannemers, leveranciers en deskundigen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
3 van 33
Figuur 2.2
CUR – publicatie 2006-2 ‘Innovatieve aardebaan’, snel gebouwd, blijvend vlak:
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
4 van 33
3
Overzicht bestaande normen paalmatrassystemen
3.1
Bestaande normen en richtlijnen
Er is in de internationale wereld één standaard bekend. Namelijk de De British Standard BS8006. Duitsland kent een aanbeveling, de zogenaamde EBGEO (Empfehlungen für Bewehrungen aus Geokunststoffen). In CUR-verband zijn tot nu toe drie publicaties gepresenteerd. Een vierde, over het ontwerp van de palen onder paalmatrassystemen, verschijnt begin 2007. De voorlaatste wordt beschreven in hoofdstuk 2. De eerste twee publicaties bevatten aanbevelingen voor het ontwerp en uitvoering van paal-matrassystemen. CUR-publicatie 199 (1999) bevat de evaluatie van de No Recess testbanen in de Hoeksche Waard. CUR publicatie 2002-7 (2002) bevat een evaluatie van 2 cases (Busbaan Monnickendam en Toll Plaza Severn Crossing Wales) en doet aanbevelingen voor ontwerp en uitvoering van paalmatrassystemen. De CUR 2002-7 beschouwen we in dit rapport ook als een richtlijn. Dit hoofdstuk bespreekt voor de drie genoemde normen en richtlijnen achtereenvolgens: - De faalmechanismen waarop in de uiterste grenstoestand en in de bruikbaarheidsgrenstoestand moet worden getoetst - De veiligheidsfilosofie (partiële belastingsfactoren en materiaalfactoren) - De eisen aan de aard van het matrasmateriaal (hierop wordt in GeoDelft rapport 418350/00020 uitgebreid ingegaan) In hoofdstuk 4 komen de eisen aan het ontwerp en het ontwerpmodel aan de orde. In dat hoofdstuk worden ook andere ontwerpmodellen besproken dan de drie die in de drie normen worden gehanteerd.
3.2
Faalmechanismen
De drie richtlijnen die we beschouwen geven aan dat voor de uiterste grenstoestand moet worden getoetst op de volgende bezwijkmechanismen:
Draagvermogen palen Groepswerking palen Doorponsen palen Randstabiliteit Overall stabiliteit Trekspanningen in de wapening (het geotextiel) tgv verticale belasting Trekspanningen in de wapening (het geotextiel) tgv horizontale belasting (laterale spreiding ophoging) Tabel 3.1
BS8006 x x x x x x
EBGEO x
CUR 2002-7 x
x x x
x
x
x
Te toetsen faalmechanismen tijdens de uiterste grenstoestand in de diverse normen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
5 van 33
De drie richtlijnen die we beschouwen geven aan dat voor de bruikbaarheidsgrenstoestand moet worden getoetst op de volgende vervormingen:
Rek in het geotextiel Zetting van de palen Zettingen van de ondergrond Tabel 3.2
BS8006 x x
EBGEO x x x
CUR 2002-7
Te toetsen vervormingen tijdens de bruikbaarheidsgrenstoestand in de diverse normen
BS8006 stelt dat de rek in het geotextiel in de bruikbaarheidsgrenstoestand op lange termijn maximaal 6% mag zijn. Aan de zetting van de palen worden geen eisen gesteld.
3.3
Veiligheidsfilosofie (partiële belastingsfactoren en materiaalfactoren)
3.3.1 De Britse norm BS 8006 Volgens de Britse Norm BS 8006 moeten zowel partiële belastingsfactoren (op het gewicht van het ophoogmateriaal, verkeersbelasting en statische bovenbelasting) als materiaalfactoren (op de sterkte van de wapening en de palen) worden gehanteerd, zie onderstaande tabel: Bruikbaarheidsgrenstoestand BGT (ofwel: gebruiksfase)
Volumiek gewicht van de grond (ophoging)
ffs = 1.3
ffs = 1.0
Statische bovenbelasting
ff = 1.2
ff = 1.0
Dynamische bovenbelasting (verkeersbelasting)
fq = 1.3
fq = 1.0
Materiaalfactoren (ophoogmateriaal)
Toepassen op tan ϕ’cv
fms = 1.0
fms = 1.0
Toepassen op c’
fms = 1.6
fms = 1.0
Toepassen op cu
fms = 1.0
fms = 1.0
Materiaalfactoren (wapening)
Toepassen op wapening basis sterkte
Gond/wapening interactie factoren
NEN
NEN 6702
Belastingsfactoren
Uiterste grenstoestand UGT (ofwel: constructiefase)
NEN 6740
Partiële factoren
fm Afhankelijk van wapeningstype en vereiste levensduur, zie hieronder.
Glijden langs oppervlak van wapening
fs = 1.3
fs = 1.0
Pull-out weerstand van wapening
fp = 1.3
fp = 1.0
Tabel 3.3 Samenvatting van partiële factoren die volgens de Britse norm BS 8006 moeten worden gebruikt bij aardebanen op palen (tabel 27, blz 98 van de BS 8006). De rechterkolom noemt de NEN normen die hiermee zoveel mogelijk overeenkomen, maar die niet speciaal voor aardebanen op palen zijn bedoeld.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
6 van 33
Materiaalfactoren
Geotextiel
Toegepast op basissterkte Tu van de wapening
Tabel 3.4
UGT
BGT
TD = Tu/fm In de UGT is Tu gelijk aan de basissterkte waarbij rekening wordt gehouden met de kruip gedurende de gebruikslevensduur.
TD = Tu/fm. In de BGT is Tu gelijk aan de sterkte waarbij de toegestane rek tijdens de levensduur niet wordt overschreden.
Materiaalfactoren geotextiel
In de praktijk zal de waarde van fm worden gegeven door de geotextielenfabrikant. De BS8006 geeft alleen standaardwaarden stalen wapening (appendix A van BS8006). De waarde voor fm wordt als volgt opgebouwd.
Symbool
Eenheid
Ontwerpsterkte van de wapening
Doel
TD
k
Uiterste treksterkte van de wapening (basis sterkte)
Tu
Partiële materiaalfactor voor de wapening (van geotextiel) fm = fm1 x fm2.
fm
-
Partiële materiaalfactor gerelateerd aan de eigenschappen van de wapening; fm1 = fm11x fm12
fm1
-
Partiële materiaalfactor gerelateerd aan constructie-effecten en milieu-effecten; fm2 = fm21x fm22
fm2
-
Productiefactor
fm11
Extrapolatie testdata
fm12
Schade tijdens aanleg
fm21
Toepassingsmilieu
fm22
-
Parameter omschrijving
Tabel 3.5
Bepalen ontwerpsterkte geotextiel
De grootte van fm voor het geval dat de wapening bestaat uit een geotextiel (en dat is bij paalmatrassen het geval), hangt af van het geotextiel. De waarde moet worden opgegeven door de fabrikant. Tot slot geeft de Britse norm een waardering aan de schade die zou ontstaan bij bezwijken van de aardebaan op palen. De Britse norm doet dat met de partiële factor fn: Categorieën voor constructies, afhankelijk van de schade bij bezwijken Categorie Partiële factor fn Voorbeelden van constructies 1 (laag risico) Nvt (eenvoudige constructies Ophoging lager dan 1.5 m, waarbij ontwerp op basis van bezwijken geeft een minimum ervaring worden gemaakt, aan schade berekeningen zijn niet nodig) 2 (middelmatig risico) 1.0 Ophogingen en constructies waar bezwijken een middelmatige schade en functieverlies geeft 3 (hoog risico) 1.1 Constructies onder een wegen of spoorweg, onbewoonde gebouwen, dijken, dammen, etc. Tabel 3.6
Bepaling schadefactor fn
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
7 van 33
3.3.2 De Duitse aanbeveling EBGEO De EBGEO gaat uit van DIN 1054 en kent de onderstaande veiligheidsfactoren. Materiaalfactoren Materiaalfactoren matrasmateriaal
Tabel 3.7
UGT
BGT
Toepassen op tan ϕ’cv
fms = 1.0
fms = 1.0
Toepassen op c’
fms = 1.6
fms = 1.0
Toepassen op cu
fms = 1.0
fms = 1.0
materiaalfactoren matrasmateriaal
De EBGEO kent de onderstaande veiligheidsfactoren voor het geotextiel en de interactie geotextiel en matrasmateriaal. Materiaalfactoren
Geotextiel
Toegepast op basissterkte Fk van de wapening
Tabel 3.8
BGT
Materiaalfactoren wapening
Partiële factoren
Geotextiel
UGT
Fd = Fk/(A1*A2*A3*A4*ηG) Waarbij: ηG = Veiligheidsfactor voor geotextiel = 1.75 A1 = Kruip invloed A2 = Invloed van transport, installatie en verdichting A3 = Invloed van voegen, overlappen, lassen A4 = Invloed door toepassingsmilieu
Pull-out weerstand van wapening
Tabel 3.9
UGT
BGT
FA is afhankelijk van de verankeringslengte L, De wrijvingscoefficient tussen geotextiel en matrasmateriaal, de toegestane ratio van wrijvingshoek tussen geotextiel en matrasmateriaal, de hoek van inwendige wrijving van het matrasmateriaal en de bovenbelasting op het geotextiel
Partiële factoren wapening
De EBGEO gaat uit van DIN 1054 en kent de onderstaande partiële belastingfactoren. Belastingfactoren Belastingsfactoren
Tabel 3.10
UGT
BGT
Volumiek gewicht van de grond (ophoging)
ffs = 1.35
ffs = 1.0
Dynamische bovenbelasting (verkeersbelasting)
fq = 1.5
fq = 1.0
Belastingsfactoren ontwerp palen
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
8 van 33
3.3.3 De Nederlandse CUR 2002-7 Voor de volledigheid leggen we hiernaast wat de NEN normen over deze factoren zeggen. Deze NEN-factoren zijn niet speciaal bedoeld zijn voor aardebanen op palen, maar voor funderingen van gebouwen.
Permanente belasting
Grenstoestand 1 γf:g= 1,2 (ongunstig) γf:g= 0,9 (gunstig)
bruikbaarheid γf:g= 1,0
Belastingsfactoren
Tabel 3.11
Dynamische (veranderlijke) belasting (verkeersbelasting) Bijzondere belasting Partiële factoren volgens de NEN 6702
γf:q= 1,5
γf:q= 1,0
γf:a= 1,0
γf:a= 1,0
De CUR 2002-7 geeft aan dat er geen specifiek onderzoek bekend is naar de veiligheidsfilosofie, maar adviseert om NEN 6740 aan te houden voor de belasting- en materiaalfactoren. Materiaalfactoren Materiaalfactoren matrasmateriaal (NEN 6740)
Tabel 3.12
UGT
BGT
Toepassen op tan ϕ’cv
fms = 1.2
fms = 1.0
Toepassen op c’
fms = 1.5
fms = 1.0
Toepassen op cu
fms = 1.5
fms = 1.0
Materiaalfactoren matrasmateriaal
CUR 2002-7 verwijst voor de bepaling van de lange termijn sterkte van het geotextiel en de veiligheidsfactoren naar de ISO 13413, BS8006 en CUR-rapport 198. De CUR 2002-7 maar adviseert om NEN 6740 en NEN 6702 aan te houden voor de belastingfactoren voor het ontwerp van de palen. Hierbij worden 2 belastingcombinaties onderscheiden:
De paalbelasting volgt uit een analystische of EEM berekening De totale belasting wordt door de palen gedragen. De paalbelasting is dan gelijk aan de belasting op het stramienoppervlak.
Bij belastingcombinatie 2 wordt negatieve kleef alleen in rekening gebracht wanneer externe factoren daar aanleiding toe geven:
Optredende maaiveldzettingen uit het verleden Maaiveldzettingen als gevolg van toekomstie grondwaterstandsverlagingen
Dit resulteert in de onderstaande tabel voor de uiterste grenstoestand. Belastingcombinatie Veiligheidsklasse NEN 6702
1 2
Paaleffectiviteit Ep [-]
γ f:g [-] Permanente belasting (ophoging)
γf:q [-] Dynamische bovenbelasting (verkeersbelastin g)
γf:nk [-] Negatieve kleef
1
Berekend
1,2
1,2
1,0
2
1,0
0,9
0,9
1,4
1
Berekend
1,2
1,3
1,0
2
1,0
1,0
1,0
1,4
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
9 van 33
3
Tabel 3.13
3.4
1
Berekend
1,2
1,5
1,0
2
1,0
1,1
1,1
1,4
Veiligheidsfilosofie dimensionering palen
Eisen aan de aard van het matrasmateriaal
De BS8006 geeft de voorkeur aan een korrelverdeling 0-40 mm tot 0-90 mm (met een opgegeven korrelverdeling). Het betreft in dit geval gravel, zand, gebroken gesteente, betongranulaat, mijnsteen. Overige eisen zijn opgenomen in de zogenaamde Specifications for Highway Works. De Duitse Richtlijn EBGEO (Empfehlungen für Bewehrungen aus Geokunststoffen) schrijft voor o dat het materiaal een hoek van inwendige wrijving (φ’) van tenminste 30 moet hebben. o
CUR 2002-7 geeft de voorkeur aan een grofkorrelig materiaal van goede kwaliteit met ϕ’ ≥ 35 . o Na verdichting bedraagt de ϕpiek’ tenminste 45 . De korrelverdeling bedraagt 0-40 mm tot 0-75 mm. CUR 2002-7 stelt de volgende specifieke eisen aan het geotextiel en het ophoogmateriaal:
De rekenregels (volgens Bush-Jenner zoals aanbevolen in CUR 2002-7) zijn gebaseerde op proeven met een bepaald type geogrid en daardoor volgens het CUR 2002-7 rapport (blz 9) niet zonder meer toepasbaar voor andere typen geogrids dan die met een hoekige ribvorm en stijve knoopunten. Het materiaal mag geen scherpe delen bevatten die het geotextiel kunnen beschadigen; Uit het materiaal mogen geen stoffen vrijkomen (Ca(OH)2, zuren, basen, aardolie derivaten), ook niet op de lange duur, die het geotextiel kunnen aantasten; met name bij het gebruik van secundaire bouwmaterialen moet dit aspect onderzocht worden; In verband met de berijdbaarheid en het vermijden van beschadigingen moet de eerste laag zand of het funderingsmateriaal op het geotextiel tenminste 0,4 m dik zijn; dit materiaal mag niet rechtstreeks op het geotextiel worden gestort; de vrachtwagen moet zijn lading storten op het reeds gerealiseerd werk, waarna het materiaal met een shovel gelijkmatig op het geotextiel moet worden verspreid tot de beoogde dikte is bereikt.
Wanneer het materiaal onder de grondwaterstand wordt toegepast (zoals vaak het geval is bij houten palen) is alleen een categorie 1 bouwstof (of schoon materiaal) geschikt. Een categorie 2 bouwstof mag alleen worden toegepast > 0,5 m boven de gemiddeld hoogste grondwaterstand en onder IBC-maatregelen (isoleren, beheren, controleren). Dit betekent dat een afdichting in de vorm van een folie of bentonietmengsel noodzakelijk is.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
10 van 33
4 Overzicht van ontwerpregels voor het matras 4.1
Ontwerp van een aardebaan op palen
Bij het ontwerp van een paalmatrassysteem wordt meestal eerst een snelle analytische berekening gemaakt. Pas bij het definitief ontwerp wordt gerekend met een eindig elementenpakket, zoals bijvoorbeeld Plaxis. Uit de interviews over het ontwerpen van paalmatrassystemen blijkt dat: - er behoefte is aan eenduidige ontwerprichtlijn voor paalmatrassystemen. Dit komt de snelheid van ontwerpen (voor een tender) ten goede. - er behoefte is aan een snelle tool waarmee snel een ontwerp gemaakt kan worden. Om de snelheid die in het algemeen gevraagd wordt bij een tender zal dit een analytische tool moeten zijn. - er behoefte is aan het verbeteren van de mogelijkheden met eindige elementenmodellen, zodat er minder ‘truukjes’ nodig zijn bij het maken van een ontwerp met de eindige elementenmethode. Er is voor gekozen om het Delft Cluster onderzoek te richten op het inventariseren en kiezen van één of meer analytische rekenmethoden. Deze methoden zullen worden geïmplementeerd in een softwaretool, wat aansluit op de vraag naar een snelle tool. Bovendien organiseert Delft Cluster samen met de CUR een werkgroep ‘ontwerprichtlijn paalmatrassystemen’, waarin geprobeerd zal worden concensus te bereiken over de aannames en uitgangspunten bij het ontwerp. Bij het ontwerp van een paalmatrassysteem gaat men in het algemeen als volgt te werk:
1
Het maken van de globale dimensies.
a. De dimensies (dikte, breedte) van de aardebaan (het matras) volgen uit omgevings-eisen, doorpons-eisen en droogleggings-eisen. b. het constructiemateriaal van de aardebaan wordt gekozen, de diverse normen stellen milieukundige en constructieve eisen aan het materiaal. c.
2
Het maken van een ontwerp voor de palen
zowel geotechnisch als constructief
Voor Nederland houdt CUR-commissie paalmatrassystemen zich bezig met het opstellen van een norm voor deze palen. De grootste kostenpost van de constructie zijn vaak de palen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
11 van 33
d. dan wordt de wapening van het matras ontworpen.
de ontwerp van de wapening van het matras (ook wel genoemd: de belastingspreidende laag of de aardebaan, engels: embankment)
3
Tgv verticale belasting: Hierbij wordt meestal uitgegaan van een boogwerkingstheorie. Tgv horizontale belasting: belasting tgv lateral spreading of the ambankment (taludinstabiliteit), vaak significant. Soms is het nodig om de dikte van de aardebaan verder te vergroten om tot een sluitend ontwerp te komen. Dat kan bijvoorbeeld door alle palen of een deel van de (rand) palen dieper weg te heien (Brok, 2006). de eindzetting van de ophoging e. de verwachte zetting van de paalfundering, zowel geotechnisch als constructief, f. de te verwachten zettingen van het matras
controles
4
De zetting van matras en palen treedt vrijwel direct na het aanbrengen van de belasting op. De restzetting bij dit soort aardebanen op palen is verwaarloosbaar. de stabiliteit van het talud van het matras
Tabel 4.1
Fasering ontwerp paalmatrassysteem
Het matras en de palen moeten voor zowel de constructiefase als de gebruiksfase worden doorgerekend. Dit hoofdstuk richt zich op punt 3: het ontwerp van de wapening van het matras. De maximale trekkracht Tr per meter in de wapening, die aan de onderzijde van het matras ligt, wordt als volgt bepaald: a. in de lengterichting van de weg: Tr = Trp b. dwars op de lengterichting van de weg: Tr = Trp + Tds Waarin: Parameter omschrijving
Doel
Symbool
De maximale, te berekenen trekkracht per meter in de wapening
Onwerp wapening
de maximale trekspanning die nodig is om de verticale belasting van de aardebaan naar de palen over te dragen trekspanning die nodig is om laterale spreiding te voorkomen
Tabel 4.2
Eenheid
Default waarde
Minimale waarde
Maximale waarde
Tr
kN/m
nvt
0.01
1800.00
Onwerp wapening
Trp
kN/m
nvt
0.01
1800.00
Onwerp wapening
Tds
kN/m
nvt
0.01
1800.00
ontwerp wapening paalmatrassysteem
Als de treksterkte Tr die de wapening te dragen krijgt, is berekend, dan kan (uit tabellen) de juiste geotextiel worden gekozen. Hierbij wordt de volgende rekensterkte aangehouden:
TD fn
≥ Tr
(4.1)
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
12 van 33
Waarin: Parameter omschrijving
Doel
Symbool
Rekenwaarde van de sterkte van de wapening (zie hoofdstuk 3.3.1)
Onwerp wapening
TD
De partiële factor die de economische schade van bezwijken dekt (zie hoofdstuk 3.3.1)
Onwerp wapening
fn
Tabel 4.3
4.2
Eenheid
Default waarde
Minimale waarde
Maximale waarde
-
1.1
1.0
1.1
ontwerp wapening paalmatrassysteem
Verticale belasting in een aardebaan op palen: boogwerking
De klassieke grondmechanica veronderstelt dat het eigen gewicht van grond, en de bovenbelasting op de grond recht naar beneden wordt afgedragen. In bijvoorbeeld punt A van Figuur 4.1 zou de verticale spanning gelijk moet zijn aan H*γ + p. Boogwerking is het verschijnsel waarbij belasting zijwaarts wordt afgevoerd naar stijve constructiedelen. Met andere woorden: als de verticale spanning in punt A lager wordt dan H*γ + p, dan treedt boogwerking op. De meeste theorieën veronderstellen dat het gewicht van de grond (en de bovenbelasting p) boven de kritische hoogte He volledig wordt afgedragen naar de palen. Het gewicht van de grondwig onder de ‘boog’ moet worden gedragen door de slappe grond eronder, of het gewicht zou naar de palen moeten worden overgedragen door trekspanningen in de wapening onderin de aardebaan, dus bijvoorbeeld door een geokunststof.
Bovenbelasting p
A
Slappe grond of gat
Figuur 4.1
Ditke aardebaanl, H
kritische hoogte He
Paal deksel
Paal
Het gewicht van deze grondmoot wordt niet rechtstreeks naar de palen afgedragen
zijwaartse afdracht van belasting
Zijwaartse afdracht van belasting richting paal
Maaiveld
Boogwerking: de verticale spanning in punt A is kleiner dan (γH + p)
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
13 van 33
De werking van wapening bij boogwerking Door de flexibiliteit van de geokunstof-wapening kan zijwaartse afdracht door boogwerking plaats vinden. In het extreme geval, dat de wapening perfect-slap (of afwezig) is, dan zal de aardebaan tussen de palen willen zakken. Deze beweging omlaag wordt tegengehouden door de schuifweerstand die wordt geleverd door het deel van de aardebaan boven de palen. Deze schuifweerstand reduceert de belasting op de geotextiel, maar vergroot de belasting op de paaldeksels. Dit is de boogwerking. In het andere extreme geval dat de wapening van geokunststof perfect-stijf is, vinden we geen zettingsverschillen in bovenstaande figuur. In dit geval vinden we maximale trekspanning in de wapening, en geen relatieve verplaatsingen tussen wapening en grond. In dat geval kan het mechanisme van boogwerking in de aardebaan zich niet ontwikkelen. In de normen wordt in het algemeen gewerkt met een eis voor de maximale rek in het geotextiel. Ligt die eis hoog (geringe rek toegestaan), dan betekent dat dus dat er een relatief stijve wapening moet worden gekozen. De consequentie is, dat er hogere trekspanningen zullen moeten worden opgenomen door de wapening. Een enkele laag van geokunststof werkt als een membraam onder trekspanning, terwijl bijvoorbeeld Gangakhedkar (2004) veronderstelt dat enkele lagen geokunststof, met daartussen enkele centimenters aardebaanmateriaal, de omliggende grond meer zal laten ‘interlocken’, zodat de constructie zich meer zal gedragen als een stijve balk of een plaat. Onvolledige of volledige boogwerking, werkt de bovenbelasting op de wapening of niet? Bij de modellen die berusten op het principe zoals getekend in figuur 2.1 zal de bovenbelasting niet in de wapening voelbaar zijn. Uitgaande van deze denkrichting is het ook mogelijk dat de dikte van de aardebaan niet dik genoeg is om volledige boogwerking te ontwikkelen. Figuur 2.2 laat deze situatie zien. In dit geval kan de spanning in punt A en dus in de wapening aanzienlijk groter worden dan in Figuur 4.1, omdat een deel van de bovenbelasting nu rechtstreeks op punt A werkt.
d
A
Slappe grond of gat
kritische hoogte He
dikte aardebaan H
Paal deksel
Paal
Grondmoot waarvan gewicht en bovenbelasting niet direct naar de palen worden afgedragen
afdracht belastin g
Maaiveld
afdracht belasting
Bovenbelasting p
Figuur 4.2 Onvolledige boogwerking: de dikte van het maaiveld (H) is kleiner dan de kritische hoogte (He). Een deel van de bovenbelasting p wordt niet direct afgedragen naar de palen. Daardoor kan de verplaatsing van punt A groter zijn dan bij Figuur 4.1.
De nieuwste modellen (zoals de ‘nieuwe Duitse school’, zie hoofdstuk 4.4.7) gaan ervan uit dat de bovenbelasting altijd enigszins voelbaar zal zijn in de wapening, ook bij een voldoende dikke
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
14 van 33
aardebaan. Het onderscheid tussen volledige en onvolledige boogwerking is in deze modellen verdwenen.
4.3
Minimale dikte van het matras
Volgens de Britse Norm BS 8006 voor granulaatmatrassen moet de aardebaandikte H minimaal gelijk zijn aan 0,7 (s-a). CUR rapport 2002-7 geeft zelfs de voorkeur aan een dikte van minimaal 1,0 (s-a). Hierbij wordt uitgegaan van een grofkorrelig materiaal van goede kwaliteit met ϕ’ ≥ o 35 . De Duitse EGBEO geeft (in paragraaf 6.9.3): H ≥ 0,7(s). Deze regel is dus strenger dan die van de Britse norm en kan overeen komen met het CUR rapport. De Nederlandse Handleiding Wegenbouw – Ontwerp Onderbouw (2004) geeft geen suggesties voor een minimale aardebaandikte in verband met ‘doorponzen’. Wel suggereert deze handleiding op blz 214 een minimale dikte van de aardebaan om a. een volledige boogwerking mogelijk te maken in een aardebaan zonder wapening (3 à 4 keer de paalafstand) b. een volledige boogwerking mogelijk te maken in een aardebaan met meerdere lagen wapening met daartussen grofkorrelig aanvulmateriaal (1 à 1.5 keer de paalafstand) Hierbij wordt het niet duidelijk wat onder de ‘paalafstand’ wordt verstaan. Bovendien beschouwen wij een systeem waarbij het matras wordt gewapend met één laag wapening onderin het matras.
4.4
Het analytisch ontwerpen van de matraswapening (verticale belasting)
Er zijn meerdere werkwijzen voorhanden om de wapening in de paalmatrassysteem analytisch te ontwerpen. De toepassing van numerieke 2D en/of 3D analyse komt daarnaast steeds vaker voor. Voorzichtigheid daarbij is geboden, aangezien deze numerieke berekeningen de benodigde treksterkte in de geokunststof kunnen onderschatten. Alleen Groot-Brittannië heeft officieel vastgestelde ontwerpnormen, maar die worden bekritiseerd. Deze kritiek gaat met name om het uitrekenen van de trekkracht in de wapening (het geotextiel) als gevolg van de verticale belasting (inconsistent) en ten gevolge van horizontale belasting die onstaat door de taludinstabiliteit (conservatief). Duitsland (de groep van prof. Kempfert van de universiteit van Kessel, e.a.) is een stuk verder met het ontwikkelen van theorie. Deze ‘nieuwe Duitse school’ wordt beschreven in een Duitse richtlijn van juli 2004, die waarschijnlijk nog in 2006 officieel een standaard wordt in de EBGEO. In veel literatuur wordt nog gerefereerd naar de rekenmethode van Hewlet en Randolph et al, uit 1988, die later werd uitgebreid door oa. Kempfert (de ‘oude Duitse school’). Dit hoofdstuk presenteert diverse analytische modellen (grofweg: de Guido-methode, de ‘Skandinavische school (Svanø, Rogbeck en Carlsson)’, GeoDelft (Van Eekelen, 2003) maakte een verbetering op het eenvoudige model van Rogbeck (extended Rogbeck), de ‘oude Duitse school’ (Hewlet, Randolph et al.), de ‘nieuwe Duitse school’ en de ‘Britse school’ (BS 8006).
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
15 van 33
H (in m)
Hegemann materiaal Wapening van geotextiel
s (in meeste normen, hoh afstand, in m) sy (hoh afstand, in m)
a (diameter, in m)
, en rm ) no n m i e , s it d du an in fst s( ha ho sx (hoh afstand, in m)
Figuur 4.3
Verklaring symbolen a, s en H
Alle rekenmodellen doorlopen de volgende stappen: 1. Bepalen welk deel van de verticale belasting van de aardebaan (en zijn bovenbelasting) rechtstreeks naar de palen wordt afgedragen, en welk deel dus moet worden opgevangen door de wapening. 2. Met de berekende belasting die op de wapening werkt kan een trekspanning in de wapening worden berekend. Deze trekspanning is dus ten gevolge van de verticale belasing van de aardebaan. 3. De trekspanning die in de wapening ontstaat ten gevolge van talud instabiliteit (lateral spreading of the embankment). Dus dit is de trekspanning in de wapening ten gevolge van de horizontale belasting die ontstaat door taludinstabiliteit. Hoofdstuk 4.5 gaat in op punt 3. Dit hoofdstuk vergelijkt een aantal ontwerpregels voor bovenstaande punten 1 en 2 uit de literatuur, namelijk:
Methode van Guido (Bush Jenner) Zweedse school: Carlsson (1987), Rogbeck (1998), Uitgebreid Rogbeck (Rogbeck uitgebreid met onvolledige boogwerking en bovenbelasting) Svanø (2000) BS 8006 (1995) McKelvey (1994) De ‘oude Duitse school’ Hewlett, Randolph et al. (1988 en later) De ‘nieuwe Duitse school’, (ontwikkeld vanaf 1995, waarschijnlijk opgenomen in de EBGEO in 2006)
4.4.1 De methode ‘Guido’, Guido, Bush, Jenner De benadering van Guido (1987) is een sterk vereenvoudige benadering, bedoeld voor constructies met meerdere geotextielen. CUR 2002-7 suggereert deze methode echter omdat het de enige methode is die nadrukkelijk is bedoeld voor aardebanen met daarin meerdere lagen geokunststof-wapening.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
16 van 33
De oorspronkelijke publicatie van Guido heeft weinig te maken met de ‘rekenmethode van Guido’, die is ontwikkeld door Bush en Jenner. Daarbij zijn zij uitgegaan van de plaatdrukproeven van Guido [CUR 2002-7]. Bij de methode wordt aangenomen dat boogwerking optreedt onder een bovenhoek van 90º. De grondwig onder de boog worden gedragen door de diverse lagen geogrid. Iedere laag draagt het deel van de grondwig dat hem wordt toebedeeld. Voor iedere geokunstlaag wordt het gewicht van het bijbehorende grondwig-deel bepaald en gegeven de toelaatbare rek in het geogrid wordt de spanning in het geogrid bepaald. De vorm van de piramide-vormige grondwig is altijd het zelfde, onafhankelijk van het materiaal van de aardebaan. Voor fijn zand wordt dus hetzelfde resultaat verkregen als voor grof granulair materiaal. Dat is niet realistisch. De vorm van de grondwig is ook niet afhankelijk van de afstand tussen de paaldeksels. CUR 2002-7 gaat uit van de methode Bush-Jenner omdat deze uitgaat van de opsluitende werking van meerdere lagen geotextiel. Wel stelt men de volgende kantekeningen aan het gebruik van dit model:
Verdere validatie is gewenst; Er is uitgegaan van 1 type geogrid van Tensar, proeven met meerdere typen geogrid zijn gewenst; Optimalisatie van de hoek van spreiding (45º) is gewenst;
CUR 2002-7 stelt dat naast een voorontwerp met een analytisch model een berekening met een eindig elementen model noodzakelijk is voor het detailontwerp.
45o
Figuur 4.4
geogrid 1 geogrid 2 geogrid 3
Ontwerpmodel volgens Bush-Jenner (Guido)
Guido gaat er van uit dat er altijd volledige boogwerking optreedt. Dit wordt aangenomen omdat de piramidevormige grondwig heel laag is. De hoogte van is gelijk aan 0,5 (s-a) en de meeste matrassen zullen dikker zijn dan 0,5 (s-a). De bovenbelasting wordt in het geval van onvolledige boogwerking niet meegenomen bij de bepaling van de belasting op het geotextiel. Dat is riskant. 4.4.2 Zweedse school: Carlsson, Rogbeck en uitgebreid Rogbeck De onderstaande figuur toont de twee-dimensionale benadering van Carlsson (1987). Hij gaat o uit van een 2D grondwig tussen de paalkoppen. De grondwig met een bovenhoek van 30 moet worden gedragen door de wapening, zelfs als de grondwig hoger is dan de aardenbaan. De bovenbelasting blijft buiten beschouwing. Carlsson maakt gebruik van het verticale gewicht van de grondwig en de kettingregel om de wapeningsspanning uit te rekenen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
17 van 33
30 O
Hoogte van de aardebaan Critische hoogte Hc = = 1.87 (c - a)
c
Volgens Carlsson draagt de wapening het gewicht van deze hele grondwig, zelfs als de grondwig hoger is dan de aardebaan, zoals in dit plaatje. Bovenbelasting blijft buiten beschouwing.
Belasting wordt zijwaards afgedragen naar de paal
A Paal deksel
Paal
Slappe grond
s-a s a
Figuur 4.5: Boogwerking volgens Carlsson
De onderstaande figuur laat het verschil zien tussen een 2D en een 3D benadering. De verschillen tussen een 2D en een 3D benadering kunnen behoorlijk groot zijn (Kempton et al., 1998). In 3D berekeningen worden belangrijk grotere verplaatsingen onder in de aardebaan geconstateerd.
a
s
Figuur 4.6: Verschil tussen 2D en 3D benadering
Rogbeck (1998) breidde de methode van Carlsson uit met een 3D factor, waarmee de berekende wapeningsspanning vermenigvuldigd moet worden.
F3 D , Rogbeck =
1+ c 2
a F 2 D , Carlsson
(4.2)
waarin F3D en F2D de wapeningsspanningen zijn voor resp. 3D en 2D condities. Met de 3D factor van Rogbeck vinden we hogere wapeningsspanningen dan met de 2D methode van Carlsson.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
18 van 33
Beide methoden geven een eenvoudige benadering: ze gaan altijd uit van een pyramidevormige boog, met een hoek van 75o met de horizontaal. Onafhankelijk van het materiaal waar de aardebaan uit bestaat. Dit is niet realistisch. De methode gaat uit van één laag geokunststof. Zowel Carlsson als Rogbeck gaan uit van volledige boogwerking. Als echter de dikte van de aardebaan kleiner is dan de kritische hoogte van Carlsson, dan is er spraken van onvolledige boogwerking. Is er geen bovenbelasting, dan overschatten zowel Carlsson als Rogbeck de spanning in de wapening. Is er wel bovenbelasting, dan zal een gedeelte van die bovenbelasting rechtstreeks op de wapening werken, en kan de spanning in de wapening hoger worden dan de spanning zoals voorspeld door Carlsson of Rogbeck. Dit geeft risico’s. De methode van Rogbeck is daarom uitgebreid voor het geval van onvolledige boogwerking (Van Eekelen 2001). Hierbij wordt alleen gerekend met het daadwerkelijke gewicht van het bestaande gedeelte van de grondwig. Als er inderdaad onvolledige boogwerking optreedt, en er is bovenbelasting, dan wordt het gedeelte van de bovenbelasting dat op de grondwig werkt, meegenomen in de belasting (dat is het vette gedeelte van de bovenbelasting in Figuur 4.7). De Zweedse school vindt in Skandinavië toepassing.
maaiveld
15 o
s - a - 2Htan15
Htan15 o
o
belasting wordt zijwaarts afgedragen richting paal
belasting wordt zijwaarts afgedragen richting paal
15 o
Dikte van de aardebaan, H
Surface load p ( kN/m 2); bold part acts on reinforcement
Htan15 o
A
Paal deksel
paal
slappe grond of gat
s-a s a
Figuur 4.7: Uitbreiding van de methode Rogbeck
4.4.3
Svanø et al.
Svanø et al (2000) heeft een volledig 3D methode ontwikkeld. Ook deze onderzoekers gaan ervan uit dat de wapening een grondmoot draagt. De onderstaande fiuur laat zien hoe de 3D grondmoot van Svanø et al eruit ziet, die wordt gedragen door een paal. De auteurs verwachten dat β (zie figuur 3.4) waarden zal aannemen tussen 2.5 en 3.5. Ze veronderstellen dat de rest van de grond wordt gedragen door de wapening. Mocht de dikte van de aardebaan onvoldoende zijn voor volledige boogwerking, dan wordt de bovenbelasting ook meegenomen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
19 van 33
Bovenbelasting p (kN/m2)
(β/2)(s-a)
H/β
1
a
H/β
H/β
a H/ β
β
β H
Hc
1
a
a
s-a Figuur 4.8: Boogwerking met de methode van Svanø et al, 2000
4.4.4
British Standard BS8006
De Britse Standaard BS 8006 is compleet, populair en wordt nogal eens als ontwerpnorm gehanteerd, ondanks het feit dat sommige zaken inadequaat zijn beschreven. Het rekenhart voor het ontwerp van de wapening tgv de verticale belasting is oorspronkelijk ontwikkeld door Jones et al. (1990). Er wordt uitgegaan van een semi-bolvormige boog, waarbij de vorm en dimensies onafhankelijk zijn van het materiaal van de aardebaan (niet realistisch). De trekspanning in de geokunststof wordt (net als bij de andere methodes) berekend met de membraamtheorie. De ondergrond wordt verondersteld niet mee te dragen. BS 8006 onderscheidt 3 categorieën, afhankelijk van de relatieve diktes van de aardebaan H: a. de dikte van de aardebaan is kleiner dan 70% van de ruimte tussen de palen (H < 0.7(s-a)). Dit wordt niet toegestaan om locale zettingsverschillen te voorkomen (doorponsen), b. onvolledige boogwerking: 0.7(s-a) < H < 1.4(s-a). Hierbij wordt de bovenbelasting meegenomen, c. volledige boogwerking: H > 1.4(s-a). Waarbij s de afstand tussen de palen is en a de afmeting van de vierkante paalkop. In de praktijk blijkt de bovenbelasting meestal niet meegenomen te worden, omdat een constructie in catagorie c valt: H > 1.4(s-a). (Alexiew, 2004). Voor gevallen b en c zijn verschillende formules beschikbaar die het grondgewicht wg dat op de wapening berekenen. Zodra er een bovenbelasting wordt meegenomen, geven beide formules een andere uitkomst voor H = 1.4(s-a). De berekende belasting op de wapening is dus niet continu bij toenemende H. De methode BS 8006 is gebaseerd op 2D formules voor leidingen. De methode is uitgebreid met de derde dimensie. BS8006 adviseert om een minimale matrashoogte van minimaal H0,7(s-a) om zettingsverschillen aan het wegoppervlak te voorkomen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
20 van 33
4.4.5
McKelvey
Alle rekenregels die tot nog toe zijn beschreven, gaan uit van een aanname voor de boogwerking in de grond: hoe ziet de boog er precies uit. Bij allen maakt het niet uit in wat voor soort aardebaan-materiaal de boogwerking moet plaatsvinden. McKelvey (1994) en Hewlet en Randolph (1988, zie volgende hoofdstukje) gebruiken wel een grondmodel met een cohesie c en een interne wrijvingshoek ϕ en nemen het gedrag van de grond dus direct mee. McKelvey (1994) baseerde zijn theorie op Terzaghi (1943). Hij beschrijft hoe boogwerking zich ontwikkelt in een stuk grond waarin een gat ontstaat. Hij veronderstelt dat de grond direct boven het gat de vorm aanneemt van een ‘hangmat’, en dat ergens boven het gat een 'plane of equal settlement' bestaat. Dat betekent dat er een punt bestaat dat evenveel zakt als de punten direct daaromheen. Met deze aannamen vindt hij een spanning tussen de palen. Tenslotte breidt McKelvey zijn theorie uit met de tensioned membrane theorie om de geokunststof mee te kunnen modeleren.
4.4.6
De ‘oude Duitse school’: (gebaseerd op Hewlet en Randolph en Kempfert)
Hewlett, Randoph at al. (1988) voerden een aantal simpele proefjes uit en baseerden daarop een volledige 3D theorie dat de stabiliteit van een 3D zandboog beschouwt (Figuur 4.9). Hewlett, Randolph et al. geven vergelijkingen om de verdeling van de belasting tussen palen en wapening te berekenen en dus geen rekenmethodiek om de wapeningsspanning te bepalen.
Figuur 4.9
Boogwerking volgens Hewlett et al. (1988)
Deze methode werd echter gecombineerd met de membraamtheorie volgens BS 8006, zodat er een trekspanning in de geokunststof kon worden berekend. Bovendien werd enige support van de onderliggende slappe grond in rekening gebracht (Kempfert et al, 1999 en 1997). Met deze ‘oude Duitse school’-methode werden verschillende projecten uitgevoerd (Alexiew & Vogel, 2001). Bij deze projecten werden uitgebreide meetprogramma’s uitgevoerd, die oa. De membraamtheorie hebben bevestigd.
4.4.7
De ‘nieuwe Duitse school’, EBGEO
De ontwikkelingen voor deze methode (oa Kempfert et al, 2004 en Zaeske, 2001) zijn gestart in 1995. Focus punt waren: - de verdeling van de belasting in de aardebaan (de boogwerking). - Het vinden van een redelijke mate waarin de slappe grond het matras ondersteunt. Het concept voor hoofdstuk 6.9 van de ontwerprichtlijn EBGEO is klaar, en wordt in 2006 opgenomen in de officiële Duitse norm.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
21 van 33
De nieuwe Duitse school hanteert een nieuwe veel-schalen (multi-shell) theorie en een rekgerelateerde tegendruk van de slappe ondergrond. Vanzelfsprekend moet voorzichtig worden omgesprongen met het in rekening brengen van de tegendruk die kan worden geleverd door de slappe ondergrond. Het verlagen van de grondwaterstand, bijvoorbeeld, kan de tegendruk aanzienlijk doen reduceren, en dan zal de trekspanning in het geokunststof ook aanzienlijk toenemen. De methode adviseert om slechts één, of anders maximaal twee sterke geokunstlagen toe te passen, direct op de paaldeksels. EBGEO adviseert H ≥ 0,7s en a ≥ 0,15s. Vanuit ervaring wordt daar aan toegevoegd de eis dat s - a ≤ 2,5 m (bij dynamische belastingen). De ontwerpprocedure van EBGEO bestaat uit twee stappen (en wordt in het kort beschreven in Kempfert et al, 2004): In de eerste stap berekent de belasting/spanningsverdeling, zonder dat rekening wordt gehouden met een wapening. Dit geeft de verticale spanning bovenop de palen (σzs,k) en die op de slappe ondergrond tussen de palen (σzo,k). Naar aanleiding van de resultaten van Zaeske’s experimentele en numerieke onderzoek, is een theorie ontwikkeld waarin de spanningstoestand van de gewapende aardebaan wordt verdeeld in - een zone waar de gronddruk in rust kan worden verondersteld. - een boogwerkingszone, waar de spanningsspreiding plaats vindt.
Figuur 4.10
Geometrie, boogwerking en evenwicht van de spanningen (Zaeske, 2001, 2002)
Uit evenwicht van een moot grond in de boog volgt een differentiële vergelijking. De oplossing van het evenwicht geeft een verticale spanning σz(z) in de boog. De verticale druk op de slappe grond, σzo,k volgt uit het limiet z → 0 (formule 6.9-5a van de EBGEO, blz 12). In de tweede stap wordt de verticale druk σzo,k toegepast op de wapening als een externe belasting. Zaeske (2001) ontwikkelde, naar aanleiding van zijn experimentele resultaten, een van de algemene praktijk afwijkende theorie om de spanningen in de wapening te bepalen.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
22 van 33
De maximale rek in de wapening (dwz de maximale trekspanning) is geconcentreerd in de band tussen twee naast elkaar staande palen. Het analytische model van Zaeske neemt aan dat de maximale spanning in het geotextiel plaats vindt in een deel van de wapening dat breedte bErs heeft. Zaeske’s theorie resulteert in de formules zoals gegeven in EBGEO, blz 20. Hiermee wordt de maximale verticale belasting Fk op het geogrid berekend. Verder geeft Zaeske de mogelijkheid om de ondersteuning van de ondergrond in rekening te brengen. EBGEO geeft zowel een formule voor een eenvoudig model van de slappe ondergrond, als voor een meerlagige ondergrond (blz 24, formules 6.9-11a en 6.9-11b). De rek in de wapening is afhankelijk van de trekstijfheid van het grid, de ondersteuning van de ondergrond, the totale verticale belasting Fk ebn de dimensies bErs en Lw (EBGEO blz 19 onderaan). Als al deze parameters bekend zijn, dan kan de rek worden afgelezen uit de grafieken op blz 22 en 23 van de EBGEO, waarna de trekspanning in het grid kan worden berekend mbv formule 6.9-10 van de EBGEO.
4.5
Het analytisch ontwerpen van de matraswapening (horizontale belasting)
Figuur 4.11
Trekspanning in geogrid-wapening ten gevolge van horizontale spreiding.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
23 van 33
Een aardebaan heeft de neiging om ‘uit te zakken’. Hij wil breder en minder hoog worden (laterale spreiding). Als er onderin de aardebaan een wapening zit, dan zal die wapening de laterale spreiding willen verhinderen. Hierdoor ontstaat er een horizontale (trek)spanning in de wapening. Vooral bij dikkere aardebanen kunnen de horizontale spanningen in de constructie aanzienlijk worden. De Britse norm BS8006 en de Duitse richtlijn EBGEO geven beide een rekenregel waarmee de resulterende trekspanning berekend moet worden. Bij heel dunne aardebanen kan de berekende trekkracht zoals hier bedoeld meevallen. Bij de dunste aardebaan op palen voor een spoorweg ter wereld, de spoorlijn tussen Berlijn en Hamburg, was de aardebaan zelfs zo dun, dat de horizontale spreidkrachten (spatkrachten) helemaal niet in rekening hoeften te worden gebracht (Raithel et al, 2004). Bij heel dikke aardebanen is de berekende trekkracht juist heel groot.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
24 van 33
5 Discussie ontwerpmethoden matrassen In de literatuur, onder specialisten en in diverse werkgroepen loopt nog een discussie over een hoe om te gaan met een aantal uitgangspunten en aannames, bij het ontwerp van paalmatrassystemen. We stippen de discussiepunten hier kort aan. In onderstaande tabel wordt aangegeven hoe de diverse rekenmethoden op dit moment omgaan met deze discussiepunten. Analytisch versus eindige elementen De analytische methoden werken allemaal sneller dan een ontwerp maken met behulp van eindige elementenmethoden. Daarom wordt in het algemeen begonnen met een globaal ontwerp maken met behulp van een analytische methoden, waarna het ontwerp wordt gecontrolleerd met eindige elementen berekeningen. De eindige elementen methoden hebben nog wel een aantal beperkingen waardoor er ‘truukjes’ moeten worden toegepast om de berekeningen te kunnen maken. Meestal zijn de eindige elementen berekeningen 2D (onveilig!), maar bijvoorbeeld Plaxis biedt ook wel 3D mogelijkheden. Een risico van eindige elementenberekeningen kan zijn dat de trekspanning in de wapening kan worden onderschat. In deze studie concentreren wij ons verder op de analytische rekenmethoden. De belasting op het geotextiel • boogwerking (verdeling verticale belasting in de aardebaan, de vorm van de boog). De verdeling van de verticale belasting in de aardebaan wordt in alle modellen gemodelleerd met boogwerking, en dus met een boog die een bepaalde vorm heeft. De wapening onderin de aardebaan moet de belasting dragen van het deel van de ophoging dat zich onder de boog bevindt. De diverse rekenmodellen hanteren verschillende vormen voor de boog van de boogwerking. Ze variëren van bijzonder eenvoudig (Bush-Jenner met een gelijkzijdige rechthoekige driekhoek) tot het multi-schalen model van de nieuwe Duitse school. Bij het ene model is de vorm van de boog geheel niet afhankelijk van de eigenschappen van het matrasmateriaal, bij het andere model is die afhankelijk er wel. De inwendige wrijvingshoek heeft in de formules (EBGEO) een grote invloed op het ontwerp terwijl sommige deskundigen de indruk hebben dat dit in de praktijk mee lijkt te vallen. Het aantal lagen geotextiel is van belang zodra er zich een laag granulair materiaal bevindt tussen de lagen. Er ontstaat dan een stijver matras. Dit is onderandere toegepast in het Spijkerbed (bijvoorbeeld bij Monnikendam). Sommige deskundigen vinden dat er alleen in zo een geval gerekend mag worden met boogwerking. Het enige rekenmodel dat speciaal hiervoor bedoeld is, is Bush-Jenner. Bij de nieuwe Duitse school hebben de dimensies van de aardebaan direct invloed op de boogvorm. Bij de andere modellen is dat niet zo. In alle modellen wordt de verticale belasting op de wapening via de membraamtheorie vertaald in een trekspanning in de wapening. Is deze formule voldoende betrouwbaar? •
De laterale belasting op het geotextiel De Britse en Duitse richtlijnen berekenen de laterale belasting op het geotextiel op een vergelijkbare manier, waarbij de spreidingskracht wordt berekend, uitgaande van een aangenomen actieve gronddruk. Deze rekenregels geven een hoge trekspanning in de wapening als de ophoging dik is. Sommige deskundigen hebben het gevoel dat deze trekspanning onevenredig hoog is.
•
asymmetrische belasting Geen van de rekenmethoden rekent met de gevolgen van asymmetrische belasting. Is dat terecht?
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
25 van 33
•
‘voelt’ het geotextiel de bovenbelasting (verkeer)? Veel rekenmethoden gaan ervan uit dat als de aardebaan dik genoeg is, de boogwerking zich volledig kan ontwikkelen. In dat geval ‘voelt’ de wapening onderin de aardebaan niet meer of er wel of geen bovenbelasting aanwezig is. De nieuwe Duitse school vindt dit niet realistisch en brengt de bovenbelasting ten allen tijde in rekening.
•
de invloed van het type geotextiel Er loopt een discussie over de invloed van de stijfheid van het geogrid, de invloed van de stijfheid van de knopen van het geogrid en de vorm van de ribben van het geogrid. Delft Cluster hoopt dat de rekenregels straks van toepassing kunnen zijn voor alle types geotextiel. Eventueel kunnen variaties in de rekenmethoden de variaties in de materialen ondervangen. Is dit haalbaar?
•
krachten/rekken in het geotextiel Uit proeven en eindige elementen berekeningen blijkt dat de rek in het geotextiel niet uniform wordt verdeeld. Rond de paalkoppen bevinden zich spannings- en reksprongen. Hoe kan hier het beste mee om worden gegaan?
•
Het uitvallen van palen: wat is het gevolg?
Geeft de ondergrond steun? De meeste ontwerpregels gaan uit van een ‘gat’ onder de wapening. Ze veronderstellen dat de ondergrond onder het matras zodanig zal zetten, door autonome zetting, kruip, grondwaterstandsverlagingen of andere invloeden, dat het contact tussen matras en slappe ondergrond verloren gaat. De nieuwe Duitse school neemt hier nadrukkelijk afstand van. Zij laten met meetresultaten zien dat de ondergrond juist een flink deel van de belasting meedraagt. Aan de andere kant zijn er ook wel eens holle ruimtes gezien onder de matrassen. Hoe kunnen we hier het beste mee om gaan? Als er tegendruk van de ondergrond in rekening wordt gebracht, dan wordt de trekspanning in de wapening aanzienlijk gereduceerd. Deze vraag geeft veel discussie in de literatuur (zie bijvoorbeeld Jones et al (1990), Tonks et al, 1998, Rogbeck et al (1998), Kempfert et al, 1999 en Horgan et al, 2002). Jones et al (1990) suggereerde al dat de gebruikelijke analytische modellen conservatief zijn omdat de tegendruk van de ondergrond niet wordt meegenomen. Dit wordt bevestigd door de metingen in het veld die worden gerapporteerd door Rogbeck et al (1998). Zij presenteerde meetresultaten waaruit bleken dat de belastingen op het geotextiel, en de rekken in het geotextiel, kleiner zijn dan de met de analytische modellen voorspelde waarden. Ook bij de Kyotoweg (Van Eekelen et al, 2006a) wordt een aanzienlijke bijdrage van de ondergrond gemeten. Tonks (1998) suggereert de korte-termijn bijdrage van de slappe ondergrond in rekening te brengen, maar voor de lange termijn toch rekening te houden met consolidatie en langetermijn-zettingen. In ieder geval zal de ondergrond beter kunnen bijdragen als er geen tot weinig werkvloer nodig is voor de installatie van de palen. Bij bijvoorbeeld de Kyotoweg worden houten palen geïnstalleerd. Deze palen kunnen met dermate licht materieel worden geïnstalleerd, dat er helemaal geen werkvloer nodig is (Van Eekelen et al, 2006a). Bij andere palen wordt voordat de palen worden geïnstalleerd eerst een meter of meer zand gestort, als werkvloer. Deze werkvloer zal zettingen in de slappe grond veroorzaken, zodat de tegendruk van de ondergrond minder zal worden, of, bij voldoende zettingen, zelfs geheel kan verdwijnen. De invloed van zo een werkvloer zal echter van locatie tot locatie verschillen. •
Hoe beinvloedt de ondergrond de rekken in het geotextiel?
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
26 van 33
Paalontwerp • Volgens NEN of grondverbetering? Het heeft nogal gevolgen of een paalmatrassysteem wordt gezien als een grondverbetering of als een constructie: de eisen voor de palen liggen dan heel anders. Commissie CUR C147 ‘paalmatrassystemen’ zal hierover eind 2006 uitspraak doen. •
Horizontale belasting (rand)palen De Britse en Duitse rekenregels gaan ervan uit dat de spreidingskrachten door trekkrachten in de wapening worden opgevangen. Uit eindige elementenberekeningen blijken echter (vooral de rand-)palen toch een forse horizontale component te kunnen krijgen. Vooral bij dikkere aardebanen is de horizontale belasting van de (rand-)palen significant.
•
Negatieve kleef of niet Zal de slappe ondergrond wel of niet zetten, moet negatieve kleef wel of niet in rekening worden gebracht?
Veiligheidsfilosofie te veilig? Bij het optellen van de verschillende veiligheidsfactoren die momenteel worden gebruikt door de diverse normen, blijken we te werken met een grote zekerheid. Is de veiligheidsfilosofie te veilig? Palen op stuik of (deels) kleef? Er is misschien een optimalisatie mogelijk door de palen op kleef te ontwerpen en er zo bewust naar te streven dat de slappe ondergrond mee gaat dragen. In Duitsland zijn hier al ervaringen mee opgedaan. De volgende tabel geeft een overzicht van (een deel van) de discussiepunten, en hoe de diverse rekenmodellen hiermee omgaan.
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
27 van 33
daartussen een laag granulair ophoogmateriaal?
Eén of meer lagen geokunststof-wapening met
Wordt bovenbelasting in rekening gebracht
Tegendruk door ondergrond?
paalmatras-constructie?
Vorm boog afhankelijk van dimensies
aardebaan?
Vorm boog afhankelijk van materiaal
Vorm boog
meetal niet, omdat de boog Piramide 45 o met
Bush, Jenner (Guido, CUR)
horizontaal
lager is dan de aardebaan dik Nee
Nee
Nee
is, zodat er volledige boogwerking wordt
Meer lagen
verondersteld Wel in extended Rogbeck (v. Piramide 70 o met
Zweedse school
horizontaal
Nee
Nee
Nee
Eekelen, 2001), als de aardebaan zo dun is dat de
Eén
boogwerking niet volledig is Volledige 3D piramide met hoek
Svanø
β met de horizontaal
Nee, maar kan in β beetje worden
Ja, als de aardebaan zo dun is Nee
Nee
dat de boogwerking niet
meege-
Eén
volledig is
nomen
Nvt; aanname wapening neemt hangmatvorm aan McKelvey
en daarboven bestaat een ‘plane
Ja (c en ϕ)
Nvt
Nee
Ja
Nee
H < 1,4(s-a) Te vaak niet, en
Eén
of equal settlement’
BS 8006
Semi-bolvormig
De ‘oude Duitse school’
Boog-vormige bol
nee
ja
Nee, wel paaltype
ja, bij dikte aardebaan Eén
inconsequent.
Ja, van
Ja, via
H/(s-a)
cu
Ja, als de aardebaan zo dun is dat de boogwerking niet
Eén
volledig is Advies is één, meer
Ja, sterk De ‘nieuwe Duitse school’, EBGEO
Veel-schalen
geba-seerd
model
op experimenten
Ja, rekJa
dan één
afhan-
Ja, altijd
kelijk
is wel mogelijk en soms noodzakelijk
Tabel 5.1
Hoe gaan rekenmethoden om met een aantal discussiepunten?
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
28 van 33
6 Vervolgonderzoek DC-BVW Suggesties voor vervolgonderzoek, voortkomend uit literatuuronderzoek of interviews voor dit rapport: Discussiepunten Nadere beschouwing discussiepunten die in het vorige hoofdstuk worden beschreven Meten Nadere validatie van ontwerpmethoden door metingen aan proefvakken en verdere onderbouwing van de veiligheidsfilosofie tot Nederlandse Ontwerprichtlijn (Veiligheidsfilosofie is te veilig som van de veiligheidsfactoren 2,87) Langeduur metingen Nauwkeuriger voorspellen van gedrag door meten. Niet nauwkeuriger voorspellen van gedrag door labonderzoek. Experimenteel onderzoek geotextielen Nader onderzoek met meerdere typen geotextiel Triaxiaal onderzoek met en zonder geotextiel of 3D modelonderzoek Proefopstelling van palen met geogrids in de brutusbak Constuctie Wat is de invloed van het aantal lagen in een matras op de eigenschappen van het matras o BS gaat uit van 1 laag o EBGEO gaat uit van 2 lagen o In de praktijk worden vaak 3 lagen toegepast Berekeningen Betere mogelijkheden om te modelleren met Plaxis, zonder zo veel truukjes toe te hoeven passen Er is behoefte aan een ontwerptool die sneller is. Ofwel een betrouwbare analytische methode. Gedacht wordt aan een ontwerptool met een massa-veersysteem
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
29 van 33
7 Referenties Regelgeving/normen/handleidingen: CUR rapport 2002-7 Gewapende granulaatmatras op palen, Toepassing, ontwerp- en uitvoeringsaspecten ISBN 90 3760 262 2 CUR rapport 175 Geokunststoffen in de wegenbouw en als grondwapening, ISBN 90 376 0046 8 EBGEO: Entwurf der Empfehlung “Bewehrte Erdkörper auf punkt- oder linienförmigen Traggliedern”, juli 2004, Entwurf EBGEO Kapitel 6.9. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT). Fachsektion “Kunststoffe in der Geotechnik” Arbeitskreis AK 5.2 “Berechnung und Dimensionierung von Erdkörpern mit Bewhrungen aus Geokunststoffen”. Het ontwerpen van stalen bruggen, basiseisen en eenvoudige rekenregels (VOSB 1995) (NEN 6788) British Standard, BS 8006 (1995) Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills. BSi. Handleiding Wegenbouw – Ontwerp Onderbouw, Product-methodebladen, versie 2.0, ISBN 90369-5567-X, DWW-2004-067, eerste druk, versie 2.0, oktober 2004 Handleiding constructief ontwerpen Leidraad
Andere publicaties: Alexiew, Dimiter [2004], Piled embankments for railroads: short overview of methods and significant case studies, Proceedings of the International Seminar on Geotechnics in Pavement and Railway Design and Construction, Gomes Correia & Loizos (eds), 2004 Millpress, Rotterdam, ISBN 90 5966 038 2, pp 181-192 American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) en United States Department of Transportation Federal Highway Administration (FHWA) [2002], 2002 Scanning Project, Innovative Technology for Accelerated Construction Of Bridge and Embankment Foundations, Preliminary Summary Report. Bush, D.I., Tensar geogrid reinforced load trasnfer platform over piled foundations, Netlon/ Tensar Limited intern report, 1991 (geciteerd in CUR 2002-7) Carlsson, B. [1987] Reinforced soil, principles for calculation, Terratema AB, Linköping (in Swedish) Cortlever, I.N.G. en Gutter, H.H. [2002], Design of Double Track Railway Bidor-Rawang on AuGeo Piling System according to BS8006 and PLAXIS numerical Analysis, available at url: http://www.cofra.com/papers/KL2002Augeo.pdf (accessed Jan 2004). Eekelen, S.J.M. van; Bezuijen, A.; Oung, O. [2003]; Boogwerking in aardebanen op palen: experimenteel onderzoek, Civiele Techniek, 58 (2003) 3, pp. 16-20
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
30 van 33
Eekelen, S.J.M. van; Bezuijen, A.; Oung, O. [2003]; Arching in piled embankments; experiments and design calculations, Proceedings BGA Internatioal Conference on Foundations, Dundee, September 2003 London, Telford, 2003, pp. 885-894 Eekelen, S.J.M. … [2006], artikel over Kyotoweg in wegbouwkundige dagen proceedings, Doorwerth, juni 2006. Eekelen, S.J.M. … [2006], artikel in CT Civiele techniek over Kyotoweg Gangakhedkar, Rutugandha, [2004], Geosynthetic Reinforced Pile Supported Embankments, Masters Thesis of the University of Florida, University of Florida Guido, V.A., Knueppel, J.D. and Sweeny, M.A., [1987] Plate Loading Tests on GeogridReinforced Earth Slabs, Geosynthetics 1987 Conference, Volume 1, New Orleans, USA Han, J., M.ASCE, en Gabr, M.A., M.ASCE, Numerical Analysis of Geosynthetic-Reinforced and Pile-Supported Earth Platforms over Soft Soil, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol 128, No. 1, January 1, 2002, pp. 44 - ? Hewlet, W.J., Randolph, M.F. Aust, M.I.E [1988] Analysis of piled embankments, Ground Engineering, April 1988, Volume 22, Nuber 3, 12-18 Horgan, G.J., Sarsby, R.W., The arching effect of soils over voids and piles incorporating th geosynthetic reinforcement, Geosynthetics – 7 ICG – Delmas, Gourc & Girard (eds) © 2002 Swets & Zeitlinger, Lisse ISBN 90 5809 523 1, pp. 373-378 Kempton, G. Russell, D., Pierpoint, N.D. and Jones, C.J.F.P. [1998], two- and ThreeDimensional Numerical Analysis of the Performance of Piled Embankment, Proceedings of the th 6 International Conference on Geosynthetics, Atlanta, available at url: http://www.maccaferrinorthamerical.com/downloads/vies.php?file=25 (accessed March 2004). Kempfert, H.G, Göbel, C., Alexiew, D., Heitz, C. German recommendations for reinforced embankments on pile-similar elements, proc. EurGeo 3, Munich, pp. 279-284 Kempfert, H.G., Stadel, M., Zaeske, D. [1997], Berechnung von geokunststoffbewehrten Tragschichten über Pfahlelementen, Bautecnik, Vol. 74, Heft 12, pp 818-825 Kempfert, H.G, Zaeske, D. en Alexiew, D. [1999], Interactions in reinforced bearing lyers over th partial supported underground, Proc. 12 ICSMGE, Amsterdam, Neterhlands, Rotterdam, Balkema, Vol 3, pp 1527-1532 Kempfert, H.G., Göbel, C., Alexiew, D., Heitz, C. [2004], German recommendation for reinforced embankments on pile-similar elements, Proc. EuroGeo 3, Munich, pp. 279-284 McKelvey, James A. [1994] The Anatomy of Soil Arching, Geotextiles and Geomembranes 13 (1994) 317-329 Raithel, M., Schwarz, W., Stadel, M., (2004), Gründlung einer Bahnstrecke af organischen Böden met Tragsäulen im Mixed-In_Place_verfahren (MIP) und einem geokunststoffbewehrten Tragsystem, Bauingenieur, Vol 79, September 2004, pp.. 386-390 Rogbeck, Y., Gustavsson, S., Södergren, I. Lindquist, D. [1998] Reinforced Piled Embankments in Sweden – Design, Aspects Proceedings of the Sixth International Conference on Geosynthetics 755-762 Svanø, G., Ilstad, T., Eiksund, G., Want, A., [2000] Alternative calculation principle for design of piled embankmetns with base reinforcement, Proceedings of the 4.th GIGS in Helsinki
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
31 van 33
Terzaghi, K. (1943) Theoretical Soil Mechanics, John Wiley & Sons, New York, USA, p. 66 Tonks, D., Hillier, R., [1998], Assessmen revisited. Further discussion on “An assessment of design methods for piled embankments”by D Russell and ND Pierpoint, Ground Engineering November 1997. Ground Engineering, June pp. 46-50 Wood, H., Horgan, G., Pedley, M. [2003], A63 Selby bypass – design and construction fo a 1.6 km geosynthetic reinforced piled embankment. Proc. EuroGeo 3, pp. 299-304 Zaeske, D. [2001], Zur Wirkungsweise von unbewehrten und bewehrten mineralischen Tragschichten über Pfahlartigen Gründungselementen. Zchriftenreihe Geotechnik, Uni Kassel, Heft 10, Februar 2001 Persoonlijke gesprekken Brok, C. (Huesker), 2006
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
32 van 33
Comment [PAS OP!!!1]: Verwijder dit sectie-einde niet!!!
Rapportnummer
Datum
Pagina
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
33 van 33
Bijlage 1 Interviews Inventarisatie ontwerpproces en hiaten Almer van der Stoel CRUX engineering 29 mei 2006 Ervaring met paalmatrassytemen CRUX CRUX is commercieel verbonden aan HSP (Voorbij), maar heeft ook kennis van AuGeo (Cofra) o HSP in combinatie met Voorbij Funderingstechniek (CRUX is huisadviseur). Gezamenlijk hebben ze aardig wat meetdata met betrekking tot proeven op de palen. Dit is in principe intern en vertrouwelijk. CRUX ontwerpt voor aannemers bijvoorbeeld: o Trambaan Barendrecht: Frits van Tol weet hier meer details van. o Almere Bastions (geluidswal) (Tensar) o Almere omgevingsbeinvloeding (vertrouwelijk) (geluidswal in complexe omgeving) • Cofra heeft in Maleisie kilometers wegen op palen gemaakt en daarmee veel ervaring opgedaan. De unieke ervaring van CRUX heeft betrekking op het ontwerpen van matrassen op slanke palen. Deze ervaring wordt veel gebruikt door aannemers. Aannemers komen regelmatig langs om het ontwerp door CRUX te laten maken. CRUX weet snel welk type palen met welk stramien het beste alternatief is. CRUX heeft geen probleem met het delen van deze kennis, mits het niet gebruikt wordt door de concurtentie. Ontwerpervaringen CRUX en hiaten in ontwerp Uitgangspunt zijn palen op stuik. Op kleef gefundeerde palen zoals het Spijkerbed zijn geen optie meer. Deze zijn te duurder dan HSP- of AuGeo plaen en hebben daarom geen toekomst. CRUX krijgt een indruk met een analystisch model (maken van een afweging in vroege fase). Het ontwerp wordt gecontroleerd in PLAXIS Een ontwerponzekerheid in PLAXIS zijn de grondeigenschappen tussen de palen Als analystisch model worden BS/DN/Jenner gebruikt DN wordt als meest betrouwbaar ervaren De ervaring leert dat de gemeten krachten in het geotextiel vaak lager zijn dan berekend. Dit pleit voor de DN die gebruik maakt van een dragende ondergrond Palen worden gedimensioneerd op basis van NEN, maar niet getoetst aan het 1B criterium (BGT) Men bekijkt de horizontale paalbelasting met behulp van Msheet Overgangsconstructies met palen van verschillende lengte (op kleef geheid) brengen risico’s met zich mee. Bijvoorbeeld het aantreffen van tussenzandlagen. Deze optie wordt weinig kansrijk geacht. Voor een goed ontwerp vereist CRUX een goed dicht grid met sonderingen, een boring met classificatieproeven en een triaxiaalproef om stijfheidsparameters te bepalen Vervolgonderzoek Wat ontbreekt is een Nederlandse Ontwerprichtlijn Wat is de invloed van het aantal lagen in een matras op de eigenschappen van het matras o BS gaat uit van 1 laag o DN gaat uit van 2 lagen o In de praktijd worden vaak 3 lagen toegepast Onderzoek naar invloed van ondergrond op rekken in het geotextiel Onderzoek naar invloed van kruip van ondergrond Onderzoek naar de invloed van holle ruimtes onder het geotextiel Onderzoek naar de invloed van de hoek van inwendige vrijving van het matrasmateriaal. Deze heeft in de forumules (DN) een extreem grote invloed op het ontwerp terwijl dit in de praktijk enigsinds mee lijkt te vallen Beter modelleren in Plaxis, zonder zo veel truukjes toe te hoeven passen
Rapportnummer
Datum
Bijlage(n)
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1
Veiligheidsfilosofie is te veilig (som van de veiligheidsfactoren 2,87) Tevens is het mogelijk om in samenwerking met de KMA onderzoek naar “load transfer platforms” te verrichten.
Afspraken Commentaar op onderzoeksvoorstel Uitnodigen voor DC-bijeenkomst 21 september Hou elkaar op de hoogte (AMGISS, KMA) o Mbt EEM: Daan Vink Eventueel na de bouwvakvakantie kijken in Almere
Rapportnummer
Datum
Bijlage(n)
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1
Inventarisatie ontwerpproces en hiaten Piet van Duijnen, Movares 29 mei 2006 Ervaring met paalmatrassytemen Movares Vooral toetsen van ontwerpen van paalmatrassystemen R & D traject naar paalmatrassystemen in 3D eindige elementen Vergelijken van meetdata met PLAXIS Ervaring in de CUR Back analysis van project in Ierland HSL bij Westrik (?): paal matras over vuilstort. Publicatie is in de maak door Constance (?) (van Huesker of Tensar?) In het verleden heeft Movares zettingsmetingen van Constant Brok ontvangen van de HSL-Zuid en deze getoetst aan PLAXIS (vertrouwelijk). Ontwerpervaringen Movares en hiaten in ontwerp Gebruik vooral PLAXIS (SSC) (axiaal-symetrisch, 2D, 3D), toetsen volgens de CUR. Ziet grote spanningssprongen ter plaatse van de aansluiting van de drukboog op de paal als onzekerheid Kent 4 handmethoden. Terzaghi redelijke benadering maar hoe bepaal je de fictieve cohesie? De phi is van grote invloed op de resultaten van de DN en BS. Uit metingen volgt dat deze invloed kleiner is. In PLAXIS is de invloed van phi lastig aan te tonen, de invloed is in ieder geval kleiner dan met de analytische methodes. DN betrouwbaarder dan BS want DN maakt gebruik van draagvermogen ondergrond. e Uit PLAXIS-berekeningen (inclusief 2 orde effect) en metingen blijken lage rekken in het geotextiel, dit komt overeen met de DN Dragen van de ondergrond (of het voorkomen van een holle ruimte) minder belangrijk voor het ontwerp want: o Het doel is niet het creeren van een hangmat principe o Het geotextiel dient voor het in stand houden van de boogwerking Echter, er mogen geen holle ruimte onder het geotextiel ontstaan. Mening is dat een zeer kleine vertikale kracht nodig (en aanwezig) is om de drukboog in stand te houden. Hierin speel het geotextiel ook een belangrijke rol. Juist de mate van boogwerking en dilatantie zijn van grote invloed op het ontwerp Voor een goed ontwerp heb je phi, psi en c van het matrasmateriaal nodig. En een stijfheid van de ondergrond uit een samendrukkingsproef. Nut van triaxiaalproeven beperkt omdat er een ongedraineerde stijfheid uit komt en c en phi van de ondergrond van ondergeschikt belang zijn. Eventueel interessant zouden zijn informatie over de autonome zetting van het maaiveld en de verhouding tussen de horzontale en verticale stijfheid. Vervolgonderzoek Er is behoefte aan een ontwerptool die sneller is. Ofwel een betrouwbare analytische methode. Gedacht wordt aan een massa-veersysteem Zet paalbelasting, vervorming en kracht in geotextiel uit tegen paalafstand, laagdikte en aantal geotextielen Nauwkeuriger voorspellen van gedrag door meten. Niet nauwkeuriger voorspellen van gedrag door labonderzoek. Onderzoek naar belasting van geotextiel (hier kan op bespaard worden) Onderzoek naar geschikte veiligheidsfilosofie Onderzoek naar asymetrische belasting Bijvoorbeeld triaxiaal onderzoek met en zonder geotextiel of 3D modelonderzoek Bijvoorbeeld proefopstelling van palen met geogrids in de brutusbak Afspraken Commentaar op onderzoeksvoorstel
Rapportnummer
Datum
Bijlage(n)
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1
Uitnodigen voor DC-bijeenkomst 21 september
Rapportnummer
Datum
Bijlage(n)
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1
Rapportnummer
Datum
Bijlage(n)
CO-418350/00016 v01 Concept
november 2006
1
