Grond onder poer in Oxystaalfabriek Tata Steel geïnjecteerd met waterglas Megap oer ondergraven In Oxystaalfabriek 2 van Tata Steel IJmuiden is een nieuwe continugiet- machine CGM23 gerealiseerd. In de bouwput voor deze gietmachine bevindt zich een bestaande op staal gefundeerde poer. Er moesten maat- regelen worden genomen om de draagkracht van de poer tijdelijk over te nemen. T ussen twee bestaande hallen in de Oxystaalfabriek van Tata Steel in IJmuiden, de Giethal en de Machinehal, bevindt zich een bestaande poer (fig. 2). Deze poer is in de bouwput voor de nieuwe gietmachine gesitu- eerd. Omdat deze poer een belangrijke constructieve functie behoudt, moest hij tijdens de bouw in tact blijven. Dat was niet eenvoudig: de bouwput heeft een ontgravingsdiepte tot 3,3 m onder de onderkant van de poer. Ondersteunen poer Om de poer te ondersteunen is in eerste instantie als maatregel het aanbrengen van jetgroutkolommen voorgesteld. Hierbij wordt onder een hoge druk van circa 400 bar de grond versneden en vermengd en deels vervangen door een cementmengsel. Hiertoe zouden beton- boringen gemaakt worden over de volledige dikte van de poer. Probleem van deze jetgroutkolommen is echter dat ze pas effectief zijn na verharding. Dat houdt in dat een nabij- gelegen kolom pas gemaakt kan wor- 2 VAKBLAD I 3 2019 auteurs ir. Maarten Baan Visser & Smit Bouw, ing. Robert Schippers Geobest, ir. Patrick Wolfs Soil ID 1 De poer (rechts) met eronder het injectiemassief in de ontgraven bouwput 2 Kolompoer met het (theoretische) injectiemassief en groutankers Megapoer ondergraven oer ondergraven den na verharding van de eerste kolom, opdat deze tijdens de uitvoering vol- doende geotechnische draagkracht heeft. Daar komt bij dat een jetgrout- kolom de neiging heeft enkele milli- meters uit te zakken. Gezien de strenge vervormingseisen was dat niet toelaat- baar. Nadat de jetgroutkolom zou zijn gestabiliseerd, zou er daarom moeten worden nageïnjecteerd om de aanslui- ting met de poer te garanderen. Dit kost veel tijd, hetgeen niet paste in de fasering van het project. Bovendien was de kans groot dat al tijdens het aan- brengen van de jetgroutkolommen de toelaatbare vervorming zou worden overschreden. De grond wordt immers lokaal verweekt. Bij nadere uitwerking bleek dat naar een alternatief moest worden gezocht. Alternatief: waterglas Als alternatief voor de jetgroutkolom- men is ervoor gekozen om onder de poer een injectiemassief met waterglas aan te brengen. Dit was mogelijk omdat het zand onder de Oxystaal- fabriek injecteerbaar is, zo bleek na grononderzoek met boormonsters. Het poriënvolume bleek daarbij voldoende. Bij het injecteren met waterglas wordt de bodem als het ware versteend. Hier- bij wordt het waterglas in overlappende bollen (diameter circa 3,0 m) aange- bracht. De bodeminjectie wordt uitge- voerd met silicaat. Het mengsel bestaat uit drie hoofdcomponenten: water, waterglas (natriumsilicaat) en een verhardingsmiddel. Door het toevoe- gen van een verhardingsmiddel start de polymerisatie of 'uitharding' (foto 3). De voordelen van injectie zijn twee- 3 VAKBLAD I 3 2019 3 Geïnjecteerd massief ledig. Allereerst kunnen de injectie- bollen gelijktijdig worden aangebracht. Dit geeft een enorme tijdswinst. Daar- naast blijft het korrelskelet van het zand intact; de poriën worden gevuld met waterglas. Er treedt tijdens het aanbren- gen geen verweking op met eventuele vervormingen als gevolg. Ook sluit het injectiemassief 100% aan op de poer. Om de vervormingen van de kolom- poer in de bouwfase zo veel mogelijk te minimaliseren, zijn tevens zes verticale groutankers geïnstalleerd en voorge- spannen. Hierdoor is de constructie als het ware voorgespannen tegen de onderliggende grond. Eisen De eisen aan het injectiemassief waren bijzonder streng. De krachten op de poer zijn groot, waardoor ook de sterkte van het injectiemassief hoog moest zijn. Bij gebruikelijke toepassin- gen van stabiliserende bodeminjecties treden funderingsdrukken op van 100 à 200 kN/m 2. Bij deze poer treden echter veel grotere belastingen op. Op voor- hand werden op basis van handbereke- ningen spanningen verwacht van circa 600 à 900 kN/m 2 (0,6 ? 0,9 N/mm 2), zodat speciale aandacht moest worden besteed aan de mengverhoudingen van het injectiemiddel (zie verderop). Hier- bij gold dat de bouwfase maatgevend was, omdat na de bouw van de nieuwe gietmachine deze poer rondom weer volledig is aangevuld tot het oorspron- kelijke maaiveld. Ook ten aanzien van de vervormingen waren de eisen streng. Daarbij moet worden opgemerkt dat een kleine rota- tie aan de voet van het injectiemassief door de hefboom een grote horizontale verplaatsing aan de bovenkant van de poer geeft. Geometrie injectiemassief Voor een eerste aanzet van de geome- trie van het injectielichaam is uitgegaan van het doorzetten van de onderzijde van de poer tot een diepte die bij ont- graving minimaal dezelfde gronddek- king heeft als in de huidige situatie. De poeren waren in het verleden berekend op een minimale gronddekking van 2 m. Dit houdt in dat het injectie- massief bij een gelijke oppervlakte tot een diepte van circa 2 m onder het diepste ontgravingsniveau van de bouwput moest reiken voor een vergelijkbare draagkracht. Door het oppervlak van het injectiemas- sief onder het maximale ontgravingsni- veau groter te maken (fig. 4), kunnen de spanningen op de ondergrond wor- den verlaagd en de optredende vervor- ming logischerwijs ook. De vorm van het massief is mogelijk dankzij de uitvoeringstechniek van het injecteren. De diameter van het injectie- lichaam kan namelijk op basis van de gekozen uitvoeringsparameters worden beïnvloed. Door een grotere diameter te kiezen, waarbij het injectielichaam uitsteekt buiten de contour van de poer, wordt een groter oppervlak gecreëerd. Over de hoogte waarover de bouwput wordt ontgraven, kan het massief later worden geprofileerd door het af te hak- ken (foto 5). Het injectielichaam is verder geoptima- liseerd door geen volledig massief te maken, maar een kraag (fig. 4). Op basis van het grondonderzoek is vastge- steld dat de grond binnen de kraag zeer vast gepakt en zodanig is opgesloten, dat deze vrijwel niet vervormbaar is en zo een bijdrage levert aan de totale draagkracht van het injectiemassief. Mengverhoudingen Door verschillende verhoudingen van de componenten water, waterglas en verhardingsmiddel kunnen de eigen- schappen van het injectiemiddel (zoals reactietijd en druksterkte) worden beïn- vloed (fig. 6). Normaal gesproken wordt uitgegaan van 50% waterglas, 6 à 10% harder en Unconfned compressive strenght (kN/m 2) Volume hardener in grout (%) Silicate (% by volume of grout) 3 0 1000 2000 3000 4000 4 5 6 7 1070 60 50 40 30 9 8 4 VAKBLAD I 3 2019 5 Zicht op injectiemassief en poer na 1 m ontgraving 6 Sterkte in relatie tot mengverhouding (bron: 'Engineering properties of silicate- R100 ester chemical grout', G.S. Little- john, e.a., Ground Engineering 30(3), 1997) 4 Geometrie injectiemassief (leiding)water. Zoals uit figuur 6 blijkt, wordt hiermee een UCS-waarde (uni- axiale druksterkte) behaald van circa 0,7 MPa (700 kN/m 2). In dit geval is gekozen voor een mengsel met een waterglaspercentage van 60% en ten minste 8% harder R100. Zoals uit de grafiek blijkt, wordt hiermee een UCS behaald van circa 1,1 MPa. Beproevingen Omdat een hogere druksterkte nodig was dan gebruikelijk, is op het terrein een proefmassief gemaakt. Het gereali- seerde massief is ontgraven en er zijn monsters verzameld door kernen met een diameter van 100 mm uit het mate- riaal te boren. Voor de lengte van de kernen is 100 à 200 mm aangehouden, mede afhankelijk van de beschikbaar- heid. Hierop zijn in een laboratorium uniaxiale drukproeven uitgevoerd. Hier- bij is zowel de druksterkte als de elastici- teitsmodulus bepaald. Foto 7a en 7b laten een kern voor en na beproeving zien. Om praktische redenen is het proef- massief minder diep uitgevoerd dan de definitieve injecties. Omdat het effectief spanningsniveau op grotere diepte hoger is, kunnen de resultaten van de drukproeven als veilige ondergrens worden gezien. Bekend is dat de sterkteontwikkeling in de tijd relatief snel verloopt. Na een periode van 7 dagen is de chemische reactie grotendeels voltooid (fig. 8). Zekerheidshalve is uitgegaan van een verhardingstijd van 21 dagen voordat met het ontgraven van de bouwput rondom de kolompoer is begonnen. De drukproeven zijn om die reden ook uit- gevoerd na 21 dagen verhardingstijd. In totaal zijn tien drukproeven uitge- voerd. Uit de proefresultaten blijkt dat de karakteristieke druksterkte circa 2,45 N/mm 2 bedroeg. De gevonden karakte- ristieke stijfheid bedroeg 1030 MPa. Uitvoering Het theoretische injectiemassief is ver- taald naar een raster met boven en naast elkaar gelegen bollen (fig. 9). De injectievloeistof is aangebracht via man- chettebuizen (foto 10). De manchetten zijn via kernboringen door de poer 5 VAKBLAD I 3 2019 7 Proefstuk voor (a) en na (b) beproeving 8 Sterkteontwik- keling geïnjec- teerde grond 9 Eerste stap plaatsing injectiebollen (voor overige stappen zie www.betoniek.nl) Unconfned compressive strenght (kN/m 2) Formulation: 40% Sodium Silicate 6% R100 Ester 54% Water Time (days) 0510 152025 30 400 300 200 100 0 ingebracht. De manchettebuizen heb- ben elk drie injectiepunten. Deze wor- den opening voor opening geïnjec- teerd, waarbij de injectievloeistof er alle kanten wordt uitgeperst. Hierbij ont- staat een bol (weliswaar iets afgeplat door de zwaartekracht). De h.o.h.-afstand van de openingen is klei- ner dan de diameter van de bol, zodat de vloeistof vanuit de ene opening vervloeit met de vloeistof uit de andere opening. De bollen overlappen zo en er ontstaat één massief. De overlap van de bollen is dus fictief, omdat de vloeistof van de eerste bol niet verdreven of ver- vangen wordt. Waar de poriën al vol zitten met vloeistof komt er geen nieuwe vloeistof bij. Er is een aantal controles uitgevoerd om de aanwezigheid van het injectiemassief te garanderen: 1 Per bol zijn de ingebrachte liters waterglas vergeleken met de theore- tisch benodigde hoeveelheid. 2 Na uitharden van de vloeistof is de grond naast de poer laagsgewijs ontgraven. Bij elke ontgravingsslag is de aanwezigheid van het injectie- lijk door de ontspanning van de grond door de ontgraving. Grenzen verlegd Met deze toepassing van chemische injectie zijn de grenzen verlegd. Het injectiemassief heeft zijn functie naar tevredenheid vervuld. In praktische zin is het belangrijk goed na te denken over het te hanteren injectieraster in relatie tot het risico op imperfecties. In dit geval is er, gezien de noodzaak eerst kernboringen door de poer te maken om de injectielansen te kunnen plaat- sen, voor gekozen het aantal injectie- lansen te minimaliseren. Dit brengt grote tussenafstanden met zich mee en maakt het noodzakelijk tijdens de uit- voering goed naar de uitvoeringsgege- vens (verpompte hoeveelheid vloeistof per injectiepunt) te kijken. De geregis- treerde hoeveelheden moeten daarbij worden vergeleken met de theoretisch vooraf bepaalde waarden. Ook is het belangrijk om, voorafgaand aan het fei- telijke ontgraven, enkele proefsleuven te graven om de aanwezigheid van vol- doende injectiemateriaal te kunnen vaststellen. massief gecontroleerd. Hoewel er meer dan de theoretisch benodigde hoeveelheid waterglas is aange- bracht, bleek op enkele plekken een na-injectie nodig (foto 11). Tijdens de hele uitvoering is de bewe- ging van de poer continu gemonitord. De vervormingen bleven binnen de geëiste norm. De bovenkant van de poer is maximaal 8 mm in horizontale richting opgeschoven. De gehele poer is 8 mm omhooggekomen, waarschijn- 6 VAKBLAD I 3 2019 10 Aanbrengen van injec- tievloeistof via man- chettebuizen 11 Na-injectie met een lans voor die gebieden waar onvoldoende injectiemassief aanwe- zig was