I
I
I
B5S.18
PROEFAFSCHUIVING
AUVERGNE-POLDER
84.8!
Wilhelminasingel 92 Postbus 3106, 6202 NC Maastricht Tel. (043) 1 41 85 telex 56615 i.g.f. Croeselaan 247 Postbus 5071, 3502 JB Utrecht Tel. (030) 94 58 41 telex 70125 i.g.f.
raadgevend ingenieursbureau lid ONRI terretnonderzoek laboratoriumonderzoek geodesie NOTITIE
Betreffende een proefafschuiving van een dijk in de Auvergnepolder nabij Tholen.
OPDRACHTGEVER VAN DEZE NOTITIE
Centrum voor Onderzoek Waterkeringen 's Gravenhage; werkgroep 3 van het TAW.
OPDRACHTGEVER VAN DE PROEFAFSCHUIVING
Rijkswaterstaat, Deltadienst te ,'s .Gravenhage,
UITVOERING VAN DE PROEFAFSCHUIVING
Laboratorium voor Grondmechanica te Delft.
BIJLAGEN;
nr. 1 Lokatie stabiliteitsproef. 2 Impressie stabiliteitsverlies. 3 Grondlagenschematisatie.
4 Glijvlakberekeningen volgens de lamellenmethode. 5 Ontworpen profiel proefdijk.
6 Voortgang cutterzuiger, opgetreden afkalvingen, afschuivende moot (alle bovenaanzichten).
7 Deformatiemeting van de proefdijk. 8 Opmeting na de afschuiving.
9 Voorbeeld van een stabiliteitsberekening ter bepaling van een kritieke veiligheidskoefficiënt.
1. INLEIDING.
In het kader van de aanleg van de Schelde-Rijnverbinding werden in 1971 nabij Tholen in de provincie Zeeland bagger-werkzaamheden in de Eendracht uitgevoerd ten behoeve van een bochtafsnijding door de Auvergnepolder.
Deze bochtafsnijding werd gerealiseerd door in de polder, langs het toekomstige kanaaltracé, nieuwe hoogwaterkeringen aan te leggen, waarna de bestaande bedijkingen terplaatse van de kanaalingangen kondenworden weggegravenDe lokatieschets bijlage nr. 1 geeft een beeld van de plaatselijke situatie.
Tijdens de bouw van de nieuwe hoogwaterkeringen in de polder trad een omvangrijke afschuiving op bij het zandspuiten. De toendertijd gehanteerde stabiliteitsvoorspellingen voor de bouw van dijken waren gebaseerd op de Methode Hoogenboom, de Methode verbeterde Hoogenboom en de Methode Bishop. De
schuifweerstandseigenschappen werden in die tijd bepaald in het celapparaat aan grondmonsters gestoken met de Begemannboring
<t> 65 mm. Voor het onderzoek van rivier- en zeedijken, en dus
ook in de Auvergnepolder, werd veelal de Normale Celproef toe-gepast. Voor het kadenonderzoek werd gebruik gemaakt van een Meerdere malen gekonsolideerde Celproef. Over een nadere be-schrijving van de methodieken later meer.
De verantwoordelijke ontwerpers vonden het van belang de be-trouwbaarheid van de gebruikelijke geotechnische aanpak te toetsen. De door te graven bedijking in de Auvergnepolder leek hiertoe een voor de hand liggende reeële mogelijkheid te bieden.
Op 24 november 1971 om 13.35 uur had de proefafschuiving bij laagwater plaats. De foto van bijlage nr. 2 geeft een impressie van het stabiliteitsverlies. Het rekenkundig ontworpen profiel, waarbij tijdens laagwater stabiliteitsverlies moest gaan optre-den, bleek inderdaad te bezwijken. De dijk verdween in enkele tientallen seconden onder het wateroppervlak van de Eendracht. Op initiatief van Rijkswaterstaat afdeling Deltadient, met medewerking van het Bouwbureau Schelde-Rijnverbinding, is deze
proef op ware schaal verwezenlijkt. Het grondonderzoek in het veld, alsmede de instrumentatie van de proef in het terrein, werd
door het Laboratorium voor Grondmechanica te Delft verzorgd. Ook de glijvlakberekeningen zijn door dit Laboratorium met behulp van mankracht uit Rijkswaterstaat uitgevoerd.
datum typ. order nr blad
Het voor de proef noodzakelijke baggerwerk werd in opdracht van het Bouwbureau door van Oord-Utrecht verzorgd.
Een bijzonder woord van erkentelijkheid moet worden gericht aan een aantal studenten van de T.H.-Delft, afd. Civiele Techniek. Door hun enthousiasme en grote inzet kon de proef succesvol worden afgesloten. Vooral de Heren Bouwmeester, Roelofsen, Roosendaal, Smink en Terpstra moeten worden ge-noemd voor het doen van de waarnemingen op het dijkvak onder zeer slechte weersomstandigheden, zowel overdag als 's nachts. De opdracht voor het schrijven van deze notitie werd door het Centrum voor Onderzoek Waterkeringen verstrekt aan Ir. H. Pachen van het Instituut voor Grondmechanica en Funderingstechniek
te Utrecht, ten tijde van de hier beschreven in situ proef projektingenieur bij het Laboratorium voor Grondmechanica te Delft.
datum typ order nr blad
2. BODEMOPBOUW EN SCHUIFWEERSTANDSEIGENSCHAPPEN.
De grondlagenopbouw terplaatse van het gekozen proefvlak is op bijlage nr. 3 schematisch weergegeven.
De schematisatie w a s gebaseerd op het hiernavolgende grond-onderzoek :
- druksonderingen met plaatselijke wrijvingsmetingen.
- kontinue kousboringen 0 29 mm.
- kontinue Begemann-boringen 0 65 mm.
- vinproeven (vane-tests).
- klassifikatie- en schuifweerstandsproeven op representatieve grondmonsters in het laboratorium.
- registratie van de buitenwaterstanden.
- registratie van de poriënwaterdrukken in de dijk.
In de tabellen 1 t/m 4 zijn de grondeigenschappen verder in detail gepresenteerd.
Tabel 1. Grondlagenopbouw proefvak
Laag nr. I II III IV V VT Hoogteligging van de laag t.p.v. kruin dijk t.o.v. N.A.P. 5.8 m+- 4.9 m+ 4.9 m+- 2.5 m+ 2.5 m - 3.6 m 3.6 m -4.4 m 4.4 m~- 9.8 m~ 9.8 m~en dieper Grondsoort klei,zandhoudend zand
klei, met veelal dunne zandlaagjes
veen
klei, met veelal dunne zandlaagjes
zand, vast gepakt
% MPa 0.7 1.2-5.0 0.5-1.5 2.0 0.6-1.5 > 10 Yn "kN/m3 16.0 17.0 17.0-17.5 (18.5) 10.3 16.5-17.0 (18.0) 20 w • % -40-45 (29) 320 48 -f
% 'V
-33.4 (14.7) - 15.6-11.6 -1C ' n w i konusweerstand. nat volumegewicht.
watergehalte in gewichtsprocenten van de droge stof.
placticiteitsgrens. datum Mei 1985 typ HV order nr 8 4 . 8 5 6 blad 4
.Tabel 2. Schuifweerstandeigenschappen bepaald met de Normale Celproef. Laag nr. . I II III * IV V * VI
0
(graden) 25 31 25-28-27 28 21-24-35-21 — c (kPa) 4 2 6-3-4 18 9-4-0-5 —Tabel 3. Schuifweerstandeigenschappen bepaald met de Meerdere malen gekonsolideerde en gemohrde Celproef.
Laag nr. I II III* IV V VI
0
*u (graden) 22 31 22-28-21 28 21-22-35-21 — c (kPa) 9 2 10-3-11 18 9.5-9-0-6 —Tabel 4. Schuifweerstandeigenschappen bepaald met de CU Triaxiaal-proef, uitgevoerd mer de multiple stage procedure.
Laag I II III IV V VI nr.
0
*u (graden) 32 38 34-37-35 28 21-36-38-30 -c (kPa) 4 0 4-6-3. 18 950 -7 5 datum Mei 1985 typ. HV order nr blad 84.856 50 = Hoek van inwendige wrijving (uiterste waarde) bepaald met de spanningspunten waarvoor 01/03 maximaal is. c = Kohesie bepaald met de spanningspunten waarvoor 01/03
maximaal is. .
* = Eenvoudigheidshalve zijn deze zones van het dijkprofiel in deze notitie als één laag aangeduid. De berekeningen zijn echter uitgevoerd met de aangegeven verschillen in schuifweerstandseigenschappen. De gevonden verschillen zijn toe te schrijven aan een variatie van het zand-gehalte.
De schuifweerstandsproeven zijn volgens de normaal in de
ingenieurs praktijk gehanteerde normen uitgevoerd. Schematisch zijn de procedures in de figuren 1 t/m 3 nog nader verduidelijkt.
De afschuifsnelheid van de CU triaxiaalproeven bedroeg 3% van de hoogte van het monster per uur. Tijdens de proef is een konstante poriënwaterspanning aan de rand van het monster, de zogenaamde "backpressure", gehandhaafd van 100 kPa.
m1
f ,= grootste,respektievelijk ' kleinste,hoofdspanning •*•— = totaal: spanningspad •*--= effektief spanningspad
f ig.1 Spanningspad Normale Celproef .
datum Mei 1985 typ. HV order nr 8 4 . 8 5 6 blad 6
m1
2a, 3a
't ""t " t fig. 2 Spanningspad Meerdere malen
gekonsolideerde en gemohrde Celproef.
k, k' = konsolidatie fase cel-proef voor het totale, respektievelijk het effektieve, spannings-pad.
m, m' = mohrfase celproef voor het totale
,respektieve-lijk het effektieve spanningspad. o - terreinspanning e = vertikale deformatie fi g 3 Spanningspad CÜ Triaxiaalproef met "multiple stage" procedure.
De waterstand in de Eendracht varieerde in de proefperiode tussen globaal 2.0 m + N.A.P. tijdens hoogwater (H.W.) en 2.0 m ° - N.A.P. tijdens laagwater . (L.W.). De porienspanningen in de dijk volgden de buitenwaterstand vrij direkt met weinig faseverschuiving maar wel met een aanzienlijke demping.
- Voor het grondlagenpakket tot 7.8 m - N.A.P. varieerden de water-spanningen in de dijk tussen 0 . 3 m + e n 0 . 7 m + N.A.P.
- In het grondlagenpakket tussen 7.8 m - N.A.P. en 9.8 m - N.A.P. tussen 0.1 m + en 0.9 m + N.A.P.
In het diepe zand beneden 9.8 m N.A.P. tussen 1.0 m + en 1.0 m -N.A.P. datum Mei 1985 typ. HV order nr 8 4 . 8 5 6 blad 7
3. BESCHRIJVING VAN DE BEREKENINGSMETHODEN.
De gebruikten methoden van stabiliteitsberekening zijn alle gebaseerd op het bezwijken van een grondmassief volgens een cirkel-cylinder. De algemeen geldende evenwichtsvergelijkingen, voor vertikaal-horizontaal- en momentenevenwicht, worden meer of minder streng toegepast. Ze worden vaak glijvlakberekeningen genoemd.
In de berekeningsaanpak wordt de cirkel-cylinder veelal verdeeld in vertikale lamellen. Het voordeel van de lamellen-aanpak ten opzichte van de evenwichtsbepaling van de gehele afschuivende moot bestaat hierin dat ook profielen met een heterogene bodem-opbouw en een ingewikkelde geometrie gemakkelijk met behulp van een rekenmachine kunnen worden doorgerekend. Zie ook bijlage nr.4. Geen van deze berekeningen beschouwt de vervorming van de
af-schuivende grondmoot. Omdat het stabiliteitsprobleem in feite statisch onbepaald is, zouden de vervormingen . • in de oplossing moeten worden betrokken ter bepaling van het krachtenspel. Omdat dit niet gebeurt zijn alle glijvlakbereke-ningsmethoden slechts benaderingen van de werkelijkheid.
Ook bij de berekeningen waarbij aan alle evenwichtskondities wordt voldaan, is een aanname noodzakelijk. Veelal wordt deze
gevonden in een algehele verwaarlozing c.q. een gedeeltelijke verwaarlozing (b.v. de vertikale komponent) van de krachten werkend op de vertikale lamelscheidingen.
Bij de Methode Hoogenboom worden alle krachten op de vertikale -lamelschedingen verwaarloosd/ d.w.z.rx• . - X en E•• .-• - E
L 3 ,n+1 n • n+1 n
worden nul gesteld. De oplossing wordt vervolgens verkregen door IM= 0 en EV= 0 te stellen. Het horizontale evenwicht, ZH= 0, wordt niet in beschouwing genomen.
De Methode Verbeterde Hoogenboom verwaarloost eveneens de
resulterende inter-laminaire-krachten, maar voldoet vervolgens wel aan het momenten-,het vertikaal-,en het horizontaal evenwicht.
Bij de Methode Bishop wordt de resulterende vertikale komponent van de kracht tussen de lamellen gelijk nul gesteld, en wordt verder met de resterende krachtverdeling voldaan aan de 3 evenwichtsvergelijkingen.
Bij de uitgebreide Bishop Methode of de Methode Spencer, worden voor de krachten tussen de lamellen verdere aannamen gedaan.
Zo kan b.v. worden verondersteld dat de inter-laminaire krachten evenwijdig lopen, ofwel kan de ligging van een druklijn in de afschuivende moot worden aangenomen. De praktische winst blijft bij deze methoden echter beperkt tot een enkele procenten hogere yeiligheidskoëfficiënt. Voor de praktijk is dit niet meer van
belang, mede gezien de sterk toenemende bewerkelijkheid van de rekenprocedures en het feit dat ook deze zeer verfijnde oplos-singen toch benaderingen van de werkelijkheid blijven.
datum typ order nr blad
4. ONTWERP EN INRICHTING PROEFVAK.
Gekozen werd voor een proefvaklengte van 40m'. Om de randeffekten te reduceren werden aan weerszijden van het proefvak vertikale sleuven vanaf de kruin op 5.8 m + N.A.P. tot 2.5 m + N.A.P.
(0.5 m boven H.W.) gegraven.
Met behulp van oriënterende glijvlakberekeningen werd een
dwarsprofiel ontworpen dat bij hoog water nog voldoende stabiel moest zijn en bij vallend water, bij voorkeur bij L.W.,moest
bezijken. Het ontworpen profiel is op bijlage nr. 5 getekend. De noodzakelijke aanpassingen van de bestaande hoogwaterkering werden het eerst boven water gerealiseerd met een dragline, waarna met behulp van een cutterzuiger het voorland is weggebaggerd in een zodanig tempo en geometrie van baggersneden dat tijdens H.W. het ontworpen profiel werd bereikt.
Dê plaatsbepaling van de baggersneden in het proefvak is doormiddel van een pikettehmarkering verzorgd. Tevens werden
regelmatig peilingen met behulp van een peillood dwars op het proefvak uitgevoerd ter bepaling van de steilheid van het onderwatertalud.
De verplaatsing .: van de dijk kon met behulp van een aantal meet-draden worden gevolgd. De meetpunten op de kruin en talud zijn
op bijl. nr.7 aangegeven. De registratie van de verplaatsingen gebeurde aan de' achterzijde van:het proefvak in 3 raaien.;
De waterspanningen in de dijk zijn tijdens het in profiel brengen en de afschuiving gemeten met elektrische waterspanningsmeters van het type T.P.D. in de gebieden waar de poriënwaterspanning naar verwachting positief bleef na het ontgraven, en met
behulp van Bourdon manometers waar negatieve waterspanningen
werden verwacht. De lokatie van de meters is ook in bij lage nr.9, wat betreft de middenraai,aangegeven. De meters zijn in 3 raaien
-noord, midden en zuid - geplaatst doormiddel van sondeerappara-tuur, waarbij de sondeerbuizen na het op diepte brengen zijn
getrokken en de gaten werden opgevuld met bentoniet-cement. Deze meters zijn 4 en 5 dagen voor de afschuiving aangebracht. De registratie vond naast het proefvak plaats doormiddel van handaflezingen met een frequentie van 1 maal per 30 min. tot maximaal 1 maal per 5 min..
Voor de bepaling van de plaats en de vorm van het glijvlak werden vanaf de achterkant van de dijk dunne P.V.C, -buizen onder verschillende helling ingebracht. Door de afschuivende grondmoot zouden deze moeten knikken of afbreken.
datum typ order nr blad
Het proefvak werd verlicht met halogeen armaturen met een vermogen van 8000 Watt. Hierdoor konden de metingen ook 's nachts worden voortgezet en kon vanaf de nieuwe brug over de Eendracht elke kenmerkende fasen van de proef doormiddel van film en foto
worden vastgelegd.
Na de afschuiving werd de boveribegrenzing van het afgeschoven profiel ingemeten met behulp van een profiel-waterpassing en onderwater peilingen. Deze metingen zijn ook in 3 raaien uitge-voerd en wel 1 dag na de afschuiving.
datum - typ order nr blad
5. BESCHRIJVING VAN HET WAARGENOMEN STABILITEITSVERLIES.
Op bijlage nr. 6 is een bovenaanzicht van het proefvak getekend met hierin aangegeven de opeenvolgende baggersneden van woensdag-ochtend 24 november 1971. Tijdens hoogwater om 7.00 uur kwam
de laatste baggersnede in het proefvak gereed en was het ontworpen profiel gerealiseerd. Het profiel bleef verder bij een dalende buitenwaterstand visueel stabiel, totdat vanaf 12.15 uur afkal-vingen begonnen op te treden (zie figuur) en om 13.35 uur duide-lijk was waar te nemen dat de dijk afschoof.
De gemeten verplaastingen zijn in bijlage nr. 7 gepresenteerd. De eerste deformaties werden met dit meetsysteem om 12.15 uur waargenomen. De deformatiesnelheid bleef tot 13.00 uur vrij konstant, waarna een versnelling in de beweging gaat optreden. Als tijdstip van bezijken is in alle berekeningen 12.15 uur aangehouden. Hierbij is verondersteld dat de belastingstoestand behorend bij deze beginnende deformatie een volledige afschuiving gaat veroorz'aken. Het op dat tijdstip aanwezige dijkprofiel,
poriënwaterspanningen en buitenwaterstand werden in berekeningen ingevoerd ter bepaling van de kritieke veiligheidkoefficiënten.
De profilering met de zuiger begon op woensdag 24 november
2.30 uur. Vanaf dat tijdstip daalde de gemiddelde waterspanning in de dijk van 0.5 m + N.A.P., amplitudes 0.4 en 0.8 m, tot gemiddelde waarden van 1.0 m - N.A.P., amplitudes 0.75 m en eveneens in fase met het getij, ten tijde van het afschuiven. Tijdens de af schuiving- die van .d.2. 15vuur tot 13.35 uur duurde ...
liepen de waterspanningsmeters- in het grondlagenpakket tussen 6.0 m - en 10.0 m - N.A.P. weer langzaam en geleidelijk omhoog. De opmetingen van het afgeschoven profiel zijn op bijlage nr.8 weergegeven.
De vorm van het glijvlak kon enkel tot een niveau van 0.5 m + N.A.P. nauwkeurig worden gevolgd. Het voorziene meetsysteem van P.V.C.-buizen bleek niet te werken.
De afgeschoven moot grond had een zo geringe vastheid dat de buizen niet afbraken of wezenlijk vervormde.
datum typ. order nr blad
6. KONKLUSIES.
Uit de resultaten van de afschuifproef zijn voor een aantal verschillende glijvlakberekeningsmethoden de kritieke veilig-heidskoef f icienten bepaald,, en wel bij toepassing van respek-tievelijk Normale Celproeven, Meerder malen gekonsolideerde Celproeven en Triaxiaalproeven voor de vaststelling van de
schuifweerstand.
De resultaten zijn vermeld in onderstaande tabel nr. 5. Tabel nr. 5. Kritieke veiligheidskoefficienten voor de
stabiliteitsproef. Normale Celproef Meerdere malen gekonsolideerde Celproef. Triaxiaalproef CU, multiple stage
Methode Hoogenboom 0.81 0.85 0.87 Methode verbeterde Hoogenboom 0.83 0.36 1.03 Methode Bishop 0.34 0.39 1.03
Opm.: Wanneer de veiligheidskoeffieiënt voor een bepaalde
aanpak groter is dan de kritieke koëfficiënt dan is de dijk stabiel, wanneer de veiligheidskoefficiënt kleiner of
gelijk is, dan is de dijk instabiel.
Uit de berekeningen blijkt dat de beste resultaten worden bereikt door. de kombinatie Bishop of verbeterde Hoogenboom
en Triaxiaalproef. De Normale Celproef geeft een ca. 15% te lage waarde voor de veiligheidskoefficiënt. Toepassing van de methode Hoogenboom (niet verbeterd) is niet aan te bevelen.
Bij de bepaling van de kritieke veiligheidskoefficienten is rekening gehouden met de randeffekten. De invloed op de veiligheidskoefficiënt werd rekenenderwijs vastgesteld op 7%. Of de vorm van het glijvlak overeenstemde met de in de bereke-ningen aangenomen cirkel-cylinder kon jammergenoeg niet worden vastgesteld omdat het hiertoe, geïnstalleerde meetsysteem
faalde. datum Mei 1985 typ. HV order nr 8 4 . 8 5 6 blad 12
I
9l1
L E G E N D AI
I
I
I
V middclzware sondering ®continubormg 29mm fI
I
I
•^«^v?^tóSfè-> '"^^^^^^r^^^^sMjM^^A
6?»-,
klei/zandlaogjes. klei/veenhoudend klei/dunne zandlaagje plaatselijk zand-klei/veenhoudend dunne zandlaaqies. 10 O 25 kg / c m2 Bijlage 3 GrondlagenschematisaCie 5 0 legenda zand veen klei 25 A = continu boring 29 mm B= «. .. 65 mm C = middelzware sondering W7v\ schelpen 25 5 0
n
WO*--200*-Jt
2 0 0 - *
A00--
E £ CM groen wi t b lauw rood geel c 0) •o BOVENAANZICHT PROEFVAK OPM.
MATEN LANGS TALUD GEMETEN
Uitvoering proefafschuiving : 24-11-1971
Bijlage 6 Voortgang cutterzuiger, opgetreden afkalvingen, afschuivende moot ( alle bovenaanzichten ) .
LEGENDA p i k e t t e n 2.30tijdwaarnenjii ng (uur)
o:
<
2:weggegraven deel van het voorland ( opeenvolgende baggersneden ) .
afkalvingen van 7.00 uur -13.00 uur
E u O Z 4 10 $ 5 -42 BOVENAANZICHT 12.30 -TIJD IN UREN 24-11-71 13 13.30 O .6 0 5 © 4 © 3 © -2 0 1 EENDRACHT O = MEETPUNT
PROFIEL MIDDEN N . A .P.
o o
§ _ ^
^—.?— —t o in o " •" o o 1 - • o n \ \ / / / / ƒ 1 1 1 '—••=•—.••»•''-/ / ƒ / / / — s•„ 8 8
o o g H-^ * f\ m o S~ n q o »• o 9 ^- profiel voor afschuiving profiel na afschuiving A S « *
-JLJ
-o • , o / 16 5VEILIGHEIDSCOEFFICIENTEN VOLGENS METHODE BISHOP O o o o 1 o lD 4> 1 Oin * GRONDEIGENSCHAPPEN - 2 0 5 0 -17 50 -1600 -1400 2150 r T215O rT2000 f 2006" r
Resultaten snelle celproef.
-10
Bijlage 9 Voorbeeld van een stabiliteitsberekening ter bepaling van een kritieke veiligheidscoëfficient
| gebied afschuitcirkel £2222 klei
veen
waterspanningsmeter k r i t i s c h e cirkel
