Rodriaan Spruit1, Siavash Honardar2, Dianne Jacobs3, Erik Hutcheson4, Dirk de Lange5
1Ingenieursbureau Gemeente Rotterdam (Rotterdam Nederland)
2Van Oord (Rotterdam, Nederland)
3TUDelft (Delft, Nederland)
4Ingenieursbureau Gemeente Amsterdam (Amsterdam Nederland)
5Deltares (Delft, Nederland)
Abstract
Amsterdam die grote stad, die is gebouwd op palen… Voor een groot deel op houten palen wel te verstaan. In ieder geval een groot deel van de walmuren en bruggen in het centrum. Voor het aantonen van het veilig functioneren van deze assets, heeft Amsterdam een groot onderzoek gestart naar diverse aspecten die invloed hebben op de veiligheid. Eén aspect daarin is de geotechnische draagkracht van houten palen. Om daar inzicht in te krijgen zijn houten palen geïnstrumenteerd met glasvezel rekopnemers, geheid en belast op zowel druk als trek. Tevens zijn proeven uitgevoerd waarbij gedurende een paar maanden een werkbelasting op de palen is gehandhaafd en de ontwikkeling van de kracht in de paal is geregistreerd. Ook is rond een 5-tal palen een voorbelasting van 3 m hoog aangebracht om zetting (en dus kleefbelasting) te veroorzaken.
Inleiding
Een groot deel van de kademuren en bruggen in Amsterdam is op houten palen gefundeerd en heeft zijn technische levensduur meer dan bereikt. De zo ontstane vervangingsopgave is zeer groot en complex. Om op de juiste manier prioriteiten te kunnen stellen, is inzicht in de werkelijke sterkte van constructieve elementen nodig. Om dat inzicht te verkrijgen is een grootschalig onderzoeksprogramma gestart waarin onder andere (maar niet alleen) wordt gekeken naar het geotechnisch draagvermogen van houten palen.
Daartoe is een proeflocatie gekozen op de voormalige gasfabrieklocatie ‘Park Somerlust’ in Overamstel, binnen de ‘ring’ met een bodemopbouw die representatief wordt geacht voor een groot deel van de Amsterdamse binnenstad.
Er zijn nieuwe houten palen geleverd, geïnstrumenteerd, geheid en daarna op verschillende manieren beproefd.
Representatief bodemprofiel
Per proefpaal zijn 3 sonderingen beschikbaar. Tussen de sonderingen onderling zijn de verschillen beperkt. Als gevolg van de sanering is een vrij dikke (bijna 5 m) toplaag van zand aanwezig, dat is dan ook meteen de grootste afwijking van het ‘gemiddelde Amsterdamse bodemprofiel’. Daaronder bevindt zich een ca. 2 m dikke veenlaag met daaronder ca. 4 m klei. Op NAP -10,5 m diepte wordt een tweede veenlaag van 1 m dik aangetroffen waaronder de eerste zandlaag begint. De palen zijn op ervaring van de heibaas 1 à 2 tochten in het zand gezet. Uiteindelijk lagen de paalpuntniveau’s tussen de NAP -12,1 en -12,8 m en staan de palen dus 0.4 tot 1 m in de zandlaag.
Instrumentatie
Om het verloop van de normaalkrachten in de paal te kunnen monitoren, moet rekening worden gehouden met de natuurlijke variatie van houten palen.
De diameter varieert, maar ook de elasticiteitsmodulus zal niet constant zijn doordat deze afhankelijk is van vochtgehalte en verhouding kern en spinthout in de doorsnede.
Ook zijn houten palen niet perfect recht, zodat belasting op de paalkop altijd tot enige excentriciteit zal leiden.
Aangezien een rekopnemer niet in de kern van een houten paal is in te brengen (in het hart van de paal boren over de gehele paallengte is niet uitvoerbaar), is ervoor gekozen om op 4 kwadranten van de omtrek een groef in te frezen waar de glasvezel in wordt gelijmd. De toegepaste lijm is Bison PolyMax PU. De E-modulus van de (uitgeharde) lijm is ca. 1000 MPa. Dit is een orde van grootte lager dan de E-modulus van hout. Vanwege de beperkte doorsnede van de met PU-lijm gevulde groeven ten opzichte van de paaldoorsnede, is het effect van de lijm op de paalstijfheid verwaarloosbaar.
Voor de beste meetresolutie met de OmniSense Dual die voor het uitlezen van de rekken is gebruikt, is het aansluiten van beide uiteinden van de sensor nodig. Bij de paalpunt zijn daarom twee doorsteken gerealiseerd, zodat zowel de ‘noordzuid’ meetkabel als de ‘oostwest’ meetkabel in feite een zeer langgerekte ‘U’ vormen.
Met de OmniSense Dual wordt met een enkele meting het volledige rekverloop over de sensor verkregen met een plaatsresolutie van 0,25 m en een rekresolutie van 6 microstrain (6 micrometer per meter rek).
Bij de opzet van de proeven is uitgegaan van het gelijktijdig testen van twee palen, zodat tijdens de proef 4 sensoren moeten worden uitgelezen, namelijk van beide palen een noordzuid en oostwest sensor. Op het meetapparaat kunnen alle vier de sensoren gelijktijdig worden aangesloten. Het uitlezen van de rek gaat echter per sensor opeenvolgend (eerst noordzuid van paal 1, dan oostwest van paal 1, dan noordzuid van paal 2, dan oostwest van paal 2, waarna weer opnieuw wordt begonnen met noordzuid van paal 1 etc.). Een volledige meetronde van alle reksensoren duurt daarmee ca. 5 minuten.
Om de natuurlijk aanwezige variatie van paalpuntdiameter zoveel mogelijk te beperken, is vanaf de paalpunt een caliber met inwendige diameter van 15 cm over de paal geschoven totdat deze vast liep. Deze positie is als ‘paalpunt’ gekozen. Op deze positie is de diepste doorvoer (noordzuid) t.b.v. de glasvezel rekopnemer geboord.
2 cm daarboven is haaks op het vorige boorgat een tweede doorvoer geboord voor de andere meetvezel.
Met behulp van boormallen en diverse hulpstukken is een soepele bocht door het hart van de paal geconstrueerd.
Installatie
Het heien van de palen is zo authentiek mogelijk uitgevoerd door gebruik te maken van een stelling met een valgewicht van 800 kg.
De topzandlaag van 5 m dik die niet representatief is voor de Amsterdamse bodemopbouw, is met een avegaar voorgeboord (Figuur 5).
Bij het aanbrengen is getracht de glasvezels niet te beschadigen door de paal zo min mogelijk tegen de stelling te laten stoten.
Proefbelastingen op druk
Paalbelasting
Op de paalkop is een drukverdelende staalplaat met daarop een vijzel en drukdoos geplaatst. Gezamenlijk weegt dit 70 kg (=circa 0,7 kN). Aangezien de belasting tot gemiddeld 400 kN wordt opgevoerd en de nauwkeurigheid waarmee dit constant wordt gehouden ca. 1 kN bedraagt, is het gewicht van vijzel en drukdoos verwaarloosd en is aan het begin van de proef de belasting op 0 kN gesteld.
De olie werd tijdens de proef met een handpomp in het vijzel geperst. Direct naast de pomp kon op een manometer (zowel analoog als digitaal) de oliedruk worden afgelezen. Het aansturen van de belastingstappen tijdens de proef geschiedde op basis van de met de gekalibreerde drukdoos gemeten kracht op de paalkop. Bij 1 proef (paal 594) werd tijdens de proef teveel ruis in de uitlezing van de drukdoos waargenomen en is de oliedruk gebruikt om de proef te continueren.
Bij de proeven die met twee palen tegelijk zijn uitgevoerd, was per paal een pomp, vijzel en drukdoos aanwezig.
Referentieframe
Om de verplaatsingen tijdens de proef betrouwbaar te kunnen meten, is een stijve aluminium vakwerkligger evenwijdig aan de palenrij op baddingen op maaiveld opgelegd.
Ter controle is tijdens de eerste 2 proeven door middel van een total-station de ongestoorde ligging van het referentieframe gecontroleerd. Er bleken geen afwijkingen groter dan de meetnauwkeurigheid van de total-station waarneembaar te zijn.
Paalkopverplaatsing en vijzeluitslag
Aan de paalkop en het referentieframe zijn 2 LVDT (Linear Variable Differential Transformer) verplaatsingsopnemers gemonteerd, evenwijdig aan de lengteas van de paal, zodat de absolute paalkopverplaatsing kan worden gevolgd. De nauwkeurigheid van de toegepaste LVDT’s is ca. 0,01 mm.
Tussen boven en onderzijde van de vijzel was ook een verplaatsingsopnemer bevestigd om tijdens het verloop van de proef de vijzeluitslag te kunnen volgen. Deze meting had alleen waarde voor de aansturing van de proef en is niet gebruikt in de analyse van de meetresultaten.
Registratie tijdens de proef
Tijdens de proef zijn de volgende metingen met een tijdsinterval van 1 seconde geregistreerd:
- De kracht per vijzel (d.m.v. de drukdozen).
- De verplaatsing van de paalkop ten opzichte van het referentieframe, gemeten met behulp van 2 verplaatsingsopnemers.
- Hoekmeters, geplaatst op de vijzel in 2 richtingen, zodat eventuele kanteling hiervan tijdens het aanbrengen en aflaten van belastingen kon worden vastgesteld om uitknikken van de paal te voorkomen.
De meetfrequentie van de rekmetingen bedraagt per vezel eens per circa 5 minuten (bij duo proeven, bij tests op een enkele paal ligt deze frequentie dubbel zo hoog).
Uiteindelijk zijn 16 palen op druk getest. Ter illustratie is het resultaat van de 8 palen die Siavash Hornardar in zijn afstudeerwerk heeft geanalyseerd weergegeven. Om de grafiek leesbaar te maken zijn de ontlast-herbelast cycli per belastingstap uit de grafiek verwijderd.
In de master-thesis van Siavash Hornardar komt duidelijk naar voren dat het voor een realistisch beeld van de krachten in de paal essentieel is om de heispanningen die in de paal voorafgaand aan de proefbelasting aanwezig zijn, te bepalen en in de uitwerking mee te nemen. Uit Figuur 10 blijkt dat de vorm van de mobilisatiecurve iets anders is dan de curve van de norm. Als de heispanningen worden meegenomen in de beschouwing, wordt een wat stijver gedrag aan de paalpunt herleid in combinatie met een iets brosser gedrag. Ter vergelijking is in beide grafieken ook de mobilisatiecurve voor geheide palen uit de norm opgenomen. De curve van de norm is gebaseerd op de proeven van Plantema (1948). Dat was een gedrukte paal waarbij de ‘punt’ taps was uitgevoerd en apart dieper kon worden gedrukt. Het valt op dat de curves bij Plantema in de oorsprong beginnen, wat er op wijst dat men of (a) de residuele kracht heeft genegeerd of (b) de paalpunt iets heeft getrokken om de punt spanningsloos te maken. Uit publicaties uit die tijd blijkt dat men toen niet erg geïnteresseerd was in schachtwrijving. De later geïntroduceerde opsplitsing naar schacht en punt wijkt daar in feite van af.
Met de gedistribueerde glasvezel rek-meettechniek kan wellicht eindelijk het werkelijk gedrag rond de paalpunt in kaart worden gebracht.
Aangezien de heispanningen reëel zijn, zijn wij van mening dat ook inderdaad moet worden uitgegaan van het bezwijkgedrag zoals dat wordt gevonden bij het inclusief de aanwezige heispanningen verwerken van de meetgegevens. Er wordt dan een veel groter draagvermogen aan de paalpunt gevonden (Figuur 11). Het is vreemd dat de kracht in de paal tijdens bezwijken plaatselijk groter is dan aan de paalkop. Als gevolg van de opspanning die door het heien optreedt, is dit wel degelijk mogelijk wanneer er zowel positieve als negatieve wrijving op de paal aangrijpt. Tijdens bezwijken is de wrijving over de gehele paallengte echter positief, wat resulteert in krachtverloop dat alleen maar mag afnemen met de diepte. Op dit moment is er nog geen passende verklaring waarom dit niet altijd is waargenomen in de geïnterpreteerde rekmetingen. De kracht in de paal wordt indirect bepaald uit de plaatselijke rek, de houtdoorsnede en de elasticiteitsmodulus van het hout. Die E-modulus is per paal bepaald op basis van de met gekalibreerde drukdoos gemeten kracht op de paalkop, de gemeten rek in de paal in het deel dat boven maaiveld uitsteekt en de gemeten doorsnede van de paal. Omdat de stijfheid van hout varieert over de hoogte van de paal, zijn in juli 2021 in het houtlab van TUDelft nog kalibratiemetingen op delen van de getrokken palen uitgevoerd. Indien nodig, zal met deze in het lab vastgestelde EA de analyse van het paaldraagvermogen nog worden geoptimaliseerd.
De uiteindelijke αp die is gevonden is afhankelijk van de gevolgde methode om de conusweerstand te middelen. Dit geldt met name wanneer de paalpunt relatief dicht bij laagovergangen is geplaatst. De courante methode ‘Koppejan’ levert voor ondiep geplaatste palen een lage gemiddelde conusweerstand. Als logisch gevolg krijgt men dan een in verhouding hoge αp Volgt men methode Koppejan voor heranalyse van oude houten palen, dan lijkt het erop dat een αp van boven de 1 mag worden toegepast. Dit is expliciet gekoppeld aan zeer ondiep in het zand geplaatste palen
Om een definitieve uitspraak over de alfa-factoren te doen, zijn echter de validaties van de EA waarden nodig die in het houtlab van de TUDelft worden uitgevoerd.
In breder verband wordt ondertussen nagedacht of niet beter andere qc-middelingsmethoden kunnen worden gebruikt, zodat een realistischer simulatie van het bezwijkgedrag wordt verkregen.
Proefbelastingen met verhoogde terreinbelasting (negatieve kleef)
Rondom een rij van 5 palen is een lokale terreinbelasting van 3 m hoog zand aangebracht. In de ondergrond zijn 2 extensometers aangebracht om het zettingsverloop over het bodemprofiel te kunnen volgen. Tijdens de belastingsperiode van 6 maanden zijn de extensometers en de rekken in de palen elke maand gemeten. De metingen moeten nog worden uitgewerkt. Een quick-scan van de meetdata laat zien dat er geen meetbare zetting is opgetreden maar dat de compressie in de palen wel is toegenomen. Een mogelijke verklaring is dat de palen het zakken van de grond hebben verhinderd maar dat de belasting van de ophoging wel tot een grotere kracht in de palen heeft geleid. Deze resultaten moeten nog nader worden geanalyseerd.
Proefbelastingen tot bezwijken (druk) en daarna gedurende 2 maanden een belasting van 80% van de bezwijkbelasting handhaven. Langetermijneffecten zoals kruip in het hout en ontwikkeling van negatieve kleef komen mogelijk tot uiting in de resultaten van deze proeven (metingen moeten nog worden geanalyseerd).
Vier palen zijn onderworpen aan een aanzienlijk versnelde test (stapsgewijs, zonder ontlaststappen, op laten lopen van de belasting in stappen van 10 minuten, tenzij de kruipmaat groter wordt dan 1 mm, dan verlengen tot 30 minuten tot kruipmaat groter wordt dan 2 mm, dan verlengen tot 60 minuten).
Dit leek geen significant verschil in draagkracht op te leveren ten opzichte van de NPR protocol proeven maar wel een enorme tijdswinst (proeven ca. 4 u in plaats van ca. 12 u). Het verdient aanbeveling om het NPR protocol op dit punt te optimaliseren, zeker als palen geïnstrumenteerd zijn en tot bezwijken worden getest.
Na grondmechanisch bezwijken zijn de 4 palen gedurende 2 maanden weggezet onder een belasting van 80% van de bezwijkwaarde (daarna werd het vijzel mechanisch vergrendeld) om zo een idee te krijgen van het langetermijn gedrag. De kracht op en de verplaatsing van de paalkoppen, evenals de rekken in de palen zijn gedurende deze periode gemeten. De meetresultaten daarvan zijn echter lastig te interpreteren, vermoedelijk door temperatuur- en grondwaterwisselingen. Er lijkt echter wel kruipgedrag in het hout op te treden waardoor de kracht op de paalkop afneemt en de compressie in de paal oploopt. Deze resultaten moeten nog nader worden geanalyseerd.
Proefbelastingen op trek
Vier palen zijn onderworpen aan proefbelastingen op trek. Om de trekbelasting in de paal af te leiden is een stalen trekframe met in totaal 44 houtdraadbouten aan de vierkant gezaagde paalkop bevestigd. Een deel van de palen was ook al eerder onderworpen aan andere proeven. Een overzicht hiervan kan gevonden worden in Tabel 2.
Tabel 2 Testgeschiedenis trekpalen
| Paalnummer | NPR proef druk | Snelle proef druk | Lange duur 80% | Proef trek |
| 175 | X | X | ||
| 187 | X | X | X | |
| 576 | X | X | X | X |
| 592 | X | X |
Momenteel worden de resultaten van de proeven op trek in de master-thesis van Dianne Jacobs uitgewerkt.
De gemiddelde bezwijkbelasting is ca. 230 kN. Kijkend naar de krachtsafdracht over de lengte van de paal, lijkt een correlatie met de plaatselijke wrijving in een sondering met kleefmeting een betere parameter om de schachtwrijving mee te bepalen dan de conusweerstand. De veenlagen leveren een grotere schachtwrijving dan de kleilagen.
Conclusie
De instrumentatie met gedistribueerde glasvezelrekopnemers heeft goed gefunctioneerd. Twee master studenten van TUDelft zijn bezig (geweest) met het uitwerken van de meetdata.
In de proeftuin Overamstel zijn 16 palen proefbelast op druk tot bezwijken, conform het NPR protocol. Daarnaast zijn nog 4 palen onderworpen aan een snelle proefbelasting, waarbij zonder ontlast-herbelaststappen op basis van kruipgedrag tot bezwijken werd getest. Dit leek geen significant verschil in draagkracht op te leveren maar wel een enorme tijdswinst (proeven ca. 4 u in plaats van ca. 12 u). Het verdient aanbeveling om het NPR protocol op dit punt te optimaliseren.
Indien bij de proeven op druk uitgegaan wordt van bezwijken = 10% van de paalpuntdiameter als blijvende verplaatsing, dan wordt een gemiddelde bezwijklast van ca. 400 kN gevonden. Daarvan wordt iets minder dan de helft gemobiliseerd in de zandlaag rond de punt van de paal, de rest is kleef in de klei- en veenlagen langs de paalschacht. Dit betekent dat als negatieve kleef volledig zou ontwikkelen, er weinig of geen netto draagvermogen beschikbaar is. Doordat de meeste constructies op houten palen echter behoorlijk dichte palenvelden hebben (h.o.h. afstanden vaak ca. 1 m), zal vrijwel geen negatieve kleef binnen het palenveld kunnen optreden. Bij ruimere h.o.h. afstanden als negatieve kleef wel zou kunnen ontwikkelen, of langs de randen van palenvelden, zal de constructie in de tijd zakking kunnen vertonen. Voor kortdurende situaties waarbij geen consolidatie-effecten plaats kunnen vinden, zou van positieve kleef over de gehele lengte van de paal uitgegaan mogen worden. Voor langdurende belastingen moet rekening worden gehouden met een doorgaande zetting die een relatie zal hebben met de plaatselijke maaiveldzetting maar die ook sterk afhankelijk zal zijn van de plaatselijke geometrie en het palenplan.
Voor proefbelastingen op druk moeten de heispanningen worden meegenomen in de analyse van de gegevens omdat anders het puntdraagvermogen wordt onderschat.
Uit zowel de proeven op trek als op druk blijkt een zeer hoge plaatselijke krachtsafdracht van de schacht naar de klei- en veenlagen. Het is mogelijk dat er een betere correlatie tussen schachtwrijving en plaatselijke wrijving (gemeten met de wrijvingsmantel) aanwezig is dan tussen schachtwrijving en conusweerstand. Het verdient aanbeveling om de ontwerpmethoden voor zowel negatieve kleef als schachtwrijving te heroverwegen waarbij kan worden onderzocht of deze kan worden gebaseerd op de meting van de plaatselijke wrijving in plaats van op de qc meting. Dit is alleen aan te bevelen wanneer de betrouwbaarheid/reproduceerbaarheid van de plaatselijke kleefmeting gelijk is aan (of beter is dan) die van de conusweerstand.
Referenties
Honardar (2020), Geotechnical Bearing Capacity of Timber Piles in the City of Amsterdam: Derivation of bearing capacity prediction factors based on static load tests conducted on instrumented timber piles
Hutcheson, Spruit (2019), Draaiboek proefopstelling houten palen, PCVB Toetsingskader Amsterdamse Bruggen (TAB), Projectteam Houten palen
NEN (2017), NPR-7201, Geotechniek- Bepaling van het axiaal draagvermogen van funderingspalen door middel van proefbelasten
NEN (2017), NEN-9997-1, Geotechnisch ontwerp van constructies – Deel 1: Algemene regels
Spruit (2020), Proeftuin Overamstel, Feitenrapportage proefbelastingen op houten palen
Spruit (2020), Proeftuin Overamstel, Draaiboek verkorte bezwijkproef / kleefproef
