L. Golovanova MSc Senior Adviseur Geotechniek - WATERNET
Samenvatting In opdracht van het Hoogheemraadschap Amstel, Gooi en Vecht (AGV) is Waternet bezig om de kades in het beheergebied voor 2012 te toetsen en voor 2015 te versterken. Onderdeel van de toetsing is het uitvoeren van stabiliteitsberekeningen, waarin de sterkteparameters een belangrijke rol spelen. De tot voor kort gehanteerde sterkteparameters zijn bepaald middels celproeven en voldoen niet aan de huidige veiligheidsfilosofie. Waternet stelt daarom een nieuwe, op triaxiaalproeven gebaseerde, proevenverzameling op. In dit artikel worden de tussentijdse resultaten van de triaxiaalproeven en de problemen, die zich bij het uitvoeren van de proeven voordeden, beschreven.
Figuur 1 AGV-gebied.
Regionale proevenverzameling
Sterkteparameters voor boezemkeringen Inleiding Waternet onderhoudt en beheert namens het Hoogheemraadschap Amstel, Gooi en Vecht (AGV) de waterkeringen binnen het beheergebied (figuur 1). Een belangrijk deel bestaat uit (tussen)boezemwaterkeringen, met een lengte van in totaal 826 km, die de lager gelegen poldergebieden beschermen tegen het water uit de boezem. In het AGV gebied komen zowel kunst-
matige dijken voor, die in de loop der jaren zijn opgehoogd met verschillende materialen (van klei tot puin en huisvuil), als natuurlijke dijken die bestaan uit oorspronkelijk materiaal. De meeste natuurlijke dijken zijn veendijken (ca. 70 km). Al een aantal jaren is er discussie over welk type proeven het beste inzicht geeft in de ‘sterkte’ van de grond. De triaxiaalproef naast de Direct
Rekenwaarden schuifspanning onder de dijk
Simple Shear test (internationaal) is de meest toepasbare proef voor de bepaling van de schuifsterkte. De tot voor kort gehanteerde sterkteparameters voor de stabiliteitsbeoordeling zijn afkomstig uit een spanningsafhankelijke proevenverzameling binnen het AGV-gebied (figuur 2 en figuur 3). Deze werd in 2001 door GeoDelft opgesteld [1].
Rekenwaarden schuifspanning naast de dijk
50
45
Schuifspanning [kN/m2]
Schuifspanning [kN/m2]
40 40
30
20
10
35 30 25 20 15 10 5
0
0 0
20
40
60
80
100
120
140
0
20
Effectieve spanning [kN/m2] Calais licht (6)
Tiel< 14,6 (30)
Tiel>17,2 (11)
Duinkerken (5)
Tiel 14,6
Hollandveen (51)
GEOtechniek – oktober 2009
60
80
100
120
140
Effectieve spanning [kN/m2] Calais zwaar (22)
Figuur 2 Rekenwaarde schuifspanning onder de dijk bepaald met celproeven.De getallen achter de geologische benaming geven aan hoeveel celproeven er per afzetting uitgevoerd zijn. Het sterktegedrag van de meeste grondsoorten is niet te onderscheiden.
42
40
Calais licht (24)
Tiel< 14,6 (23)
Tiel>17,2 (16)
Duinkerken (11)
Tiel 14,6
Hollandveen (125)
Calais zwaar (22)
Figuur 3 Rekenwaarde schuifspanning naast de dijk bepaald met celproeven.De getallen achter de geologische benaming geven aan hoeveel celproeven er per afzetting uitgevoerd zijn. Het sterktegedrag van de meeste grondsoorten is niet te onderscheiden.
250
35
70 60
t [kPa]
50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
s’ [kPa]
Figuur 4 Mohrcirkels bij 2% rek van proefstuk ‘Klei, matig siltig’ en raaklijn c' = 3,8 kPa, ϕ' = 28,9 o
200 25
175 150
20 125 15
100 75
10
50 5 25 0
0 11,0
Figuur 5 Resultaten van triaxiale proeven en trendlijnen afhankelijk van volumegewicht (voor klei).
De wrijving- en sterkteparameters zijn in de jaren zeventig, tachtig en negentig door het Centrum Onderzoek Waterkeringen (COW) bepaald middels celproeven. Aangezien de celproef al meer dan 10 jaar niet meer wordt uitgevoerd en is vervangen door de triaxiaalproef, is de celproevenverzameling niet meer uit te breiden. De huidige veiligheidsfilosofie bij stabiliteitsberekeningen ten behoeve van toetsing en versterking van de keringen is gebaseerd op multistage triaxiaalproeven. De Leidraad Rivieren [13], het Addendum bij het TRWG [12] en ‘Materiaalfactoren boezemkeringen’ [14] erkennen alleen materiaalfactoren voor deze proef. Daarom is het besluit genomen om voor het AGV-gebied geleidelijk de overstap te maken naar een nieuwe verzameling, gebaseerd op triaxiaalproeven. Tijdens het overstappen zijn al lang bekende problemen geconstateerd met triaxiaalproeven op veen.
De nieuwe proevenverzameling Voor de nieuwe verzameling zijn tot nu toe 71 triaxiaalproeven op veen en 127 triaxiaalproeven voor klei uitgevoerd. De monsters zijn genomen met ackermannboringen. De triaxiaalproeven zijn uitgevoerd op ongeroerde monsters met een hoogte van 76 mm en doorsnede van 38 mm. De sterkteparameters zijn met de multistage CU triaxiaalproeven voor klei en veen bepaald. Op veen zijn tevens de singlestage proeven uitgevoerd. De sterkte is bij 2% rek geanalyseerd zowel voor klei als voor veen (de 5% rek bij multistage proeven op veen was in weinig gevallen te bereiken). Het laagste spannings-
watergehalte [%]
Cohesie [kPa], hoek van inwendige wrijving
225 30
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
18,0
19,0
20,0
Volume gewicht [kN/m3] C‘ 2% [kPa]
Phi‘ 2% [kPa]
niveau bij de proeven is op ca. 1 à 1,5 maal de grensspanning aangenomen. De proeven zijn volgens de Leidraad voor het Ontwerp van Rivierdijken [5], uitgaande van een normale kansverdeling (Gausse), statistisch verwerkt. Bij de bepaling van de karakteristieke waarden (5% ondergrenswaarden) is de spreidingsreductiefactor (Γ) voor de regionale verzamelingen van 0,5 verwerkt [9,10].
watergehalte[kN/m3]
Range [kN/m3]
11,7 13,5
13,5 15,0
15,0 17,0
Aantal proeven
24
18
35
γgem . [kN/m3]
12,5
14,3
16,1
c'gem. [kPa]
5,8
6,2
5,3
s (cohesie)
1,8
1,9
1,8
c' kar [kPa]
4,1
4,4
3,7
17,5
20,9
24,2
2,7
2,9
2,7
15,1
18,1
21,7
97
65
Klei
ϕ'gem
In eerste instantie is voor klei zowel een spanningsafhankelijke als een lineaire benadering (rechtlijnfunctie τ'-σ' wet van Coulomb) gehanteerd. Uit de analyse van de resultaten van de beide benaderingen is gebleken dat het verschil tussen deze twee benaderingen nauwelijks waarneembaar is. Dit is te verwachten aangezien een raaklijn langs de drie cirkels (effectieve spanning) goed te bepalen is (figuur 4). In het onderhavige artikel is alleen de lineaire benadering uitgewerkt. Op basis van alle uitgevoerde proeven is geprobeerd de relatie tussen het volumegewicht en de eigenschappen van klei vast te leggen (figuur 5). In deze grafiek zijn duidelijke verbanden te zien tussen de volumieke massa, de hoek van de inwendige wrijving en het watergehalte. Het verband tussen de cohesie en het volumegewicht is moeilijker waar te nemen. De cohesie is meer afhankelijk van de samenstelling van het beproefde monster. Bijvoorbeeld bij het volumegewicht tussen 12 en 13 kN/m3 ligt cohesie van monsters met houtresten en plantenresten boven het gemiddelde en van humeus en/of veenhoudende monsters – onder het gemiddelde.
s (ϕ')
. [o]
ϕ' kar [o] watergehalte [%]
166
ϕ = volume gewicht; c = cohesie; s = standaard afwijking; ϕ = hoek van inwendige wrijving Tabel 1 Gemiddelde en karakteristieke waarde afhankelijk van volumegewicht (voor klei).
Op basis van de proevenverzameling wordt de rekenwaarde van de parameters vastgelegd voor de volgende ranges van de volumegwicht: 11,7 13,5 kN/m3; 13,5 - 15,0 kN/m3; 15,0 - 17,0 kN/m3 en > 17,0 kN/m3. Deze indeling is indicatief voor de samenstelling (verhouding tussen zandgehalte, organischstofgehalte en siltgehalte) van de klei (tabel 1). In figuur 6 is het verband tussen het volumegewicht en de eigenschappen van de klei samengevat. De c- en tan ϕ-waarden zijn afzonderlijk statistisch behandeld. Op basis van de uitgevoerde proeven kan wel
GEOtechniek – oktober 2009
43
Figuur 6 Gemiddelde en karakteristieke (5% ondergrens waarden) waarde afhankelijk van volumegewicht (voor klei).
180
30
160 140
20
120 100
15 80 60
10
watergehalte [%]
Cohesie [kPa], hoek van in wendige wrijving
25
40 5 20
Figuur 7 Veen (mineraalarm), plantenresten (zegge/riet)
0
0 0
10
20
30
40
50
60
70
Volume gewicht [kN/m3] gem cohesie [kPa] kar cohesie [kPa]
gem hoek van inwrijving karhoek van inwrijving
geconcludeerd worden dat een relatie tussen het volumegewicht en de eigenschappen van klei goed zichtbaar is (tabel 1 en figuur 6). Uit de resultaten (standaard afwijking) blijkt dat multistage triaxiaalproeven (CU) een statistisch onderbouwd theoretisch betrouwbare beschrijving van kleigedrag geven. De modelberekening (MStab) met deze parameters lijkt op werkelijkheid in situ die onder andere is gebaseerd op de lange historie van de dijken en de oude Keuren uit het gebied. De nieuwe proevenverzameling is op een beperkt aantal triaxiaalproeven gebaseerd en bevindt zich nog in de ontwikkelingsfase. De verzameling wordt nog aangevuld met nieuwe resultaten.
Veen Veen is organische stof met water, bestaande uit onder andere vezels (figuur 6). Voor de proevenverzameling voor veen is getracht verbanden te
gem watergehalte [%]
Foto Wiertsema & Partners
vinden tussen de elementaire parameters (volumegewicht, watergehalte) en visueel bepaalde classificatieparameters (hoofdbenaming, botanische samenstelling [8]) enerzijds, en de sterkteparameters anderzijds (zie ook [2]). De sterkte van het veen is grotendeels afhankelijk van het watergehalte en van de vezelsamenstelling (de onstaansgeschiedenis) van het veen. De sterkte, grofheid en ruimtelijke oriëntatie van de vezels spelen een belangrijke rol. De verweringsgraad van de vezels is ook van belang. In deze fase van de proevenverzameling zijn deze belangrijke aspecten buiten beschouwing gelaten. Reden hiervoor is de afwezigheid van foto's van het monstermateriaal en de summiere beschrijvingen (slechts voor 9 grondmonsters is uitgebreide analyse volgens [8] uitgevoerd en zijn foto's genomen). Uit de huidige verzameling op basis van een botanische samenstelling en/of de wordingsgeschiedenis van het veen kan vanwege het geringe aantal grondmonsters nog geen conclusie
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
De huidige studie is nog een grove algemene benadering. Tot nu toe zijn 55 multistage en 16 singlestage triaxiaalproeven op veen uitgevoerd die in de verzameling gebruikt kunnen worden. In eerste instantie is geprobeerd een trend te vinden op basis van een lineaire benadering om met de proevenverzameling op klei in één lijn te blijven (figuur 8, figuur 10). Het veen laat bij een lineaire benadering in vergelijking met klei (figuur 5) over het algemeen geen functionele trend zien, die zowel afhankelijk is van de volumieke massa als van het watergehalte. De verzameling met de lineaire benadering is
45
Schuifspannoing [kPa]
40 35 30 25 20 15 10 5 0
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
0
10
taugem
Figuur 8 Resultaten van triaxiale proeven afhankelijk van volumegewicht (voor veen) alle monsters.
GEOtechniek – oktober 2009
20
30
40
50
60
70
80
Effectieve normaalspanning [kPa]
Volume gewicht [kN/m3]
44
worden getrokken. Het watergehalte van het veen kan variëren van 200 % tot 1000 % van het droge–stofgehalte, uitgedrukt in massa/massa percentages. Door het gewicht van de dijk verschilt de consolidatiegraad van de veenlaag ‘onder’ en ‘naast’ de dijk.
taugem, kar
Figuur 9 Spanningsafhankelijke relatie tussen schuifspanning en effectieve normaalspanning van alle multistage triaxiaalproeven voor veen.
Sterkteparameters voor boezemkeringen
Cohesie [kPa], Hoek van inwendige wrijving [o]
24 22
12,5
20 18
12,0
16 14
11,5
12
11,0
10 8 6 4
10,5 10,0
ϕ' [o]
c' [kPa] AGV NEN verzameling 6740
AGV verz.
Xgem
7,7
15,7
Xgem, kar
3,5
standaard afwijking (s)
5,5
13,0
volume gewicht [kN/m3]
Figuur 10 Resultaten van triaxialeproeven afhankelijk van het watergehalte voor alle veenmonsters.
1-5
NEN 6740
11,1
15
5,2
variatie coëfficiënten (V) 0,6
0,20
0,33
0,10
9,5
2 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
Tabel 2 Resultaten statistische bewerking (normaal kansverdeling) multistage proeven voor alle veenmonsters.
9,0 900 1000
Waterspanning [%] C‘ 2% [kPa]
Phi‘ 2% [kPa]
volumegewicht [kN/m3]
c' [kPa] 7,1
20
Xgem, kar
4,2
8
18
standaard afwijking (s) van getransformeerde parameter log(c)
0,3
standaard afwijking (s) van cohesie
1,8
variatiecoëfficiënten (V) van coheise
0,25
16
7 Cohesie [kPa]
Xgem 9
14
6
12
5
10 4
8
3
6
2
4
1
hoek van inwendige wrijving
Figuur 11 Gemiddelde karakteristieke waarden van cohesie en hoek van inwendige wrijving (veen) als functie van de effectieve normaalspanning. Uit de lijn van gemiddelde karakteristieke waarden (figuur 9) zijn gemiddelde karakteristieke waarden van cohesie en hoek van inwendige wrijving voor elke spanningsniveau afgeleid.
Tabel 3 Resultaten statistische bewerking (lognormaal kansverdeling) multistage proeven voor alle veenmonsters.
2
0
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
c' [kPa] AGV NEN verzameling 6740
Effectieve normaalspanning [kPa] cohesie (gem, kar) [kPa]
hoek van inwendige wrijving (gem. kar)
ϕ' [o] AGV verz.
NEN 6740
Xgem, kar tot 40 kPa echter statistisch verwerkt (tabel 2) om met de waarden uit tabel 1 van de NEN 6740 [6] te vergelijken. De sterkteparameters, afkomstig uit proevenverzameling, zijn vergelijkbaar met de parameters uit de NEN 6740. De verzameling toont ten opzichte van de NEN een gemiddelde c' en een lagere ϕ'. De hoge standaardafwijking geeft aan dat lineaire benadering in dit geval niet betrouwbaar is. Dit wordt mede veroorzaakt door de heterogeniteit van het veen. Voor de cohesie is tevens een lognormale kansverdeling beschouwd (tabel 3). Op dit moment waren de resultaten hiervan nog onvoldoende betrouwbaar om mee te gaan rekenen. In de tweede instantie is de proevenverzameling op veen gebaseerd op het spanningsafhankelijke gedrag. Het wapeningseffect van de vezels heeft tot gevolg dat bij lage spanningen een grote effectieve hoek van inwendige wrijving wordt gevonden. Deze neemt af naarmate de spanning toeneemt (de toename van de schuif-
sterkte neemt af bij toename van de effectieve spanning). Dit effect komt zowel in extreme vorm als in minder extreme vorm voor. Deze methode geeft een beter inzicht in het gedrag van veen. De relatie tussen schuifspanning en effectieve spanning (zie figuur 9) is verder statistisch verwerkt. Zoals verwacht is een grote spreiding bij triaxiaalproeven aanwezig (standaard afwijking van (τ -σ ') varieert van 4,43 tot 5,84 erg grote bandbreedte). De cgem, kar en ϕgem, kar zijn afgeleid uit grafiek ( τ - σ ') gem, kar (figuur 10; tabel 4). Bij lage spanningen toont de spanningsafhankelijke benadering ten opzichte van de NEN een gemiddelde c' en een hogere ϕ'. Bij lagere spanningen is cohesie aanzienlijk hoger en is de hoek van inwendige wrijving lager in vergelijking met de NEN-waarden. Zoals verwacht zijn de cohesie en de hoek van de inwendige wrijving sterk afhankelijk van de effectieve spanning. De relatie (figuur 11) tussen de effectieve normaalspan-
2,1
1 - 2,5
17,5
15
5,6
2,5 - 5
12,5
15
Xgem, kar na 40 kpa
Tot 40 kPa - gemiddelde karakteristieke waarde van c' en ϕ' bij effectieve normaalspanning tot 40 kPa. Na 40 kPa - gemiddelde karakteristieke waarde van c' en ϕ' bij effectieve normaalspanning na 40 kPa. Voor de verdeling van de effectieve normaalspanning voor NEN 6740 is aanname gedaan, Tabel 4 Indicatie c' en ϕ' bij spanningsafhankelijke benadering.
watergehalte
tot 250 %
standaard afwijking (s)
2,5
aantal proeven
7
250 600 %
600 1000 %
5 34
3,5 11
Tabel 5 Indeling op basis van watergehalte.
GEOtechniek – oktober 2009
45
ning en cgem, kar; ϕgem, kar laat zien hoe belangrijk de spanningsafhankelijke benadering voor veen is. Vanwege de grote bandbreedte is het echter nog te vroeg de proevenverzameling voor veen alleen op spanningsafhankelijk gedrag van veen te baseren.
proeven laten kleinere spreiding zien. Omdat de proeven van één locatie afkomstig zijn, kunnen ze niet als representatief voor het gehele gebied beschouwd worden. Op een tweede locatie zijn pogingen om drie gelijkwaardige monsters uit een bus te krijgen mislukt. Op basis van deze proeven kan daarom nog geen uitspraak gedaan worden of singlestage proeven geschikter zijn voor veen. Voor de singlestage proef zijn drie identieke veenmonsters nodig. Deze monsters kunnen worden verkregen uit een boring met een grote diameter. Voor de uitvoering van deze boring is zwaar materiaal nodig, dat niet altijd makkelijk is toe te passen bij groene dijken of bij dijken met smalle wegen op de kruin. Als alternatief kan een boring met een standaard diameter worden toegepast en kunnen monsters in opvolgende diepte worden genomen. Hier komt echter een ander probleem naar voren. Gezien de opbouwgeschiedenis van veen is het moeilijk drie identieke monsters te kiezen. Nog één ander, duurder alternatief is het uitvoeren van drie boringen naast elkaar.
In de derde instantie is er getracht een verband te leggen tussen het watergehalte en de sterkteparameters (figuur 12, tabel 5). Vanwege de grote spreiding en het verschillende aantal proeven per verdeling op basis van watergehalte, heeft de statistische verwerking een grote invloed op de karakteristieke waarden. Bij een groter aantal proeven kan deze invloed verminderd worden. De proevenverzameling bestaat nog uit een te beperkt aantal proeven. De proeven kunnen op verschillende manieren worden verwerkt. Nadere studie is gewenst naar de uitkomsten van de proeven door de samenstelling van het veen. Echter, er kan verwacht worden dat met de verdere uitbreiding van de proevenverzameling een verband gelegd kan worden tussen de watergehalte, vezels en de sterkteparameters om een betere inschatting te maken van de sterkte en een stap te zetten tussen theorie en praktijk.
Uit het eerder uitgevoerde onderzoek [3; 4] blijkt dat de multistageproeven ten opzichte van de singlestage proeven in het algemeen een hogere c' en een lagere ϕ' laten zien. Voor de adviespraktijk met singlestage proeven dienen de materiaalfactoren nog te worden bepaald. Mogelijk is de Direct Simple Shear test (DSSproef) een goede oplossing voor de veenbeproeving. Echter voor deze proef is nog geen veiligheidsfilosofie ontwikkeld en is deze proef nog niet uitgebreid voor veen onderzocht en nog niet verwerkt in officiële richtlijnen en normen.
De nadelen van verschillende sterktebepalingen
Schuifspanning [kPa]
NEN 5117 (tabel 5) [7] schrijft de stopcriteria voor de multistageprocedure voor. Daardoor zijn de CU multistage triaxiaalproeven niet zo makkelijk uitvoerbaar voor veen bij lage spanningen. Bij de multistage procedure kan, door de verstoring van het monster, een onwerkelijke cohesie en lage hoek van inwendige wrijving worden verkregen [11]. In het kader van de proevenverzameling zijn tevens 16 singlestage proeven uitgevoerd. Deze
Conclusie Uit het onderzoek blijkt dat multistage triaxiaal-
Figuur 12 Veensterkte indeling op basis van watergehalte.
24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
proeven (CU) een statistisch onderbouwd theoretisch betrouwbare beschrijving van kleigedrag geven. Voor veen is dit echter niet het geval. Het is daarom van groot belang de discussie over de beste proef voor het veen, nieuw leven in te blazen, mede vanwege de gevolgen van het onterechte afkeuren van boezemkeringen. De resultaten van multistage triaxiaalproeven voor veen kunnen niet zomaar worden vertaald naar de proevenverzameling voor stabiliteitsberekeningen. Bij het opstellen van de proevenverzameling dient het spanningsafhankelijke gedrag van veen, de invloed van vezels en het watergehalte in acht te worden genomen. Voor de toepassing van een andere manier van veenbeproeving dient een veiligheidfilosofie te worden ontwikkeld.
Literatuur [1] Versterkingsronde Boezemkade AGV Proevenverzameling van wrijvingsparameters GeoDelft kenmerk 389490/30, concept, augustus 2001. [2] Standaard proevensessie op veen Correlatiestudie (concept), GeoDelft kenmerk CO-341820/23, juni 1994. [3] Overgang cel naar triaxiaal proef, vergelijking OCR en vergelijking singel/multistege, GeoDelft kenmerk SE-704129/2, augustus 1994. [4] Vergelijking Multistage en Singelstage CU triaxiaal proeven, GeoDelft kenmerk SE-50074 november 1994. [5] Leidraad voor het Ontwerp van Rivierdijken, deel 2, Benedenrivierengebied, TAW, sept. 1989. [6] NEN 6740 Geotechniek - TGB 1990 Basiseisen en belastingen, september 2006. [7] NEN 5117 Geotechniek - Bepaling van de schuifweerstands- en vervormingsparameters van grond - Triaxiaalproef, mei 1997. [8] Technisch Rapport Geotechnische Classificatie van Veen, TAW, juni 1996. [9] Technisch Rapport Waterkerende Grondconstructies, TAW, juni 2001. [10] Probabilisme in de Geotechniek Onderdeel Ruimtelijke Variabiliteit (Fase A.III), GeoDelft kenmerk CI-361410.95, december 1997. [11] Ongedraineerde Stabiliteitsanalyse, E.J. den Haan, Geotechniek, 2006-3, 32-37. [12] bij TRWG, ENW, juli 2007. [13] Leidraad Rivieren, ENW, juli 2007. [14] Materiaalfactoren voor boezemkaden, STOWA, 2009-5.
Effectieve normaalspanning [kPa] Gem. kar.:
46
> 250% 250 - 600% 600 - 1000%
GEOtechniek – oktober 2009
Gemiddelden:
> 250% 250 - 600% 600 - 1000%
Reageren op dit artikel? Stuur dan uw reactie vóór 31 oktober 2009 naar
[email protected]
