Rioleringen DEEL 2

RioleringstechniekVE

REN

IGIN

G

VAN

PR

OD

UCE

NTE

N

VAN

B

ETO

NLE

IDIN

GSY

STEM

EN V

PB

Betonnen buizen in de grond

Deel 2

Rioleringstechniek


Deel 2

VERENIGING VAN PRODUCENTEN VAN BETONLEIDINGSYSTEMEN VPB

Woerden, 1999

Het onderhavige boek maakt deel uit van een serie van zeven handboeken, alle handelendover aspecten van betonnen rioolstelsels. De delen kwamen tot stand dankzij demedewerking van:

Prof. dr. J.M.J.M. BijenProf. ir. J.B.M. Wiggers

Ir. H.J.A.M. Hergarden

Ir. E.C. Klaver

Ir. J. Weenink

Ing. J.G. Matser

Ing. W.L.G. van de Gaar.

Eindredactie: R. Bolderman

1999 VPB WOERDEN

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middelvan druk, fotokopie, microfilm of welke andere wijze ook, zonder voorafgaandeschriftelijke toestemming van de uitgeefster.Ondanks alle aan de samenstelling van de tekst en de tekeningen bestede zorg, aanvaardenwij geen aansprakelijkheid voor eventuele schade die zou kunnen voortvloeien uitenige fout die in deze uitgave zou kunnen voorkomen.

De serie Rioleringstechniek omvat de volgende delen:

Deel 1: Het materiaal beton/componenten van het betonnen rioolstelsel

Deel 2: Betonnen buizen in de grond

Deel 3: Maatschappelijke aspecten van riolering/De geschiedenis van riolenDeel 4: Inzameling en transport van afvalwater

Deel 5: De constructieve berekening van betonnen buizen en putten

Deel 6: De milieubelasting van buismaterialen

Deel 7: De constructie van betonleidingsystemen

INHOUDSOPGAVE

TEN GELEIDE

HOOFDSTUK 1: BETONNEN BUIZEN IN DE GROND

1.1. INLEIDING 131.2. DE NEDERLANDSE GRONDGESTELDHEID 131.2.1. De geologische geschiedenis 131.2.2. Grondonderzoek 151.3. INTERACTIE BUIS-GROND 171.3.1 Algemeen 171.3.2. Belastingen op buizen 171.3.3. Fundering van betonnen buizen 261.3.3.1. Fundering op staal 261.3.3.2. Fundering op palen 311.4. CONSTRUCTIEVE BEREKENINGEN 331.4.1. Liggerberekening 331.4.2. Ringberekening 351.4.2.1. CUR-rapport 122 351.4.2.2. De eindige elementen methode (EEM) 361.5. DE INVLOED VAN DE UITVOERING 371.5.1. Graven van sleuf en aanleg buis 371.5.2. Aanvullen en verdichten 371.5.3. Controle van de verdichting 39

HOOFSTUK 2: APPENDIX

2.1. TOEPASSINGSGEBIED VAN ONGEWAPENDE EN GEWAPENDE BETONNEN BUIZEN 432.1.1. Uitgangspunten 432.1.2. Sleufaanvulling 432.1.3. Gronddekking < 0,75 m 442.1.4. Grijs overgangsgebied in de staafgrafieken 44LITERATUUROVERZICHT HOOFDSTUK 1 48

TEN GELEIDE

De totale lengte van het Nederlandse rioolstelsel is circa 80.300 km [1]. Ongeveer drievierdedaarvan is geconstrueerd met behulp van betonnen buizen en putten.

De verwachting is dat het aandeel van beton in de komende tijd zal stijgen. Niet alleen opgrond van de gebruikswaarde die het sinds 1905 industrieel vervaardigde materiaaltentoonspreidt, maar vooral ook door de milieuvriendelijkheid van het materiaal.Want was is logischer dan het vervangen van grond door grond? Beton is immers eenkunstmatig gesteente waarvan de eigenschappen overeenkomen met die van natuurlijkegesteenten.

De Nederlandse betonindustrie heeft zich in deze eeuw ontwikkeld van een aantal min ofmeer ambachtelijke ingestelde bedrijven tot een kleine groep industrien met een hogegraad van mechanisatie, bestuurd met behulp van analoge en digitale technieken. Ditleidt tot producten van opmerkelijk hoge kwaliteit die een lang en veilig transport vansteeds agressiever en steeds meer vervuild afvalwater door onze bodem waarborgen.

13 Betonnen buizen in de grond

HOOFDSTUK 1: BETONNEN BUIZEN IN DE GROND

1.1. INLEIDING

Een buisleiding in de grond is te beschouwen als een langgerekte holle ligger met eventueelverticale en/of horizontale bochten, omgeven door het elastoplastisch materiaal grond.Van grond is bekend dat het geen homogeen materiaal is. Het is een verzameling vanal of niet samenhangende deeltjes van minerale en organische afkomst, waarvan detussenruimte geheel of gedeeltelijk met water is gevuld en de overblijvende ruimte, indienaanwezig, met lucht of een ander gas. De eigenschappen van grond kunnen op korteafstand grote verschillen vertonen. Bovendien is het gedrag van grond onder invloed vanbelastingen in het algemeen gecompliceerd.

Het probleem van een buis in de grond is een gecompliceerd, drie-dimensionaal mechanica-probleem. Bij een grondgesteldheid zoals in Nederland voorkomt, is zowel de buis alsde grond onderworpen aan bewegingen, die resulteren in belastingen op de buis. Dezebewegingen in de grond kunnen een gevolg zijn van consolidatie (zettingen) of een toenamevan de verdichting van de grond (klink), die weer veroorzaakt worden door belastingenop het maaiveld. Dit gecompliceerde, drie-dimensionale mechanicaprobleem kan in demeeste gevallen met behulp van enkele vereenvoudigingen verantwoord worden opgelost.

In dit deel zal, na een korte verkenning van de Nederlandse grondgesteldheid en methodenvan grondonderzoek, worden ingegaan op de interactie buis-grond en de oplossing vanhet hierboven geschetste probleem. De vereenvoudiging van het probleem berust op hetsplitsen ervan in een liggerberekening en een berekening van de ringdoorsnede van debuis. Ten aanzien van de berekening van de ringdoorsnede wordt men geconfrontreerdmet een veelheid aan berekeningswijzen. In dit handboek zal de in het CUR-rapport122 aangegeven analytische berekeningswijze worden gevolgd. Daarnaast zal ook aandachtworden gegeven aan het berekenen van buizen met de eindige elementen methode (EEM).Tot slot zal aandacht worden besteed aan de invloed van de uitvoering op de interactiegrond-buis.

Het is van groot belang voor het welslagen van een rioleringswerk dat de bij het ontwerpveronderstelde uitvoeringswijze in werkelijkheid ook zo zal (kunnen) plaatsvinden. Ontwerpen uitvoering dienen goed op elkaar te worden afgestemd.

1.2. DE NEDERLANDSE GRONDGESTELDHEID

1.2.1. De geologische geschiedenis

De grondopbouw van Nederland vanaf maaiveld tot een diepte van een paar honderdmeter bestaat in het algemeen uit losse, niet-verharde sedimenten. Deze afzettingen vondenplaats in een ondiepe zee van niet dieper dan enkele tientallen meters die meer dan2 miljoen jaar geleden op de plaats waar nu Nederland ligt aanwezig was. Ook vondenafzettingen plaats in kustmoerassen, lagunes en rond benedenlopen van rivieren. Met anderewoorden, al deze afzettingen zijn ontstaan een weinig onder of boven zeeniveau. De

Rioleringstechniek 14

laatste afzettingen vormen dus het oppervlak. Slechts op enkele plaatsen langs de lands-grenzen komen nabij de oppervlakte oudere gesteenten voor.De meeste van de voor de bouwpraktijk van belang zijnde grondlagen zijn afgezet inde meest recente periode: het Kwartair.

Het Kwartair wordt gekenmerkt door sterke temperatuursveranderingen. Koude perioden,glacialen, wisselden zich af met warmere tijden, de interglacialen. In het laatste inter-glaciaal leven we nu. Om die laatste warme periode wat beter te laten uitkomen, heeft zijook een aparte naam gekregen (Holoceen).Zo wordt het Kwartair verdeeld in het Pleistoceen (zo een 2,5 miljoen jaar geledenbegonnen) en het Holoceen, dat de jongste 10.000 jaar van de aardgeschiedenis omvat.Tijdens het Kwartair zijn onder invloed van de wisselende werking van landijs, sneeuw,wind, rivieren en/of zee dikke pakketten gevormd bestaande uit grind, zand, keileem,klei enz. Het bovenste deel van het pleistocene pakket, dat vaak een golvend oppervlakvertoont, bestaat over het algemeen uit goed draagkrachtige lagen.

Dit pakket is erg belangrijk omdat de meeste paalfunderingen in Nederland hun draag-kracht daaraan ontlenen.

Zoals blijkt uit het weergegeven geotechnische profiel over Nederland (zie figuur 1) lagaan het einde van het Pleistoceen het oppervlak van het westen van Nederland op circaNAP -20 m. In dit dal zijn tijdens het Holoceen, hoofdzakelijk onder invloed vanrivieren en de rijzende zee, sedimenten van sterk uiteenlopende aard gevormd. Dezediversiteit van afzettingen was een gevolg van de evenzeer uiteenlopende afzettingsmilieus.Zout water en zoet water, stilstaand dan wel stromend, maar ook de wind hebben allebijgedragen tot het opeenhopen van de holocene afzettingen. Deze bestaan hoofdzakelijkuit slappe samendrukbare klei en/of siltlagen, waartussen vaak metersdikke en zeer slappeveenlagen kunnen voorkomen. Dit gehele holocene pakket is daarbij nog zeer onregelmatigdoorkruist met veel zandbanen (later met zand opgevulde geulen en kreken) met grond-mechanisch sterk wisselende eigenschappen.

Uit het geotechnische profiel over Nederland blijkt dat in het oostelijke (en ook in hetnoordelijke) deel de oorspronkelijke horizontale ligging van de grondlagen plaatselijk isverstoord. Deze veranderingen zijn veroorzaakt door de enorme kracht van het zich tijdenshet Pleistoceen uit Scandinavi voortbewegende landijs. Onder invloed hiervan werdenbestaande lagen opzij gedrukt. De ontstane dalen werden later weer met jongere sedimentenopgevuld. Deze glaciale processen hebben uiteraard tot een verstoring van de oorspronkelijkegrondopbouw geleid. Deze verstoringen gingen gepaard met veranderingen in despanningstoestand van de grondlagen. Dit alles is er de oorzaak van dat de Nederlandsegrondgesteldheid van nature een grote verscheidenheid vertoont. Sedimentbodems, ontstaanuit verweringsgesteente overheersen. Gesteenten komen alleen in Zuid-Limburg voor. Eenslappe bodem, zo zou men generaliserend de Nederlandse grondgesteldheid mogenkwalificeren.


Figuur 1: schematisch geotechnisch profiel van NederlandOm de lager gelegen gebieden in het westen van Nederland bewoonbaar te maken, werdenreeds lang geleden dijken aangelegd en werd het land achter de dijken (polder) drooggelegden sedertdien continu drooggehouden. Deze eeuwenlange (vanaf de 13e eeuw) bemalingenhebben tot gevolg dat de organische lagen (veen) steeds meer verweren (vergaan) endat deze, evenals de anorganische lagen, ten gevolge van toenemende korrelspanningenbovendien een doorgaande samendrukking vertonen. Hierbij komt nog dat door anderemenselijke invloeden (bijvoorbeeld ophogingen) dit proces aanzienlijk kan worden versterkt.De zettingen, veroorzaakt door deze voortdurende samendrukking van holocene klei, silten/of veenlagen, kunnen onaangename gevolgen hebben voor allerlei op palen of opstaal gefundeerde constructies.

1.2.2. Grondonderzoek

In zowel horizontale als in verticale richting kunnen op korte afstand de samenstellingen de eigenschappen van de diverse kwartaire lagen sterk variren. Als gevolg hiervanworden in de bouwpraktijk hoge eisen gesteld aan de kwaliteit en de intenstiteit vande methoden van grondonderzoek.

Tegenwoordig bestaat er een grote verscheidenheid aan onderzoekmethoden en metingendie het terrein en in het laboratorium op grondmonsters kunnen worden uitgevoerd.

Het uitvoeren van een grondonderzoek in het terrein heeft in eerste instantie tot doel

0 =N.A.P.

diep

tein

met

ers

t.o.v.

N.A.

P.

+100+50

+10+5

0

-5-10

-50-100

-500

+100+50

+10+5

-5-10

-50-100

-5000 10 20 0 10 20 0 10 20 0 10 20 0 10MN/m2 MN/m2 MN/m2 MN/m2 MN/m2

Noordzeewest

Duitslandoost

invloeiing van zoet waterbovengrens van gebied met

invloeiing van zout en brak watersonderingbovengrens van gebied met

1515a16171819202122 gletsjerafzettingen

keileemklei met slikzand 2...3, grindklei met schelpenzand 2...3, grindzand 2...3leem, vaak zandigzand 1...2LITHOLOGIE

peri-glaciaalperi-glaciaalperi-glaciaalfluviaalmarienglaciaallacustro-glaciaalglaciaalglaciaal

OORSPRONGPLEISTOCEEN

1234567891011121314

zand, kleiig of klei, zandig

zand 1laagveenzand 1, of met kleilagenkleizand, klei, puin, veen

zand 1...3kleihoogveen

zand 2 met schelpenklei, plantenresten

zand 1 of met kleilagenklei met veenrestenzand 1, of met kleilagen

LITHOLOGIEantropogeenmarienmarienorganischaeolischlitoraalmarienmarienmarienperi-marienperi-marienorganischfluviaalfluviaal

OORSPRONGHOLOCEEN TERTIAIR

2627

28

klei, zandigklei

LITHOLOGIE

klei-zand-steen(zachte rotsen)LITHOLOGIE

marienmarien

OORSPRONG

marien/fluviaalOORSPRONG

MESOZOICUM

60 m200 m600 m

2.000 m200 mm

slik1 fijn2 medium3 grof

zand

grind

2 m

600 m200 m60 m

2 mm{

2323a2425

zand 1, met kleilagenklei of slikachtige klei

zand 1...2zand 1...2, met schelpen

fluviaalfluviaalfluviaalmarien


het vaststellen van de dikte en de samenstelling van de van belang zijnde grondlagen.Door op meer plaatsen onderzoek te doen, kan een beeld worden verkregen van hetverloop van de diverse lagen. Daarnaast kunnen door middel van in situ-metingen enkelemechanische eigenschappen van de diverse grondlagen worden vastgesteld.

Voor de omvang van het noodzakelijke grondonderzoek kan geen algemeen geldendemaat worden opgegeven. De keuze van het type onderzoek en de omvang van dit onderzoekhangen namelijk van veel factoren af. De bekendheid met de grondgesteldheid ter plaatsespeelt daarbij onder andere een grote rol. Daarnaast is ook de soort constructie vanbelang.

In Nederland wordt in het terrein vooral het sonderen veel toegepast. Bij het sonderenwordt een conus met een tophoek van 60 graden met een constante snelheid (20 mm/sec)de grond ingedrukt. Tijdens het indrukken wordt de door de conus ondervonden weerstandvan de grond gemeten.

Het is hierbij tevens mogelijk met behulp van een kleefmantel de plaatselijke wrijvingte meten. Daarnaast kan met een direct boven de conus ingebouwde waterspanningsmetertijdens het wegdrukken van de conus de waterdruk worden gemeten.Aan de hand van de resultaten van een sondering kan een goed beeld worden verkregenvan de laagopbouw en van de sterkte- en stijfheidseigenschappen van de aangetroffengrondlagen.

Afhankelijk van de te verwachten grondmechanische problemen kunnen naast het sondeer-onderzoek ook boringen worden uitgevoerd. Boren is een grondverkenning door middelvan bemonstering. De wijze waarop de bemonstering plaatsvindt (de keuze van het typeboring) wordt bepaald door:- het doel van de boring:

* samenstelling van lagen vaststellen;* laagscheidingen bepalen;* beproeving van grondmonsters;

- de grondsoort;- de diepte;- de kosten.

Er is een veelheid aan boormethoden die vanuit de grondmechanica beschouwd sterkin kwaliteit variren.

Naast de hiervoor genoemde bekende onderzoeksmethoden staan tegenwoordig ookgeofysische meetmethoden ter beschikking om over een zekere uitgestrektheid (leidingtrac)een continu beeld te krijgen van de grondlagenopbouw. Genoemd kunnen worden degeo-elektrische en elektromagnetische weerstandsmeting. Hierbij wordt met toenemendediepte de weerstand bepaald die een elektrische stroom in de grond ondervindt. Eenverandering van de weerstand duidt op een laagscheiding (zie figuur 2).


Figuur 2: resultaat van een elektromagnetische verkenning van de ondergrond

Uit de metingen valt af te leiden waar de grondopbouw verandert. Om vast te stellenwaaruit de grondopbouw bestaat, moeten aanvullende boringen worden gemaakt. Opbasis van geologisch inzicht in de plaatselijke omstandigheden, van de meetgegevens envan de aanvullende (hand)boringen wordt vervolgens de precieze opbouw van deondergrond vastgesteld.

1.3. INTERACTIE BUIS-GROND

1.3.1 Algemeen

Een buis in de grond is via de grond onderhevig aan allerlei belastingen. De oorzakenvan deze belastingen kunnen zeer verschillend zijn. De grootte van deze belastingen isin hoge mate afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal grond.De belasting op de buis zal aan de onderzijde van de buis weer aan de grond moetenworden overgedragen. Dit kan op een directe wijze gebeuren of indirect bijvoorbeeldvia een paalfundering. Ook bij deze overdracht spelen de eigenschappen van de grondeen grote rol. In axiale richting zal zowel de belasting op de buis als de afdracht vande belasting aan de ondergrond niet constant zijn. Deze variatie kan zodanig zijn datbelastingen in axiale richting via de buis moeten worden overgedragen.

1.3.2. Belastingen op buizen

Wanneer een buis wordt aangelegd middels het graven van een sleuf, treden tijdens en nade aanleg grondbelastingen op, waarvan de oorzaken fundamenteel verschillend zijn (ziefiguur 3.)

160-140-120-100-80-

38 39 40 41 42 43

schi

jnbar

e ge

leidb

aarh

eid

(mS/

m)

klei zand veen


Figuur 3: Belastingen op buizen

ongelijkmatige oplegging

verdichten

grondgewicht

verkeersbelasting


Op de eerste plaats is er een belasting ten gevolge van liggerwerking wanneer de buiswordt gelegd op een niet vlakke ondergrond of op een ondergrond waarvan de stijfheid(beddingsconstante) in lengterichting van de buis sterk varieert.Vervolgens is er een belasting ten gevolge van inklinking van de sleufaanvulling naast debuis. Deze belasting op de buis manifesteert zich vooral tijdens het dynamisch verdichtenvan de sleufaanvulling en wordt nog versterkt door de dynamische effecten van de wissel-werking trilapparatuur buis grond. Behalve deze belastingen is er die op de buis tengevolge van het eigen gewicht van de grond boven de buis. Een vierde belastings-geval betreft belastingen die optreden ten gevolge van een oppervlakte (verkeers)belastingtijdens de levensduur van de buis. Deze belasting wordt in het algemeen door het gekoppeldesysteem grond buis gedragen, maar kan echter bij onzorgvuldige aanleg ook totverder ongelijkmatige verdichting van de grond leiden, waardoor er verschijnselen optredenzoals bij de aanleg van de leiding. Vooral in nieuwe woonwijken is het de belastingdoor bouwverkeer waarmee terdege rekening gehouden dient te worden.

Voor de berekening van de grondbelasting op buizen zijn vele methoden voorhanden.Genoemd kunnen worden: Marston/Spangler, Voellmy, Wetzorke, Leonhardt. De in CUR-rapport 122 gehanteerde methode steunt grotendeels op de methode van Leonhardt. Metde genoemde rekenmethoden, mits gebruik wordt gemaakt van de juiste invoerparameters,is het mogelijk een veilig ontwerp voor de verschillende belastingen en grondgesteld-heden te maken. Van een buis in de grond kan ook een eindig elementenmodel wordengemaakt. Deze rekenmethodiek is in staat om tevens de tijdens de aanleg van de buisoptredende belastingen in het constructief ontwerp mee te nemen. (zie figuur 4).

Figuur 4: met behulp van EEM berekende vervormingen bij een slechte verdichting vande sleufaanvulling naast de leiding


De grootte van de grondbelasting op buizen hangt af van stijfheidsverschillen tussen buisen omringende grond en tussen moten grond onderling (zie figuur 5).

Figuur 5: stijfheidsverschillen bepalen de grondbelastingVoor het stijfheidsverschil buis en grond wordt daarbij de systeemstijfheidsverhouding(VRB) ingevoerd.Deze verhouding geeft aan in welke mate de ringstijfheid van de buis en de stijfheidvan grond aan weerszijden van de buis bijdragen aan het draagvermogen van debuis en wordt uitgedrukt in de formule:

VRB = EI/r4 CH (1)waarin:

VRB = de systeemstijfheidsverhouding;EI = de buigstijfheid van de buiswand;r = de gemiddelde straal van de buis;CH = de horizontale stijfheidsmodulus van de grond naast de buis.Het draagvermogen bij een buis met een geringe (ring)stijfheid (= EI/r3) ten opzichtevan de stijfheid van de grond (= rCH) wordt voor een groot gedeelte verkregen doorde steundruk aan de zijkant van de buis. Om de horizontale steundruk bij een flexibelebuis te ontwikkelen, is enige deformatie van de buiswand noodzakelijk. De flexibele buiszal daarvoor enigszins moeten ovaliseren (zie figuur 5). De grootte van deze benodigdedeformatie is afhankelijk van de belasting op de buis en de stijfheid van de grond naastde buis. Bij een buis die stijf is ten opzichte van de omringende grond wordt bijna geenextra steundruk opgewekt.

Een dergelijke buis zal de bovenbelasting grotendeels zelfstandig dragen. In het algemeenzal de grondbelasting op de relatief stijve buizen groter zijn dan die die volgt uit hetgewicht van de bovenliggende grond. Dit in tegenstelling tot de grondbelasting op derelatief slappe buis, die onder bepaalde omstandigheden lager kan uitvallen. Om eenindruk te krijgen van de systeemstijfheidsverhouding VRB bij de in de praktijk toegepaste

starre buis flexibele buis


buizen is in figuur 6 voor verschillende buismaterialen het interval aangegeven waarbinnenVRB meestal zal liggen.

Figuur 6: systeemstijfheidsverhouding VRB voor verschillende buismaterialenIn het algemeen kan worden gesteld dat betonnen buizen tot het starre buistype kunnenworden gerekend.

De grootte van de grondbelasting (qVG) kan als volgt worden uitgedrukt:qVG = G H (2)

waarin:

qVG = grondbelasting per oppervlakte-eenheid;G = een concentratiefactor; = het volumegewicht van grond boven de buis;H = de gronddekking boven de kruin van de buis.

De grootte van de grondbelasting bereikt zijn maximale waarde wanneer de grond bovende buis bezwijkt. Deze grondbelasting wordt ook wel de passieve bovenbelasting genoemd.Deze maximale belasting kan optreden wanneer een starre buis zeer goed is ondersteund(bijvoorbeeld door een paalfundering) en de grond rondom de buis zakt.Uitgaande van een bezwijkmechanisme van de grond waarbij de bezwijklijnen naar hetmaaiveld lopen kan voor de bepaling van de waarde van de maximale grondbelastinggebruik worden gemaakt van de volgende empirisch bepaalde VGmax-waarden.

gfk

pe -3,2

pe -4

pvc

asbestcement

gietijzer

metselwerk

beton

10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102

systeemstijfheid vRB

s ringstijfheid voor buisR =s stijfheid van de grondB =

zeer slap slap stijf praktisch star

flexibele buis starre buis

E = 1 N/mm2

E = 20 N/mm2

vRB = =sRsB

Elr c

4H


a = a 1

E1E2

waarin de factor f afhangt van de grondsoort en dichtheid van de sleufaanvulling bovende buis.zeer vast zand = 0,8gemiddeld zand = 0,6losgepakt zand = 0,4klei en veen = 0,3Voor een starre buis op staal gefundeerd wordt in het CUR-rapport 122 een benaderings-formule voor deze factor gegeven:

waarin:

a = zie figuur 7H = gronddekking boven buisDu = de uitwendige diameter van de buisE1, E2, E4 = rekenwaarden van de elasticiteitsmodulussen van de grond nabij de buis

(zie figuur 7).

Figuur 7: grondparameters

Bij de in het CUR-rapport beschreven rekenmethoden wordt voor de beschrijving vande vervormingseigenschappen van de grond een elasticiteitsmodulus gebruikt.

In de techniek wordt de elasticiteitsmodulus gebruikt om het verband aan te geven tussen

(4)= 1,0 +VG

a .1 H

Du

4,0 + 2,4 .E1E4

H

Du+ 0,55 + 1,88 . .

E1E4

(3)= 1 + VGmaxH

Du

E1

E4

E3 E3

E2E2

H

a DuDu


tangentmodulus E = lim20

secantmodulus E = =1 1 0

1 0

l

l

ll

opp. F

P

= [N/mm ]2

= [-]

PF

E = tan1 1 1

2

E = tan2 20 1

1

0

spanning () en de specifieke vervorming (= l l- ), zoals als voorbeeld is weergegevenin figuur 8 voor een uni-axiale drukproef (vrije prismaproef).

Figuur 8: elasticiteitsmodulus

De elasticiteitsmodulus kan daarbij als volgt worden gedefinieerd:

Omdat grond echter vaak zo weinig cohesief is dat bij een dergelijke vrije prismaproefzonder zijdelingse steun het grondmonster niet kan blijven staan, werden ten behoevevan de grondmechanica andere laboratoriumproeven ontwikkeld, die een zijdelingse steunvan het grondmonster wel mogelijk maakten. De bekendste daarvan zijn de triaxiaalproefen de oedometer- of samendrukkingsproef. Bij de triaxiaalproef kan een bepaalde, voorafte kiezen alzijdige druk op het grondmonster worden aangebracht, voordat de verticalebelasting wordt aangewend. De zijdelingse vervorming vindt op dezelfde wijze plaatsals bij de vrije prismaproef. Bij de oedometerproef wordt geen zijdelingse vervormingtoegestaan, omdat de zijwanden van het monster zijn gefixeerd.De spanning-rek-relatie van grond is niet lineair. Bovendien wordt dit verband ook bepaalddoor de belastings- en vervormingsomstandigheden (zie figuur 9). Zo wordt grond bijeen alzijdige samendrukking steeds stijver. Is hoekvervorming mogelijk dan wordt bijtoenemende spanning de grond steeds slapper.


Figuur 9: spanning-rek-relaties van grond

De E-modulussen die aan de hiervoor genoemde proeven zijn ontleend, wijken dus afvan de op basis van de vrije prismaproef gedefinieerde elasticiteitsmodulus E. Een om-rekening is echter wel mogelijk.De E-waarden die in de rekenmethode gebruikt moeten worden, zijn elasticiteitsmodulussendie ontleend zijn aan de oedometerproef (Es).In de afleiding van de formules door Leonhardt, welke grotendeels zijn overgenomenin het CUR-rapport, volgt de E1 modulus uit het invoeren van een schuifstijve balkin de aanvulzone boven de buis. De grootheden E2, E3 en E4 volgen uit het feit datde grond naast en onder de buis deformeerbaar is. De grootheden E2 respectievelijk E3beschrijven de grond in de aanvulzone naast de buis respectievelijk in de ongeroerdegrond naast de buis (zie figuur 7).De grootheid E4 verstrekt informatie over de relatie tussen de belasting en verplaatsingenvan de grond waarop de buis rust. Een slechte verdichting van de sleufaanvulling aanweerszijden van de buis (E2 is klein en de verhouding E1/E2 is groot) geeft een hogewaarde van vg en dus een hoge grondbelasting. Ook de mate waarin de buis in zijnbedding wordt gedrukt, bepaalt mede de grootte van de grondbelasting. Dit komt totuiting in de verhouding E1/E4.

De bepaling van de E-waarden kan geschieden door middel van laboratoriumonderzoek.De grond dient daarbij onder gelijke omstandigheden als in het terrein te worden beproefd.Behalve het uitvoeren van laboratoriumonderzoek wordt in de praktijk vaak aan de handvan de gemeten conusweerstand (conus met een oppervlak van 10 cm2) de E-modulusvastgesteld. Hierbij wordt gebruik gemaakt van in de literatuur aangegeven betrekkingen

compressietestoedometertesttriaxiaaltest


tussen de gemeten conusweerstand en elasticiteitsmodulus gebaseerd op grote seriessamendrukkingsproeven (oedometerproeven). In het CUR-rapport wordt een dergelijkverband gegeven (zie tabel 1). Hierbij worden de in Nederland voorkomende grondenverdeeld in 3 groepen:

- groep 1: niet of weinig samenhangende grond(bijvoorbeeld zand, grind en mengsels daarvan, klei- of silthoudend zand en grind metmaximaal 10 gew. % < 63 m

- groep 2: samenhangende menggrond(bijvoorbeeld mengels van zand, klei en silt met maximaal 50 gew. % < 63 m.

- groep 3: samenhangende grond (bijvoorbeeld silt of klei met organische vermenging).Tabel 1: Relatie conusweerstand-elasticiteitsmodulus (uit CUR-rapport 122)

(voor een conus met een oppervlakte van 10 cm2)Verband tussen de E-waarden en conusweerstanden qc

1. Niet of weinig samenhangende grond:qc < 5 N/mm2 E = 2,5 qc

5 < qc < 10 N/mm2 E = 2,0 qcqc > 10 N/mm2 E = 1,5 qc

2. Samenhangende menggrond:qc < 2 N/mm2 E = 4,0 qcqc > 2 N/mm2 E = 2,0 qc

3. Samenhangende grond:qc < 1 N/mm2 E = 4,0 qc*qc > 1 N/mm2 E = 2,0 qc

* Voor zeer venige klei of veengronden, waarin qc bijna altijd kleiner is dan 1 N/mm2,geldt de gegeven E-waarde niet.

Afhankelijk van het watergehalte kan E zelfs veel kleiner dan qc worden.Het is raadzaam voor veengronden een expert te raadplegen.

Uit de literatuur is ook bekend dat bij toenemende verdichtingsgraad of relatieve dichtheidde E-modulus van grond zal toenemen. Een verband tussen de verdichtingsgraad en deelasticiteitsmodulus is van belang voor het vaststellen van de benodigde parameters ingeroerde grond (sleufaanvulling).In de volgende tabel zijn richtwaarden vermeld voor de elasticiteitsmodulussen.


grondsoort E in N/mmgroep nr. dichtheid in % m.p.d.

85 90 92 95 97 100

1 2,5 6 9 16 23 402 1 3 4 6 10 183 0,6 1,5 2 4 6 10

Tabel 2: Verband tussen dichtheid en elasticiteitsmodulus (uit CUR-rapport 122)* In het CUR-rapport 122 wordt in principe met karakteristieke waarden gewerkt,

dat wil zeggen waarden die in slechts 5% van de gevallen worden onderschreden. Inverband hiermee wordt aan de elasticiteitsmodulussen een onzekerheidsfactor toegekend.Deze onzekerheidsfactoren zijn in het CUR-rapport vermeld.

Ten aanzien van de grondbelasting op buizen wordt nog opgemerkt dat in relatief smalleleidingsleuven na aanvullen de grondbelasting op de buis kleiner kan zijn dan het gewichtvan de moot grond boven de buis. Door wrijvingskrachten wordt een gedeelte van degrondbelasting aan de grond naast de sleuf overgedragen. Het reducerend effect van dezesilowerking kan in de loop van de tijd door invloed van kruip of ten gevolge van infiltrerendwater verminderen zodat met enige voorzichtigheid hiermee moet worden omgegaan.

Behalve de grondbelasting moet de in de grond gelegde buis nog als belasting dragende verkeersbelasting, het eigen gewicht van de buis, het gewicht van de buisvulling ende in- en uitwendige waterdruk.

1.3.3. Fundering van betonnen buizen

De belastingen op de buis dienen aan de onderzijde te worden overgedragen aan degrond. De overdracht van belasting kan direct of indirect gebeuren. Bij een directe overdrachtwordt de belasting in een dwarsdoorsnede van de buis in dezelfde dwarsdoorsnedeovergedragen aan de grond. Er vindt dus geen overdracht van belasting plaats in axialerichting van de buis. Bij een indirecte overdracht wordt de belasting eerst in axiale richtingvan de buis overgedragen naar een dwarsdoorsnede waar de buis is ondersteund doorde grond dan wel via jukken door een paalfundering.1.3.3.1. Fundering op staal

Bij een fundering op staal is er veelal sprake van zowel een directe als een indirecteoverdracht. De indirecte overdracht (liggerwerking) dient zoveel mogelijk te wordenvoorkomen maar is nooit helemaal uit te sluiten. Bij een fundering op palen is er grotendeelssprake van een indirecte overdracht van de belasting en zal dus altijd met liggerwerkingrekening gehouden moeten worden.


Voor een directe overdracht (fundering op staal) is het noodzakelijk dat de buis overenige afstand de grond wordt ingedrukt. De grootte van deze indrukking is sterk afhankelijkvan de eigenschappen van de grond onder de buis en de grootte van de over te dragenbelasting. De stijfheid van de grond, gedefinieerd als de druk op de grond die een indrukkingvan de grond ter grootte van de lengte-eenheid veroorzaakt, wordt veelal uitgedrukt ineen beddingsconstante (k).Een hoge waarde van de beddingsconstante geeft dus bij een bepaalde belasting eengeringe indrukking van de buis in de grond. Bij dezelfde belasting zal een lagebeddingsconstante een grote indrukking geven. Het gebruik van een beddingsconstantehoudt in dat wordt uitgegaan van een elastisch vervormingsgedrag van de grond onderde buis (zie figuur 10).

Figuur 10: elastisch vervormingsgedrag

In werkelijkheid is het vervormingsgedrag van de grond niet lineair-elastisch. Op de eersteplaats is de grondweerstand onder de buis begrensd door het bezwijkdraagvermogen vande grond. Op de tweede plaats neemt vanaf een belasting van ongeveer 50% van hetbezwijkdraagvermogen de indrukking van de buis in de grond progressief toe. In figuur11 is het resultaat van een aantal buisbelastingsproeven weergegeven waaruit dit gedragduidelijk blijkt.

belasting

indr

ukk

ing k = cotangens


Figuur 11: buisbelastingsproeven

De indrukking van een ronde buis in de grond is het gevolg van samendrukking van degrondlagen onder de buis en van een soort insnijdingsproces, waarbij in feite sprake isvan continue bezwijken van de grond bij een tot de buisdiameter toenemende breedtevan het belaste oppervlak (zie figuur 12). Bij een buis met een vlakke voet is hetinsnijdingsproces niet aanwezig en bepaalt alleen de samendrukking van de grondlagenonder de buis de beddingsconstante.

De in het CUR-rapport 122 aangegeven rekenmethode gaat, ongeacht de grootte van debelasting, uit van een vaste oplegbreedte van de ronde buis. Deze rekengrootheid wordtaangegeven door middel van de opleghoek (2). In werkelijkheid is de grootte van deopleghoek van een ronde buis onder meer afhankelijk van de verhouding tussen de belastingop de buis en het bezwijkdraagvermogen van de grond onder de buis (zie figuur 13). Bijeen draagkrachtige ondergrond zal de opleghoek klein zijn. In zon geval kan met hetbewust verstoren van de sleufbodem (losmaken) een grotere opleghoek worden verkregen.Bij minder draagkrachtige lagen zal de opleghoek bij toenemende belasting op de buissnel toenemen.

200

250

0

50

100

150

300

0 0,5 1,0

FFgrens

indr

ukk

ing

in m

m


Figuur 12: bezwijken van grond onder een buisDe opleghoek heeft in de aangegeven rekenmethode een grote invloed op de te berekenenspanningen en vervormingen in de dwarsdoorsnede van de buis.

Uitgaande van alleen het insnijdingsproces kan theoretisch de rekengrootheid opleghoekvoor een buis worden vastgesteld. Daarbij wordt met behulp van Brinch Hansens formulegezocht naar die breedte van het belaste oppervlak waarbij het bezwijkdraagvermogenvan de grond gelijk is aan de door de buis overgedragen belasting. Bij deze benaderingwordt dus uitgegaan van een vlakke sleufbodem, waarbij geen sprake is van een onder-stopping van de buis.

2

2

2


Figuur 13: relatie opleghoek FFgrens

In de navolgende tabel zijn de opleghoeken (2) weergegeven die met behulp van degenoemde methode zijn bepaald. Het zijn karakteristieke waarden waarbij tevens rekeningis gehouden met belastingsspreiding in de buiswand. De berekeningen zijn uitgevoerdvoor een gronddekking van 1.500 mm.

Grondsoort D in mm

Di < 400 400 < Di < 700 Di > 700

niet of weinig samenhangende grond 35 30 30samenhangende menggrond 50 40 35samenhangende grond 60 50 45

Tabel 3: Karakteristieke opleghoeken (2) in graden voor niet bewerkte sleufbodemOm bij een vaste sleufbodem een grotere opleghoek te verkrijgen, kan de sleufbodemworden bewerkt door onder andere:

a) op de sleufbodem een laag losgestort zand van voldoende dikte aan te brengen;b) de grond over voldoende breedte en diepte los te woelen. De mate van loswoelen

kan eenvoudig worden gecontroleerd door met een dunne staaf in de grond te steken.In het losgewoelde gedeelte mag bij het steken nauwelijks weerstand van de grondworden ondervonden.

De dikte (h) van de laag losgestort zand en de diepte van het loswoelen zijn afhankelijk

180

140

100

60

20

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1A1B2A2B3A3Bberekend

ople

ghoe

k 2

FFgrens


van de buisdiameter en van de opleghoek, doch dienen minimaal te zijn als is aangegevenin de volgende tabel.

Di < 400 mm h = 0,15 m400 < Di < 700 mm h = 0,25 mDi > 700 mm h = 0,30 m.

Voor de bewerkte sleufbodem zijn de volgende karakteristieke opleghoeken bepaald.

Grondsoort Di in mm

Di < 400 400 < Di < 700 Di > 700

niet of weinig samenhangende grond 45 40 35samenhangende menggrond 60 50 40samenhangende grond 60 50 45

Tabel 4: Karakteristieke opleghoeken (2) in graden voor bewerkte sleufbodemZoals ook is vermeld in het CUR-rapport 122 zijn met behulp van bijzondere uitvoerings-technieken grotere opleghoeken te creren dan hiervoor vermeld. Bijvoorbeeld een tonrondeoplegging, gerealiseerd met mallen en regellatten.

1.3.3.2. Fundering op palen

Aan de hand van de resultaten van het grondonderzoek en de keuze van de buizenmet soort verbinding dient voor de betreffende rioolleiding te worden bepaald hoe dezemoet worden gefundeerd.

Wordt gekozen voor een paalfundering dan gaat de onderheide leiding een star elementvormen in een omgeving die vaak aan zetting onderhevig is. Dit heeft consequentiesvoor de belasting op de leiding. Bij enige zetting van de grond rondom de leiding heeftmen al te maken met de maximale waarde van de in formule (2) genoemde concen-tratiefactor. Deze maximale waarde dient dan berekend te worden met formule (3).De bovenbelasting op de buis wordt in axiale richting door de buis overgedragen naarde ondersteuningen. Voor het overdragen van de belasting dienen de buizen een voldoendelangssterkte te hebben. Ter plaatse van de paaljukken vindt een concentratie plaats vanbelastingen. Het is derhalve van belang de plaats van de paaljukken, de breedte en hoogtevan de kespen en de grootte van de opleghoek goed af te stemmen op de sterkte vande buis.

Ten aanzien van de plaats van de paaljukken wordt verwezen naar figuur 14.


Figuur 14: systeem onderheide leidingen

Bij het gebruik van n paaljuk per buis moet uiterste voorzichtigheid worden betracht,omdat de buis in dat geval op n paaljuk en via de verbinding op de aansluitendebuis rust. De sterkte van de buizen en speciaal die van de moffen moet voldoende zijnom aan de bij deze funderingswijze optredende krachten weerstand te kunnen bieden.Wanneer bijvoorbeeld een van de moffen zou afbreken, wordt de gehele rioolstreng instabiel.De belasting op een paaljuk wordt via kespen overgedragen aan palen. Op basis vanhet grondonderzoek moet de inheidiepte worden vastgesteld.

L

0,85 L

globale toepassing bij buislengten: L 2,00 m 700

niet bewerkte sleuf 2k = 35 2k = 30 2k = 30bewerkte sleuf 2k = 45 2k = 40 2k = 35

E1 = 16 N/mm2 a1 = 1,1E2 = 16 N/mm2 a2 = 0,9E3 = 20 N/mm2 a3 = 0,9E4 = 30 N/mm2 a4 = 1,1

Sleufhelling 60, volumegewicht grond 18 kN/m3,hoek inwendige wrijving 30, K2 = 0,35; aanvullingverdicht, geen silowerking, grondwaterstand beneden debuis, veiligheidsklasse 2, verkeersbelastingen 0, 30, 45,buisvulling 10 kN/m3, inwendige druk pi = 0, tem-peratuurverschil t = 0.


Bij afwijkende uitgangspunten gelieve u overleg te plegen met de betreffende buizenfabrikant.

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

Gron

ddek

king

op d

e bu

is

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

300w = 55

400w = 55

500w = 65

600w = 80

700w = 90

800w = 100

900w = 110

1000w = 120

1250w = 140

1500w = 170

overgangsgebiedongewapende buizen gewapende buizen

Figuur 22: toepassingsgebied bij grondsoort 2: samenhangende menggrond.

Beddingshoeken Di < 400 400 < Di < 700 Di > 700





Bij afwijkende uitgangspunten gelieve u overleg te plegen met de betreffende buizenfabrikant.

Figuur 23: toepassingsgebied bij grondsoort 3: samenhangende grond.

Beddingshoeken Di < 400 400 < Di < 700 Di > 700



5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

Gro

ndde

kkin

g op

de

buis

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

v.k.

0v.

k.30

v.k.

45v.

k.0

v.k.

30v.

k.45

300w = 55

400w = 55

500w = 65

600w = 80

700w = 90

800w = 100

900w = 110

1000w = 120

1250w = 140

1500w = 170

ongewapende buizen gewapende buizen



LITERATUUROVERZICHT HOOFDSTUK 1

[1] Het riool in cijfers 1998/99, Stichting Rioned, augustus 1998.[2] CUR-rapport 122, Buizen in de grond, berekening van ongewapende en gewapende

betonnen buizen.

[3] ATV-Regelwerk, Richtlinie fr die statische Berechnung von Entwsserungskanlenund -leitungen.

[4] Laboratorium voor Grondmechanica, Sondeerwaarden voor de verdichtingscontrolevan zandaanvullingen rondom duikers.

[5] H. J. A. M. Hergarden: Dichtheid van grond controleren met handsondeerapparatuur,Land + Water, januari/februari 1990.

[6] Laboratorium voor Grondmechanica, Onderzoek naar gedrag van buisleidingen inklei en zand, 1984, rapportnr. CO-272040/75.

[7] Laboratorium voor Grondmechanica, Proeven ter bepaling van beddingsconstantevoor buisleidingen en platen, 1979, rapportnr. CO-231390/30.

[8] H. J. A. M. Hergarden, N.F. Zorn: Grondbelastingen op betonnen rioolbuizen,Rioleringstechniek nr. 1 en 2, VPB, 1990.

[9] P. van de Berg, H. J. A. M. Hergarden, A. Jutte: Nieuw model voor simulatie vanlining-systemen, Land + Water, mei 1990, pag 62-67.

[10] J. Blaauwendraad, A. W. M. Kok: Elementenmethode voor constructeurs, AGON-Elsevier, 1972.

[11] Leidingen grondig besproken, seminar Grondmechanica Delft, 1987.

[12] Ir. W. de Groot: De praktijk van het leggen van rioolbuizen, Cement nr. 4, 1991.[13] H. J. A. M. Hergarden, N.F. Zorn: Grondbelastingen op betonnen rioolbuizen,

Rioleringstechniek nr. 1 en 2, VPB, 1990.


COLOFON

De serie van zeven handboeken onder de gezamenlijke titel Rioleringstechniek is verzorgddoor het Team for Scientific and Technical Publications & Industrial Design (TSTP) teBrouwershaven. De handboeken werden gezet uit de Times.

Inhoudsopgave CD-ROMInhoudsopgaveTEN GELEIDEHOOFDSTUK 1: BETONNEN BUIZEN IN DE GROND1.1. Inleiding1.2. De nederlandse grondgesteldheid1.2.1. De geologische geschiedenis1.2.2. Grondonderzoek

1.3. Interactie buis-grond1.3.1 Algemeen1.3.2. Belastingen op buizen1.3.3. Fundering van betonnen buizen1.3.3.1. Fundering op staal1.3.3.2. Fundering op palen

1.4. Constructieve berekeningen1.4.1. Liggerberekening1.4.2. Ringberekening1.4.2.1. CUR-rapport 1221.4.2.2. De eindige elementen methode (EEM)

1.5. De invloed van de uitvoering1.5.1. Graven van sleuf en aanleg buis1.5.2. Aanvullen en verdichten1.5.3. Controle van de verdichting

HOOFSTUK 2: APPENDIX2.1. Toepassingsgebied van ongewapende en gewapende betonnen buizen2.1.1. Uitgangspunten2.1.2. Sleufaanvulling2.1.3. Gronddekking < 0,75 m'2.1.4. Grijs overgangsgebied in de staafgrafieken

LITERATUUROVERZICHT HOOFDSTUK 1

Rioleringen DEEL 2

Documents

Transcript of Rioleringen DEEL 2