· · · Institutional Repository

During vibratory sheet piling quite often the soil near the sheet pile wall will settle. In many cases this is not a problem. For situations with houses, pipelines, roads or railroads at relative short distance these settlements may not be acceptable. The purpose of the research described in this thesis is to develop a model that is capable of predicting the settlement due to vibratory sheet piling with reasonable accuracy. The research is limited to sheet piling in sand. First a description is given of the processes during vibratory sheet piling. From this description the main mechanisms that are responsible for the settlement during vibratory sheet piling are identified. These are the densification of the soil and the displacement of a soil volume due to the volume of the sheet pile. Presently available models to predict the settlement are described and commented. It is concluded that all models possess some shortcomings. As densification is one of the main causes for the settlement much attention is paid to the behaviour of sand during cyclic loading. Available models to predict the densification for large numbers of loading cycles are described. Attention is paid to the combined effect of generation and dissipation of excess pore pressure. To supplement the findings from the literature a series of cyclic triaxial tests is performed to clarify some aspects. These tests show that the history of the sand greatly influences the behaviour during cyclic loading. A numerical model is developed that takes into account the different sub processes during vibratory sheet piling (interface behaviour sheet pile - soil, propagation of vibrations, densification, dissipation excess pore pressure and summation of the local volume strains). For the propagation and the densification different options are considered and implemented. The selected constitutive models are extended to handle both undrained and drained soil behaviour. To validate the developed model a well instrumented field test is designed and executed. This test is performed at Raamsdonksveer, The Netherlands. Measured data are the vibrations near the sheet pile, the pore pressure, the local densification, the settlement at surface and at two depths and the change in cone resistance. The measured data are processed and interpreted. In addition to the results of this test, measured surface settlements from a number of projects are used as well to compare predictions with the developed model with actual behaviour. A reasonable agreement between measured and predicted settlement is found.

Normen bevatten minimale eisen om tot voldoende veilige ontwerpen te komen. Het huidige normenstelsel bestaan nog maar 15 jaar, en op korte termijn vindt de overgang plaats naar de Europese normen, met name Eurocode 7. Deze overgang is een goed moment om stil te staan bij de achtergronden, het ontstaan en de gebruiksmogelijkheden van die normen. De huidige normen hebben een hechte wettelijke basis en hebben de vereiste betrouwbaarheid van de constructie als uitgangspunt, door middel van representatieve waarden en partiële factoren. Die basis staat in deze publicatie niet ter discussie. Het stellen van minimale eisen betekent echter dat normen geen ontwerphandleiding zijn, en ook niet afgestemd (kunnen) zijn op elke denkbare constructie. Voor een goed ontwerp is een gedegen inzicht nodig in de werkelijke risico’s, en is alleen het voldoen aan de normen nog geen garantie voor een optimaal ontwerp. Dit kan ook leiden tot een belangrijke mate aan overdimensionering door het opstapelen van veiligheden. Met meer kennis over de veiligheidsbenadering, de achtergronden van de voorschriften en van de statistiek is een grotere optimalisatie van het geotechnisch ontwerp mogelijk, en dit kan tot kostenbesparingen leiden. Bij die optimalisatie moet bedacht worden dat normen ruimte laten voor het onderbouwd afwijken van de voorschriften; wel moet altijd voldaan worden aan de onderliggende veiligheidseisen. Optimalisatie van het ontwerp kost op zich ook tijd en geld, en leent zich daarom vooral voor niet-standaardconstructies en innovatieve ontwerpen. Deze handreiking is bedoeld voor geotechnische ontwerpers en rekenaars, voor constructeur en deverleners van bouwvergunningen. Maar ook de geotechnische praktijk vindt in deze handreiking relevante informatie, bijvoorbeeld over de ‘observational method’. Hierbij wordt het ontwerp aangepast aan de hand van de monitoring tijdens de uitvoering. Voor alle betrokkenen geeft deze publicatie de mogelijkheden aan voor het optimaliseren van het ontwerp, ook al vormt het materiaal ‘grond’ de meest onzekere basis om mee te bouwen. Aan de hand van praktijkvoorbeelden en rekenvoorbeelden, die in de bijlagen zijn opgenomen, wordt optimalisatie van het ontwerp verder verduidelijkt.

Medio 2007 wordt een veldproef georganiseerd in Waddinxveen in het kader van de validatie van de snelle paaltest. Initiatiefnemers van de proef is de DC/CUR commissie ‘validatie snelle paaltest’. Tijdens deze veldproef worden twee prefab betonpalen beproefd op met een statische en een snelle paaltest. De snelle paaltest wordt uitgevoerd door de statnamische paaltest. Uitgangspunt is dat de proefpalen tot falen worden belast, hierbij zakt de paal 10% van haar equivalente diameter. Volgens de Nederlandse normen wordt gesteld dat de paal bij deze zakking niet meer voldoet aan haar gebruikerseisen. In het onderzoek ‘ontwerp veldproef snelle paaltest Waddinxveen’ zijn de proefopstelling en proefbelasting voor de statnamische paaltest bepaald. Voor de proefopstelling wordt geadviseerd om de statnamische test uit te voeren op een prefab betonpaal 350 * 350 mm² met een paalpuntniveau op NAP -15,25m. Het testapparaat moet een kracht van 3,3 MN uitoefenen om de paal tot falen te belasten.

In dit rapport is de case van de Europaboulevard opgenomen met betrekking tot validatie van modellen met betrekking tot paal-grondinteractie. In de periode tussen maart 1978 en september 1978 zijn in Amsterdam direct ten noorden van de kruising van de rijksweg A10 (Figuur 2-1) met de Europaboulevard bouwwerkzaamheden uitgevoerd. De bouwwerkzaamheden bestonden uit het realiseren van viaducten, het heien van prefab betonpalen met daarop L-vormige keermuren. Vervolgens zijn ophogingen bestaande uit zand aangebracht, en de wegen aangelegd. Door de CIAD-projectgroep ‘Door grond horizontaal belaste palen’ is tijdens en na de uitvoering van de bouwwerkzaamheden een proefproject uitgevoerd. De proef heeft bestaan uit het uitvoeren van diverse metingen (verplaatsings- en rekmetingen) in de grond en aan/in de palen. De door de ophoging veroorzaakte verticale zettingen zullen leiden tot horizontale verplaatsingen van de ondergrond. De palen onder de keerwand worden derhalve door de grond horizontaal belast. De gehele opzet van en de resultaten van deze proef zijn in detail gerapporteerd in 2 rapporten van het CIAD, te weten ‘Eindrapport CIAD projectgroep ‘Door grond horizontaal belaste palen II [proef], deel I en II’ van april 1980.

Pile foundations are widely used, mainly to transmit structural load to an underlying stiffer soil or rock. This limit state load a certain pile can sustain without failure is known as pile ultimate bearing capacity. During design stage load-tests are performed in-situ on test piles to determine, among others, the value of the bearing capacity. Commonly static tests are performed as they provide the most reliable data. Dynamic tests are much more cost-effective but have a series of shortcomings, mainly the fact that they introduce stress-waves on the pile and that require calibration with the static values. To overcome both nature-kind problems, a new type of test in-between the previous ones, i.e. the pseudostatic test, has been developed. It is still a dynamic test but the loading pulse lasts longer (70-150ms), 20 times the dynamic pulse, emphasizing the static component. Hence, it is both an economical and reliable option as requires no calibration with the static load-displacement curves. Therefore, it is interesting to get more insight on it. Two main factors can influence the bearing capacity of a pile measured on the in-situ tests, namely, loading rate and excess pore pressures. In cases like The Netherlands, where end-bearing piles are driven into saturated sand, these two concepts may play an important role. A previous study had been carried out in dry sand and did not find a remarkable loading rate effect. However, for the case of saturated sand the soil response remains unknown. This research investigates the topic, the objective is to get more insight on the excess pore pressure generation and dissipation, evaluate the static-pseudostatic correlation and investigate the possibility of providing effective predictive tools. The research has been structured in three parts. First a series of experimental scaled tests have been carried out for three loading rates: a CPT (20 mm/s), a static test (1 mm/s) and a pseudostatic test (up to 250 mm/s). The sample consisted in saturated sand that was prepared by means of a fluidizaton-vibration system. Standard sounding rots with a piezocone acted as the pile; five values were recorded: force on the pile head, shaft friction, tip resistance, displacement and acceleration. Later on, the performed scaled tests have been modeled analytically and numerically. An analytical model based on the cone model of Wolf has been developed. Only the soil underneath the pile tip is considered and it is modeled as an elastoplastic material under static fully undrained loading followed by consolidation. PLAXIS is the program used for the numerical model.

Pile testing, which plays an importance role in the field of deep foundation design, is performed by static and non-static methods to provide information about the following issues: (Poulos, 1998) - The ultimate capacity of a single pile. - The load-displacement behavior of a pile. - The performance of a pile during the test conditions. - The integrity of a pile (pile integrity test). For the purposes of verification the design axial capacity and the static load – settlement behavior of piles, the static pile load test has long been considered as the most reliable method but because of its high cost and time consuming, non – static pile load tests are looked as efficient substitutions. The two non – static testing methods, i.e. dynamic and quasi – static pile load test are objects of this report. The non – static pile load tests are performed by means of exerting an impact force on the pile head while measuring and recording the responses of the pile, from which the test results are determined. Duration of the impact force (T), longitudinal wave velocity of tested pile (c) and pile length (L) are used as key factors to classify the testing methods.

In dit rapport zijn de cases opgenomen met betrekking tot validatie van bestaande modellen voor het bepalen van de horizontale grondvervorming. Het betreft de case NO-RECESS waaraan 2 afstudeerders, afzonderlijk, bij Fugro Ingenieursbureau hebben gewerkt. Het gaat om het afstudeerwerk van I. Cherqaoui en R. Servais. Naar aanleiding van beide afstudeerwerken is een aanvullende analyse opgesteld en gegeven in hoofdstuk 4. In hoofdstuk 5 tenslotte is de samenvatting gegeven van de NORECESS-case in een zodanige vorm dat deze opgenomen kan worden in de CURaanbeveling. De in hoofdstuk 2 beschreven rekenmodellen zijn gevalideerd aan de hand van de praktijkproef, die in het kader van het No-Recess onderzoek is uitgevoerd. De No-Recess “New Options for Rapid and Easy Construction of Embankments on Soft Soils” proeftuin betreft een (demonstratie-) onderzoek naar, voor Nederlandse begrippen, niet conventionele funderingswijzen voor aardebanen voor rail- en weginfrastructuur. In deze proef zijn geen palen geïnstalleerd. In het programma van eisen zijn grenzen gesteld aan de bouwtijd en de restzetting: - Korte bouwtijden: minder dan 1,5 jaar. - Kleine restzettingen: minder dan 3 cm. - Minimalisatie bouwrisico’s - Minimalisatie van het overschot op de grondbalans. - Voldoende stijf gedrag van de baan bij dynamische belastingen. - Minimalisatie schade bij aanleg van (spoor)wegverbredingen. In januari 1998 is gestart met het bouwrijp maken van het No-Recess proefterrein in de Hoeksche Waard. Negen maanden later waren er 5 testbanen gerealiseerd: - Verticale drains met aardebaan (HW1 conventioneel, bedoeld als referentie) - Gestabiliseerde grondkolommen met aardebaan (HW2). - Gestabiliseerde grondwanden met aardebaan (HW3). - Geotextiel ommantelde zandkolommen met aardebaan (HW4). - Houten palen en AuGeo palen met een baan van gestabiliseerde vrijkomende grond(HW5). Bij de No-Recess proef zijn uitgebreid metingen uitgevoerd van zettingen, verticale en horizontale verplaatsingen in de ondergrond, waterspanningsmetingen en gronddrukmetingen. De metingen zijn in juni 2000 beëindigd.

Door grond horizontaal belaste palen komen voornamelijk voor als in een talud van een ophoging op slappe grond palen worden geplaatst, of wanneer een ophoging wordt aangebracht naast reeds geïnstalleerde palen in een fundering. Als gevolg van de ophoging zal de slappe grond verticaal zetten en ook horizontaal verplaatsen. Deze horizontale grondverplaatsing is te verdelen in drie componenten: 1. initiële horizontale verplaatsing 2. horizontale verplaatsing als gevolg van consolidatie 3. horizontale grondverplaatsing als gevolg van kruip. De paal krijgt hierdoor een horizontale belasting, waardoor de paal op dwarskracht en buiging wordt belast. Op dit moment wordt in de praktijk de horizontale grondvervorming, als gevolg van kruip, bepaald uit de verticale kruip. Over de grootte van de horizontale kruip is weinig tot niets bekend, omdat veldmetingen van horizontale vervormingen over ee n langere periode nauwelijks beschikbaar zijn. Vanwege gebrek aan kennis en metingen wordt nu bij de bepaling van afmetingen en voorspanning/wapening van betonnen palen de volledige horizontale grondverplaatsing tijdens de ontwerplevensduur in rekening gebracht. Dit is mogelijk conservatief. Gezien de vele projecten waarbinnen horizontaal belaste palen voorkomen en de onzekerheid die bestaat in de modellering is een onderzoek naar deze problematiek wenselijk. De combinatie van Fugro en GeoDelft gaat als onderdeel van het Delft Clusterprogramma voor droge infrastructuur dit onderwerp onderzoeken. Het onderzoek bestaat onder andere uit een literatuurstudie voor het achterhalen van bestaand onderzoek en reeds bestaande geotechnische modellen op het gebied van horizontaal belaste palen. De relevante metingen worden gebruikt voor een simulatie van de situatie in het EEM programma PLAXIS. Vervolgens wordt een modelproef in de geocentrifuge opgezet om metingen te verrichten aan horizontale grondverplaatsingen. Daarnaast is een veldproef gepland waarbij metingen aan horizontaal belaste palen in situ worden verricht. Dit onderzoek moet meer inzicht geven in de grootte van de horizontale grondverplaatsing bij een maagdelijke ophoging (zonder geïnstalleerde palen), de interactie met de palen en het effect van een paalgroep ten opzichte van een enkele paal. Dit kan leiden tot een optimaler ontwerp van horizontaal belaste palen in tijd en in geld. In dit rapport wordt de eerste fase van het project, de literatuurstudie, gerapporteerd. Deze literatuurstudie is vooruit lopend op de start van Delft Cluster 2 reeds in 2003 uitgevoerd. Een aanvulling heeft plaatsgevonden in 2006. De literatuurstudie heeft zich toegespitst op artikelen met betrekking tot berekeningsmethoden van door grond horizontaal belaste palen ("passive piles") en rapportages met meetdata van veld- en centrifugeproeven.

In het algemeen is een door grond horizontaal belaste paal een 3-D situatie, die in 1 fase direct met een 3-D EEM-model (zoals PLAXIS 3D Foundation) kan worden gemodelleerd. Deze modellen zijn echter gecompliceerd en pas de laatste jaren eenvoudiger toepasbaar in de adviespraktijk. Een directe berekening is ook mogelijk met PLAXIS 2D. Het betreft hier een benadering, waarbij de paal als een wand wordt gemodelleerd. Tot voor kort was het gebruikelijk om de analyse te splitsen in 2 fasen: 1. Berekening van de horizontale grondverplaatsing, waarbij de invloed van de paal wordt verwaarloosd 2. Analyse van de deformaties, dwarskracht en moment in de paal als gevolg van de horizontale verplaatsing van de grond berekend in fase 1. De berekening van de horizontale verplaatsing van de grond kan worden uitgevoerd volgens de elasticiteitstheorie met de tabellen van Van IJsseldijk - Loof. Als alternatief kan de horizontale grondverplaatsing worden berekend met de methode van Bourges en Mieussens of een 2D-EEM programma, zoals PLAXIS 2D. Bij fase 2 wordt een berekening uitgevoerd, waarbij de paal als een verend ondersteunde ligger wordt gemodelleerd. In het computerprogramma MSHEET kan een dergelijke berekening worden uitgevoerd. Hierbij wordt vaak een lineair elastisch-plastische veerkarakteristiek van de grond verondersteld. Deze wordt gekenmerkt door een elastische veerconstante k [kN/m3] en een maximale tegendruk, gekarakteriseerd door de horizontale gronddruk coëfficiënt λ [-]. Waarden voor k kunnen worden afgeleid volgens de methode Menard (1968) en Begemannde Leeuw (1972). Waarden voor λ kunnen worden bepaald volgens Brinch Hansen (1961) en vanuit de λ-waarden voor damwanden, die dan met een zogenaamde “schelpfactor” moeten worden gecorrigeerd. Daarnaast zijn er grondkarakteristieken ontwikkeld volgens de zogenaamde PY-methode (API, 2000). De PY-methode wordt met name voor offshore stalen buispalen toegepast en wordt hier verder niet toegelicht.

Pile load tests are commonly used by engineers to determine its bearing capacity. At present, there are three methods of pile load tests: the static, the dynamic and the quasi-static test. The static pile load test is done by applying an axial load on the pile with a long duration. The dynamic and quasi-static tests are done with an impact load on pile head of very short duration. However, the required force pulse in the quasi-static test is longer than in the dynamic test. This research focuses on the comparison between quasi-static and static tests. An important aspect in order to verify the results of quasi-static application with respect to more widely used static loading. The results of quasi-static tests have both static and dynamic components. Then, in order to convert the results of a quasi-static test to static pile bearing capacity, the dynamic component (inertial and damping effects) in the soil responses have to be understood. The effect of generates pore water pressure and its dissipation during pile penetration are unclear and can limit the interpretation of the results of a quasi-static test.

When in-situ tests are performed to determine the ultimate capacity of a pile after the installation, quite a lot of types of tests are available. The following tests are generally used, in order from most used method to least used method: the static testing method, dynamic testing methods, pseudostatic and statnamic testing methods. During a pseudostatic (or statnamic) test the pile is loaded with a ~ 70-150 ms loading pulse. In comparison with the dynamic test this loading regime is about 20 times as long, in comparison with the static test this is very short lasting. The difference in loading regime is influencing the bearing capacity of the pile. In literature two main phenomena for the change in bearing capacity are recognized: the excess pore pressures and the loading rate. In the typical Dutch situation the end bearing piles are situated in the Pleistocene sand layer, so the influence of the loading rate in non-saturated and saturated sand are of interest. From literature is concluded that the effect of the loading rate on the strength and stiffness properties for dry sand are small, but for the rate effect on the shaft friction no conclusive answer could be found. Therefore a series of model scale tests are performed to investigate the influence of the loading rate on the bearing capacity.

In order to improve the interpretation of the quasi-static (e.g. Statnamic) pile load tests, a research project has been started to investigate effects of the loading rate on the bearing capacity of a pile in sand. A series of laboratory tests has been carried out. The testing program consists of a series of triaxial tests for sand and a series of load tests on a model pile embedded in sand in a large calibration chamber. The research pointed at answering two fundamental questions: - The effect of loading rate on the strength of sand and on the bearing resistance of a pile in sand; - The characteristics of excess pore pressure in sand and in the sand near the pile toe during a quasi-static load test. The results of the triaxial tests are: - In dry sand, a higher loading rate gives higher shear strength. In the range of applied loading rates, the angle of internal friction of the sand increases up to 2 degrees (strength increases 5-10%). - During high speed tests on dry sand an excess of pore air pressure is observed. So the dry sand is not in fully air drained condition during these tests. - The effects of loading rate in dry sand increase with the increase of relative density. - In saturated sand, the shear strength increases about 5% due to the rate effect. But, the true rate effect may be obscured by cavitation which occurs during the test. - Before cavitation occurs, the excess pore water pressure is independent of the loading rate. It depends on the relative density of the sand.