A 4100 Uitvoeringstechnische aspecten staalfundering

Op basis van het ontwerprapport inzake de fundering is aan de hand van het uitgevoerde grondonderzoek vooraf vastgesteld wat de benodigde ontgravingsdiepte voor de aanleg van het betonwerk voor de fundering dient te zijn. Veelal zal er ook een grondverbetering nodig zijn om dieper gelegen slappe lagen (net) onder het aanlegniveau te vervangen door goed draagkrachtig verdicht zand. Een en ander dient conform het ontwerp en het bestek plaats te vinden.

Het ontgraven geschiedt meestal met hydraulische graafmachines of shovels, waarbij de hoogteregeling van 'de bak' met laserontvangers nauwkeurig kan worden gestuurd. De ontgravingsbreedte moet daarbij royaal worden gekozen om voldoende werkbreedte naast bijvoorbeeld een strookfundering of een keldervloer over te houden. Bij enige afkalving van het meestal steil uitgegraven talud naast de ontgraving wordt dan niet meteen het te maken betonwerk verstoord.

Vooral bij het uitvoeren van grondverbeteringen in de bouwput moet voor extra breedte worden gezorgd, allereerst om de funderingsbovenbelastingen uit de strook onder 45° te kunnen laten spreiden (dit is een eis volgens NEN 6740 art. 10.10), daarnaast om het gevaar voor afkalven van het naastgelegen talud tijdens het trillend verdichten van de grondverbetering te voorkomen.

Tijdens de uitvoering van het grondwerk is meestal al zichtbaar of de funderingsgrondslag geschikt is of niet. Allerlei ongewenste bestanddelen in de bodem, zoals humeuze lagen, eventuele klei- of veentussenlagen moeten volledig door zand worden vervangen. Bijzondere aandacht vragen daarbij de gebieden met oude waterlopen, vanwege de slechte draagkracht van de sterk slibhoudende bodems. Ook oude bebouwingsgebieden in (binnen)steden zijn risicovol vanwege de aanwezigheid van oude funderingsresten, restanten van waterputten, oude riolen en leidingen, enzovoort. Hierbij dient bovendien te worden gecontroleerd op milieuverontreinigingen in de ondergrond.

Op veel plaatsen in Nederland is de grondwaterstand relatief ondiep onder maaiveld gelegen. Dit houdt in dat de normale freatische waterstand op circa 1 à 2 m diepte is gelegen. In perioden met veel neerslag en een beperkte verdamping daarentegen kan de grondwaterstand stijgen tot wel 0,5 m onder maaiveld. Ook dient men er rekening mee te houden dat bij het graven van stroken voor funderingen op staal veel oppervlaktewater in een dergelijke kuil kan accumuleren.

Al met al is het zaak er zich bij de uitvoering van het grondwerk terdege van te vergewissen welke grondwaterproblemen een rol kunnen spelen. Zeker in winterperioden is het aanleggen van drains om een goed begaanbare funderingsgrondslag te behouden essentieel. Vaak zal een bemaling rondom of in de bouwput nodig zijn om de grondwaterstand in voldoende mate te verlagen. NEN 6740 eist bij het uitvoeren van grondverbeteringen zelfs een droogleggingsmaat van 0,3 m (voor constructies in GC 2, zie art. 10.10).

De verlaging van de grondwaterstand is daarbij mogelijk met een drietal bemalingsmethoden.

Van geval tot geval dient dit apart te worden bekeken en vergezeld te gaan van een specialistisch bemalingsadvies, een en ander in samenspraak met aannemer (bemalingsfirma) en directie (geohydrologisch adviseur).

Naast de visuele inspectie op cohesieve lagen en verontreinigingen is het zaak de draagkracht en dus de pakkingsdichtheid van de grondslag (het zand) te controleren met een handsondeerapparaat. Er dient namelijk te worden nagegaan of het materiaal in situ wel voldoet aan de uitgangspunten (rekenparameters) die in de berekeningen als grondslag zijn aangehouden.

Het controleren met een handsondeerapparaat gaat snel en doelmatig. Daar waar de sondeerstang met een miniconus van 2 cm² gemakkelijk 200 à 300 mm in het zand kan worden gedrukt, is de aanwezige kwaliteit onvoldoende.

Een mogelijkheid om de pakkingsdichtheid te vergroten is het aftrillen met een trilslede. Wordt de indringweerstand hierbij niet substantieel beter, dan dient het materiaal volledig te worden vervangen. In verband met de gewenste homogeniteit van de grondslag onder een betonfundering wordt aanbevolen om na het afgraven het oppervlak altijd af te trillen met een lichte trilplaat.

Controle:

Het uitvoeren van een grondverbetering geschiedt vrijwel uitsluitend met zand. Dit kan van elders zijn aangevoerd of ook wel zijn vrijgekomen bij het ontgraven van de bouwput zelf (de goede grondlagen). In het verleden werden er veel eisen aan het materiaal gesteld teneinde een hoge draagkracht te kunnen verzekeren. Tegenwoordig is er in het kader van de prestatieconcepten of een resultaatsverplichting, in dit geval een vereiste conusweerstand, veel meer vrijheid voor de aannemer om zelf vast te stellen welk zand hij gebruikt. Zo kan er soms met langduriger trillen en/of zwaardere apparatuur ook met minder geschikt zand toch een goed draagkrachtige grondslag worden gecreëerd.

Het materiaal dient in ieder geval humusvrij te zijn. Humus in de grond is visueel altijd herkenbaar aan de zwarte kleur. Zand uit een groeve is eigenlijk altijd geschikt. Volgens NEN 6740 geldt bovendien (eisen aan zand):

Daarnaast gelden de volgende praktische criteria:

Vaak wordt er in bestekken een D60/D10 van ten minste 2 gevraagd. Dit betekent met normaal zand (D50 > 0,2 mm) dat D60 circa 0,25 mm bedraagt en D10 dan kleiner is dan 0,125 mm.

Daarnaast wordt wel geëist dat de Proctorcurve van het zand (relatie vochtgehalte en verdichtbaarheid) rond de maximale dichtheid een flauw verloop heeft. Het uitvoeren van Proctorproeven (zie de RAW-standaard 2005) op zand geschiedt met name bij de aardebanen voor de wegenbouw. Hierbij wordt vooraf in het laboratorium bepaald wat de maximale verdichtbaarheid en dus dichtheid (volumieke massa) van het zand zal zijn. Dit geschiedt met de betreffende proef van de RAW-standaard 2005, welke ook als bijlage in de STABU-standaard 2001 is opgenomen. De gevonden maximale dichtheid bij het optimale vochtgehalte (circa 6% als gewicht, dus circa 100 liter per m³; dit komt overeen met een vulling van ongeveer 1/3 deel van alle poriën) wordt hierbij op 100% verdichtingsgraad gesteld.

Aan de hand van deze maximale dichtheid op laboratoriumschaal is het nu mogelijk dichtheidscontroles uit te voeren van in situ gerealiseerde verdichtingen van de grondverbetering.

Gewoonlijk worden grondverbeteringen ten behoeve van funderingen in niet al te grote aaneengesloten oppervlakken toegepast. Dit betekent dat het meestal voor een dergelijke kleine hoeveelheid zand niet lonend is de maximaal te bereiken dichtheid in relatie tot het (moeilijk in de praktijk te sturen) vochtgehalte nauwkeurig te onderzoeken. Meestal wordt er met beschikbare trilapparatuur in lagen verdicht, waarbij met het handsondeerapparaat onmiddellijk wordt gecontroleerd of de gevraagde indringingsweerstand wordt gehaald. De te gebruiken verdichtingsapparatuur is hierbij eenvoudig van opzet en bestaat vrijwel altijd uit trilsledes.

Inzet van groot materieel, zoals zware trilwalsen of door bulldozers getrokken trilrollen met vochtbesproeiing, geschiedt meestal bij uitgestrekte oppervlakken zoals grote keldervloeren en ophogingen voor het bouwrijp maken, en daarnaast als funderingslaag voor op staal gefundeerde bedrijfsvloeren bij grote magazijnen. Hier loont het wel om het optimale vochtgehalte vooraf te bepalen.

Grondverdichting beoogt het bereiken van een zo groot mogelijke pakkingsdichtheid van de (zand)korrels. Dit kan worden bereikt door het uitoefenen van grote klappen (aanstampen, explosieverdichters of zeer grote valgewichten bij grote terreinen). Tegenwoordig worden echter hoofdzakelijk trilapparaten gebruikt. Deze brengen de bovenste grondlaag in trilling, zodat door massatraagheidskrachten de grond wisselend vrijwel volledig gewichtloos (opheffen wrijvingskrachten) en zeer kort daarna juist zeer zwaar belast (bereiken dichtere korrelstapeling) wordt.

Het bovenstaande is de reden dat voor het verkrijgen van een groot dieptebereik zware trilapparaten nodig zijn. Het vochtgehalte fungeert daarbij enerzijds als smeermiddel en anderzijds door de capillairspanningen als lijm. Te veel vocht geeft echter verweking en werkt dus averechts.

Lichte handapparatuur van 2 à 5 kN statische belasting heeft een verdichtingsdiepte van 0,3 à 0,6 m. De onderstaande tabel geeft inzicht in het dieptebereik van in te zetten trilapparatuur.

Figuur A 41-1
Effect van trilplaten

Het verdichtingsbereik is daarbij ook sterk afhankelijk van het aantal walsovergangen. Naarmate de trillende passage herhaald wordt, neemt de dieptewerking en de verdichtingsgraad nog iets toe. In het algemeen worden er ten minste 3 kruislings gerichte overgangen gevraagd. In de praktijk wordt er vaak van 5 passages uitgegaan. Voor een werkingsdiepte van 1,0 à 1,25 m is ten minste een trilrol van 40 kN en een slagkracht van 100 kN nodig. Hierbij zijn ten minste 5 overgangen (passages) met de rol nodig.

Het bereikte verdichtingsresultaat kan met een handsondeerapparaat direct worden gecontroleerd, of met een nucleaire dichtheidsmeter. Omdat beide controlemethoden vaak slechts een controlebereik van 0,3 m hebben, wordt er veelal ook in lagen van 0,3 m dikte verdicht. Dit is in NEN 6740 zelfs als eis opgenomen.

Goede verdichtingen geven een maximale verdichting of pakkingsdichtheid R_n (zie ook A 2220):

Deze pakkingsdichtheid is nog nader door te normaliseren proeven te beschrijven. Alhoewel de naam een grote overeenkomst met de (Proctor)verdichtingsgraad suggereert, is daarvan geen sprake. Vooral in Duitsland is veel ervaring met deze pakkingsdichtheid R_n opgedaan.

Het volgende voorbeeld geeft een toepassing van R_n. Hierbij is echter naast de maximale dichtheid ook de minimaal mogelijke dichtheid nodig om R_n van het materiaal in situ te kunnen bepalen.

Stel:

Max. (Proctor)dichtheid droog: γ_dr = 18 kN/m³
Min. dichtheid (losgestort): γ_dr = 13,5 kN/m³

Met de formules uit A 2210 is nu uit te rekenen:

Het volumieke gewicht voor volledig met water verzadigde grond bedraagt nu:

γ_sat;max = 18 + 0,32 × 10 = 21,2 kN/m³ (18% vochtgehalte)
γ_sat;min = 13,5 + 0,49 × 10 = 18,4 kN/m³ (36% vochtgehalte)

Uitgaande van een vochtgehalte van 6% en een nat volumiek gewicht van 17 kN/m³ kan nu de pakkingsdichtheid als volgt worden bepaald:

γ_dr = (1 / 1,06) × 17 = 16 kN/m³, dus n = 0,40
R_n = (n_max-n) / (n_max-n_min) = (0,49-0,40) / (0,49-0,32) = 0,53

Volgens de definitie is het zand dus matig vastgepakt. De verdichtingsgraad van dit zand bedraagt ¹⁶/₁₈ = 89%, hetgeen een veel hogere pakkingsdichtheid suggereert.

Bij een nat volumiek gewicht van meer dan 17,5 kN/m³ is het zand vastgepakt, bij minder dan 15,9 kN/m³ losgepakt. Omdat ook de draagkrachteigenschappen van het zand in sterke mate afhankelijk zijn van deze pakkingsdichtheid, is een goede verdichting erg belangrijk.

De pakkingsdichtheid van zandgronden is erg moeilijk vast te stellen, omdat het maximum en het minimum voor het poriëngehalte vrij moeilijk zijn te bepalen en bovendien nogal afhankelijk zijn van het soort zand, de korrelvorm, enzovoort. Daarenboven ontbreekt het op dit moment nog aan duidelijke NEN-normen ter vaststelling van de parameters. De voorbereidingen hiervoor zijn echter wel in volle gang.

Een tweede mogelijkheid om te toetsen of een grondverdichting goed is uitgevoerd, is het vaststellen van de verdichtingsgraad volgens de Standaard RAW Bepalingen 2005. Deze omvat de volgende stappen:

Door van een tiental dichtheidsproeven (RAW, proef 4) in situ gebruik te maken worden met de uit twee extremen van deze proeven verkregen zandmonsters twee stuks maximale Proctordichtheden bepaald. In feite wordt dus de dichtheid in situ met de maximaal haalbaar geachte dichtheid vergeleken.

In formule:

VG (%) = (γ_dr/γ_pr) · 100%

waarin:

Met het voorbeeld uit A 4140 kan nu dus worden bepaald:

VG (%) = (16 / 18) × 100% = 89%

In de Standaard RAW Bepalingen wordt voor zwaar belast zand (zand dat op minder dan 1 m onder het wegoppervlak wordt toegepast) de eis gesteld dat de verdichtingsgraad ten minste 95% bedraagt, met een gemiddelde van 100%. Bij iets minder strenge eisen komen beide 2% lager uit. Een gemiddelde verdichtingsgraad van 98% betekent dus een droge volumieke massa van 0,98 × 18 = 17,6 kN/m³. Het is duidelijk dat hierbij dus een zeer grote R_n hoort!

Een zeer eenvoudige methode is de controle van de vastheid van de grondslag door een aantal ondiepe controlesonderingen uit te voeren. Met het handsondeerapparaat kan een conusweerstand van 4 MPa (80 kg mensmassa op 2 cm² conuspunt) net worden bereikt. De indringingsdiepte in vastgepakt zand met een verdichtingsgraad van 98% bedraagt dan echter over het algemeen maar 0,15 à 0,25 m. Dikkere lagen kunnen daarom beter met een sondeerauto worden gecontroleerd. Bij een goede pakkingsdichtheid worden er door de auto sporen van minder dan 40 mm diepte ingereden. Voetstappen mogen daarbij helemaal niet zichtbaar zijn.

Ook is het mogelijk om tijdens de laagsgewijze uitvoering van het grondwerk (volgens NEN 6740 art. 10.10 is een maximale laagdikte van 0,3 m toegestaan) met het handsondeerapparaat frequent te controleren. Het dieptebereik kan daarbij nog worden vergroot door in een handboorgat te sonderen en zo al borend en sonderend een grote pakketdikte te controleren.

Er zijn verschillende mogelijkheden om een fundering op staal in twijfelgevallen toch nog mogelijk te maken. Hieronder volgen enige alternatieven: