Bouwputvernageling: Een studie naar een ontwerpmethodiek voor bouwputvernageling

Bouwputvernageling: Een studie naar een ontwerpmethodiek voor bouwputvernageling

Van Leeuwen, R.E.

Van Tol, A.F. (mentor)
Everts, H.J. (mentor)
Brinkgreve, R.B.J. (mentor)
Bakker, K.J. (mentor)

Civil Engineering and Geosciences

Geoscience & Engineering

Geo-engineering

2008-10-30

Inleiding Voor het maken van ondergrondse constructies, zoals parkeergarages, worden al jaren bouwputten gerealiseerd. Meestal komt het voor dat aanvullende constructies nodig zijn om te voorkomen dat de bouwput opbarst, zoals trekpalen in combinatie met onderwaterbeton. Een andere, relatief nieuwe en mogelijk aantrekkelijke methode is bouwputvernageling. Probleemstelling Binnen het ontwerp is tot nu toe meestal alleen uitgegaan van 1D/2D verticaal evenwicht in de maatgevende verticaal (ondergrensbenadering) en is de positieve invloed van de ruimtelijke werking in de maatgevende situatie aanvaard, maar nog niet gekwantificeerd. Daarnaast worden mogelijk positief bijdragende effecten als bijvoorbeeld ongedraineerde schuifsterkte, liggerwerking en ongedraineerd gedrag van de afsluitende laag tot op heden niet in rekening gebracht in ontwerpberekeningen. Daarnaast ontbreekt een eenvoudige ontwerpmethodiek voor het vernagelingsprincipe, waarin naast met “mogelijk” positief bijdragende effecten ook met praktische aspecten wordt rekening gehouden. Onderzoek De doelstelling van het onderzoek is het ontwikkelen van een eenvoudige ontwerpmethodiek voor bouwputvernageling waarin tevens de (onderzochte en) vastgestelde positieve effecten tegen opbarsten in rekening worden gebracht. Op basis van de uitvoeringswijze van bouwputvernageling zijn drie karakteristieke bouwfasen gedefinieerd en onderzocht (figuur 1). Op basis van de bepaalde maatgevende bezwijkmechanismen is inzicht verkregen in het gedrag van grond in de bezwijksituatie. Mede op basis van deze onderzoeksresultaten kunnen analytische opbarstmodellen worden bepaald. Vervolgens zijn analytische en numerieke opbarstmodellen aan een vergelijking onderworpen. Uit de verkregen onderzoeksresultaten is het mogelijk positief bijdragende effecten tegen opbarsten te kwalificeren en/of te kwantificeren. Aanvullend is onderzoek gedaan naar verscheidene theoretische en praktische aspecten. Het onderzoek naar positief bijdragende effecten tegen opbarsten en een “eenvoudige” ontwerpmethodiek bestaat hiermee uit 5 onderzoeksdelen: • Literatuurstudie bestaande opbarstmodellen; • Onderzoek naar bezwijkmechanismen voor bouwfasen 1 t/m 3 met Plaxis; • Bepaling analytische opbarstmodellen; • Vergelijking van opbarstmodellen op basis van kwantitatieve onderzoeksresultaten. • Onderzoek/detaillering van verscheidene theoretische en praktische aspecten: o Praktische correlaties voor ontwerp; o Invloed van uitvoeringsvolgorde; o Invloed van (voor)spankracht in trekelementen; o Veiligheidsfilosofie conform EC 7. Bezwijkmechanismen Op basis van de grondopbouw ter plaatse van de onderzoekslocatie (De Curie te Rijswijk) zijn maatgevende bezwijkmechanismen bepaald voor de karakteristieke bouwfasen met behulp van het Eindige Elementen Modellen (EEM): • Bouwfase 1: uitkraging zonder glijvlakontwikkeling. • Bouwfase 2: uitkraging met glijvlakontwikkeling. • Bouwfase 3: grondkegelbreuk. Opbarstmodellen en modelvergelijking Op basis van deze, op numerieke wijze, bepaalde bezwijkmechanismen zijn analytische opbarstmodellen ontwikkeld voor de karakteristieke bouwfasen: De ontwikkelde analytische opbarstmodellen zijn gebaseerd op de volgende benaderingen en zijn aan een modelvergelijking onderworpen: • Ondergrensbenadering (ondergrens-opbarstmodel én EC7-1 §10.3); o In een ondergrensbenadering dient op iedere plaats in het beschouwde systeem evenwicht te heersen. Naast de grondspanning op het niveau van de onderzijde van de afsluitende laag wordt ook de spanningsverhoging t.g.v. spanningspreiding in de verticaal in rekening gebracht. De maatgevende verticaal is voor bouwfasen 1 en 2 in het midden van de ontgraving en voor bouwfase 3 in het midden tussen 2 ankerplaten (figuur 2): • Gemiddelde benadering (spreiding-opbarstmodel); o Een gemiddelde benadering staat enige vervorming toe. Het model gaat er vanuit dat door positief bijdragende effecten instabiliteit wordt voorkomen. Naast het eigen gewicht van de gearceerde grondmoot wordt het werkelijke verloop van de spanningspreiding over de onderzijde van de afsluitende laag wordt in rekening gebracht over de ontgravingbodem in bouwfasen 1 en 2 en de hart-op-hart afstanden tussen de ankerplaten in bouwfase 3 (figuur 3); Bovengrensbenadering (grondkegel-opbarstmodel); o Een bovengrensbenadering gaat uit van een bezwijkmechanisme met een kinematisch toelaatbaar virtueel verplaatsingsveld (grondkegelbreuk). In het model wordt naast het eigen gewicht van de gearceerde grondmoot ook schuifweerstand in de gedefinieerde bezwijkvlakken in rekening gebracht (figuur 4). Daarnaast zijn de volgende numerieke Plaxis modellen in de modelvergelijking meegenomen: • Plaxis met een ontwerpbenadering voor bouwfase 1; o Uit het bezwijkmechanisme volgt dat praktisch gezien alleen de volumieke gewichten weerstand tegen opbarsten bieden en daarmee de invloed van de sterkte-eigenschappen ondergeschikt is. Door iteratief de volumieke gewichten te verlagen totdat bezwijken optreedt kan een goede benadering van de opbarstveiligheid worden berekend. Plaxis beschouwt geen bezwijkmechanismen ten gevolge van gronderosie indien de verticale vervormingen toenemen. Om deze reden dient tevens aan een arbitrair bepaald vervormingcriterium van de onderzijde van de afsluitende laag van 100mm te worden voldaan. • Plaxis met ?’-c’ reduction optie voor bouwfasen 2 en 3; o In bouwfasen 2 en 3 ontstaan in de bezwijksituatie bezwijkvlakken waardoor de sterkte-eigenschappen wel degelijk invloed op de opbarstveiligheid hebben. Met een ?’-c’ reduction berekening kan dan alleen de opbarstveiligheid kwalitatief worden beoordeeld. Alleen voor partiële stabiliteitsfactoren op sterkte-eigenschappen van ca. 1,0 kan worden verondersteld dat de opbarstveiligheidsfactor ook ca. 1,0 is. Bovenstaande analytische en numerieke opbarstmodellen zijn aan een modelvergelijking onderworpen. Aanbeveling opbarstmodel(len) in ontwerpmethodiek voor bouwputvernageling Uit deze vergelijking is voortgekomen dat met de numerieke Plaxis 3D modellen de beste benaderingen van de opbarstveiligheden in de karakteristieke bouwfasen worden berekend. In tegenstelling tot de analytische modellen kunnen met Plaxis een aantal gekwalificeerde positief bijdragende effecten wel in rekening worden gebracht. Indien Plaxis als ontwerpmiddel zou worden geïmplementeerd in een ontwerpmethodiek zou dit relatief hoge ontwerpkosten en veel ontwerptijd met zich mee brengen. Voornamelijk het uitvoeren van 3D berekeningen is tijdrovend en daarmee kostenverhogend. Deze consequenties op het ontwerp van bouwputvernageling hebben geleid tot de aanbeveling van een praktische ontwerpmethode. De functie van een praktische ontwerpmethode is dat op basis van onderen bovengrensbenaderingen een richting aan de maximaal haalbare hart-op-hart afstanden van de verticale nagels kan worden gegeven, waarin tevens rekening wordt gehouden met de positief bijdragende invloeden tegen opbarsten die in het onderzoek zijn bepaald. De praktische ontwerpmethodiek bezit de volgende kenmerken: • De ontwerper wordt gedwongen tot uitvoering van grondonderzoek voor een optimaal ontwerp; • Het ontwerp is gebaseerd op risico’s en onzekerheden; • De maximaal haalbare opbarstveiligheid is minder optimistisch in vergelijking tot Plaxis; • Integraal ontwerpproces tussen theorie en praktijk; • Toepassing in meerdere ontwerpfasen. In de methodiek zijn tevens de volgende aspecten verwerkt: • Praktische correlaties voor ontwerp; • Invloed van uitvoeringsvolgorde; • Invloed van (voor)spankracht in trekelementen; • Veiligheidsfilosofie conform EC 7.

bouwputvernageling
opbarsten

http://resolver.tudelft.nl/uuid:f08b4f82-38d7-416d-a075-0f5ad3ba9a9c

Student theses

master thesis

(c) 2008 Van Leeuwen, R.E.