Strategie grondonderzoek - Opzet van Grondonderzoek

Strategie grondonderzoek

Bij de opzet van grondonderzoek moet rekening gehouden worden met de aard van de problematiek; faalmechanisme(n) die hiermee onderzocht moeten worden, de fase van het toetsings- of ontwerpproces en de reeds beschikbare kennis en informatie.

Bij opzetten van risicogestuurd grondonderzoek hanteren we de volgende denkvolgorde / vragen:

1. Faalmechanismen: welke zijn de relevante faalmechanismen waarvoor schematiseringen worden gevraagd?
2. Onzekerheden: welke onzekerheden en risico’s zijn op voorhand te voorzien (ongewenste gebeurtenissen, met inschatting kans en indicatie ernst/gevolg)?
3. Welke (reken)modellen zullen of kunnen worden gebruikt en welke (onder)grond- karakteristieken moeten daarvoor worden geschematiseerd?
4. Ten aanzien van de onderzoeksdichtheid: Wat is de (verwachte) variabiliteit op de probleemlocatie?
5. Ten aanzien van de kwaliteit: Hoe bouw je mogelijkheden in om de kans op fouten in de uitvoering van het grondonderzoek en/of de interpretatie daarvan te verkleinen (cross checks)?

Voor het beantwoorden van deze vragen is informatie nodig met betrekking tot de ondergrond. In de praktijk zal er altijd al enige informatie beschikbaar zijn. Met betrekking tot de veiligheidstoetsing van primaire waterkeringen is altijd bestaande informatie beschikbaar, de primaire keringen zijn immers al vaker getoetst.

In paragraaf 4.4 wordt nader ingegaan op de verschillende bronnen van beschik- bare informatie en hoe deze in de toetsing of het ontwerp gebruikt kunnen worden bij het opstellen van het grondonderzoeksplan.

Onderstaand wordt aan de hand van de vijf vragen van risicogestuurd grond- onderzoek ingegaan op de strategie voor grondonderzoek.

Faalmechanismen

Welke faalmechanismen moeten worden onderzocht? In deze rapportage worden niet de faalmechanismen inhoudelijk uitgewerkt. In zowel het TRWG (voor ontwerpen) [3] en het VTV (voor toetsen) [6] zijn de faalmechanismen uitgebreid beschreven.

Kennis van deze faalmechanismen is van wezenlijk belang voor het bepalen van het benodigde grond- en/of laboratoriumonderzoek en de te verkrijgen geohydro- logische gegevens. Bij het toetsen van waterkeringen wordt opgemerkt dat de benodigde informatie sterk samenhangt met het detailniveau van de toetsing (een- voudig, gedetailleerd of geavanceerd niveau). Hier wordt in par. 4.2.3 nader op ingegaan.

Bij dijken worden de volgende ontwerpcontrole- of toetssporen onderscheiden:

• Kruinhoogte;
• Binnenwaartse en buitenwaartse macrostabiliteit;
• Microstabiliteit en stabiliteit door golfoverslag;
• Opbarsten en piping;
• Stabiliteit van het voorland.

Om de dijk op deze toetssporen te beoordelen is bepaalde informatie nodig. Per toetsspoor is hieronder aangegeven welke informatie (grond-, laboratorium-onderzoek of gebiedsdekkende informatie) benodigd is om de toetsing of beoordeling van het ontwerp uit te voeren.

Kruinhoogte

Beoordeeld moet worden of de kruinhoogte in de voorliggende toets- of ontwerp- periode niet onder de dijktafelhoogte zal zakken. Hiervoor zijn gegevens benodigd met betrekking tot de actuele kruinhoogte en het tijdsverloop van zettingen van de dijk.

De volgende situaties worden onderscheiden:

• Beoordelen van het ontwerp van een dijk of dijkversterking. Ook wanneerbij een dijkversterking geen dijkverhoging nodig is, is het mogelijk dat zettingen ter plaatse van de kruin zullen optreden, bijvoorbeeld door meezakken van de kruin bij aanleg van een binnenberm.

• Sonderingen ter plaatse van kruin en ter plaatse van voorziene belastingverhoging, om inzicht te krijgen in de ligging en diktevan samendrukbare grondlagen;
• Boringen, locaties afgestemd op sondeeronderzoek. Boorlocaties worden zodanig gekozen dat, verspreid over het onderzoeksgebied, de verschillende samendruk- bare lagen bemonsterd kunnen worden. Dit, om een representatief beeld van de samendrukbaarheid van de ondergrond te krijgen.
• Laboratoriumonderzoek, voor het meten van samendrukkingsparametersvan de afzonderlijke grondlagen.
• Toetsing van een dijk waar recent ophogingen hebben plaatsgevonden.

Binnenwaartse en buitenwaartse macrostabiliteit

• Met macrostabiliteit wordt het afschuiven van grote delen van een grondlichaam bedoeld. Voor de analyse van de macrostabiliteit (zowel toetsing als ontwerp) zijn de volgende gegevens nodig:
• Geometrie: een landmeetkundige meting of het genereren van dwarsprofielen op basis gebiedsdekkende hoogte-informatie. Op basis van een analyse van variaties in profieltypen (met/ zonder berm) en variaties binnen typen (taludhelling, bermhoogte, hoogte voor- en/of achterland) wordt een indeling in dijkvakken gemaakt, waarbij per vak een maatgevend profiel wordt geselecteerd;
• Laagopbouw van de ondergrond en het dijklichaam: een sondeeronderzoek, ter plaatse van kruin, binnen- en buitenteen en voor- en achterland, eventueel te combineren met al beschikbaar grondonderzoek. In paragraaf 4.4 wordt nader ingegaan op het gebruik hiervan.
• Op basis van de indeling in laagopbouw wordt een geotechnische vakindeling gemaakt. Deze moet op dusdanige wijze met de geometrische vakindeling gecombineerd worden, dat geen niet-reële combinaties gevormd worden en dat evenmin welreële combinaties verloren gaan;
• Geotechnische eigenschappen grondlagen: booronderzoek, voor het verzamelen van (on)geroerde grondmonsters. Op basis van het sondeeronderzoek (of bestaan- de informatie) worden de te bemonsteren grondlagen aangegeven. Hierbij dient tevens gelet te worden op de locatie in het dwarsprofiel in relatie tot de meest waarschijnlijke locatie van de maatgevende glijcirkel;
• Model: voor het uitvoeren van MStab [11] berekeningen zijn benodigd: volumiek gewicht en sterkteparameters (te bepalen met triaxiaalproeven). Indien een ander model wordt toegepast, hangt de keuze van het uit te voeren laboratorium- onderzoek af van de modelvereisten;
• Belasting: de ligging van de freatische lijn en waterspanningsverloop in de onder- grond kunnen op basis van de samenstelling van dijk en ondergrond conservatief worden ingeschat. Voornamelijk wanneer dit leidt tot afkeuren van het profiel bij het uitvoeren van de toetsberekeningen, wordt aanbevolen tijdreeksen van het werkelijk verloop te verzamelen. Indien geen gegevens beschikbaar zijn met betrekking tot gemeten waterstanden, dienen peilbuizen of –filters geïnstalleerd te worden om de betreffende gegevens te verzamelen.

De sterkte-eigenschappen en de waterspanningen in en onder grondconstructies bepalen de weerstand tegen afschuiven. In TRWG en VTV wordt nader ingegaan op de methoden waarmee sterkte en belasting tegen elkaar kunnen worden afge- wogen bij het onderzoeken van de stabiliteit van een waterkering. In paragraaf 4.2.3 worden enkele modellen kort beschreven.

Microstabiliteit en stabiliteit bij overslag

Microstabiliteit en stabiliteit bij overslag betreffen de stabiliteit van grondlagen van zeer beperkte dikte aan het oppervlak van het binnentalud. Bij microstabiliteit komt de bedreiging van binnenuit, door een hoge freatische lijn in het grondlichaam, bij stabiliteit bij golfoverslag komt de bedreiging van buiten.

Het betreft verschillende faalmechanismen waarvan de modellering deels vergelijk- baar is. Wel zijn de voor de modellering benodigde gegevens voor beide faal- mechanismen gelijk, namelijk:

• Geometrie: zie toetsspoor macrostabiliteit. Overigens wordt opgemerkt dat kruin- hoogte een rol speelt bij stabiliteit bij overslag, indien de huidige kruinhoogte groter is dan het 0,1 l/m/s overslagdebietcriterium, hoeft niet op dit faalmechanisme getoetst te worden (zie faalmechanisme kruinhoogte);

• Samenstelling dijkkern en deklaag, inclusief laagdikte: het uitvoeren van hand- boringen (loodrecht op het talud) en het uitvoeren van laboratoriumonderzoek indien de kern uit zand bestaat (bepaling van zand- en lutumgehalte, Atterbergse grenzen en eventueel zoutgehalte). Bij een dijk met een kleikern kan microstabiliteit geen probleem opleveren. Met betrekking tot het toepassen van de rekenregels dienen echter bovendien de geotechnische eigenschappen van de grondlagen bekend te zijn;
• Geotechnische eigenschappen: de benodigde gegevens betreffen veldvochtig en verzadigd volumiek gewicht en sterkte-eigenschappen (F’ en c’). De volumieke gewichten kunnen bepaald worden door het steken van kleine monsterbussen (Kopecky ringen), welke in het laboratorium beproefd moeten worden. Voor de sterkte-eigenschappen is het steken van grote (Ackermann) bussen noodzakelijk. Hiertoe worden mechanische boringen geadviseerd. Het is wenselijk dit onder- zoek te combineren met de bepaling van de sterkte-eigenschappen van dijk en ondergrond ten behoeve van het faalmechanisme macrostabiliteit.

Piping

Onder bepaalde omstandigheden bestaat de mogelijkheid dat piping (zandmee- voerende wellen) ontstaat. Om te bepalen of deze omstandigheden zich voordoen, dient de volgende informatie beschikbaar te zijn.

• Geometrie: evenals bij de overige faalmechanismen zijn gegevens met betrekking tot de geometrie benodigd. Meer specifiek betreffen de geometrische gegevens voor het beoordelen van de kans op piping de afstand tussen binnen- en buitent- een en gegevens met betrekking tot sloten (insteek, slootdiepte en –breedte) of overige waterpartijen en het hoogteverloop van voor- en achterland;
• Laagopbouw van dijk en ondergrond: om de dikte van eventuele deklagen in voor- en achterland te bepalen kan puntonderzoek (boringen en/of sonderingen) uitgevoerd worden. Indien grote variatie in deklaagdikte (en lokale afwezigheid hiervan) wordt aangetroffen, dient een voldoende dicht meetnet te worden aan- gelegd, om de onzekerheden in het al dan niet voorkomen van deze laag in vol- doende mate te reduceren. Ook is het mogelijk hiervoor geofysische metingen uit te voeren. Deze technieken dienen echter altijd gecombineerd te worden met enkele puntmetingen (boringen of sonderingen). Eventueel uit te voeren boringen kunnen bovendien dienen voor het verzamelen van monsters voor het bepalen van grondeigenschappen van de lagen.
• Laageigenschappen: voor het uitvoeren van controle aan de hand van de reken- regels, zijn gegevens benodigd van deklaag en watervoerende zandlaag. Voor opbarstcontrole zijn het volumiek gewicht van de deklaag en geohydrologische parameters van deklaag en watervoerende zandlaag nodig. Voor de controle op voldoende kwelweglengte zijn gegevens over doorlatendheid en korreldiameter nodig. Voor een volledig overzicht wordt verwezen naar het TRZW [10].
• De belasting bij controle op opbarsten wordt gevormd door de stijghoogte in het watervoerend zandpakket bij maatgevende buitenwaterstand. Met behulp van geohydrologische rekenmodellen kan deze stijghoogte bepaald worden. Hierbij spelen onzekerheden een belangrijke rol, omdat parameters voor die reken- modellen moeilijk zijn te schatten. Die onzekerheden kunnen verminderd worden door het afijken van deze parameters met behulp van waterspanningsmetingen.

Stabiliteit vooroever

Bij grondconstructies, die met al dan niet een aanwezig voorland van beperkte breedte zijn gelegen langs een onderwatertalud, dient rekening te worden gehouden met het optreden van instabiliteit van dit onderwatertalud.

Bij instabiliteiten spelen zowel geotechnische aspecten (sterkte) als wel de hydraulisch en morfologische condities (belasting) een rol.

Naast de aanwezigheid van een kritieke vooroever, is de aanwezigheid van zettings- vloeiings- of afschuivingsgevoelige grondlagen voorwaarde voor mogelijke instabi- liteit van de vooroever. Veelal is dit op basis van (geologische) gebiedskennis al dan niet uit te sluiten.

De beoordeling op potentieel risico op instabiliteit door afschuiving of zettings- vloeiing geschiedt in eerste instantie op basis van de geometrie van de vooroever. De betreffende gegevens kunnen verkregen worden met behulp van echolodingen. In geval van migrerende getijdegeulen is het verstandig gegevens van meerdere jaren met elkaar te vergelijken om het eventuele minimaal aanwezige voorland profiel (maatgevend) te selecteren.

Indien op basis van deze analyse het risico op zettingsvloeiing of afschuiven van het voorland niet kan worden uitgesloten, moeten aanvullende maatregelen worden getroffen om de stabiliteit van de grondconstructie te waarborgen.

Het uitvoeren van specialistisch onderzoek van de betreffende grondlagen behoort tot de mogelijkheden, maar wordt gezien het specialistische karakter van de modellering in dit kader niet nader uitgewerkt.

Onzekerheden

Inschatting van onzekerheden over de aan de hand van de beschikbare informatie opgestelde schematiseringen van (onder)grondopbouw en waterspanningen is essentieel.

Er zijn twee opties voor het omgaan met schematiseringonzekerheden in het ontwerp- of toetsproces, namelijk:

• Verdisconteren van de onzekerheden via conservatieve uitgangspunten (conser- vatieve schematiseringen en/of een schematiseringfactor) voor de ontwerp- of toetsanalyses. De schematiseringanalyse in hoofdstuk 3 is hierbij richtinggevend.
• Daarbij kan blijken dat dit leidt tot ongewenste (dure) gevolgen voor het ontwerp, of tot vermoedelijke onterechte afkeuring bij de toetsing. In dat geval kan gekozen worden voorelimineren of reduceren van onzekerheden door nader grondonder- zoek, waardoor volstaan kan worden minder.

De laatste keuze wordt doorgaans ingegeven door kostenoverwegingen (wat is de verwachte besparing versus de extra kosten) en de inschatting van de kans dat de besparingen waar gemaakt zullen worden door het nader grondonderzoek.

Bij het beoordelen van de consequenties van onzekerheden speelt ook de project- fase een rol. Bij definitiestudies of voorontwerpen kunnen uit verdiscontering van onzekerheden voortvloeiende kosten van (of andere gevolgen voor) het ontwerp vooralsnog aanvaardbaar zijn, als ze niet leiden tot ‘verkeerde’ beslissingen.

Bijvoorbeeld bij tracékeuze, of bij het vergelijken van alternatieve ontwerpen. Een ‘verkeerde’ beslissing is een beslissing die, achteraf op basis van betere informatie, anders zou zijn genomen.

Welke rekenmodellen worden toegepast?

Rekenmodellen worden gekozen op basis van de voor een ontwerp of toetsing relevant geachte potentiële faalmechanismen. De voor die rekenmodellen benodigde gegevens zijn richtinggevend bij de opzet van grondonderzoek. Benodigde gegevens kunnen grofweg worden onderverdeeld in voor een rekenmodel relevante grond- mechanische schematiseringen van dijk- en bodemopbouw en/of geohydrologische schematiseringen voor het bepalen van hierin optredende water(over)spanningen, en grondeigenschappen of andere toestandskenmerken van de grond binnen de grondlagen. De in dit hoofdstuk beschreven strategieën voor grondonderzoek hebben betrekking de schematiseringen. Voor een overzicht van grondmechanische rekenmodellen bij het ontwerpen of toetsen van dijken en de voor die modellen benodigde grondlaageigenschappen en toestandskenmerken (ook dit zijn in feite schematiseringen) wordt verwezen naar het TRWG [3].

Kwantiteit

Doorgaans is de opbouw van de ondergrond variabel. Liggingen en dikten van bodemlagen kunnen, afhankelijk van de ontstaansgeschiedenis, van plaats tot plaats sterk variëren. De benodigde dichtheid van grondonderzoek voor het betrouwbaar schematiseren van de ondergrond is, in algemene zin, groter naarmate deze ruimtelijke variabiliteit groter is. Bij het opzetten van grondonderzoek is het daarom inzicht in de geologische/geomorfologische kenmerken van de onderzoeks-locatie nodig. Daarbij wordt evenwicht gezocht tussen benodigde inspanning voor daadwerkelijk grondonderzoek, en op basis van dat inzicht geïdentificeerde over-blijvende onzekerheden, die later in een schematiseringanalyse via het kiezen van voldoende conservatieve schematiseringen moeten worden verdisconteerd. Hierbij speelt uiteraard ook al beschikbare informatie, zoals eerder grondonderzoek ter plaatse of in de omgeving, of geobserveerd zettings- of vervorminggedrag van een dijk een rol.