9 Grondonderzoek en schematiseren ondergrond
9.5 Parameterbepaling 1 Algemeen
Eigenschappen van de ondergrond, of materiaaleigenschappen, zoals specifieke doorlatendheid en korrelgrootte kunnen met verschillende metingen worden bepaald. De metingen betreffen altijd een meetvolume. Vanwege de ruimtelijke variatie in eigenschappen in de ondergrond is vaak slechts een deel van de relevante ruimtelijke variatie in dat meetvolume aanwezig. Er moeten dus representatieve eigenschappen worden afgeleid voor de ondergrond van gebieden met voor het mechanisme relevante afmetingen.
De onzekerheid over de materiaalparameter waarden is voor de piping regel van Sellmeijer relatief erg groot. De d70 waarde varieert in veel zandafzettingen met tientallen procenten
over korte afstanden. De ruimtelijke variatie in doorlatendheid op de schaal van het mechanisme piping is in het terrein echter geringer dan uit metingen op monsters naar voren komt, maar de effectieve doorlatendheid in het terrein is niet eenvoudig vast te stellen.
9.5.2 Korrelverdeling zandlagen
De korrelgrootte van zand in de zandlagen wordt direct gebruikt in de piping regel van Sellmeijer, zoals d70, en soms ook indirect voor het verkrijgen van indicaties over de
specifieke doorlatendheid van zand- en eventueel grindlagen. De korrelgrootte van de zandfractie wordt in boorbeschrijvingen vaak, zoals visueel waargenomen, vermeld en kan instrumenteel worden bepaald op monsters uit boorkernen.
9.5.2.1 Boorbeschrijvingen en herleiden zandsoort op basis van sondeergegevens
In boorbeschrijvingen (puls of steekboringen) wordt de visueel bepaalde korrelgrootte van het aangetroffen zand vermeld. Het betreft dan meestal de modale, meest voorkomende, waarde van de fractie grover dan ongeveer 60 – 80 m welke voor zand zonder veel fijn materiaal, of zeer grove korrels, ongeveer overeenkomt met de mediane (50%) waarde. Het schatten van een d10, d60 of d70 waarde is hooguit zeer globaal mogelijk. Er wordt daarom uitgegaan van
een aantal klassen voor het vaststellen van doorlatendheid op basis van korrelgrootteschatting (zie Tabel 9.1) in boorbeschrijvingen en van een vaste verhouding tussen de d70 en de op zicht geschatte korrelgrootte in boorbeschrijvingen.
Met de visueel geschatte korrelgrootte van zand in boorbeschrijvingen, d50,vis, kan als
schatting voor de d70 worden aangehouden: d70 = 1,35 x d50, vis. Voor toepassing in de piping
regel moet worden uitgegaan van schattingen in de bovenste meter van de watervoerende zandlaag (of zandpakket) in de betreffende dijkstrekking.
Uit correlatie van boorgegevens met sondeergrafieken kan regionaal of locaal een relatie gelegd worden tussen het patroon van de sondeergrafiek in een diepte-interval en hiermee corresponderende zandintervallen beschreven in boorstaten van boringen in (zeer) nabijgelegen punten. Er zijn voor elke te onderscheiden zandlaag tenminste 4 ‘paren’ van een boring en een sondering nodig voor een locale correlatie voor een dijkstrekking en tenminste 8 voldoende eenduidige paren voor een regionale correlatie.
167 van 348
9.5.2.2 Laboratoriumbepaling korrelverdelingen
Er is een groot aantal technieken om de korrelverdeling van zand te bepalen. De resultaten van de verschillende technieken verschillen voor de bepaling van de verschillende zandfracties in beperkte mate. De wijze van voorbehandeling en details van de meetprocedure voor de zandfracties kunnen echter tot afwijkingen van meerdere procenten leiden. Dit kan bij onzorgvuldig voorbewerken en zeven voor de d50, d60 en d70 tot
overschatting van enige procenten leiden; de waarde van de d10 zal in veel gevallen
onderschat worden.
De korrelverdeling van zandmonsters moet worden bepaald op monsters uit boorkernen over een interval van 0,2 m hoogte. Het toewijzen van de korrelverdeling aan zandlagen kan op basis van de boorbeschrijving; bij het selecteren van monsters moet dus goed geregistreerd worden uit welke boringen en op welke diepten deze getrokken zijn.
Bepalingen op monsters van spoelboringen of andere monsters over grotere diepte- intervallen kunnen gebruikt worden als beschreven bij boorbeschrijvingen (par. 9.5.1.1), om als indicatie te dienen.
Bij de eerste globale schematiseringstap is doorgaans nog geen of sporadische boorinformatie beschikbaar. Wanneer hiermee wel (indicatieve) berekeningen worden uitgevoerd zal informatie over korrelgrootten elders gevonden moeten worden. Mogelijkheden zijn:
globale beschrijving van de korrelverdeling in de toelichtingen op de geologische kaarten 1:50.000;
korrelgrootteklassen, opgegeven in de boorstaten van de DINO database; in archief beschikbare gegevens;
eventuele ruime locale ervaringen met ter zake kundige beoordeling.
Voor de d70 bij de uiteindelijke toetsanalyses moet bij voorkeur informatie over
korrelverdelingen uit laboratoriumbepalingen worden gebruikt, gebaseerd op minimaal drie monsters.
9.5.3 Doorlatendheid doorlatende lagen
De reeds aangehaalde complicaties bij het bepalen van de doorlatendheid van zand aan de hand van korrelgrootte-indicaties (met name d10) zijn aanleiding om voor de waarden van
parameters voor de piping regel gebruik te maken van een classificatie van zandsoorten met betrekking tot specifieke doorlatendheid.
Specifieke doorlatendheden, geschat op basis van alleen korrelgrootte-informatie, worden in Tabel 9.1 gegeven voor zandlagen dikker dan 1 m. De tabel is opgesteld op basis van overleg met direct betrokkenen bij het samenstellen van de VNK-2 database (TNO Geologische Dienst en Deltares). De effecten van de locale variatie in de opbouw van zandpakketten in de ondergrond in Nederland en de invloed ervan op de doorlatendheid zijn bij het samenstellen van Tabel 9.1 in beschouwing genomen.
168 van 345
korrelgrootteklasse
met globale grootteaanduiding
specieke doorlatendheid [m/s]
opmerkingen
Zand fijn (63 - 150 m) 2 x 10-4 Indien geen of weinig
klei-insluitingen Zand matig fijn - matig grof
(150 – 300 m) 4 x 10
-4
Zand grof (300 – 420 m) 5 x 10-4
Zand uiterst grof (420 -2000 m) 1 x 10-3 bevat enig grind Zand sterk grindig, grind fijn
(420 m – 5,6 m) 3 x 10
-3
Grind grof (>5,6 mm) 6 x 10-3 komt in Limburg voor
(Formatie van Beegden)
Tabel 9.1 Indicaties specifieke doorlatendheid van zand in een zandlaag op basis van de
korrelgrootteklasse schatting in een boorbeschrijving (TNO, Geologische Dienst, Deltares 2010) bij toepassing voor de piping regel.
Een differentiatie van deze schattingen, naar de verschillende regionaal gedefinieerde typen zand is als volgt:
Rivierzand in het rivierengebied: fijn zand: 2 x 10-4 m/s
fijn tot middel en middel zand: 3 x 10-4 m/s
matig grof en grof zand met grind: 1 x 10-3 m/s
Getijdegeulzand:
fijn zand: 8 x 10-5 m/s
fijn tot middel en middel zand: 3 x 10-4 m/s
matig grof en grof zand: 5 x 10-4 m/s
Kustzand:
fijn zand: 2 x 10-4 m/s
fijn tot middel en middel zand: 4 x 10-4 m/s
matig grof en grof zand: 6 x 10-4 m/s
Windafzetting:
dekzand (top Pleistoceen): 3 x 10-4 m/s
rivierduinenzand: 4 x 10-4 m/s
Als er voldoende gegevens beschikbaar zijn voor de betreffende zandlaag, dan kan met korrelgrootteparameters d10, de uniformiteit U=d60/d10 en het slibgehalte de doorlatendheid
geschat worden (zie Bijlage B). Resultaten van in situ doorlatendheidsonderzoek (onder andere [Fogg et al., 1997]) wijzen erop dat schatten van in situ doorlatendheid op basis van korrelgrootte alleen slechts een globale indicatie kan geven.
De (pakket)doorlatendheid van watervoerende zandpakketten kan (locaal) ook bepaald worden aan de hand van:
directe metingen, zoals pompproeven of infiltratieproeven;
gearchiveerde directe metingen. Hierbij moet de overeenkomst tussen de situatie waarvoor de doorlatendheid moet worden bepaald en de situatie waarin gemeten is door een geohydrologisch specialist worden beoordeeld;
responsemeting van binnendijkse stijghoogte op buitenwaterfluctuaties.
Wanneer een watervoerend zandpakket uit meerder deellagen bestaat met afwijkende korrelgroottes, maar niettemin als één laag wordt gemodelleerd voor de piping analyses, dan
169 van 348
moet bij voorkeur de pakketdoorlatendheid via directe metingen worden bepaald. Wanneer die informatie niet aanwezig is kan de pakketdoorlatendheid wel geschat worden op basis van korrelgrootte classificatie (Tabel 9.1) van de verschillende deellagen, maar moet er rekening mee gehouden worden dat de grovere lagen dominant kunnen zijn voor de pakketdoorlatendheid. De horizontale component van de doorlatendheid van het zandpakket kan rekenkundig worden bepaald door het sommeren van de naar dikte gewogen doorlatendheden van de samenstellende lagen.
9.5.4 Geometrie van de ondergrondopbouw
De scenario’s voor de grondopbouw zijn meestal gebaseerd op meerdere zandintervallen in boringen en sonderingen met spreiding in de ligging van de boven- en ondergrens van de onderscheiden lagen. Bij een voldoende aantal waarnemingspunten dient voor de bovengrens van zandlagen tenminste de hoogst waargenomen bovengrens van de lagen gebruikt te worden. Er moet daarbij wel vastgesteld worden dat deze hoogst aangetroffen ligging in de boorbeschrijvingen en sondeergrafieken niet het gevolg is van zeer locale omstandigheden (wegcunet en dergelijke), of van onzorgvuldige waarneming of beschrijving. De overgang tussen klei en veenlagen naar een zandlaag is vaak geleidelijk, over een hoogte van 0,3 m tot soms veel meer dan 1 m. Voor het vaststellen van de bovenkant van een laag van fijn zand wordt daarom 1/3 van de dikte van de in boringen of sonderingen waargenomen geleidelijke overgang bij het zandpakket geteld.
De ondergrens van zandpakketten is vaak niet rechtstreeks uit de metingen af te leiden omdat deze vaak al eindigt op een diepte waar nog zand aanwezig is. In Bijlage D.5 is een schema weergegeven voor het bepalen van de basis van een zandlaag voor piping analyses. Indien de onderkant van een zandlaag niet bij tenminste 5 boringen en/of sonderingen in een dijkstrekking is bereikt, dan dient een dikte van 40 m te worden aangehouden voor de onderste zandlaag. Veel zandlagen hebben een erg onregelmatige basis die over korte afstand sterk kan variëren. De diepste ligging van de ondergrens kan daarom lager zijn dan in de metingen is aangetroffen. Voor het bepalen van de dikte van de zandlagen moet daarom 20 % van de grootste gemeten dikte van de zandlaag bij die gemeten dikte opgeteld worden, behalve wanneer de onderlinge aftand tussen boringen en/of sonderingen in de lengterichting van de dijkstrekking minder dan 25 m is.
Het is van groot belang dat de terreinniveaus bij boringen en sonderingen (=bovenkant van boorstaten en sondeergrafieken) goed bepaald zijn. De afgeleide ondergrondopbouw wordt immers aan deze niveaus gerelateerd. Vooral bij gebruik van oude boringen en sonderingen is dat een punt van aandacht. In boor- en sondeerstaten gemaakt vóór de brede introductie van betrouwbare GPS-metingen komen regelmatig afwijkingen van meer dan 0,5 m in hoogteligging voor, met name in de omgeving van waterkeringen.
9.5.5 Dichtheid van grondonderzoek
Om de opbouw van de ondergrond te bepalen is voldoende grondonderzoek nodig. Aan de hand van het schema in de Bijlage D.2 kan worden bepaald hoeveel waarnemingspunten en met welke maximale onderlinge afstand nodig zijn om de opbouw van de ondergrond voldoende vast te kunnen stellen. Het gaat om boringen en sonderingen die tot minimaal 10 meter in het (onderste) watervoerende zandpakket reiken. Indicaties voor deze diepte ten opzichte van het terrein kunnen ontleend worden aan in het DINO bestand aanwezige boringen in de omgeving van de waterkering.
171 van 348
10 Veiligheidsfilosofie
10.1 Inleiding
10.1.1 Ontwerpen versus Toetsen
In beginsel is er geen verschil in de na te streven veiligheid bij het ontwerpen en het veiligheidsniveau waarop getoetst moet worden bij periodieke veiligheidstoetsingen van waterkeringen. Hooguit zal men geneigd zijn om de veiligheidseis bij toetsen iets ruimhartiger te interpreteren. Beter is het natuurlijk om via beter meten en scherper rekenen, in die gevallen waarin dit lijkt te lonen, tot een beter toetsresultaat te komen; veiligheid hangt voor een aanzienlijk deel samen met ‘weten’, dus het reduceren van onzekerheden.
Een essentieel verschil tussen ontwerpen en toetsen is wel de tijdhorizon. Bij ontwerpen moet een veiligheidsniveau worden nagestreefd gedurende de geplande operationele levensduur van de waterkerende constructie. Deze is voor dijken 50 jaar en voor kunstwerken 100 jaar. Bij het vaststellen van belasting en sterkteparameters dient derhalve rekening gehouden te worden met ontwikkelingen die deze parameters beïnvloeden gedurende die tijd, zoals zeespiegelrijzing, bodemdaling en, indien van toepassing, achteruitgang van sterkte.
Bij periodieke veiligheidstoetsen conform de Waterwet is het tijdsinterval zes jaar. Dat betekent dat aangetoond moet worden dat de vereiste veiligheid gedurende (tenminste) deze periode is gewaarborgd. In dat geval kan het meenemen van ontwikkelingen die belasting en sterkte beïnvloeden (in beginsel) beperkt worden tot die periode. Uiteraard kan bij een toetsing ook overwogen hoe de zaken er na zes jaar bij zullen staan en of het niet verstandig is om eventuele dan voorziene benodigde versterking naar voren te schuiven, maar dat is een andere afweging dan van strikt veiligheidsfilosofische aard.
Bovendien zullen bij het ontwerpen naast de eisen met betrekking tot de minimaal na te streven veiligheid uiteraard ook andere overwegingen een rol spelen, zoals de kwestie van beheerbaarheid en het optimaliseren van onderhoud, waaronder reparaties van schades na extreme belastingen. Ook die overwegingen staan los van de veiligheidsfilosofie en spelen derhalve geen rol bij de periodieke veiligheidstoetsing.
10.1.2 Veiligheidsfactoren
Bij de verschillende rekenmodellen in dit Onderzoeksrapport worden de bij een berekening aan te houden veiligheidsfactoren vermeld. Deels zijn dit algemeen gangbare veiligheidsfactoren voor de Nederlandse waterbouw- of waterkeringpraktijk, die óf aanbevolen zijn in regelgeving of richtlijnen (Geotechnische norm NEN 6740:2006 (vanaf 2012: NEN 9997), NEN-EN 1997-1, eerdere ENW/TAW-Leidraden of handreikingen, etc.), óf in de praktijk gebruikelijk zijn bij Nederlandse ingenieursbureaus. In enkele gevallen, waarbij geen eenduidigheid bestaat, zal een aanbeveling op basis van inzichten bij de samenstellers van dit rapport worden gedaan.
Voor het nieuwe rekenmodel voor piping moeten veiligheidsfactoren worden afgeleid ten behoeve van het uitvoeren van toetsingen, in het kader van de periodiek toetsing op veiligheid, en het ontwerpen van dijkversterkingen. Hierbij is gekozen voor veiligheidsfactoren op basis van een zogenaamde probabilistische kalibratie analyse. Uitgangspunt hierbij is een geaccepteerde bijdrage aan de faalkans van de waterkering. Deze veiligheidsfactoren worden aangeduid als semi-probabilistische veiligheidsfactoren.
172 van 345
In het volgende wordt nader ingegaan op de inbedding van deze veiligheidsfactoren in de veiligheidsfilosofie.
Aan te houden veiligheidsfactoren zijn geen op zichzelf staande grootheden, maar dienen te worden bezien in samenhang met het recept waarmee grond- en andere rekenvariabelen ten behoeve van ontwerp- en toetsberekeningen worden geschat. Bij klassieke rekenregels wordt hiervoor meestal geen specifiek voorschrift gegeven; er wordt vanuit gegaan dat de ontwerper werkt met de best mogelijke schattingen van probleemvariabelen, waarbij bij grote onzekerheden voorzichtigheid wordt betracht door veilige waarden te kiezen.
Wat veilig is hangt af van het type probleemvariabele. Voor sommige variabelen is een reële boven- of ondergrens van belang, zoals bijvoorbeeld de aanwezige minimale kwelweglengte in een dijkvak t.b.v. pipinganalyse of de minimale dikte van een afdekkend klei/veenpakket in het achterland t.b.v. opbarstanalyse. Bij andere parameters is een ‘laaggemiddelde’ van belang, bijvoorbeeld het volumegewicht van klei of veen in een afdekkend pakket, t.b.v. het bepalen van de opbarstpotentiaal.
Hoe veilige schattingen bepaald worden, wordt bij de klassieke rekenregels veelal aan de beoordeling van de ontwerper overgelaten. Zo zal de ene ontwerper bij het vaststellen van het volumegewicht van een grondlaag het echte gemiddelde van een steekproef van metingen kiezen, terwijl een ander uit veiligheidsoverwegingen kiest voor een iets lagere waarde. Beide keuzen kunnen verdedigbaar zijn, maar uiteindelijk geeft de (subjectieve) beoordeling van de ontwerper de doorslag.
De mate van subjectiviteit bij de parameterkeuze wordt in de wat recenter rekenregels enigszins teruggedrongen, door bijvoorbeeld het gebruik van representatieve of karakteristieke waarden voor te schrijven. Voor een aantal grondparameters zijn in de geotechnische norm NEN 6740:2006 (NEN 9997-1:2009) tabelwaarden gegeven, die zonder meer als representatief kunnen worden opgevat. We noemen dit ook wel nominale waarden, die gebruikt kunnen worden als er geen metingen voorhanden zijn. Indien wel metingen voorhanden zijn, moeten karakteristieke waarden worden toegepast. Dit zijn schattingen van de parameter zelf of van het gemiddelde van de parameter over een grondlaag op een locatie, op basis van statistische bewerking van de meetreeks, met onder- of overschrijdingskans van niet meer dan vijf procent. In genoemde norm wordt een rekenrecept gegeven waarmee de karakteristieke waarde aan de hand van een meetreeks kan worden bepaald. Dit recept is toepasbaar wanneer het gaat om metingen aan de hand van grondonderzoek op de locatie die in de ontwerp- of toetsingsanalyse wordt bekeken (zogenaamd locaal onderzoek) en wanneer het gaat om grondparameters waarvan het ‘laaggemiddelde’ van belang is (zoals bijvoorbeeld volumegewichten, schuifsterkte en samendrukkingsconstanten). Is het onderzoeksgebied van regionale omvang, dan zal bij het vaststellen van de karakteristieke waarden rekening gehouden moeten worden met ruimtelijke spreiding (zie o.a. Leidraad Rivierdijken, deel 2, hoofdstuk m.b.t. proevenverzamelingen [TAW, 1989]). Ook wanneer het gaat om probleemvariabelen waarvan niet een ‘gemiddelde’ maar de individuele waarde maatgevend is (zoals bijvoorbeeld de kwelweglengte) kan genoemd rekenrecept in NEN 6740:2006 (NEN 9997-1:2009) niet worden toegepast. In [Calle, 1996] worden formules gegeven om ook in die gevallen karakteristieke waarden te bepalen.
173 van 348
10.1.3 Aansluiting aan Eurocode 7
Inmiddels is de Eurocode 7; part 1 - Geotechnical Design, Design Rules verschenen. Naar verwachting zullen de Nederlandse geotechnische ontwerpnormen (zoals de NEN 6740) in 2010 worden ingetrokken, omdat deze dan worden opgevolgd door Europese normen, de Eurocode, met de nationale bijlage. De nationale bijlage bevat alleen informatie over de parameters die in de Eurocode zijn opengelaten voor nationale keuze, aangeduid als Nationaal Bepaalde Parameters en die van toepassing zijn op het ontwerp en de berekening van te realiseren civieltechnische werken in het desbetreffende land.
De Eurocode bestaat uit twee delen:
NEN-EN 1997 Eurocode 7, geotechnisch ontwerp deel 1: Algemene regels.
NEN-EN 1997-2 Eurocode 7, Geotechnisch ontwerp – Deel 2: Grondonderzoek en beproeving
Eurocode 7, deel1 is gewijd aan de algemene regels voor het geotechnische ontwerp. Het beschrijft de algemene principes en de eisen die aan het geotechnische ontwerp worden gesteld, primair ten behoeve van het verzekeren van de constructieve veiligheid (sterkte en stabiliteit), bruikbaarheid en duurzaamheid. Eurocode 7, deel 1 moet worden gebruikt in samenhang met NEN-EN 1990 ‘Eurocode: Grondslagen voor het constructieve ontwerp’, dat het basisdocument is van het pakket Eurocodes en dat de grondslagen en eisen vaststelt voor de veiligheid, bruikbaarheid en duurzaamheid van bouwwerken. Daarnaast is de Eurocode NEN-EN 1991 ‘Eurocode 1 – Belastingen op constructies’ van belang.
Eurocode 7, deel 2 richt zich op het gebruik van de resultaten van terrein- en laboratoriumonderzoek voor het geotechnische ontwerp.
In de waterkeringenwereld is de Eurocode nog niet van toepassing, maar er werd in het verleden wel naar de NEN verwezen. In ENW-kader wordt daarom nagedacht over eventueel nodige afstemming tussen de ENW-richtlijnen en de NEN-normen en haar opvolgers.
10.2 Vereist veiligheidsniveau; toets/ontwerpregels voor controle op veiligheid