Geotechnische aspecten afzinkkelder Tafelbrug

Op basis van de resultaten van een variantenstudie in de voorfase (VO) is door de provincie Groningen in samenwerking met externe geotechnisch adviseurs de keuze gemaakt om de variant met een afzinkkelder (open caissonmethode) verder uit te werken. Dit met name vanuit de aspecten uitvoerbaarheid en omgevingsbeïnvloeding. In de DO-fase heeft de Provincie Groningen het constructief ontwerp van de brug uitgewerkt en Kwast Consult uit Houten het geotechnisch ontwerp. MBS Kelderbouw uit Soest was in samenwerking met bouwcombinatie Oosterhof Holman/Van Haarst verantwoordelijk voor het uitvoeringsontwerp en de bouw van de gepatenteerde MBS-afzinkkelders. Het ontwerp is dermate bijzonder dat de jury de Betonprijs 2017 in de categorie Constructief Ontwerp voor dit project heeft toegekend. Door Wiertsema & Partners en Fugro Ingenieursbureau is in verschillende fases grondonderzoek verricht. Ter plaatse van de caissons zijn sonderingen uitgevoerd tot een diepte van circa 35 m minus maaiveld. Aanvullend zijn twee mechanische boringen gezet tot een diepte van 15 m minus maaiveld voor ongeroerde monstername in de leem- en potkleilaag. In het laboratorium zijn de grondlagen geclassificeerd, zijn volumegewicht- en watergehalte bepalingen verricht en CU-triaxiaalproeven (enkeltraps) uitgevoerd. De resultaten van het laboratoriumonderzoek zijn statistisch geanalyseerd  ter bepaling van de grondparameters voor de Plaxis-berekeningen (HS-grondmodel, gedraineerd).

Bouwfasering en belastingen

Aangezien de uitvoeringsmethode leidt tot beïnvloeding van de grondspanningen op de constructie zijn in aanvulling op de constructieve berekeningen (SCIA-model) met het eindige elementen programma Plaxis berekeningen uitgevoerd. Voor het maatgevende landhoofd Zuid is een doorsnede in langsrichting van de brug beschouwd met Plaxis 2D. In de bouwfasering is onder andere rekening gehouden met het in twee fasen storten van de afzinkkelder en gefaseerd op diepte brengen van de afzinkkelder in stappen van 1 m. De uitwendige afmetingen van het caisson bedragen 10 m (breedte) bij 16,3 m (lengte) en een wanddikte van 0,9 m.
Naast het caisson is 1 m werkruimte aangehouden en vervolgens een talud 1 : 2 van het werkplateau naar het bestaande maaiveld. De éénzijdige ongunstige maaiveldbelasting van 10,0 kN/m² is hierbij aangehouden op 3 m uit de zijkant van het caisson aan bovenzijde van het talud. Aan het eind van de tweede afzinkfase zijn de taluds aan de waterzijde en beide flanken nog circa 3 m verder ontgraven met verdere asymmetrische horizontale grondbelastingen tot gevolg. In de gebruiksfase is de verticale permanente belasting (in SLS) op het landhoofd gelijk aan 223 kN/m’ en de variabele verkeersbelasting 160 kN/m’. Voor de horizontale rembelasting (in SLS) aan achterzijde landhoofd is 35 kN/m’ aangehouden. 

Geotechnisch ontwerp

In het Plaxis-model zijn langs de wanden van het caisson interface elementen meegenomen om de grond-constructie interactie te modeleren. Voor de overgeconsolideerde klei-, leem- en zandlagen (behalve de toplaag) is een OverConsolidationRatio (OCR) van 2,0 aangehouden. Voor de reductie van de wandwrijving (Rinter) is uitgegaan van 1/3*’ voor de klei-, leem- en zandlagen gezien de toepassing van bentonietspoeling langs de wand van het caisson tijdens het afzinken. De aangehouden neutrale gronddrukcoëfficiënt (K0-waarde) voor de overgeconsolideerde leem- en potkleilaag is afgestemd op de in het verleden verrichte dilatometerproeven door Wiertsema & Partners (1996) ten behoeve van de realisatie van de parkeergarage Ossenmarkt te Groningen. Gevoeligheidsberekeningen zijn verricht voor de belangrijkste grondparameters en de bouwfasering.
Een belangrijke stap in de verificatie van de resultaten betreft de controle van de initiële grondspanningen in de Plaxis-berekeningen. De berekende waterspanningen en verticale korrelspanningen komen goed overeen met de theoretisch bepaalde spanningen. Met name ten gevolge van het ontgravingsproces van het caisson is een duidelijke toename (60 procent) te zien van de horizontale korrelspanning in de leemlaag boven de grondwaterstand en een duidelijke afname (45 procent) in de potkleilaag. Ter bepaling van het aantal verticale trekankers tijdens de ontgravingsfase van het caisson is de gemobiliseerde wandwrijving bepaald en bedraagt gemiddeld circa 25 kPa. Het benodigde trekdraagvermogen uit het krachtevenwicht is gelijk aan 150 kN/m’. Uitgaande van een trekdraagvermogen (rekenwaarde) van circa 300 kN, is een hoh-afstand van 2 m benodigd langs de gehele wand. Voor de verankering is gekozen voor de zelfborende ankerpalen van De Vries Titan en zij hebben het ankerontwerp uitgewerkt en de ankerpalen aangebracht.

Verplaatsing

De verticale en horizontale verplaatsingen van het landhoofd in de laatste bouwfase (sloop bestaande brug en baggeren kanaal) en gebruiksfase zijn berekend. De verticale verplaatsing (in SLS) bedraagt maximaal 2 mm en de maximale horizontale verplaatsing is gelijk aan 23 mm. Hiermee wordt voldaan aan de gestelde vervormingseis van 50 mm in beide richtingen. Het horizontale en verticale draagvermogen (fundering op staal) en de totale stabiliteit is met rekenwaarden voor de belastingen en grondparameters getoetst conform NEN 9997-1 (Eurocode 7). Dit in combinatie met een hoge grondwaterstand op NAP 0,0 m (een keer per honderd jaar) in betrouwbaarheidsklasse RC3 als constructietype keerwand en is voldoende gewaarborgd.

Uitvoering

De landhoofden zijn circa 10 m achter de bestaande landhoofden gebouwd vanaf het maaiveld met de zogenaamde open caissonmethode. Bij een afzinkkelder vormt de kelderwand tegelijk de bouwputbegrenzing die gewoonlijk door damwanden wordt gevormd. De betonconstructie (caisson) is ter plaatse in twee fasen gestort (stijve doosconstructie) zonder vloer. In één fase storten was niet mogelijk omdat de 16 m hoge wanden door het grote eigen gewicht ongecontroleerd zouden gaan zakken. De onderzijde van het caisson is voorzien van een snijrand met een stalen hoekprofiel. Aan de buitenzijde is een verjonging van de wand van 0,10 m aangebracht. In deze ruimte wordt tijdens de uitvoering een bentonietspoeling ingebracht, zodat de wrijving met de omliggende grond wordt gereduceerd. In de potkleilaag is bovendien gekozen voor een continu afzinkproces om kleef door het horizontaal zwellen te voorkomen. Vanuit de binnenzijde van het caisson vindt ontgraving plaats eerst in den droge en op grotere diepte in den natte, zonder gebruik van luchtdruk (open caissonmethode zonder vloer).
Als aanvullende maatregel zijn trekankers in het hart van de wanden aangebracht om extra neerwaartse kracht te kunnen mobiliseren. De trekankers zijn door de kelderwanden aangebracht en met hydraulische cilinders op spanning gezet. Tijdens het uitgraven van binnenuit is de druk op de kelder gecontroleerd opgevoerd, zodat de afzinkkelder recht zakt tot circa 16 m minus maaiveld. De onderste 4,0 m van de afzinkkelders is na het afzinken gevuld met onderwaterbeton en vervolgens de constructievloer aangebracht. Grote uitdaging was de geringe werkruimte rondom de caissons. De bestaande tafelbrug is volledig in gebruik gebleven tijdens de bouw en de woonomgeving heeft geen hinder ervaren door trillingen. De gemeten zettingen en trillingen in de omgeving waren minimaal. In het ontwerp is rekening gehouden met bouwtoleranties ten behoeve van het afzinkcaisson van 100 mm welke is overschreden. Beide caissons verplaatsten zich namelijk langzaam richting het kanaal gedurende het afzinkproces, vermoedelijk door de asymmetrische belastingen. Met behulp van de individueel aan te sturen hydraulische cilinders op de trekankers kon deze verplaatsing beperkt blijven tot circa 150 mm. 

Erik Kwast is senior geotechnisch adviseur bij Kwast Consult; Fryrk van der Molen is constructeur bij Provincie Groningen en Joachim Verweij is projectleider bij MBS Kelderbouw.