CSM Wand Studie

voorwoordWij willen graag iedereen bedanken die zijn steentje heeft bijgedragen bij het realiseren van deze thesis. Hierbij denken wij in de eerste plaats aan onze binnenpromotor dr.ir. Van de Walle Bjrn en onze buitenpromotor ing. Leemans Eric. Zonder hun tijd en deskundig advies zou deze thesis immers niet zijn wat het nu geworden is. Daarnaast danken wij ook het bedrijf Soetaert nv. voor de hulp die ze geboden hebben bij het nemen van proefstukken en het verkrijgen van allerhande informatie. Graag danken wij eveneens ing. Boehme Luc, voor de geboden hulp bij het uitwerken van de proeven en ir. Cheyns Jozef voor de hulp bij het bijeensprokkelen van informatie. Beiden hebben ook de nodige tips gegeven wanneer we het bos door de bomen niet meer zagen. Eveneens willen wij ook een woordje van dank richten aan ing. Bruneel Jonas die, ondanks zijn eigen werk, ruimte wist te maken om ons bij te staan bij het nemen van de proefstukken en het tonen van het werkingsproces van de techniek. Ook willen wij hierbij gebruik maken om onze ouders eens te bedanken, voor het verkrijgen van de kans om deze studies te voltooien en om de steun die ze tijdens onze studieperiode gegeven hebben. En tot slot willen we ook onze medestudenten en het ganse lerarenkorps bedanken voor de fijne jaren. In het bijzonder willen we diegenen bedanken die geholpen hebben bij het vele labo- en berekenwerk.

Thomas, Arne, Gert en Jan mei 2007

Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

1

AbstractDe cutter soil mix techniek is een recent ontwikkelde techniek om grond - en/of waterkerende wanden te vervaardigen. Ze kent al veel toepassingen, maar het is ook een techniek waar nog veel onderzoek naar verricht kan worden. In deze thesis wordt in de eerste plaats een omschrijving gegeven van het CSMsysteem met zijn voor- en nadelen. Daarbij worden eerst de bestaande en verwante gronden waterkerende systemen beschreven die aan de basis liggen voor het ontwikkelen van de CSM-techniek. Na deze literatuurstudie worden de testen en de daarbij horende resultaten beschreven. Er werd onderzoek verricht naar de verschillende eigenschappen, die een CSM-wand bezit, in diverse soorten ondergrond. Eigenschappen zoals stijfheid, buigtreksterkte, druksterkte, ... werden onderzocht op uitgeboorde kernen zodat een indicatie verkregen werd over de juiste dimensionering van de wand en de wapening die erin verwerkt wordt. De benodigde wapening is afhankelijk van een aantal factoren zoals het buigmoment, de plaats van het anker, de uitwijking die kan/zal optreden, ... . De gevonden waarde voor de E-modulus ligt tussen 4900 MPa en 7625 MPa. De gemiddelde buigtreksterkte bedraagt 1,45 MPa en de druksterkte 6 7 MPa. Aan de hand van de door onderzoek bepaalde E-modulus en de vooropgestelde Emodulus werd een vergelijkende studie uitgevoerd naar de buigmomenten en de uitwijkingen, met behulp van het software programma Msheet. Bij een grotere stijfheid stijgt de waarde van de buigmomenten en verkleint de uitwijking. Ten slotte werden drie verschillende berekeningsmethodes voor damwanden, namelijk de Amerikaanse methode, de methode van verende bedding (Msheet) en de eindig elementen methode (Plaxis) vergeleken met elkaar. Hierbij gaf de laatst genoemde de kleinste waarden voor de buigmomenten, en de Amerikaanse methode de grootste. De uitwijkingen waren het kleinst bij gebruik van de Amerikaanse methode en het grootst bij gebruik van de methode van verende bedding (Msheet).Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

2

INHOUDSOPGAVEVoorwoord Abstract....2 Inhoudsopgave...3 Figurenlijst...7 Tabellenlijst. .11 Afkorting- en begrippenlijst..12 Inleiding..15 A1

LITERATUUR ....................................................................................................16Historiek van het Cutter Soil Mix Systeem (CSM)..................................................................................16 1.1 Wanden die grond en/of waterkerend zijn ..........................................................................................17 1.1.1. Berlinerwand ..................................................................................................................................17 1.1.2. Damwand .......................................................................................................................................18 1.1.3. Diepwanden/ slibwanden ...............................................................................................................18 1.1.4. Continue diepwand (continuous diaphragm walls CDW) ..............................................................20 1.1.5. Waterschermen...............................................................................................................................22 1.1.6. Palenwand ......................................................................................................................................22 1.1.7. Grondvernageling...........................................................................................................................23 1.2 Grondstabilisatie door mengen van grond met substanties .................................................................25 1.2.1. Injecteren met cementsuspensies....................................................................................................25 1.2.2. Chemische injectie. ........................................................................................................................25 1.2.3. Grouten...........................................................................................................................................26 1.3 De Soil mix-methode ..........................................................................................................................27 1.3.1. Soil mix procd.............................................................................................................................27 De cutter soilmix (CSM).............................................................................................................................30 2.1 Systeem ...............................................................................................................................................30 2.1.1. Wat is Soil-Mix ..............................................................................................................................30 2.1.2. Voorafgaand onderzoek .................................................................................................................30 2.1.3. De Cutter Soil Mixer ......................................................................................................................31 2.1.4. Werkwijze ......................................................................................................................................40 2.1.5. Prijsfactoren ...................................................................................................................................42 2.1.6. Algemene benodigdheden : ............................................................................................................43 2.2 Toepassingen.......................................................................................................................................47 2.2.1. De eerste test (Aresing Duitsland)...............................................................................................47 2.2.2. Test in Japan...................................................................................................................................48 2.2.3. Keer muur in Nederland .................................................................................................................49 Voor en nadelen CSM ................................................................................................................................51 3.1 Voordelen:...........................................................................................................................................51 3.2 Nadelen: ..............................................................................................................................................52 Mengsel........................................................................................................................................................53 4.1 Combinatie van cement en grond:.......................................................................................................53 4.2 Bindmiddel en interactie met grond:...................................................................................................54 4.3 Toeslagstoffen.....................................................................................................................................55 4.4 Onderzoek naar invloed mengsel op eigenschappen...........................................................................56 4.5 Duurzaamheid van de wand. ...............................................................................................................58 4.6 Materialen: ..........................................................................................................................................59 4.6.1. Ontwerpfactoren.............................................................................................................................59 4.6.2. Ontwerpreferentie...........................................................................................................................60Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

2

3

4

3

5

Prijzen..........................................................................................................................................................61 5.1 Prijzen die behaald werden voor het CSM systeem ............................................................................61 Werfomschrijving.......................................................................................................................................62 6.1 Haaltert I & Haaltert II........................................................................................................................62 6.1.1. Werfomschrijving...........................................................................................................................62 6.1.2. Geboorde proefstukken ..................................................................................................................64 6.1.3. Liggingsplan boringen en sonderingen ..........................................................................................66 6.1.4. Sondering .......................................................................................................................................67 6.1.5. Boringen.........................................................................................................................................68 6.2 Machelen.............................................................................................................................................70 6.2.1. Werfomschrijving...........................................................................................................................70 6.2.2. Geboorde proefstukken ..................................................................................................................71 6.2.3. Sondering .......................................................................................................................................72 6.2.4. Boring.............................................................................................................................................73 6.3 Harelbeke ............................................................................................................................................74 6.3.1. Werfomschrijving...........................................................................................................................74 6.3.2. Geboorde proefstukken ..................................................................................................................74 6.3.3. Sonderingen....................................................................................................................................75 6.3.4. Boringen.........................................................................................................................................77 6.4 Kortrijk................................................................................................................................................78 6.4.1. Werfomschrijving...........................................................................................................................78 6.4.2. Geboorde proefstukken ..................................................................................................................79 6.4.3. Liggingsplan boringen....................................................................................................................80 6.4.4. Boringen.........................................................................................................................................81 Onderzoeksprogramma op de geboorde proefstukken ...........................................................................83 7.1 De verschillende proeven....................................................................................................................83 7.1.1. De driepuntsbuigproef....................................................................................................................83 7.1.2. De drukproef ..................................................................................................................................84 7.1.3. De proef ter bepaling van de statische elasticiteitsmodulus ...........................................................84 7.1.4. Bepaling van de schijnbaar volumieke massa ........................ Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd. 7.2 De voorbereiding van de proefstukken ...............................................................................................86

6

7

B1 2 3 4 5

BEREKENING CSM-WAND: THEORETISCHE BESCHOUWINGEN...............87Inleiding.......................................................................................................................................................87 Grondspanning ...........................................................................................................................................88 Korrelspanning ...........................................................................................................................................88 Waterspanning............................................................................................................................................90 Grondwater .................................................................................................................................................92 5.1 Grondwaterregimes.............................................................................................................................92 5.2 Grondwaterstromingen........................................................................................................................93 Damwanden.................................................................................................................................................94 6.1 De eenvoudige methode......................................................................................................................94 6.1.1. Damwand in homogene grond .......................................................................................................94 6.1.2. Waterspanningen............................................................................................................................98 6.1.3. Damwand in gelaagde grond. .......................................................................................................102 6.2 De Amerikaanse methode .................................................................................................................103 6.3 Msheet...............................................................................................................................................107 6.3.1. Voorbeschouwing.........................................................................................................................107 6.3.2. Overzicht van de mogelijkheden van Msheet...............................................................................107 6.3.3. Onderdelen in Msheet ..................................................................................................................109 6.3.4. Theoretische achtergrond .............................................................................................................112Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

6

4

7

Dimensionering van de wapening in de csm wand ............................................................................125

C1 2 3

RESULTATEN .................................................................................................126De buigtreksterkte ....................................................................................................................................126 De drukproef .............................................................................................................................................126 De statische elasticiteitsmodulus .............................................................................................................127 3.1 Haaltert I ...........................................................................................................................................127 3.2 Machelen...........................................................................................................................................127 3.3 Harelbeke ..........................................................................................................................................128 3.4 Kortrijk..............................................................................................................................................129

D1 2 3

RESULTAATBESPREKING ............................................................................130Driepuntsbuigproef ..................................................................................................................................130 Drukproef..................................................................................................................................................132 De statische elasticiteitsproef ...................................................................................................................134

E BEREKENEN SOILMIX WAND M.B.V. HET SOFTWAREPROGRAMMA MSHEET..................................................................................................................1351 2 Doel ............................................................................................................................................................135 Algemeen ...................................................................................................................................................135 2.1 Karakteristieken van soilmix wand:..................................................................................................135 2.1.1. Soil mix wand van 10 meter hoog:...............................................................................................135 2.1.2. Stijfheid EI ...................................................................................................................................136 2.1.3. Anker............................................................................................................................................137 2.1.4. Beddingsconstante kh ...................................................................................................................137 Resultaten van de berekening met Msheet .............................................................................................139 3.1 Harelbeke ..........................................................................................................................................139 3.1.1. Berekening met de vooropgestelde E-modulus (5300 N/mm) ....................................................139 3.1.2. Berekening met de proefondervindelijk bepaalde E-modulus, (4918 N/mm).............................143 3.1.3. Besluit ..........................................................................................................................................145 3.2 Kortrijk..............................................................................................................................................146 3.2.1. Berekening met de vooropgestelde E-modulus (5300 N/mm) ....................................................146 3.2.2. Berekening met de proefondervindelijk bepaalde E-modulus (5756 N/mm)..............................149 3.2.3. Besluit ..........................................................................................................................................151 3.3 Haaltert..............................................................................................................................................152 3.3.1. Berekening met de vooropgestelde E-modulus (5300 N/mm) ....................................................152 3.3.2. Berekening met de proefondervindelijk bepaalde E-modulus (7274 N/mm)..............................155 3.3.3. Besluit ..........................................................................................................................................157 3.4 Machelen...........................................................................................................................................158 3.4.1. Berekening met de vooropgestelde E-modulus (5300 N/mm) ....................................................158 3.4.2. Berekening met de proefondervindelijk bepaalde E-modulus (7625 N/mm)..............................161 3.4.3. Besluit ..........................................................................................................................................163 3.5 Resultaatbespreking ..........................................................................................................................164

3

F

VERGELIJKING VAN DE VERSCHILLENDE BEREKENINGSMETHODES.1651.1 1.2 1.3 De Amerikaanse methode .................................................................................................................166 De methode van verende bedding met behulp van M-sheet..............................................................169 De eindige elementen methode met behulp van Plaxis .....................................................................170Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

5

1.4

Besluiten ...........................................................................................................................................172

G

ALGEMENE CONCLUSIE ...............................................................................174

LIJST VAN DE BIJLAGEN .....................................................................................175 LITERATUURLIJST ................................................................................................176


6

Figurenlijst:Figuur 1:Berlinerwand..........................................................................................................17 Figuur 2:Grijper....................................................................................................................19 Figuur 3:Uitvoering continue diepwand................................................................................21 Figuur 4:Stabiliteit grondvernageling....................................................................................23 Figuur 5:Werkcyclus grondvernageling ................................................................................24 Figuur 6:Soil mix procd ....................................................................................................28 Figuur 7:Uitvoering soil mix procd ...................................................................................28 Figuur 8:CSM frees ..............................................................................................................31 Figuur 9:Types frezen...........................................................................................................32 Figuur 10:Geleidingstypes....................................................................................................33 Figuur 11:Monokelly systeem ..............................................................................................34 Figuur 12:hulpstukken geleidingsysteem ..............................................................................35 Figuur 13:hulpstukken flensverbinding.................................................................................36 Figuur 14:hulpstukken voedingsbuis.....................................................................................36 Figuur 15:kelly bar met rechthoekige doorsnede...................................................................36 Figuur 16:hulpstukken sleen ...............................................................................................36 Figuur 17:Bedieningspaneel .................................................................................................37 Figuur 18:kabelsysteem met zijkanten ingetrokken...............................................................38 Figuur 19: kabelsysteem met zijkanten uitgezet ....................................................................38 Figuur 20:Kabelsysteem .......................................................................................................38 Figuur 21:kabelsysteeem op kraan gemonteerd.....................................................................39 Figuur 22:Kabelsysteem .......................................................................................................39 Figuur 23:Werkvolgorde ......................................................................................................41 Figuur 24:Mixprocd ..........................................................................................................41 Figuur 25:Benodigdheden CSM unit.....................................................................................43 Figuur 26:Benodigdheden Mixing plant................................................................................43 Figuur 27:Mixing plant.........................................................................................................44 Figuur 28:Benodigdheden luchtcompressor en voedingspomp ..............................................44 Figuur 29:Voedingspomp .....................................................................................................45 Figuur 30:Luchtcompressor ..................................................................................................45 Figuur 31:Benodigdheden ontzander en bentontiet opslagtank..............................................45 Figuur 32:Ontzander.............................................................................................................46 Figuur 33:Opslagtank ...........................................................................................................46 Figuur 34:Test Aresing.........................................................................................................48 Figuur 35:Test Japan ............................................................................................................49 Figuur 36:Test Nederland .....................................................................................................50 Figuur 37:Werkoverzicht Haaltert (Welle)............................................................................62 Figuur 38:Liggingsplan Haaltert (Welle) ..............................................................................63 Figuur 39: Fotos boren proefstukken Haaltert I....................................................................64 Figuur 40:Foto's boren proefstukken Haaltert II....................................................................65 Figuur 41:Liggingsplan boringen en sonderingen .................................................................66 Figuur 42:Sondering Haaltert................................................................................................67 Figuur 43:Boring 1 Haaltert..................................................................................................68 Figuur 44:Boring 2 Haaltert..................................................................................................69 Figuur 45: Foto's werf Machelen ..........................................................................................70 Figuur 46: Liggingsplan Machelen .......................................................................................71 Figuur 47: foto's boren proefstukken Machelen ....................................................................71Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

7

Figuur 48:Sondering Machelen.............................................................................................72 Figuur 49:Boring Machelen..................................................................................................73 Figuur 50:Foto's boren proefstukken Harelbeke....................................................................74 Figuur 51:Sondering1 Harelbeke ..........................................................................................75 Figuur 52:Sondering2 Harelbeke ..........................................................................................76 Figuur 53:Boring Harelbeke .................................................................................................77 Figuur 54:Liggingsplan Kortrijk ...........................................................................................78 Figuur 55:Foto's boren proefstukken Kortrijk .......................................................................79 Figuur 56:Liggingsplan boringen..........................................................................................80 Figuur 57:Boring1 Kortrijk...................................................................................................81 Figuur 58:Boring2 Kortrijk...................................................................................................82 Figuur 59:Drukbank .............................................................................................................83 Figuur 60:buigtrek opstelling................................................................................................83 Figuur 61:Opstelling drukproef.............................................................................................84 Figuur 62:Opstelling bepaling statische E-modulus ..............................................................85 Figuur 63:Korrelspanningen .................................................................................................89 Figuur 64:Grond-, korrel, waterdrukken ...............................................................................91 Figuur 65:Water over- en onderspanning ..............................................................................91 Figuur 66:Grondwaterregimes ..............................................................................................92 Figuur 67:Standaarduitvoering damwand..............................................................................94 Figuur 68:Dwarskracht en Buigend moment.........................................................................98 Figuur 69:Damwand in grond met grondwater....................................................................100 Figuur 70:Gelaagde grond ..................................................................................................103 Figuur 71:Figuren Amerikaanse methode ...........................................................................105 Figuur 72:Overzicht mogelijkheden M-sheet ......................................................................107 Figuur 73:Spanning-rek relatie (trek) van ankers ................................................................108 Figuur 74:Spanning-verplaatsing diagramma......................................................................108 Figuur75:Belastingsmogelijkheden.....................................................................................110 Figuur 76:Krachtenfiguur ...................................................................................................114 Figuur 77:Elasto-plastisch gedrag.......................................................................................118 Figuur 78:Verschuiving van het diagramma........................................................................119 Figuur 79:Korte ankers .......................................................................................................120 Figuur 80:Lange ankers ......................................................................................................121 Figuur 81:Glijvlakken.........................................................................................................122 Figuur 82:Wrijvingskrachten ..............................................................................................123 Figuur 83:Proefstuk Machelen............................................................................................131 Figuur 84:Proefstuk Harelbeke ...........................................................................................131 Figuur 85:Proefstuk HaaltertI .............................................................................................133 Figuur 86:Proefstuk HaaltertII ............................................................................................133 Figuur 87:Proefstuk Haaltert...............................................................................................134 Figuur 88:Algemene karakteristieken .................................................................................135 Figuur 89:Afmetingen csm moot ........................................................................................136 Figuur 90:Anker algemeen .................................................................................................137 Figuur 91:Karakteristieken Enormaal Harelbeke................................................................139 Figuur 92:Anker Enormaal Harelbeke ................................................................................139 Figuur 93:Constructietekening zonder uitgraving Harelbeke...............................................140 Figuur 94:Eigenschappen Harelbeke...................................................................................140 Figuur 95:Beddingsconstante Harelbeke.............................................................................141 Figuur 96:Constructietekening met uitgraving Harelbeke ...................................................141 Figuur 97:Resultaatcurves Enormaal Harelbeke.................................................................142Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

8

Figuur 98: Resultaat Enormaal Harelbeke...........................................................................142 Figuur 99:Stijfheid Enieuw.................................................................................................143 Figuur 100:Maxima Enieuw Harelbeke ..............................................................................143 Figuur 101:Anker Enieuw Harelbeke..................................................................................143 Figuur 102:Resultaatcurves Enieuw Harelbeke ...................................................................144 Figuur 103:Resultaat Enieuw Harelbeke .............................................................................144 Figuur 104:Maxima Enormaal Kortrijk...............................................................................146 Figuur 105:Anker Enormaal Kortrijk..................................................................................146 Figuur 106: Constructietekening zonder uitgraving Kortrijk ...............................................147 Figuur 107: Eigenschappen Kortrijk ...................................................................................147 Figuur 108:Beddingsconstante Kortrijk ..............................................................................147 Figuur 109: Constructietekening met uitgraving Kortrijk ....................................................148 Figuur 110:Resultaatcurves Enormaal Kortrijk ...................................................................148 Figuur 111:Resultaatbespreking Enormaal Kortrijk ............................................................149 Figuur 112: Enieuw kortrijk................................................................................................149 Figuur 113:Maxima Enieuw Kortrijk..................................................................................149 Figuur 114:Anker Enieuw Kortrijk .....................................................................................150 Figuur 115:Resultaatcurves Enieuw Kortrijk ......................................................................150 Figuur 116:Resultaatbespreking Enieuw Kortrijk................................................................151 Figuur 117:Maxima Enormaal Haaltert...............................................................................152 Figuur 118:Anker Enormaal Haaltert..................................................................................152 Figuur 119: Constructietekening zonder uitgraving Haaltert ...............................................153 Figuur 120:Eigenschappen Haaltert ....................................................................................153 Figuur 121:Beddingsconstante Haaltert ..............................................................................153 Figuur 122: Constructietekening met uitgraving Haaltert ....................................................154 Figuur 123:Resultaatcurves Enormaal Haaltert ...................................................................154 Figuur 124:Resultaatbespreking Enormaal Haaltert ............................................................155 Figuur 125:Enieuw Haaltert................................................................................................155 Figuur 126:Maxima Enieuw Haaltert..................................................................................155 Figuur 127:Anker Enieuw Haaltert .....................................................................................156 Figuur 128:Resultaatcurves Enieuw Haaltert ......................................................................156 Figuur 129:Resultaatbespreking Enieuw Haaltert................................................................157 Figuur 130:Maxima Enormaal Machelen............................................................................158 Figuur 131:Anker Enormaal Machelen ...............................................................................158 Figuur 132: Constructietekening zonder uitgraving Machelen.............................................158 Figuur 133:Eigenschappen Machelen .................................................................................159 Figuur 134:Beddingsconstante Machelen............................................................................159 Figuur 135: Constructietekening met uitgraving Machelen .................................................160 Figuur 136:Resultaatcurves Enormaal Machelen ................................................................160 Figuur 137:Resultaatbespreking Enormaal Machelen..........................................................161 Figuur 138:Enieuw Machelen.............................................................................................161 Figuur 139:Maxima Enieuw Machelen ...............................................................................161 Figuur 140:Anker Enieuw Machelen ..................................................................................162 Figuur 141:Resultaatcurves Enieuw Machelen....................................................................162 Figuur 142:Resultaatbespreking Enieuw Machelen.............................................................163 Figuur 143:Grondprofiel.....................................................................................................165 Figuur 144:Grondeigenschappen (1)...................................................................................166 Figuur 145:Grondeigenschappen (2)...................................................................................166 Figuur 146: Uitwijking .......................................................................................................168 Figuur 147: Momentenlijn ..................................................................................................168Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

9

Figuur 148:Momenten, reactiekrachten en uitwijking .........................................................169 Figuur 149:Buigmomenten .................................................................................................170 Figuur 150:Uitwijking ........................................................................................................171


10

TabellenlijstTabel 1: Overzicht types machines (a) ..................................................................................34 Tabel 2:Overzicht types machines (b) ...................................................................................35 Tabel 3:Bindmiddelen ..........................................................................................................60 Tabel 4:Wandkarakteristieken ..............................................................................................60 Tabel 5:Volumieke massa's ..................................................................................................87 Tabel 6:Doorlatendheidscofficinten...................................................................................93 Tabel 7: inheidiepte damwand (d/h)......................................................................................96 Tabel 8:Ankerkracht damwand (T/Fa) ..................................................................................97 Tabel 9:Damwandberekeningen............................................................................................97 Tabel 10:Wandwrijving ......................................................................................................117 Tabel 11:Resultaten buigtreksterkte....................................................................................126 Tabel 12:Resultaten drukproef............................................................................................126 Tabel 13 Momenten, hoekverdraaiing en de uitwijking bij de Amerikaanse methode..........166 Tabel 14:Vergelijking M-sheet met de Amerikaanse methode ............................................172


11

Afkorting- en begrippenlijstCSM: CFA palen: d 50%[mm]: w/c factor: E [MPa]: PH-buffer: CUR: RV [%]: [MPa]; [kPa]:f ct , fl [kN]:

Cutter Soil Mix Continuous Flight Auger palen Diameter van korrel waarbij de helft door zeef valt Water/cement factor E-Modulus , youngs modulus of elasticiteitsmodulus Uitdrukking voor zuurtegraad Civieltechnische Centrum Uitvoering Research en Regelgeving Relatieve Vochtigheid Normaalspanning Buigtreksterkte Maximale kracht Relatieve verkorting/verlenging Massa Volume Grondspanning Korrelspanning Waterspanning Schuifspanning Kracht Stroomsnelheid Doorlatendheidscofficient Verhang Laterale gronddruk cofficint onder actieve bezwijking Laterale gronddruk cofficint onder passieve bezwijking Laterale spanningsverhouding wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de horizontale en de verticale effectieve spanningen. Volumegewicht Wrijvingshoek tussen de wand en de grond Hoek van inwendige wrijving LijnlastMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

Fmax [kN]: : M [kg]: V [m]:

gr [kPa]: k [kPa]: w [kPa]: [kPa]:N [kN]: v [m/s]: k [m/s]: i: Ka : Kp: K0:

[(k)N/m]:

[]: []:P [kN/m]:

12

h [kPa]:C [kN/m]: qc [MPa]: k [N/m]: Fa [N]:

Bijkomende horizontale grondspanning, als gevolg van een lijnlast Cohesie Conusweerstand Veerkarakteristieken Totale actieve kracht Horizontale spanning Verticale spanning Horizontale effectieve spanning Verticale effectieve spanning Waterspanning Dwarskracht Moment Actieve kracht Waterniveau Wrijvingshoek Traagheidsmoment Totale druk op de ligger per lopende meter, inclusief de reactie van de grondveren. Factor, als gevolg van de buiging van het anker Horizontale cohesiekracht langs het glijvlak Horizontale druk op het diep glijvlak Actieve druk op de ankerwand Actieve druk op de damwand Partiele materiaalfactor Representatieve conusweerstand Conusweerstand factor Vormfactoren Paalfactor, gaande van 0,5 voor sommige geboorde paaltypes tot 1 voor sommige geheide palen. Gemiddelde conusweerstand over traject III Gemiddelde conusweerstand over traject II Gemiddelde conusweerstand over traject IMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

xx [kPa]: zz [kPa]:

'xx [kPa]:

'zz [kPa]:p [kPa]: Q [kN]: M [kNm]: Fa [kN]: Zw [m]: ]: [ I [m4]:f [kN/m]:

Es [kN]: Ec [kN]: Er [kN]: E0 [kN]: Ea [kN]: m,b: pr;max;punt [kPa]: : ,s: p: qc;III;mean [kN]: qc;II;mean [kN]: qc;I;mean [kN]:

13

NEN: Wel [mm]: A [mm]: MAB [kNm]: kh [kN/m]: Wpl [mm]:

Nederlandse norm Elastisch weerstandsmoment Doorbuiging Moment verkregen door de horizontale grondbelasting Beddingsconstante Plastisch weerstandsmoment


14

InleidingCutter Soil Mix (CSM) is een recent ontwikkelde techniek waarbij in de grond gevormde wanden worden gecreerd. Deze wanden hebben een gronden/of waterkerende functie. Bij de CSM-techniek wordt de grond met een suspensie op basis van cement gemengd met behulp van een freesinstallatie. De CSM-methode wordt vooral toegepast als beschoeiing en om droge bouwkuipen uit te graven. Door de recente invoering en de nog niet zo bekende problemen van het systeem is het nog moeilijk om voet aan wal te krijgen op de Belgische markt van de funderingen en beschoeiingen. De bouwbedrijven houden zich nog sterk vast aan de reeds bekende methodes. De eigenschappen van de gevormde wanden in de verschillende grondsoorten zijn nog niet vastgelegd. Momenteel worden de CSM-wanden gewapend met stalen profielen waarbij weinig rekening wordt gehouden met de sterkte van de eigenlijke CSM. Mogelijks wordt de wapening hierdoor overgedimensioneerd. Met deze thesis wordt onderzoek verricht naar de eigenschappen van de wand en de mogelijkheid om de hoeveelheid wapening te optimaliseren. Tevens wordt ook het systeem uitgebreid beschreven. De thesis is opgebouwd uit een overzicht van bestaande gronden waterkerende systemen waarvoor de Cutter Soil Mix techniek een oplossing kan bieden. Daarna wordt het ganse CSM systeem uit de doeken gedaan met de daarbij gebruikte berekeningen om tot een dimensionering van de wapening te komen. Na deze bespreking worden de resultaten van de proeven, om de eigenschappen van het materiaal te bepalen, weergegeven. Tenslotte worden conclusies getrokken uit de bekomen resultaten.


15

A Literatuur

1 Historiek van het Cutter Soil Mix Systeem (CSM)Een CSM wand is een niet-grondverdringende en in de grond gevormde wand. Deze wand heeft enkele belangrijke functies te vervullen. Een CSM wand zal een waterkerende en/of een grondkerende functie hebben. Als de wand niet grondkerend is, dan zal het niet nodig zijn om deze soilmixwand te wapenen. Wanneer de soilmixwand gebruikt wordt als grondkerende constructie om bijvoorbeeld een bouwput te maken, dan zal deze gewapend worden. Deze grondkerende constructie zal evengoed het grondwater weerhouden om in de bouwput te stromen. De CSM wand is ontstaan uit een combinatie van bestaande methodes om deze functies ( grondkerend en waterondoorlatend) uit te voeren. Enkele jaren geleden rees de vraag om een betere, goedkopere, makkelijker uit te voeren manier kon bedacht worden om een bouwput te maken en/of een bouwput droog te houden. Bij zo een onderzoek is het belangrijk om de nadelen en voordelen van de huidige systemen te onderzoeken, deze tegen elkaar af te wegen en hierbij oplossingen te zoeken voor de nadelen. De mogelijkheden zijn ofwel een nieuwe machine ontwikkelen, of wel bestaande methodes verder te ontwikkelen om deze goedkoper, sneller en beter te maken. Op deze manier kan geconcludeerd worden dat de CSM wand ontstaan is uit verscheidene andere systemen die ook grond- of waterkerend waren. In deze optiek worden eerst de verschillende systemen en methodes besproken die op n of ander manier een voorloper zijn van de CSM wand.


16

1.1 Wanden die grond en/of waterkerend zijnEerst wordt een klein overzicht gegeven van de verschillende soorten wanden die momenteel kunnen dienst doen als grond - en/of waterkerende muur.

1.1.1.

Berlinerwand

Een berlinerwand bestaat uit stalen profielen. Deze stalen profielen worden ingeheid, ingeboord of met hoogfrequente golven in de grond getrild. Tussen die verticale weerstandbiedende elementen kunnen dan stalen, betonnen of houten platen tussen geschoven worden. Eventueel kan er ook gewerkt worden met spuitbeton. Om te voorkomen dat de grond ontspant zullen de platen zoveel mogelijk in de grond gedrukt worden.

Figuur 1:Berlinerwand

Indien de platen niet ingedreven kunnen worden, zal de grond eerst iedere keer worden ontgraven om nadien de platen in de profielen te schuiven. Hiervoor is het wel nodig dat de grond toch een zekere cohesie heeft. Indien de verticale stalen profielen de horizontale drukkracht niet aankunnen dan kan toch evenwicht gevonden worden door het inbrengen van grondankers. Hierdoor zal de uitwijking van het vrijstaande stuk wand niet te groot worden en eventueel bezwijken. De berlinerwand is in hoofdzaak een grondkerende constructie maar kan na installatie ook deels als waterkerende wand gebruikt worden, maar daar mogen geen wonderen van verwacht worden.Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

17

1.1.1.1. Nadelen Dit systeem brengt hoge kosten met zich mee. Berlinerwanden zijn wanden waarvoor veel materiaal gebruikt wordt, dat in principe wel recycleerbaar is. Het systeem is ook tijdrovend. Het tijdrovende karakter wordt mede bepaald door de omstandigheden waarin het werk wordt uitgevoerd. De berlinerwand is in eerste instantie enkel grondkerend en de installatie moet in het droge gebeuren. Er moet dus eerst een grondbemaling gebeuren of een waterkerende wand aangebracht worden.

1.1.2.

Damwand

Damwanden worden opgebouwd door, in elkaar grijpende, stalen profielen in de grond te drukken, (hoogfrequent) te trillen of te heien. Deze wand is een water- en grondkerende constructie die gebruikt wordt wanneer een berlinerwand geen oplossing biedt. Een damwand wordt vooral als tijdelijke oplossing aangewend. Een damwand kan ook gebruikt worden in combinatie met een waterscherm (zie 1.1.5Waterschermen).

Dit waterscherm ligt dan een paar meter buiten de bouwput en omsluit

deze helemaal. Op deze manier kan een goedkoper waterscherm met kortere damplanken gecombineerd worden om een bouwput droog te leggen.

1.1.2.1. Nadelen Het tijdrovende aspect van een berlinerwand valt bij deze methode weg, maar er is wel een beperking betreffende de hoogte van de te keren grondmassa. Maar ook deze beperking valt te bezien wanneer er grondankers gebruikt worden.

1.1.3.

Diepwanden/ slibwanden

Het diepwandprocd is een niet-grondverdringende manier om een wand te fabriceren in de grond. Eerst wordt een sleuf uit de grond gegraven met behulp van grijpers, graafschoppen, avegaren, booremmers, boorkoppen, fraisen of combinaties hiervan. Het werkelijk gebruikte graafmateriaal zal afhankelijk zijn van vele factoren zoals de eis voor een regelmatige dwarsdoorsnede, de tolerantie van de gaten, mate van verstoring van de bodem van de sleuf enz. .Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

18

Het meest universeel gebruikte graafwerktuig is een zwaar uitgevoerde grijper gebleken.

Figuur 2:Grijper

Deze grijper kan bediend worden met behulp van zware hijskabels of van een geleidestang, ook kellybar genoemd. Deze geleidestang heeft als bijkomend voordeel dat er een betere besturing van de grijper mogelijk is. Bovendien kan er een extra neerwaartse druk uitgeoefend worden waardoor de grijper dieper kan indringen in de ondergrond. Vroeger was het indringen in de ondergrond afhankelijk van het zware gewicht van de grijper. Met de geleidestang is het ook mogelijk om controle uit te oefenen op de stand van de gegraven sleuf. De gevormde sleuf wordt al tijdens het graven opgevuld met de steunvloeistof bentoniet. Dit bentoniet voert een horizontale steundruk uit op de kanten van de gevormde wand, waardoor deze niet opnieuw invalt. De bentonietsuspensie heeft ook andere functies zoals ervoor zorgen dat vreemde stoffen worden vastgehouden in de suspensie. De stabiliteitsverhoging door de verhoging van de hydrostatische druk zal enkel optreden als het bentoniet een cake vormt tegen de uitgegraven wand. Anders zal de suspensie blijven in de grond indringen waardoor er een verlies van hydrostatische stijghoogte is.


19

Wanneer de met bentoniet gevulde sleuven tot op diepte zijn gegraven, wordt een wapening aangebracht. Nadien wordt de sleuf opgevuld met het betonmengsel. Door het gewicht van het beton en de tixotrope eigenschappen van bentoniet zal het beton zakken en het bentoniet in vloeibare vorm bovenaan afgevoerd worden. Diepwanden zijn grond -en waterkerende wanden, die tot meer dan 50 meter diep kunnen gaan. Ze zijn ook in verschillende diktes en mootgroottes te maken. Deze wanden kunnen ook een grote verticale kracht opnemen zodat ze ook als fundering dienst kunnen doen, maar daarvoor is het nuttig om een verdeelbalk bovenop de wand aan te brengen. 1.1.3.1. Nadelen: Het is een kostelijke methode. Daarvoor moet gekeken worden naar de hoeveelheden beton en de wapening. Er zijn ook nog minder evidente kosten zoals geleidebalken, de aan -en afvoer van bentoniet en het wegvoeren van de uitgegraven grond. Deze laatste kosten zijn nodig voor de vervaardiging van de wand , maar zitten niet in de eigenlijk wand verwerkt. Het maken van diepwanden is ook een tijdrovende onderneming.

1.1.4.

Continue diepwand (continuous diaphragm walls CDW)

Het is een CDW-systeem die werd ontworpen door de Trevi groep uit Itali. Het nieuwe systeem maakt het mogelijk om een diepwand te creren waarbij het uitgraven en opvullen van de sleuf automatisch verloopt. Het creren van de betonnen diepwand verloopt als een continue werkcyclus waardoor de productie bijna dubbel zo hoog ligt als bij de traditioneel geproduceerde diepwand. Deze methode werkt met freeskoppen die gemonteerd zijn op een loopband die de losgekapte aarde onmiddellijk afvoert naar een werfwagen. Aan de andere zijde wordt in het gevormde gat beton gestort. Hierdoor neemt de hydrostatische drukkracht toe, die ervoor zorgt dat de band vooruit geduwd wordt. Bij deze methode wordt geen gebruik meer gemaakt van bentoniet om de gatwand in stand te houden, omdat het gevormde gat onmiddellijk opgevuld wordt met beton. Deze wand kan gewapend worden met stalen H-profielen.Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

20

Figuur 3:Uitvoering continue diepwand

1.1.4.1. Nadelen Bij deze methode is veel plaats nodig op het werkterrein.


21

1.1.5.

Waterschermen

Waterschermen worden op de zelfde manier gemaakt als de diepwand met als verschil dat de sleuf nu niet eerst gevuld wordt met bentoniet en nadien met beton, maar onmiddellijk gevuld worden met een cement-bentoniet mengsel. Dit cementbentoniet mengsel zal in verloop van tijd langzaam stijf worden. De stijfheid en de mate waarin de wand waterremmend is, zal afhankelijk zijn van het gebruikte mengsel. Het staat uiteraard vast dat dit enkel waterkerende schermen zijn en nooit een grondkerende functie zullen hebben. Deze schermen worden dan ook niet gewapend. De wand is soepel genoeg om een verplaatsing van enkele centimeters op te vangen. Een andere mogelijkheid is het maken van een scherm dat bestaat uit permanent plastisch bentoniet om op die manier belastingsoverdrachten te voorkomen. Hiermee kunnen zettingen voorkomen worden.

1.1.5.1. Nadelen: Met bovenstaande methode wordt alleen maar een waterscherm geconstrueerd en is geen oplossing om een bouwput te maken. Waterschermen kunnen een handig hulpmiddel zijn in combinatie met een grondkerende constructie.

1.1.6.

Palenwand

Een palenwand is een wand die gevormd wordt uit palen die los van elkaar staan, rakend zijn of deels in elkaar zijn geboord. Elk van deze drie soorten palenwanden is grondkerend. Voor de losstaande palen kan elke soort paal aangewend worden om de wand te vormen. Bij de rakende palen of tangent palen kunnen enkel de CFA palen, boorpalen van grote diameter of de dubbele rotatie boorpalen gebruikt worden. Bij de in elkaar ingeboorde palen of ook wel secanspalen genoemd, worden eerst de primaire palen gemaakt. Nadien worden de secundaire palen tussen de primaire ingeboord, waarbij een deel van de primaire palen kapot geboord worden om de secundaire te kunnen maken. Slechts een beperkt gamma aan paaltypes kunnenMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

22

hiervoor gebruikt worden, namelijk de boorpalen met grote diameter of de dubbele rotatie boorpalen. Bij de secanspalenwand wordt meestal slechts de helft van de palen voorzien van wapening. De secanspalenwand is een grond - en waterkerende palenwand. Deze types van wanden kunnen een grote verticale kracht opnemen waardoor ze, mits een verdeelbalk, als fundering dienst kunnen doen.

1.1.6.1. Nadelen Het grote nadeel van deze wanden is dat het maken ervan een tijdrovende bezigheid is, en daardoor ook duur uitvalt.

1.1.7.

Grondvernageling

Grondvernageling is een beschoeiingstechniek die bestaat uit het inbrengen van nagels in de wand van de uitgraving. Ter hoogte van de nagels wordt een wapeningsnet aangebracht waarna de wand een bekleding krijgt van spuitbeton. De nagels zorgen ervoor dat de actieve zones, die in geval van afschuiving zouden ontstaan, naar achteren toe in de passieve zone wordt verankerd. Hierdoor kan er geen glijdvlak ontstaan en wordt een stabiel geheel verkregen.

Figuur 4:Stabiliteit grondvernageling


23

De bekleding bestaande uit spuitbeton is een laag met een beperkte dikte. Voor tijdelijke wanden kan algemeen worden volstaan met een laag beton van zeven tien cm dikte. Voor definitieve wanden wordt meestal een laag spuitbeton van een twintigtal cm dikte aangebracht voorzien van een dubbel wapeningsnet. Vernagelde wanden worden in verschillende opeenvolgende cyclussen uitgevoerd: De grond wordt eerst over een zekere hoogte uitgegraven. Vervolgens worden er nagels aangebracht. Daarna wordt er een wapeningsnet en een laag spuitbeton aangebracht. Na deze drie fasen wordt de cyclus herhaald tot de gewenste diepte bereikt is.

-

Figuur 5:Werkcyclus grondvernageling

1.1.7.1. Nadelen Het grote nadeel van deze methode is dat het uitvoeren van de wanden een tijdrovende bezigheid is, en daardoor ook duur uitvalt.


24

1.2 Grondstabilisatie door mengen van grond met substantiesEr zijn meerdere methodes om de grondeigenschappen te verbeteren. Bij een CSM-wand wordt grond gemengd met water en cement. Dit is een techniek die al eerder werd toegepast in andere grondstabiliserende methodes. De grond kan men injecteren, mengen, jetgrouten, compenserend grouten, enz .

1.2.1.

Injecteren met cementsuspensies.

Injecteren gebeurt met een mengsel van cement en water. De korrelstructuur van de grond wordt hierbij niet verstrooid. Bij het injecteren zal gebruik gemaakt worden van ultrafijn cement met een d 50% die ongeveer tienmaal kleiner is dan bij gewoon cement. Dit cement wordt in een turbomenger in een suspensie gebracht. Deze suspensie is een zeer vloeibaar en stabiel mengsel die bij lage druk in de grond genjecteerd wordt via ventielen aan het buisuiteinde. Het mengsel zal in de porin en de capillaire ruimtes van het korrelskelet penetreren. Deze injectie zorgt ervoor dat de grond draagkrachtiger en minder doorlatend is dan de originele grond.

1.2.1.1. Nadelen Doordat het mengsel in de porin en de capillaire ruimtes moet doordringen is het injecteren met cementsuspensies een techniek die niet toepasbaar is voor leem - en kleigronden, waarin de holten zeer klein zijn.

1.2.2.

Chemische injectie.

Deze injectiemethode is ontwikkeld omdat uit testen is gebleken dat zodra een grond in haar fijnste fractie meer dan 20% zandaandeel bezit, deze niet meer met cementsuspensies kan worden genjecteerd. Dit komt omdat de penetratie van de vaste deeltjes in de zandformatie beperkt blijft tot n of hoogstens enkele millimeters. Daarom is gestart met injecteren met chemische oplossingen om het porinvolume gelijkmatig opgevuld te krijgen. De injectievloeistof dient bij voorkeur zeer dun vloeibaar te zijn tijdens de fase van het injecteren om, na een mogelijke vooraf teMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

25

kiezen tijdsperiode, over te gaan van de vloeibare in de meer vaste fase. Een voorbeeld van een injectievloeistof is deze gebaseerd op waterglas: Na2SiO3 + CaCl2 2 NaCl + CaSiO3 .(1)

De chemische stoffen kunnen vr en/of na het verpompen gemengd worden. Momenteel is een ganse reeks van middelen op de markt die genjecteerd kunnen worden. De beste injectiemiddelen hebben direct na het mengen een viscositeit die ligt tussen 1,5 en 5 centipoise. Ter vergelijking: de viscositeit van water ligt op 0,89 bij een temperatuur van 25 C. De injectiemiddelen worden in de grond gebracht met behulp van injectielansen of manchetbuizen.

1.2.2.1. Nadelen: De injectiemethode is een kostelijke methode en wanneer discontinuteiten aanwezigheid zijn in de ondergrond vloeit al de injectievloeistof weg. Een degelijk uitgevoerd grondonderzoek is dus onontbeerlijk.

1.2.3.

Grouten.

Jetgrouten is het onder hoge druk inspuiten van een grout in de grond. Deze grout bestaat uit een mengsel van cement, water en eventuele hulp -, vul - en toeslagstoffen. Bij deze methode zal behalve de korrelstructuur ook de laagopbouw verloren gaan. De methode bestaat eruit een injectiebuis met roterende injectiekop op diepte te brengen. Eens de injectiekop op diepte is, zal die de grond versnijden met behulp van de onder grote druk, een druk van 300 tot 600 bar is mogelijk, uitgespoten grout. Soms wordt er ook water en/of lucht toegevoegd aan de jetstraal. Doordat de injectiekop al roterend naar boven wordt getrokken zal de grondstructuur ook in verticale zin gewijzigd worden. De oorspronkelijke grond zal worden gemengd met en gedeeltelijk vervangen door een mengsel van grout en gronddeeltjes. Compenserend grouten is het injecteren van een groutmengsel vanuit n punt en zo de de druk opvoeren zodat de omringende grond wordt opgespannen. Op dezeMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

26

manier ontstaan gecontroleerde grondverplaatsingen. Dit wordt aangewend om terug draagkracht te geven aan funderingen of om zettingen te compenseren.

1.3 De Soil mix-methode 1.3.1. Soil mix procd

De ultieme voorloper van de Cutter soil mix is het soil-mix-procd met drie roterende stangen, avegaren. Het procd bestaat uit het mengen van de aanwezige grond met een rijke cementspecie door middel van een holle stang en een mixboorkop. Het is een trillingsvrij systeem die niet-grondverdringend is en waarbij er geen grondontspanning nodig is. Doordat er geboord wordt, kan men ook in verschillende types van grond werken, ook al zitten er stoorlagen bestaande uit vastgepakt zand, mergel of grind. Doordat de grond ook als grondstof gebruikt wordt, kan men besparingen doorvoeren op toeslagstoffen zoals grind en zand. Er is ook slechts een geringe afvoer van overtollige grond, en verontreinigde gronden worden door het cement ingekapseld. De soilmixwand die op deze manier gemaakt wordt, kan dienen als fundering of als grondkering en evenals een waterremmend scherm. Doordat de boorkop voorzien is van beitels kan er door steenachtige grondlagen geboord worden. Het aantal injectieopeningen in de mixkop is regelbaar, zodat voor elke grondsoort en injectiemateriaal de juiste pompdrukken bereikt kunnen worden om een stabiele groutkolom te bekomen. De uitvoering gaat als volgt: Een metalen voerbuis wordt samen met een spiraalkop trillingsvrij in de grond geschroefd, terwijl constant cementgrout onder druk wordt genjecteerd. Het cementgrout wordt onder druk door de holle voerbuis naar de injecteeropeningen in de mixkop gepompt. Door de draaiende beweging van de mixkop wordt het grout


27

Figuur 6:Soil mix procd Figuur 7:Uitvoering soil mix procd

gemengd met de losgemaakte grond. De uitgeoefende werkdruk wordt vergeleken met de resultaten van de diepsonderingen en boringen. Op de boorkop zijn twee drukopnemers geplaatst om de steundruk van het grout te meten. Deze druk onderaan de boorkop is ook de hydraulische druk welke zich in de soilmixkolom ontwikkeld. Deze druk dient altijd groter te zijn dan de gronddruk. Op deze manier worden zettingen vermeden, wanneer er naast een bestaande constructie wordt gewerkt. Er wordt ook constant gemeten met inclinometers om de verticaliteit van de wand in twee richtingen na te gaan.


28

Er wordt altijd in verschillende moten gewerkt. De afmetingen van deze moten is afhankelijk de diameters van de mixkoppen. Standaard mag men rekenen op moten van 1000mm bij 370mm.

1.3.1.1. Nadelen: Doordat men met drie roterende stangen werkt die elk in tegenzin van elkaar draaien, zal de middelste boorstang uit het verband van de drie stangen willen draaien, waardoor er geen mooie egale wand kan bereikt worden en men een grote tegenwerkende kracht nodig heeft om deze zo goed mogelijk op n lijn te houden. Doordat men grote krachten nodig heeft om het systeem goed draaiende te houden is men beperkt in de grote van de diameters van de boorkoppen. Hierdoor worden geen al te dikke moten en geen lange moten verkregen. Hoe fijner de moot hoe makkelijker er toch nog water door de wand kan dringen en in de bouwput kan lopen. Hoe minder lang de moten zijn, des temeer voegen optreden op plaatsen waar de secundaire moot in de primaire moot ingrijpt, waardoor er toch een grotere kans is op infiltratie van water in de bouwkuip. Om de nadelen van deze methode te reduceren is het systeem van de cutter soil mix ontwikkeld.


29

2 De cutter soilmix (CSM).

2.1 SysteemDe Cutter-Soil-Mixing of CSM techniek is een vernieuwd en rendabel bouwproces voor de vorming van verstevigde grondelementen door het inbrengen van hydraulische bindmiddelen in de aanwezige grond. Het aanbrengen van ondergrondse muren is n van de hoofdtaken in de moderne funderingsbouw. Daaronder verstaat men scheidingswanden die indringing van het grondwater voorkomen en wanden die dienen als beschoeiing om diepe bouwputten te beveiligen. Deze techniek is ontwikkeld en uitgetest door de firma BAUER Maschinen GmbH uit Schrobenhausen in Duitsland met medewerking van Soletanche-Bachy uit Nantes in Frankrijk.

2.1.1.

Wat is Soil-Mix

Bij de Soil Mixing wordt een groutsuspensie van cementspecie in de heersende grond gebracht. Deze bodeminjecties hebben tot doel de eigenschappen van de grond te wijzigen en de bodem in een dusdanige toestand te brengen dat deze een constructieve functie krijgt. De injectievloeistof en de aanwezige grond gaan zich mengen en stabiliseren zodat er een vast geheel verkregen wordt. Dit soil-mixprocd kan gebeuren via een holle stang en een mix-boorkop of via de triplemixing-tools. Dit is al uitvoerig besproken in hoofdstuk 1.3..

2.1.2.

Voorafgaand onderzoek

Voordat soilmix toegepast kan worden, dient een uitvoerig grondonderzoek zoals grondboringen en sonderingen uitgevoerd op de locatie. Op basis van deze gegevens kan een laagopbouw en de vastheid van de grond ontleed worden en zo de samenstelling en mengverhouding van het mixmiddel bepalen. Eveneens dient de aanwezige grondwaterstanden en stromingen onderzocht om te verhinderen dat het injectiemateriaal niet wegspoelt.Mechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

30

2.1.3.

De Cutter Soil Mixer

Bij Cutter Soil Mixing wordt de soilmix-techniek uitgevoerd met een CSM-frees. Het CSM-proces is afkomstig van de freestechniek (hydrofraise) die gebruikt wordt om diafragmamuren te construeren.

2.1.3.1. De CSM-frees De CSM-frees bestaat uit twee compacte en krachtige motoren die elk een freeswiel aandrijven. De freeswielen kunnen in beide richtingen rond hun horizontale as draaien. Tussen de twee freeswielen zit een voerbuis waarin de cementgrout wordt gepompt, die met de grond wordt vermengd. Door het mengen van de grond met de grout worden er rechthoekige panelen gevormd. De freeswielen hebben een dunne snijplaat. Deze plaat bevordert het breken van de grond zodat de homogeniteit van het uiteindelijk materiaal beter is.

Figuur 8:CSM frees


31

De kenmerken van de CSM-frezen die op dit ogenblik gebouwd worden zijn:

-

Lengte van het paneel: 2.2, 2.4 & 2.8 m Breedte van het paneel: van 0.5 m tot 1.2 m Hoogte van de frezen: van 2.35 tot 2.8 m Draaimoment: tot 100 kNm Maximale rotatiesnelheid: 40 rpm Vermogen van de frees: 150 kW, 200 kW, 300 kW Gewicht van de freesinstallaties: 3700 kg, 5100 kg, 7400 kg

In de toekomst kan de lengte en de breedte van de panelen uitgebreid worden tot respectievelijk 3.2 m en 1.5 m.

2.1.3.2. Types freeswielen Type 1 Type 2 Type 3

Figuur 9:Types frezen

De wielen zijn ontworpen om de grond los te maken en te mixen met het mengsel. De grondsoort duidt aan of er meer nadruk moet gelegd worden op de snijdende of mengende capaciteit van de wielen. Er zijn verschillende types wielen beschikbaar om tegemoet te komen aan verschillende grondcondities. Type 1 : niet-cohesieve, zandige grond Type 2 : niet-cohesieve en cohesieve klei, slijkerige grond Type 3 : harde, dichte grond, eventueel stenen bevattende


32

2.1.3.3. Monokelly systeem De CSM-frees wordt voorzien van een monokelly systeem. Voor een beperkte diepte, tot 12 m, is de standaard kelly bar cirkelvormig, met een diameter van 368 mm. Voor grotere dieptes, tot 35 m, wordt een kelly bar met een rechthoekige doorsnede gebruikt (600 mm x 340 mm). De kelly bar verzekert een goede nauwkeurigheid op het vlak van positionering en het loodrecht zijn van de gevormde panelen. De kelly bar is bevestigd op een mast van een boorinstallatie door twee gidssleen. De CSMfrees kan ook op een rupskraan of op een drager die uitgerust is met een telescopische mast bevestigd worden. (RG 16T, RG 19T)

Figuur 10:Geleidingstypes


33

Types machines

Figuur 11:Monokelly systeem

Voor een maximale diepte van 12 meter, is de standaard Kelly bar cirkelvormig, met een diameter van 368 mm. Voor dieptes tot 35 meter, wordt een rechthoekige doorsnede gebruikt (340mm x 600mm).

Tabel 1: Overzicht types machines (a)

BG 18 H Paneeldiepte Motor Trekkracht Totale hoogte Werkgewicht 12m 173 kW 270 kN 19 m 54 ton

RG 16T/RG 19T 15 19 m 470 kW 200 kN 21,3 24,4 m 57 65 ton

BG 28 18 m 300 kW 580 kN 26,2 m 90 ton


34

Tabel 2:Overzicht types machines (b)

NIPPON SHARYO Paneeldiepte Motor Trekkracht Totale hoogte Werkgewicht 35m 260 kW hangt af van model 41,2 m hangt af van model

BG 28 30 m 300 kW 330 kN 34,9 m 100 ton

2.1.3.3.1. Kelly bar met rechthoekige doorsnedeDe Kelly bar bestaat uit verschillende secties.De verbindingen van deze secties worden voorzien van beschermingen om een veilig en vlak oppervlak te bekomen. In de holle Kelly bar bevinden zich hydraulische buizen en pijpen voor het suspensietransport. De maximale lengte is 30 meter en 40 meter bij gebruik van een extra kraan voor het hijsen. Het gewicht hiervan is 18 ton, respectievelijk 23 ton, met inbegrip van de buizen en inlaat. Het monokelly geleidingssysteem met rechthoekige doorsnede bestaat uit volgende onderdelen: 1: geleiding om de buizen in te laten

Figuur 12:hulpstukken geleidingsysteem


35

2: de secties worden verbonden met flensverbindingen, deze kunnen bedekt worden met beschermende stukken

Figuur 13:hulpstukken flensverbinding

3 : Alle voedingsbuizen kunnen aan de flensverbindingen gekoppeld worden

Figuur 14:hulpstukken voedingsbuis

Figuur 15:kelly bar met rechthoekige doorsnede

4 : de Kelly bar wordt vastgehouden en geleid door 2 glijdende sleen. Een hydraulisch bediend mechanisme brengt de druk- en trekkrachten over aan de kelly bar. Een draaiende regeling in de geleidingen laat draaien van +45 tot -90 van de csm eenheid toe.

Figuur 16:hulpstukken sleenMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

36

2.1.3.4. Bediening van de CSM-frees De CSM-frees is uitgerust met de nieuwste controletechnologien. In de CSM-frees zijn namelijk verschillende druksensoren ingebouwd die de hydrostatische druk, van het soilmixmengsel van de nieuw gevormde wand, meten. Door de gemeten druk te toetsen aan het genjecteerde volume cementgrout, wordt de druk in de gevormde groutwand groter gehouden dan de zijdelingse gronddrukken en wordt de stabiliteit van de aanpalende gebouwen gegarandeerd. In de machine zijn er ook inclinometers ingebouwd. Die zorgen ervoor dat de verticaliteit van de CSM-frees continu bijgestuurd wordt. Alle parameters zoals pompdrukken, pompvolume, inclinatie, diepte, toerentallen, gronddrukken worden op een beeldscherm in de besturingscabine weergegeven. Op deze wijze kan er tijdens het uitvoeringsproces steeds ingegrepen worden.

Figuur 17:Bedieningspaneel

De volgende gegevens worden ook op een RAM-kaart genoteerd: boortijd, diepte, injectietijd, injectiehoeveelheid, paalnummer en gronddrukken. Nadien worden deze parameters op een tijdsschaal afgedrukt.


37

Speciaal systeem Om diepe panelen te construeren met dieptes groter dan 35 m, is een speciaal systeem voorzien.De mixkop BCM 5 of BCM 10 kan aangebracht worden aan het onderuiteinde van een met kabels voorzien systeem, dat op een kraan gemonteerd is. De panelen aan de zijkanten worden uitgezet tijdens het neerlaten, om de stabiliteit van de mixkop te verhogen, zie Figuur 19. De panelen worden ingetrokken wanneer de mixkop naar boven getrokken wordt, dit om de wrijvingsweerstand in het gemixte paneel tot een minimum te herleiden, zie Figuur 18. Om verticaal controle te hebben in de x-richting ( Figuur 22) kan de rotatiesnelheid van de wielen variren. Voor controle in de y-richting (

Figuur 22), kan het binnenste frame bewogen worden ten opzichte van het buitensteframe.

Figuur 18:kabelsysteem met zijkanten ingetrokken

Figuur 19: kabelsysteem met zijkanten uitgezet

Figuur 20:Kabelsysteem


38

Detail A

Detail A

Figuur 21:kabelsysteeem op kraan gemonteerd

Figuur 22:Kabelsysteem


39

2.1.4.

Werkwijze

Het CSM-proces kan uit n of twee fases bestaan.

2.1.4.1. En fasig systeem: Hier wordt, tijdens het in de grond brengen van de CSM-frees, het volledige cementbentoniet mengsel genjecteerd. Als regel wordt gegeven dat 70 % van het mengsel wordt genjecteerd tijdens het inbrengen van de frees in de grond en de overige 30 % tijdens het optrekken van de frees. Voordelen van het n fasig systeem:

-

Er is geen nood aan een ontzand in het circuit. De CSM-frees kan sneller worden opgetrokken.

Het n fasig systeem is te verkiezen bij grondkerende wanden in uniforme en gemakkelijke grond condities bij dieptes kleiner dan 20 meter. Eens het soil-mix paneel klaar is, kunnen er eventueel stalen profielen ingebracht worden om de wand de nodige extra elasticiteit en weerstand te geven. Een CSM-wand is opgebouwd uit verschillende panelen. De volgorde van de gevormde panelen is als volgt: Eerst worden de primaire panelen uitgevoerd. Dit zijn meestal de panelen 1, 3, 5, Na voldoende uitharden van deze panelen, worden dan de secundaire panelen 2, 4, 6, uitgevoerd. Voorbeeld: Wanneer de lengte van de CSM-frees 2.4 m is, zal de tussenafstand van de primaire panelen 2 m zijn. Dit betekent dat tijdens het frezen van de secundaire panelen van elk primair paneel 200 mm wordt weggehaald. Zo verkrijgt men een aansluitende waterremmende wand. Afhankelijk van belendingen en grondsoorten kan er een andere werkvolgorde gekozen worden. Zo kunnen bijvoorbeeld de panelen 1, 5, 9, de primaire panelen zijn, waarna de tussenliggende panelen 3, 7, gevormd worden en nadien de panelen 2, 4, 6, 8, .


40

Figuur 23:Werkvolgorde

2.1.4.2. Tweefasig systeem: Eerst wordt de CSM-frees in de grond gebracht, waarbij de freeswielen naar buiten toe draaien. Tijdens deze indringing van de CSM-frees wordt een bentonietmengsel onder druk doorheen de centrale voerbuis genjecteerd. Door de rotatie van de frezen wordt de grond losgemaakt en wordt het grout vermengd met de grond. Zo bekomt men een homogeen geheel. De terugstroom aan grond en bentonietmengsel kan behandeld worden door een ontzander en gerecupereerd worden. Eenmaal de gewenste diepte bereikt is, zal de CSM-frees geleidelijk opgetrokken worden. Tijdens deze fase zullen de beide frezen naar binnen toe draaien en er zal cementgrout of ander bindmiddel door de centrale voerbuis gepompt worden. Zo wordt het soil-mix paneel nogmaals gemengd.

Figuur 24:Mixprocd


41

Voordelen van het twee fasig systeem:

-

Er is grotere veiligheid bij het werken als men grote dieptes moet halen of als het productieproces moet onderbroken worden. De slijtage op de wielen vermindert. Hergebruik van materiaal, vermindering van de kosten voor het verwijderen van het overtollige, droge materiaal.

-

Het tweefasig systeem is te verkiezen in geval van moeilijke grond condities, grote dieptes of afsluitende wanden.

2.1.5.Factoren:

Prijsfactoren

Verschillende factoren bepalen het productie tarief : Gelaagdheid Type grond Cohesie Structuur van de wand Lengte van de wandpanelen

-

De beste condities zijn:

-

Een uniforme grondstructuur Los tot halfdicht gravelig zand, slijkerig zand Lange rechte wanden Dieptes groter dan tien meter

Slechte condities zijn:

-

Een ondergrond opgebouwd uit verschillende lagen Een dichte tot zeer dichte ondergrond, stenen en rotsblokken in de ondergrond, een stijve of harde ondergrond of een cohesieve of organische grond (dit is nadelig voor de uiteindelijke sterkte). Een onregelmatige opbouw van de wand Dieptes kleiner dan 10 meterMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

-

42

2.1.6.

Algemene benodigdheden :

Hieropvolgend wordt een overzicht gegeven van de algemene benodigdheden bij het vervaardigen van een csm-wand. 2.1.6.1. CSM-machine Op Figuur 25 wordt het werkoverzicht van de CSM-machine getoond. Deze machine werd in de voorgaande hoofdstukken uitvoerig besproken.

CSM unitFiguur 25:Benodigdheden CSM unit

2.1.6.2. Mixing plant :Op Figuur 26 en

Figuur 27 wordt de mixing plant afgebeeld. Deze zorgt voor het mengen en in standhouden van het bentoniet-cement mengsel.

Figuur 26:Benodigdheden Mixing plantMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

43

1 : automatische mixer MAT SCW 13/10 (32 kW) 2 : bentoniet en cement silos 3 : voedingspijp 4 : schud/meng tank (4m)

Figuur 27:Mixing plant

2.1.6.3. Luchtcompressor en voedingspomp voor bentoniet en/of

cement:Het bentoniet-cement mengsel wordt via een voedingspomp, zie

Figuur 29, naar de machine gepompt. Om de optimale druk te leveren is er eenluchtcompressor voorzien, zie Figuur 30.

Figuur 28:Benodigdheden luchtcompressor en voedingspomp


44

Figuur 29:Voedingspomp

maximaal 25 bar maximaal 25 m/min.

Figuur 30:Luchtcompressor

2.1.6.4. Ontzander en bentoniet opslagtanks Eventueel kan de terugstroom aan grond en bentonietmengsel behandeld worden door een ontzander, zie Figuur 32. Dit is niet noodzakelijk voor ieder type van CSM machine.

Figuur 31:Benodigdheden ontzander en bentontiet opslagtankMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

45

BE 50 : maximale capaciteit : 50m/uur

Figuur 32:Ontzander

Capaciteit : 50 m

Figuur 33:Opslagtank


46

2.2 Toepassingen 2.2.1. De eerste test (Aresing Duitsland)

In Duitsland werd in 2003 een ronde soil-mixwand gebouwd (Fig. 21). De wand bestaat uit 14 panelen en heeft een diepte van 10m. Er zijn ook nog extra panelen gevormd die later uitgegraven en onderzocht werden. Hoofddoel van het onderzoek op deze eerste testpanelen was het vinden van een vloeistof die de beste prestaties op het vlak van indringing zal geven. Er werd gestart met een mengsel van water en steenachtige poeder. Later werden er andere mengsels geprobeerd met bentoniet, polymeren, bindmiddelen op basis van cement. Uiteindelijk gaf een mengsel van bentoniet en een vloeimiddel de beste resultaten. Het bentonietmengsel had een water/bentoniet factor van 12 en het groutmengsel had een water/cement factor van 0.5. De prestaties bij het uitvoeren van de panelen die de ringvormige muur vormen waren: De gemiddelde indringingssnelheid: 18,05 m wand /uur De gemiddelde mengsnelheid (optrekken van de CSM-frees): 62,73 m wand /uur De totale gemiddelde productiviteit: 13,8 m wand /uur

-

-

Bij de twee panelen waarbij het bentoniet en het vloeimiddel gebruikt werden, was een productiviteit van 21 m wand /uur haalbaar. Verdere parameters bij de uitvoering van de constructie zijn te vinden in de onderstaande tabel (Fig. 25). De plaatselijke grond waarin de test is uitgevoerd, bestaat uit een doorgaans zandachtig gebroken steenslag met een twee tot drie meter dikke kleiige zandlaag op ongeveer twaalf meter onder het grondniveau. De druksterktes van het grond/cement mengsel variren van 5 MPa tot 8 MPa. Deze drukproeven werden uitgevoerd op kernen die genomen waren uit de verschillende panelen.


47

Figuur 34:Test Aresing

2.2.2.

Test in Japan

Een tweede test werd uitgevoerd in mei 2004 in de omgeving van de baai van Tokio in Japan. De grond is opgebouwd uit zes meter tot negen meter diepe zachte kleilaag met daaronder een fijne slibachtige zandlaag. Het doel van de test was een wand te vormen waarbij de behandelde grond vloeibaar genoeg was zodat men er probleemloos stalen profielen kon inbrengen. Andere eisen waren het verkrijgen van een goede homogeniteit van de grond, een continue behandeling van de grond en een goede waterdichtheid in de naden. Het onderzoek naar de sterkte van de muur was minder belangrijk. De gegevens van deze test waren de volgende: - De diepte van de panelen waren 20m. - De overlapping tussen de primaire en secundaire panelen was 100mm. - Het cementgehalte was 200 250 kg/m van de behandelde grond. - Ongeveer 70 % van het volume groutmengsel was genjecteerd tijdens de indringing en 30 % tijdens het optrekken van de freesinstallatie. - De indringingssnelheid van de freesinstallatie was 50 70 cm/min en de snelheid tijdens de opwaartse beweging van de installatie was 70 120 cm/min.


48

Het draaimoment van de freeswielen gedurende het proces waren laag en de snelheden van de indringing en het ontrekken waren constant (aanhoudend). Dit was te wijten aan de aard van de grond. Samen met het groutmengsel werd er ook samengeperste lucht in de grond genjecteerd. Door het inbrengen van grote hoeveelheden groutmengsel samen met de samengeperste lucht, werd de behandelde grond in het paneel vloeibaar gehouden. De graad van het mengen en de vastheid van het mengsel waren zeer goed, zodat de homogeniteit van de behandelde grond zeer hoog was.

Figuur 35:Test Japan

2.2.3.

Keer muur in Nederland

In Valkenburg werd een keermuur gebouwd met behulp van de CSM-techniek. De keermuur had een oppervlakte van ongeveer 700m en moest drie zijden van een bouwput ondersteunen. In deze bouwput werd een kelder van twee verdiepingen gebouwd. De plaatselijke grond bestond uit een slibachtig fijn zand met een stijve kleilaag op vijf meter zes meter onder de grond. Er was geen grondwater aanwezig. De afmetingen van de panelen zijn 2,2m lang en een halve meter breed met een diepte van tien meter. De overlapping tussen de primaire en secundaire panelen bedroeg 150 mm. Voor het groutmengsel werden er verschillende verhoudingen voor de water/cement factor uitgetest, om zo een optimaal mengsel te vinden. Een w/c factor van 1 bleek te droog te zijn. Bij een w/c factor van 1,33 tot 1,6 was de vloeibaarheid van deMechanische eigenschappen, uitvoeringstechniek en performantie van een Cutter Soil Mix wand

49

behandelde grond beter, maar er waren twijfels in verband met de sterkte van de muur. Uiteindelijk bleek een w/c factor van 1,2 de beste oplossing. Het

CSM Wand Studie

Documents

Transcript of CSM Wand Studie