Bijlage VII Veldmetingen

In deze bijlage worden de voornaamste civieltechnische veldmetingen behandeld die niet zijn beschreven in de Standaard RAW Bepalingen 2015. Van slechts een deel van de proeven bestaan per land normen. Er zijn geen algemeen gebruikte normen of proefvoorschriften in omloop voor de hierna beschreven metingen.

Grondradar (ook aangeduid met bodemradar, laagdikteradar of Ground Penetrating Radar, GPR) is een niet-destructieve fysische onderzoeksmethode die met elektromagnetische golven de ondiepe ondergrond snel en met hoge resolutie in kaart kan brengen [69, 70].

Een elektromagnetische golfvorm wordt vanaf het wegoppervlak de wegconstructie ingezonden. Als er in de wegconstructie sprake is van een inhomogeniteit, zoals een scheidingsvlak tussen twee lagen, dan verandert de snelheid van het signaal en reflecteert een deel van de elektromagnetische energie van de uitgezonden golf. Na reflectie plant het gereflecteerde deel zich voort richting wegoppervlak terwijl het niet-gereflecteerde deel dieper de ondergrond in dringt. De sterkte van de reflectie hangt af van het verschil in relatieve diëlektrische constante van de twee op elkaar liggende materialen: hoe groter het verschil, hoe sterker de reflecties. Het scheidingsvlak tussen ongebonden fundering en zandbed is daarom lastiger te detecteren dan het scheidingsvlak tussen asfalt en fundering.

De radar vuurt op vaste intervallen pulsen af als het systeem over een wegoppervlak passeert en registreert sterkte, amplitude, frequentie en tijdsduur van de signalen. Om deze informatie om te zetten naar een dwarsdoorsnede van de verharding, worden berekeningen gemaakt om de pulsduur te converteren naar diepte of dikte. Interpretatietechnieken zijn nodig om de veranderingen in de gemeten data te vertalen naar echte materialen en lagen [70].

Het is mogelijk om de resolutie en het meetbereik te variëren door verschillende systeemconfiguraties te hanteren. Antennes met hoge frequenties en korte golflengtes (900 tot 2.500 MHz) worden gebruikt voor hogeresolutiebeelden van ondiepe kenmerken, terwijl lage frequenties met grote golflengtes (80 tot 500 MHz) worden ingezet voor diepere penetratie, wat wel ten koste van de resolutie gaat. Metingen van laagdikte van asfaltwegen kunnen worden uitgevoerd bij rijsnelheden van 80 km/h. Voor dit doel worden luchtgekoppelde systemen gebruikt (zie figuur VII.1).

Grondradarmetingen zijn effectief om de volgende informatie van wegconstructies te verzamelen:

• dikte van constructielagen;
• onthechting tussen twee constructielagen (als er sprake is van een luchtspleet);
• relatieve evaluatie van de inhomogeniteit van materialen;
• plattegrond van verborgen constructieovergangen;
• globale aanduiding van veranderingen in grondcondities, waaronder vochtige plekken;
• ligging van de meeste typen ondergrondse utiliteitsvoorzieningen.

De nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de bepaling van de laagdikte van een funderingslaag is kleiner dan die van de hogere constructielagen. De grondradar kan alleen lagen onderscheiden als deze een duidelijk verschil in relatieve diëlektrische constanten hebben.

Dit verschil is meestal klein bij de gebruikelijke korrelvormige materialen. Het systeem is slechts in beperkte mate afhankelijk van de dichtheid van lagen, maar is daarentegen zeer gevoelig voor verschillen in zoutgehalte en de aanwezigheid van vocht. Water heeft namelijk sterk dipolaire eigenschappen. Elektrisch goed geleidende lagen zoals klei, leem en slakkenlagen hebben een negatieve invloed op de penetratie van radargolven. Ongesorteerd puin in de weg (dus niet funderingslagen met recyclinggranulaat) kan door zijn heterogene opbouw een chaotisch reflectiebeeld geven.

De statische plaatbelastingsproef (SPB) is een proef waarbij een (weg)fundering, zandbed of ondergrond via een cirkelvormige voetplaat door middel van een druk- of belastingsinstallatie stapsgewijze wordt belast en ontlast. Een eenvoudige hydraulische vijzel wordt meestal onder een zware vrachtwagen of shovel afgestempeld (zie figuur VII.2). De verplaatsing wordt gemeten met verplaatsingsopnemers die bevestigd zijn aan lange referentiebalken. De steunpunten met het verplaatsingsmeetsysteem moeten buiten de invloedssfeer van de belasting liggen. Omdat alleen de centrumdeflectie wordt gemeten, geeft het meetresultaat een indruk van de stijfheid van het hele pakket van lagen en materialen onder de plaat.

Aan de statische plaatbelastingsproef kleven nadelen:

• de proef is zeer tijdrovend. Per werkdag kunnen slechts vijf tot tien meetpunten worden bemeten;
• meetklokjes kunnen eenvoudig verschuiven of verlopen, waardoor het meetresultaat onnauwkeurig en onbetrouwbaar wordt;
• de voetplaat moet precies horizontaal in de fundering worden gedrukt en oneffenheden onder de voetplaat moeten worden geëgaliseerd met een gipsbrij of fijn zand;
• bij de proef is altijd een ballastwagen nodig om de belastingsinrichting te kunnen afstempelen;
• de proef vraagt geen dure instrumenten maar is vanwege de benodigde twee operators toch kostbaar.

De gemiddelde contactdruk onder de voetplaat en de bijbehorende zakking van de voetplaat worden in een diagram uitgezet. De afzonderlijke meetpuntresultaten worden verbonden met een lijn. De exacte uitvoering van de procedure verschilt van land tot land. In Nederland wordt de statische plaatbelastingsproef in de wegenbouw slechts sporadisch toegepast. In Duitsland en België is de proef veel meer gangbaar. Voor de Nederlandse situatie wordt meestal de Duitse versie van de proef (DIN 18 134) gebruikt. Bij deze versie werd vroeger een stijve voetplaat gebruikt met een diameter van 762 mm, maar nieuwere versies zijn uitgerust met een 300 mm voetplaat. Per belastingscyclus wordt de belasting trapsgewijs (meestal ongeveer zes lasttrappen) opgevoerd tot een maximaal spanningsniveau van 0,5MPa.Vervolgens wordt de voetplaat trapsgewijs ontlast en daarna weer belast. Figuur VII.3 toont een voorbeeld van een belastingzakkingsdiagram.

Met de statische plaatbelastingsproef kan naast de vervormingsmodulus ook de beddingsconstante, aangeduid met k-waarde, worden bepaald. De beddingsconstante is een maat voor de ondersteuning van de verharding door het totaal van fundering, zandbed en ondergrond. De beddingsconstante wordt meestal omgerekend naar een plaatdiameter van 762 mm.

Voor het bepalen van de beddingsconstante van de fundering wordt de belasting trapsgewijs (meestal 40, 80, 140 en 200 kPa) opge-XXvoerd tot ten minste een zakking van 1,25 mm is verkregen. De beddingsconstante wordt gegeven door:

(VII-2)

waarbijFiguur VII-4 geeft een voorbeeld voor de bepaling van de beddingsconstante. Het zakkingsdiagram bestaat meestal uit een redelijke rechte lijn. Is dat niet het geval, dan is een nulpuntcorrectie noodzakelijk (zie gestippelde hulplijn in Figuur VII.4). In de Nederlandse praktijk blijkt deze nulpuntcorrectie vrijwel nooit nodig.

Voor de interpretatie van de beddingsconstante wordt met empirische, aan plaatselijke omstandigheden gebonden, relaties gewerkt. De proeven hebben bovendien een statisch karakter, zodat aan de waarde voor het weggedrag onder (dynamische) verkeerslasten kan worden getwijfeld. De beddingsconstante wordt veel gebruikt in ontwerpprogramma’s van vloeren.

De statische plaatbelastingsproef is door zijn tijdrovende uitvoering niet geschikt om te worden ingezet voor een snelle kwaliteitscontrole van een werk in uitvoering. Daarom is aan het eind van de vorige eeuw dynamische draagkrachtmeetapparatuur op de markt gekomen die aan dit probleem tegemoet komt. De bekendste hiervan zijn:

• Clegg hammer;
• Loadman;
• Light Weight Deflectometer;
• GeoGauge^TM.

De eerste drie apparaten hebben met elkaar gemeen dat de meetkracht wordt opgewekt door een massa van een bepaalde hoogte te laten vallen, terwijl bij de GeoGauge de proefbelasting wordt opgewekt door een massa in trilling te brengen.

Bij de Clegg hammer valt een massa van 4,5 kg binnen een geleidebuis over een hoogte van 0,45 m direct op de fundering. Het getroffen oppervlak heeft een diameter van 50 mm. In de voet van het valgewicht bevindt zich een versnellingsopnemer. Deze meet de vertraging van het valgewicht wanneer dit na een vrije val botst op het oppervlak van de fundering. De gemeten vertraging hangt af van de stijf- heid en de sterkte van de funderingslaag en wordt op een digitaal display weergegeven als de zogenoemde Clegg Impact Value (CIV).

Deze CIV geeft een indicatie van de stijfheid van de laag waarop de meting is uitgevoerd. De Clegg hammer is klein, draagbaar en biedt een snelle en goedkope mogelijkheid om de mechanische kwaliteit van een (verdichte) ondergrond te controleren. Omdat de diameter van het contactvlak slechts 50 mm bedraagt, staat het meetapparaat nooit stabiel en is het meetresultaat vooral bij grofkorrelige funderingen sterk variabel. Door de beperkte meetkracht is de dieptewerking van de Clegg hammer beperkt. Vanwege deze nadelen wordt de Clegg hammer al jaren niet meer gebruikt voor draagkrachtmetingen.

De Loadman bestaat uit een gesloten 1,17 m lange cilindervormige aluminium buis met een diametervan 132 mm. In de buis valt een massa van 10 kg over een hoogte van 0,8 m op een belastingsplaat met een diameter van 110 mm. Bij een test wordt de Loadman verticaal geplaatst waardoor de valmassa naar de bodem van de buis glijdt en door een elektromagneet wordt vastgehouden. Dan wordt het apparaat omgekeerd en start de meting door de elektromagneet te deactiveren. De valmassa komt na een val op een op de voetplaat gemonteerd stootrubber. De door de klap veroorzaakte verticale verplaatsing van de voetplaat wordt door een versnellingsopnemer geregistreerd, die onder het stootrubber is gemonteerd. Het apparaat kan weer meetklaar worden gemaakt door de buis om te keren zodat de valmassa weer naar de elektromagneet toeglijdt. In het algemeen worden per meetpunt meerdere metingen verricht, waarbij de laatste meting maatgevend is. Op basis van de gemeten deflectie wordt als uiteindelijke meetresultaat automatisch een dynamische stijfheidsmodulus berekend. Soms worden op de display ook de tijdsduur van de belastingspuls, de verhouding tussen de terugvering en de oorspronkelijk gemeten deflectie evenals de verhouding tussen de dynamische stijfheidsmoduli bij eerste en tweede belasting weergegeven. Laatstgenoemde verhouding is, zoals bij de Duitse plaatbelastingsproefprocedure, een maat voor de effectiviteit van de belasting.

De Loadman heeft net als de Clegg hammer het nadeel van een klein contactvlak, waardoor het apparaat niet stabiel staat. Verder is het telkens omkeren van het apparaat erg vermoeiend. Vanwege deze nadelen wordt de Loadman al jaren niet meer gebruikt voor draagkrachtmetingen.

De Light Weight Deflectometer (LWD) (zie figuur VII.5) is een variant van de valgewichtdeflectiemeting. Een metalen gewicht valt via een verticaal geleidesysteem op een set rubberen buffers die op een cirkelvormige voetplaat met een diameter van 300 mm zijn gemonteerd. De kracht die hiermee wordt uitgeoefend op de ondergrond of fundering wordt bij sommige apparaten gemeten in een krachtmeetdoos, die boven de voetplaat is gemonteerd. Bij de goedkoopste merken is geen drukdoos gemonteerd en wordt aangenomen dat met de vaste, niet-instelbare valhoogte een bepaalde kracht op de fundering wordt uitgeoefend. Bij de LWD’s met drukdoos kan de valhoogte en valmassa worden gevarieerd omdat de kracht dan kan worden gemeten.

Meestal wordt gekozen voor een combinatie van valmassa en valhoogte die een spanningsniveau opwekt van 100 tot 200 kPa. Deze spanningen komen overeen met de spanningen die het vrachtverkeer, rijdend over de met asfaltlagen afgebouwde verhardingsconstructie, in de funderingslaag genereert. De deflectie wordt gemeten met behulp van een geofoon in het hart van de voetplaat. Bij sommige systemen worden ook deflecties op diverse afstanden van het lastcentrum gemeten, ofschoon een adequate plaatsing van de geofoons op een funderingslaag problematisch is.

De dynamische plaatbelastingsproef kan met de valgewichtdeflectiemeter worden uitgevoerd, maar tegenwoordig worden steeds meer de Light Weight Deflectometers (LWD) gebruikt. Deze draagbare apparaten zijn in het bijzonder geschikt voor aannemers die snel een kwaliteitscontrole van het geleverde werk willen uitvoeren. Eén persoon kan de LWD vervoeren en hanteren. De meest gebruikte uitvoering van de LWD weegt 26 kg.

Onder de LWD kunnen voetplaten met kleinere diameters worden gemonteerd. De praktijk heeft echter uitgewezen dat de kleinere diameters het apparaat instabiel maken tijdens een meting. Europees wordt vrijwel alleen met een voetplaatdiameter van 300 mm gewerkt.

De GeoGauge bestaat uit een cilinder met een gewicht van 10 kg, een hoogte van 0,25 m en een diameter van 0,28 m (zie figuur VII.6). Het gewicht van het apparaat rust via stootrubbers op een ringvormige voet die op de te beproeven fundering staat. Op grofkorrelige materialen kan het nodig zijn om het contactoppervlak tussen de ring en het funderingsoppervlak met fijn materiaal uit te vullen en te verbeteren. In het apparaat wordt een aan de ring verbonden massa in trilling gebracht. Met sensoren wordt de frequentie van de belasting en de verplaatsing van de ringvormige voet geregistreerd. Op basis hiervan wordt de stijfheid van de funderingslaag berekend. Figuur VII.7 toont een principeschets van het apparaat. Het testprogramma bestaat uit 25 frequenties tussen 100 en 196 Hz. De opgewekte deflecties bedragen ongeveer 1 μm. De maat voor de stijfheid wordt gepresenteerd op een beeldscherm. Door de zeer kleine meetkracht en resulterende deflectie is de dieptewerking van de GeoGauge zeer beperkt. De uitgeoefende kracht is veel lager dan de in de praktijk onder verkeer uitgeoefende belastingen. Dit houdt in dat de GeoGauge niet in het relevante spanningsgebied operationeel is.

Omdat de Clegg hammer en de Loadman in Nederland niet meer operationeel zijn, worden alleen de metingen met de LWD en GeoGauge behandeld. De GeoGauge werkt weliswaar niet in het relevante spanningsgebied, maar wordt niettemin regelmatig door aannemers voor controlewerkzaamheden ingezet. De LWD heeft, net als de andere genoemde apparaten, een te beperkte invloedsdiepte bij gebruik op stijve en/of dikke lagen. De gemeten stijfheden zijn dan niet nauwkeurig genoeg.
Voor een representatief meetresultaat met de LWD is altijd een voorklap nodig om de voetplaat goed te zetten op het te controleren funderingsoppervlak. In Nederland is geen algemeen aanvaarde meetprocedure beschikbaar voor de uitvoering van de proef. Conform de Duitse FGSV-procedure [71] moeten zes meetklappen worden gegeven waarvan het gemiddelde van de drie laatste klappen wordt gebruikt om de stijfheidsmodulus te berekenen. Het verloop van de deflecties met klapnummer kan worden gebruikt voor een zeer ruwe indicatie van de verdichtingsgraad van het materiaal.

Bij de bediening van de LWD is slechts één persoon nodig en kunnen per dag meer dan honderd meetpunten worden beproefd. Hierdoor kunnen ook variaties binnen een funderingswerk bepaald worden, zodat relatief snel een beeld van de homogeniteit van de kwaliteit van de funderingslaag kan worden verkregen.

Bij de duurdere versies van de LWD kan met verschillende valmassa’s en valhoogtes worden gewerkt, zodat verschillende belastingsniveaus kunnen worden opgelegd om bijvoorbeeld een indicatie van de spanningsafhankelijkheid van een materiaal te bepalen.

De dynamische plaatbelastingsproef wordt veel gebruikt in Groot-Brittannië en Duitsland en vindt in Nederland steeds meer toepassing [72]. De gemeten stijfheidsmoduli zijn helaas nog niet direct bruikbaar in de gangbare (her) dimensioneringsmodellen.x

Als de dynamische plaatbelastingsproef met ten minste zeven deflectieopnemers wordt uitgevoerd (dus de standaardvalgewichtdeflectiemeting) kunnen de meetdata worden gebruikt om de stijfheidsmoduli van de afzonderlijke lagen terug te rekenen. Deze terugrekenstap levert bij metingen direct op ongebonden funderingen vaak vreemde analyseresultaten op, wat mogelijk een gevolg is van onzorgvuldige plaatsing van de geofoons, maar veeleer te wijten is aan de wijze van modelleren van de verhardingsconstructie. In de analyse wordt vrijwel altijd uitgegaan van alleen buiging van de constructie onder belasting, terwijl in de praktijk bij ongebonden materialen onder het contactvlak van de belasting altijd sprake is van een combinatie van pons (afschuiving) en buiging.

De LWD-meting wordt gewoonlijk uitgewerkt op basis van de krachtmeting en centrumdeflectie alleen. De met deze data berekende stijfheid wordt vaak aangeduid als dynamische stijfheidsmodulus of oppervlaktemodulus. De oppervlaktemodulus wordt als volgt berekend:

(VII-3)

waarbij

De indicator voor de relatieve stijfheid van de voetplaat bedraagt 2 voor stijve voetplaten en p/2 voor flexibele platen met een uniforme spanningsverdeling onder de voetplaat. De meeste fabrikanten gebruiken een factor 2.

De constante van Poisson wordt in sommige landen en meetprocedures op een vaste waarde gezet, onafhankelijk van het materiaal waarop wordt gemeten. In Nederland, Groot-Brittannië en Denemarken is gebruik van 0,35 gangbaar, terwijl in de Duitse FGSV-procedure [71] een waarde van 0,5 wordt voorgeschreven.

Bij de GeoGauge wordt de stijfheidsmodulus als volgt bepaald:

(VII-4)

waarbij

Bij het vergelijken van dynamische stijfheidsmoduli afkomstig van diverse bronnen moet goed worden gelet op de het gebruikte apparaat en de gebruikte waarden voor de plaatstijfheid en constante van Poisson. Afhankelijk van de keuze van deze parameters kunnen berekende stijfheidsmoduli voor een gelijk spannings- en deflectieniveau fors van elkaar verschillen. Uit vergelijkingen van LWD en FWD en LWD’s onderling, blijkt dat de verschillende versies van LWD’s verschillende meetwaarden opleveren. De LWD’s die met een drukdoos zijn uitgevoerd blijken meetwaarden te kunnen produceren die nagenoeg gelijk zijn aan die van de FWD. De LWD’s zonder drukdoos (vooral operationeel in Duitsland) blijken in de praktijk (aanzienlijk) lagere stijfheidsmoduli te meten [73].

De direct op de fundering gemeten stijfheidsmodulus is altijd lager tot veel lager dan de stijfheidsmoduli die altijd in ontwerpberekeningen worden gebruikt of bij de analyse van deflectiemetingen op een asfaltverharding worden teruggerekend (zie paragraaf 5.2.4).

Voor de controle van de verdichting van de bovenste laag van een ondergrond en aardebaan worden naast specifieke dichtheidsmetingen ook gebruik gemaakt van ondiepe penetratieproeven. Deze proeven zijn alleen bruikbaar als het te beproeven materiaal niet te grofkorrelig is. De meest gebruikte apparaten zijn het handsondeerapparaat, de penetrologger en de slagsondering. Met deze meetinstrumenten kunnen snel en goedkoop veel sonderingen worden gedaan.

xHet handsondeerapparaat is een eenvoudig apparaat dat in principe bestaat uit een conus, een sondeerstang en een manometer voor het aflezen van de sondeerweerstad. Een hele set weegt ongeveer 11 kg. Het wegdrukken van de conus in de grond of aardebaan vergt ballast als tegengewicht (zie figuur VII.8). Omdat bij een handmatig weggedrukte conus het gewicht van de bediener vaak maatgevend is voor de te genereren tegendruk, worden conussen met een kleine diameter (conusoppervlakte van 1 tot 2 cm2) toegepast.

De verhouding van de gemeten penetratiekracht en het conusoppervlak levert de conussondeerweerstand op. De diepte kan worden geregistreerd via markeringen op de sondeerstang. De gradiënt van de conussondeerweerstand is als volgt gedefinieerd:

(VII-5)

waarbijIn verschillende CROW-publicaties [74, 75] zijn relaties gelegd tussen de gradiënt van de conussondeerweerstand en de relatieve dichtheid van een aantal zandsoorten.

De penetrologger is een doorontwikkeling van het handsondeerapparaat en leent zich voor grote aantallen metingen in korte tijd. Het apparaat is uitgerust met een datalogger en een display. Hiermee kunnen de resultaten direct worden opgeslagen, bewerkt en bekeken (zie figuur VII.9). Met een interne, ultrasone sensor wordt nauwkeurig de diepte geregistreerd. Via de sensor wordt tevens de penetratiesnelheid gecontroleerd. Te snel of schoksgewijs drukken leidt tot onnauwkeurigheden in de metingen. Moderne penetrologgers zijn uitgerust met gps, zodat ook de locatie van de meting direct geregistreerd wordt. De gemeten data worden opgeslagen in de interne logger van de penetrologger. Al naar gelang de toepassing en de te verwachten indringingsweerstand kunnen conussen met een verschillende diameter aan de sondeerstang worden bevestigd (conusoppervlakte van 1 tot 5 cm2). Optioneel kan – met behulp van een daarvoor bestemde externe sensor – een bodemvochtmeting worden uitgevoerd. Het hele systeem weegt ongeveer 15 kg. De maximale indringingskracht en penetratiediepte bedragen 1.000 N en 0,8 m.

Van de genoemde penetratieproeven is alleen de slagsondering geschikt om een indicatie van de draagkracht van een ongebonden fundering op grotere diepten te meten. Bij de slagsondering wordt een staaf of stang die aan het ondereinde is voorzien van een conus (conusoppervlakte in Nederland meestal 10 cm2) de grond ingedreven door middel van een vrij vallend blok. De valhoogte van dit blok met een massa van 8 tot 10 kg bedraagt 0,5 tot 0,7 m (zie figuur VII.10). Het aantal slagen, benodigd om de conus 0,1 m verder in de grond te laten indringen, is een maat voor de draagkracht van die laag van 0,1 m.

De apparatuur is eenvoudig en goedkoop en hoeft tijdens de uitvoering niet te worden verankerd of geballast. Ten opzichte van de handsondering en de penetrologger heeft de slagsondering als voordeel dat de apparatuur robuuster is uitgevoerd, waardoor ook penetratie van harde en/of steen bevattende lagen mogelijk is. Het apparaat heeft als nadeel dat bij draagkrachtige lagen het valgewicht vaak opgetild moet worden voordat voldoende penetratie is verkregen. Daarom zijn voor stijvere gronden gemechaniseerde versies ontwikkeld.

Slagsondeerapparaten zijn verre van gestandaardiseerd. Wereldwijd zijn tal van typen in omloop, met een verschillende valmassa, valhoogte, conusoppervlakte, conustophoek en stangdiameter. Dit betekent dat resultaten van verschillende apparaten niet simpelweg door elkaar zijn te gebruiken. Diverse onderzoekers hebben verschillende relaties bepaald tussen de resultaten van de slagsondering en de stijfheid van de grond [1].