? ? geotechniek ? bouwputtening.R.P.Bongers en ing.G.W.J. van de Haterd, Bouwdienst RjkswaterstaatVooral als gevolg van de beperkte mogelijkheden voor het onttrekken van grondwater uitde bodem, waardoor het toepassen van open bouwputten nauwelijks meer mogelijk is,wordt bij debouwvan sluizen hetpneumatisch afzinken steeds meertoegepast. Voorbeel-den zijn de recreatiesluis bij Almere en de schutsluizen Helmond en Schijndel in de Zuid-Willemsvaart. Ook voor de nog in ontwerp zijnde Tweede sluis Lith in de Maas is uitgangs-punt dat de sluishoofden via de pneumatische afzinkmethode zullen worden gebouwd.PNEUMATISCHAFZINKENVANSLUISHOOFDENBij een beschouwingoverde mogelijke bouw-methoden voor een sluis moet onderscheidworden gemaakttussen de bouwvan de bei-de sluishoofden en de bouw van de tussen-liggende kolk (fig. 1). Voor beide onderdelengelden verschillende voorwaarden, zodatook verschillende constructies en verschil-lende bouwmethoden mogelijk zijn. In ver-band met de vormgeving en de op te nemenbelastingen moet een sluishoofd bestaanuit een monolitische betonconstructie. Bo-vendien moet deze constructie in den drogekunnen worden afgebouwd, ondermeervoorhet aanbrengen van de aanslag- en afdich-tingsconstructies en de draaipunten voor desluisdeuren. Bij de bouw van de sluiskolk zijndezevoorwaarden nietvan belang. Hetafzin-ken van constructies bij de bouw van eenCD Langsdoorsnede schutsluis met dwars- sluis zal in het algemeen dan ook beperktdoorsneden over kolk en bovenhoofd blijven tot het afzinken van de sluishoofden.doorsnede kolka.OOm 1.opm 12,60m 1.OIlm a.OOmCEMENT1995/5tat.,. !.ngt.: 135,50 m"ultlgekolk!.ngt.: 110mdoorsnede bovenhoofdBouwmethodenVoorde bouwvan de sluishoofden, die in hetalgemeen bestaan uit een U-vormige, mono-litische betonconstructie, zijn in hoofdzaakdrie bouwmethoden te onderscheiden:? het maken van een open, met een bema-lingsinstallatie droog te houden bouwput,waarin de sluisconstructies worden ge-bouwd;? het maken van een bouwkuip, bestaandeuit bijvoorbeeld stalen damwanden en eenvloer van onder water gestort beton, waar-in na droogpompen de sluishoofden wor-den gebouwd;? het bouwen van de sluishoofden op maai-veldniveau, die hierna pneumatisch tot degewenste diepte worden afgezonken.doorsnede bovenhoofdmet kelders t.b.v. bewegingswerken63? ? geotechniek ? bouwputtenDe 'open bouwput-methode' is een eenvou-dige en vaak goedkope wijze van bouwen. Alsgevolgvan de strengere eisen die worden ge-steld aan het onttrekken van grondwater ende mogelijke gevolgen hiervan, is het nauwe-lijks meer mogelijk deze bouwmethode toete passen. Soms wordt de methode nogtoe-gestaan, mits een retourbemalingwordttoe-gepast. Dan wordt de bouwmethode finan-ten sparingen worden aangebracht voor detoegang naar de werkkamer, de doorvoervan kabels, water- en afvoerleidingen, ont-luchtingen en dergelijke. Indien de construc-tie nietop staal kan worden gefundeerd, kun-nen voorafgaand aan de bouw van de cais-son palen in de grond worden gebracht,waarop de constructie na afzinken komt terusten.hoofd als waterkerende constructie, waar-voor sluisdeuren, draaipunten en aanslagenbinnen zeer geringe toleranties moeten wor-den aangebracht, moeten strenge eisenworden gesteld aan de uiteindelijke standvan de afgezonken caisson. Hierbij moetworden gedachtaan maximale afwijkingen inhet horizontale en verticale vlak van circa 50mm op de hoekpunten, waarbij de afwijkingcieel echter minder aantrekkelijk. is samengesteld uit verschuiving, kantelingDe 'bouwkuip-methode' is een veel toege-paste methode. Voor uitvoering van debouwkuip zijn verschillende mogelijkhedenbeschikbaar. Zo kunnen de wanden wordengeformeerd met stalen damwanden of be-tonnen diepwanden en worden verankerddoor verankeringsconstructies buiten debouwkuip (ankerstangen, groutankers endergelijke) of stempelconstructies binnende bouwkuip. Afhankelijk van de grondsa-menstelling en -opbouwen de heersendewaterspiegel, moet in de kuip een bodemaf-sluiting worden gerealiseerd. Dit kan ondermeer plaatshebben door het aanbrengenvan een waterafsluitende laag in de onder-grond (chemische injectie) of door het aan-brengen van een vloer in de kuip. Afhankelijkvan de omstandigheden kan devloerwordenuitgevoerd als 'gewichtsvloer' of moet wor-den verankerd mettrekpalen ofgroutankers.Bij de 'pneumatische afzink-methode' wordtde betreffende constructie, de 'caisson', ge-bouwd op een niveau boven de heersendegrondwaterstand. Vervolgens wordt de con-structie tot de gewenste diepte afgezonken.Het principe van pneumatisch afzinken is,dat de grondlagen onder de caisson wordenlosgespoten en weggezogen, waardoor decaisson in de grond wegzakt. De ruimte on-der de caisson wordt droog gehouden doordaarin een zodanige luchtoverdruk aan tebrengen, dat evenwicht ontstaat met degrondwaterdruk.De vormgeving van het sluishoofd moet zijnaangepast aan het afzinken. Zo moet onderde vloer een werkkamer aanwezig zijn voorhet losspuiten van de grond. Deze ruimtewordt gecre?erd door rondom onder de vloerzogenaamde snijranden aan te brengen. De-ze randen zijn circa 2,00 m hoog en hebbeneen onderbreedte van circa 0,25 m; ze verlo-pen aan de binnenzijde onder circa 60? naarde onderkant van de vloer. In de vloer moe-64De pneumatische afzinkmethode kent een en rotatie van de caisson.aantal voordelen ten opzichte van de anderebouwmethoden. De belangrijkste hiervanzijn:? geen grondwateronttrekking;? zuinigergebruikvan materiaal: geen stalendamwanden, trekpalen, verankeringen endergelijke nodig. Wel is extra constructie-beton benodigd voor de snijranden en vul-beton voor de vulling van de werkkamer;? kortere bouwtijd;? ontbreken van geluidsoverlast, heitrillin-gen en dergelijke, waardoor de hinder voorde omgeving wordt beperkt.Bij een economische afweging van de bouw-kuip-methode en de pneumatische afzink-methode blijkt in het algemeen dat bij toene-mende diepte van het funderingsniveau vande constructie, de pneumatische afzink-me-thode aantrekkelijk wordt. De reden hiervooris dat benodigde hulpconstructies en voor-zieningen nauwelijks worden be?nvloed doorde toenemende diepte, terwijl bij de bouw-kuip-methode alle constructies zwaardermoeten worden uitgevoerd naarmate dediepte toeneemt.De afwegingvan de methoden kan overigensin grote mateworden be?nvloed doorde loka-le omstandigheden.Pneumatische afzinkmethodeEnerzijds wordt de vormgeving van het sluis-hoofd mede bepaald door het pneumati-sche afzinken, anderzijds stelt de functiona-liteit van het sluishoofd bepaalde eisen aanhet afzinken.Veelal worden caissons als doosvormigeconstructie uitgevoerd, maar een sluishoofdis een U-vormige bakconstructie zonderkop-wanden. Hierdoor is de constructie wring-slap en kunnen ertijdens het afzinken grotespanningen in optreden door ongelijkmatigeopleggingen en zettingen.Door de uiteindelijke functie van het sluis-In het algemeen wordt bij deze bouwmetho-de aangevangen met de bouw van de cais-sons op het maaiveld of in een open bouw-put, waarbij het bodemniveau boven hetgrondwater blijft. Na het afzinken van decaissons kan de afbouw plaatshebben enkan de tussenliggende kolkconstructie wor-den gebouwd.Begonnen wordt met het aanbrengen vaneen zandterp, die dient als 'mal' voor dewerkkamer (fig. 2). Hierna worden de snijran-den, de vloer en de wanden van het sluis-hoofd gestort. Nadat de betonconstructiegereed is, worden in beide kopse zijden tijde-lijke grond- en waterdichte schotten ge-plaatst. Hiervoor kunnen afgestempeldestalen damwandplanken of betonschottenworden gebruikt. De nodige aandacht moethierbij worden besteed aan het waterdichtmaken ervan.Voordat het afzinken van een caisson kanbeginnen, moeten onder meer de toegangs-schacht met luchtsluis, compressoren, druk-vaten, ontluchtingsventielen, afzuiginstalla-ties, elektrische installatie, pompen, de aan-voerleiding van water en de afvoerleidingvoor het water-zandmengsel worden aange-bracht. Ook moet een depot worden inge-richt waar de vrijgekomen specie kan bezin-ken.In eerste instantie wordt het zand onder at-mosferische druk 'handmatig' uit de werkka-merverwijderd. Zodra dat mogelijkis, wordenspuitkanonnen en pompen aangesloten enkan het spoelen en afvoeren van de grondmet gesloten luchtsluizen starten. Naarma-te de caisson dieperzakt, wordt de luchtdrukzodanig opgevoerd, dat deze in overeen-stemming is met de stijghoogte van hetgrondwater.CEMENT1995/5.r----------------grondaan-vullingIIII(1'------..,.I II II II II II II IIIIICEMENT1995/5-------"", 'b! : ouw caissonI Il : -snijrandI I -vloer: I -wandenI II IIIIluchtsluiseindsituatie@ Bouwproces sluishoofdenOm de caisson te laten zakken moet onderde snijranden de bezwijkbelasting van degrohd worden bereikt. Het eigen gewicht vande constructie en de hulpmiddelen zorgenhierbij voor de neerwaartse belasting. De te-genwerkende krachten zijn de wrijving tus-sen de wanden en de grond en de luchtover-druk tegen de onderzijde van de vloer. Dewrijving en de luchtdruk nemen toe naarma-te de caisson dieper zakt. Om de wrijving zo-veel mogelijk te beperken, wordt de vloer vijfcentimeter breder gemaakt dan de wanden,waardoor tijdens het zakken een spleet ont-staat. Deze spleet wordt volgepompt metbentoni~t. Indien deaanwezige neerwaartsebelasting onvoldoende is om de bezwijkbe-lasting te bereiken, moet ballast wordenaangebracht.Het bereiken van de bezwijkbelasting is nietalleen afhankelijk van de belastingen, maarook van de vormgeving van de snijranden envan de mate waarin de grond bij deze randenwordt weggezogen. Vandaar dat het wegzui-gen van grond bij de randen tijdens het zak-ken van de caisson als 'stuurmiddel' wordtgebruikt. Daarnaast kan het zakken wordenbe?nvloed doorgedurende een korte periodesnel luchtdruk af te laten. Hierdoor nemende oplegdrukken onder de snijranden sterktoe, terwijl het grondwater, vanwege de be-perkte doorlatendheid van de grond, niet dekans krijgt in de werkkamer toe te treden.Nadat de caisson de vereiste diepte heeftbereikt, wordt de werkkamer gevuld met be-ton. Een volledige vulling kan worden bereiktdoor voldoende te ontluchten via de in devloer aanwezige ventielen en door op de be-tonmassa enige overdruk aan te brengen.Bij de gebouwde sluizen in de Zuid-Willems-vaart heeft het afzinken van elk sluishoofdcirca 15werkdagen in beslaggenomen. Hier-bij is circa 2800 m3 grond verwijderd en is decaisson over een diepte van circa 9,50 mnaar beneden gebracht. De uiteindelijke af-wijkingen van de plaats van de caissons zijnhierbij ruim binnen de gestelde eisen geble-ven. In hoogterichting bedroeg de afwijkingten opzichte van de theoretische maat openig hoekpunt maximaal 10 mm en in langs-en dwarsrichting maximaal 35 mmo De kan-teling (helling) in langs- en dwarsrichtingwaskleiner dan 0,4%0. ~65? ? geotechniek?Berekening van de sluishoofdenBij de berekeningvan sluishoofden die pneu-matisch worden afgezonken moet, naast degebruikelijke belastingsgevallen die voortko-men uit de gebruikssituatie, rekening wor-den gehouden meteen aantal specifieke be-lastingen die worden veroorzaakt door hetafzinken:Qm1!x.? heteigen gewichtvan de caisson, inclusiefafzinkinstallatie;? Mogelijke tegendrukken tijdens afzinken? eventueel ballast (bijvoorbeeld door het son inclusief ballast wordt dan vrij plotse-gedeeltelijk met water vullen) ter vergro- ling van het 'luchtkussen' overgebracht opting van de neerwaartse belasting; de snijranden.? wandwrijving op de zijwanden en kopvlak-ken; De krachtsverdeling als gevolg van het af-? belasting op de wanden doorgrond-en wa- zinkproces is bij de sluishoofden van Hel-terdruk (of eventueel bentoniet); mond en Schijndel bepaald met behulp van? overdruk in de werkkamer. het eindige-elementenmethodeprogrammaBij de dimensionering van de sluishoofdenvan Helmond en Schijndel bleek dat met na-me het ongelijkmatige dragen van de snijran-den heeft geleid tot extra wapening in verge-lijking met de benodigde wapening die volg-de uit de berekening van de gebruiksfase.Bij de bepaling van de langswapening in desnijranden is ervan uitgegaan dat deze, af-DIANA. Voor de snijranden, vloeren en wan- hankelijk van de belastingscombinatie, alsTijdens het afzinken moet ook rekening wor-den gehouden met:? ongelijkmatig dragen van de snijranden opde ondergrond.Dit wordt veroorzaakt door onregelmatig-heden in de grondslag (hoe stijver degrond, hoe meer de tegendruk ongelijkma-tig verdeeld langs de omtrek kan optre-den) en/of het ongelijkmatig wegspuitenvan de ondergrond. Voor de berekening isuitgegaan van de in figuur 3 weergegeventegendrukken;? scheefstand van de caisson.Dit kan optreden door het ongelijkmatigdragen van de snijranden. De caisson kandan gaan scheefstaan en op ??n wandgaan 'leunen'. De horizontale gronddrukwordt dan plaatselijk hoger dan de neutra-le gronddruk en kan zelfs passief worden.Aan deze scheefstand is in het bestek eengrensgesteld van maximaali% metdever-ticaal.De meest ongunstige situaties doen zichvoor:? in de eerste fase van het afzinkproces alsde grond in de werkkamer vanaf de toe-gangssluis in het midden van de caissonnaar de snijranden toe is verwijderd. Er is inde werkkamer dan nog geen verhoogdedruk aanwezig en het eigen gewicht draagtdan volledig op de snijranden;? in de laatste fase als de caisson vrijwel opdiepte is en de overdruk in de werkkamerwordt afgelaten om het afzinkproces tevoltooien. Het eigen gewicht van de cais-66den is gebruik gemaakt van het schaalele-ment CQ40S en voor de snijrandopleggingvan het veerelement SPiTR.Gegeven de grote constructie-afmetingenhad ook gekozen kunnen worden voor volu-me-elementen. Het voordeel van schaalele-menten ten opzichte van volume-elementenwas echter dat de wapeningsmomenten di-rect geplot konden worden.Ter controle van de elementenmethodebe-rekening zijn met handberekeningen dereacties van de snijrandopleggingen en demomentensommen voor een aantal maat-gevende doorsneden gecontroleerd.Voor wat betreft de afzinkfase is bij de di-mensionering van de sluishoofden van Hel-mond en Schijndel uitgegaan van een veilig-heidsco?ffici?ntvan i,4. Bij het ontwerp vande sluishoofden bij de Tweede sluis Lith zalworden gewerkt met de nieuwe voorschrif-ten. Hierbij zal voor de afzinkfase worden ge-rekend met de materiaal- en belastingsfac-toren die behoren bij veiligheidsklasse 2.druk- of als trekwapening werkt.De wringende momenten, veroorzaakt doorhet belastingsgeval overhoeks dragen, leid-de op sommige plaatsen in de vloer tot circa20% extra wapening.Ten slotteGebleken is dat voor sluishoofdconstructieshet pneumatisch afzinken, afhankelijk vande loka!e omstandigheden, voordelen kanbieden ten opzichte van andere bouwmetho-den.Kenmerkend hierbij is enerzijds het ontbre-ken van problemen ten aanzien van grond-wateronttrekking en anderzijds het econo-mische voordeel dat toeneemt met de diep-te van het funderingsniveau.Doordat bij sluishoofden de constructiewringslap is, is het noodzakelijk inzichtte krij-gen in de krachtsverdeling onder invloed vande afzinkbelastingen. Zowel de krachtsver-deling als de wapening is zeer goed te bepa-len met behulp van een eindige-elementen-methodeberekening. ?CEMENT1995/5