IBRUGGENBOUW IfUNDERINGENGRONDVERBETERING VOORDE GROTE BELTir.R.M.S. van der Marck en ir.S.H. van Royen, Hollandsche Beton- en Waterbouw bv, GoudaDe hangbrug over de Grote Belt is op dit ogenblik de grootste in uitvoering zijndehangbrug ter wereld. Deze brug vormt een onderdeel van de vaste oeververbindingtussen de Deense eilanden Fynn en Seeland. De onderbouw van de brug is eenzogenaamde gewichtsconstructie, waarbij de pijlers op betonnen caissons rusten diedirect op de zeebodem worden geplaatst, met toepassing van een grondverbetering.De wijze waarop daarvoor onderzoek is gedaan en hoe de uitvoering ervan isgerealiseerd, komen ter sprake in dit artikel. Het ontwerp en de bouw van de brugzelf, worden besproken in een komend artikel.1 LengteprofielOostbrugsprog16(w)At[Jl Jl 11 Il II ~II .In__ .u. . u_~~i Ihalsskov(e)143 7.193 73 535 1624 535 73 12.193 140D. e oeververbinding bestaat uitdrie onderdelen: de Westbrugvoor spoor- en wegverkeer vanFynn naar het eilandje Sprog0 middenin de Grote Belt, een spoortunnel vanSprog0 naar Seeland en de als hangbrugontworpen Oostbrug voor alleen hetwegverkeer, uiteraard ook van Sprog0naar Seeland.De hangbrug heeft een vrije overspan-ning van 1624 m tussen de pylonen eneen vrije doorvaarthoogte van 65 m. Depylonen, waarover de draagkabel van dehangbrug wordt geleid, hebben eenhoogte van circa 250 m boven het wa-teroppervlak. De trekkracht 1ll dedraagkabel wordt via een gewichtscon-structie, de ankerblokken, afgevoerd.De afstand tussen de ankerblokken ende pylonen bedraagt circa 535 m. De 19pijlers van de aanbruggen hebben eenonderlinge afstand van 193 m.De totale overspanning van de brug is6790 m (fig. 1).GBC (Great Belt Contractors), eencombinatie van de Duitse aannemersHochtiefenWayss & Freytag, deDeense86790maannemers KKS en E.Pihl & Son en deHollandsche Beton- en Waterbouw,hebben de opdracht voor de funderingen de onderbouw van deze brug, inclu-sief de pylonen. Het stalen dek van deaanbruggen en de hangbrug wordt ge-maakt door een Italiaans/Amerikaansecombinatie.De gehele onderbouw staat als een ge-wichtsconstructie op de bodem van deGrote Belt. Ter plaatse van de caissonswordt grondverbetering toegepast. Debesteksomschrijving luidde:Onder de caissons een laag grond weg-baggeren, waarna de ontstane ruimtemoet worden opgevuld met grind tot0,3 m onder het definitieve niveau. Delaag grind moetworden verdicht, onderde aanbrugpijlers tot 93% en onder deankerblokkenen de pylonentot96%vande maximale dichtheid. Vervolgens opdeze laag een afwerklaag aanbrengen enafstrijken. Deze laag behoeft niet teworden verdicht. De vereiste nauwkeu-righeid van deze laag is +/-5 cm, waar-bij het bed in zijn geheel op +/- 10 cmmag liggen.De totale laagdikten Waren als volgt:onder de aanbruggen 1 m, onder dewestelijke, respectievelijk oostelijke py~loon, 4 respectievelijk 5 m en onder deankerblokken twee driehoekige lagenmet een maximale dikte van 10,5 m.Leverancier funderingsrnateriaalIn het bestek zijnverschillende eisen ge~steld aan het te gebruiken materiaalvoor de steenbedden. Het materiaalmoet bestaan uit graniet, gneiss ofbasalten mag maximaal 2% kalksteen bevat~ten.Voorts zijn de onder-enbovengrensvan de zeefkromme gespecificeerd,moet de uniformiteits-co?ffici?nt gro-ter zijn dan 4 en mag het materiaal geenorganische stoffen bevatten.Om een goede beslissing te kunnen ne-men is aan alle potenti?le leveranciersgevraagd een monster van hun gebro-ken steenmateriaal naar Grondmecha-nica Delft te sturen. Hier zijn van allemonsters de volgende parameters be-paald: minimale en rnaximale dichtheidvolgens ASTM norm D 4253-83, speci-fieke dichtheid, zeefkromme, alsmedeeen geologische beschrijving.Cement 1993 nt. 102-3 TestputNa evaluatie van de prijs, technischespecificaties, transportcondities en le-verbaarheid van het materiaal ?s geko-zen voor de Hyperitsteen die wordt ge-wonnen in Krager0 te Noorwegen. Naenigeaanloopproblemen met het afstel-len van debreekinstallaties op devereis-te zeefkrornme, heeft de leverancierzonder problemen geleverd.De uiteindelijke beslissing voor deze le-verancier is pas genomen nadat debouwcombinatie een uitgebreid test-programma methet materiaal had afge-werkt.Opzet testprograrnrnaVolgens het bestek moet de bereiktedichtheid van het steenmateriaal wor-den aangetoond met behulp van eenplaatbelastingsproef of een slagsonde-ring. De bouwcombinatie moet doormiddel van 'full scale trials' aantonendat met het gekozen materiaal en mate-rieelde gestelde eisen kunnen wordengehaald. Ook moet in deze testen decorrelatie tussen de plaatbelastingsproefofde slagsondering en de dichtheid vanhet steenbed worden bepaald.Om te voorkomen dat op iedere funde-ring een uitgebreid testprogramma zoumoeten worden uitgevoerd, heeft debouwcombinatie voorgesteld om toteen 'performance specification' te ko-men. Dit houdtin dat in een aantal test-series voor iedere toe te passenlaagdiktewordt bepaald wat de benodigde fre-quentie en verdichtingstijd zijn om deCement 1993 nr. 10gewenste dichtheid te bereiken. Bij hetverdichten van de funderingen behoeftdan alleen nog te worden aangetoonddat de verdichter op alle locaties is ge--weest en met de juiste frequentie entijdsduur heeft verdicht.De opdrachtgever heeft dit voorstel ge-accepteerd.Uitvoering testprogrammaVoorhet uitvoerenvande proevenis eentestputgemaaktvan20 x 20 m2(fig.2,foto3).Deze put bestaat uit damwanden metaan de buitenzijdeeen betonnenbalkalsverankering. Om te voorkomen dat hetequipment voor deze proeven zou kun-nen verzakken door trillingen, zijn debetonnen balk en de funderingsplatenvoor de mobiele kraan gefundeerd oppalen.De locatie van de testput is zodanig ge-kozen, dat de ondergrond zoveel moge-lijk overeenkomt met de ondergronddie in de GroteBeltaanwezig is. De test-putis ontgraven toteen dieptevan 7,5 men is voorzien van een pompsysteem.Voor het hanteren van de 75 ton zwareverdichteris een 800 tons mobiele kraangebruikt.De stenen zijn met behulp vaneen rups-kraan in de testput aangebracht, in eenvan te voren vastgesteld patroon. Hetsteenbed is daarna vlakgestreken meteen Zware stalen balk. Deze manier vanaanbrengen van de steenlagen is iden-tiek aan de werkmethode die voor hetmaken van de funderingen in de GroteBelt wordt gehanteerd.Voor het meten van de verdichtingen ishet centrale deel van 12 x 12 m2van detestput gebruikt. Om de randeffectenvan de damwand zoveel mogelijk te eli-mineren, is de buitenste strook van 4 mbreedte wel verdicht, maar niet meege-nomen in de meetresultaten.Er zijn drie testseries uitgevoerd metverschillende dikten van de steenlaag:- Test 1: laagdikte 0,70 m.De 18 pijlers van de aanbruggen zou-den op een steenfundering van 1,0 mdikte komen te rusten, waarvan 0,70m moest worden verdicht en waaroplater een afwerklaag van 0,30 m zouworden aangebracht. Bij de uiteinde-lijke uitvoering zijn deze dikten ge-wijzigd in 0,50 m verdichte steenlaagen 0,40 m afwerklaag. De dichtheids-eis voor deze onderlaag van de funde-ringen is minimaal 93% van de maxi-male dichtheid.- Test 2: laagdikte 2,0 m.De verwachting van de opdrachtgeverwas dat de maximale te verdichtendikte 1,50 tot 2,0 m zou zijn. Dit wasmede gebaseerd op de opgedane erva-ringen bij de Westbrug. De dicht-heidseis bedraagt hier 96% van demaximale dichtheid.- Test 3: laagdikte 4,0 m.Uit het oogpunt van planning zou hetverdichten van de maximale laagdikte9IBRUGGEl30UW IFUNDERINGENTabellResultaten verdichtingsproeventestnr. nominale initi?le verdichting hoofdverdichting resultatenlaagdikte A t f A t f Dmax D D/Dmax(m) (m2) (s) (Hz) (m2) (s) (~z) (t/m3) (tlm3) (%)1.1 0,7 - - - 25 120 20,5 1,90 2,06 1081.2 0,7 - - - 25 120 20,5 1,90 1,96 103UA 0,7 - - - - - 2,17 1,94 891.3 0,7 - - - 25 120 20,5 2,02 2,04 1012.1 2,0 25 60 20 16 120 20,5 2,23 1,96 882.2 2,0 25 60 16 16 180 20,5 2,08 2,28 1103.1 4,0 25 60 16 16 210 20,5 2,11 2,23 1063.2 4,0 15 60 16 16 210 20,5 2,21 2,25 102Tabe12Eisen voor het verdichten van de sreenfunderingenlocatieaanbruggenankerblokken, pylonen- initi?le verdichting- hoofdverdichtinglaagdikte(m)0,74,15 (max)252516t(s)12060210f(Hz)19-2115-1719-21DmaxDAtf= maximale dichtheid= gemeten dichtheid= oppervlakte verdichtingsplaat= verdichtingstijd= frequentievan de steenfunderingvan 10,5 m (on-der de ankerblokken) in drielagen hetmeest optimaal zijn. Ook hier is dedichtheidseis 96% van de maximaledichtheid.De dichtheidvan de steenlaag in de test-put is na het verdichten op twee manie-ren bepaald:- Methode ADe massa van de stenen die in de test-put werden aangebracht was bekend.Door met behulp van zakbakens dezettingen van de ondergrond vast testellen en de bovenkant van de steen-laag voor en na het verdichten op temeten, kon een indruk van de gemid-delde dichtheid worden verkregen.- MethodeBEen (aangepaste) meetmethode uit deBritish Standard, de 'water replace-ment test' is toegepast om de uiteinde-lijke dichtheid te meten. Hiervoorwerd de put eerst leeggepompt, waar-na verspreid over het oppervlak 10dichtheidstesten werden uitgevoerd.Voor de proeven op de 2,0 en 4,0 mdikke laag is het steenbed voorzichtigafgegraven enzijnop elke 0,5 m diepte10 testen uitgevoerd. Hierdoor konhet verloop Van de dichtheid over dediepte worden bepaald.De variabelen tijdens de proeven warende afmetingen van de trilplaat (16 of25m2), de frequentie (circa 16 tot 21 Hz) ende tijdsduutvan de verdichting. De ver-wachting was dat de 0,70 m dikke laagmet de 25 m2plaat, hoge frequentie en10een tijdsduur van 1 tot 3 minuten ver-dicht zou kunnen worden. Voor de dik-kere lagen is op basis van eerdere erva-ringen gekozenvoor een verdichting intwee fasen.De eerste fase (initi?leverdichting) werduitgevoerd met de 25 m2plaat en eentijdsduurvan 1tot 3minuten, de tweedefase (hoofdverdichting) met de 16 m2plaat en een tijdsduur van 2 tot 4 minu-ten.In eerste instantie zijn beide fasen meteenzo hoog mogelijke frequentie uitge-voerd. De frequentie van de initi?le faseis gedurende de proeven aangepast.TestresultatenDe testresultaten zijn weergegeven intabelt Bij de testen op de 0,70 m dikkelaag is ook de dichtheid bepaald van deonverdichte laag (test l.3A). De dicht-heid was minder dan 93%, dus verdich-ting was noodzakelijk.De eerste test op een laagvan 2,0 m dikteliet een duidelijk sandwich-effect zien(fig. 4). De top en de onderste laag warenvoldoende verdicht, maar op ongeveer0,5 tot 1,0 m onder de top was de ver-dichting onvoldoende. Om dit effect teverminderen is besloten de twee fasenvan de verdichting van de dikkere lagenmetverschillende frequenties uit tevoe-ren. De initi?le verdichting met een fre-quentie van 16 Hz en de hoofdverdich-ting met een frequentie van 20,5 Hz.Hierdoor is het sandwich-effect afge-nomen, hetis echternietgeheelverdwe-nen.it de resultaten blijkt dat de in de prak-tijk gerealiseerde verdichting vaak ho-ger is dan de maximale dichtheid dievolgens de ASTM-norm is bepaald.Als resultaat van de proeven zijn de intabel 2 opgenomen eisen voor het ver-dichten van de funderingen in de GroteBelt vastgesteld.Uitvoering verdichtingenNaar aanleidingvan de ervaringenbij deOosterschelde is een soortgelijke tril-plaat ontworpen (fig. 5). De dynamischeplaat heeft een basisafmeting van 4 x 4m2en is uit te bouwen tot 5x 5 m2, af-hankelijk van de toe te voeren energieper m2? De totale massa van dit deel, in-clusief de vibrator, is 26 respectievelijk30 ton. Het statische frame heeft eenmassa van ongeveer 46 ton.Voor de vibrator is een Dieseko 105Mgekozen. In de oorspronkelijke uitvoe-ring heeft deze twee hydromotoren. Naenige aanloopstoringen is dit gewijzigdin een aandrijving van vier hydromoto-ren rechtstreeks op de assen, waarna deunit probleemloos heeft gewerkt. Omeen ongestoorde produktie te kunnengaranderen zijn eenvibrator en hydrau-lisch powerpack als reserve op het werkaanwezig.Met de verdichter wordt gewerkt vanafhet kraanponton 'Marlin', met afmetin-gen van 23 x 60 m2en uitgerust met een278 tons Ringerkraan (fig. 6, foto 7). DeMarlin ligt afgemeerd aan een zespuntsankersysteem. Het ankerplan wordtdusdanig opgesteld, dat per funderingCement 1993 nr. 10De verd?chter ?s met de nod?ge sensorenu?tgerust. Er zijn twee ?ncl?nometersaangebracht om de scheefstand te bepa-len eneend?eptesensor omde kraanma-cmn?st te ?nformeren over de d?eptewaarop de verd?chter z?ch bev?ndt. Te-vens regelt deze d?eptesensor de lucht-druk ?n het carter van de v?brator. Om?ndring?ng van water ?n het carter tevoorkomen, ?s de druk in het carter al-tijd een halve bar hoger dan de water-druk.slechts ??n ankerpos?tie nod?g?s. Als deMarl?n eenmaal op een bepaalde pos?tiel?gt, kunnen metde kraan 15 tot 24pos?~ties voor de verd?chter worden bestre-kel?-' Vooriedere funder?ng wordt van tevoren de volgorde voor het verd?chtenvastgelegd.32,82,6DmaxIIIIr96% van2 2,2 2,4(t/ml )- 0,4- 0,8- 1,0-1,2-1,4- 1,6 ;----r--,.--,r--r-...--.---r'--r-,...--r--,r-.....~....--.-_r_~1,4 1,6 1,8~ dichtheidot:1l'"-E -0,2cu~lil....e'"~ -0,6g!o.1:l~-+-=4 Resultaten verdichtingsprQef2.1I...,- 5 00"Io.\Op hetdynam?sche gedeelte van de ver-d?chter zijn twee versnell?ngsmetersaangebracht. Een computersysteem be-rekent u?t de versnell?ngen de frequen~tie en de ampl?tude van de verd?chter.Per locatie worden alle gegevens vastge-legd en bewaard op tapes. Ook wordenper locatie de belangrijkste gegevensuitgepr?nt: locatienummer,datum, tijd-stip, verd?chtingstijd, frequentie, ampl?-tude en hoekverdraa?ngen van de ver-d?chter voor en na verd?chting.Deze gegevens, tezamenmetd?evanhetsurvey-systeem, vormen de documen-tatie van het verd?chtingsproces waaropde performance-controle ?s gebaseerd.Survey-systeemVoor de plaatsbepal?ng van de verd?ch-ter ?s een onderwater-meetsysteem op-gezet, gebaseerd op het zogenaamdeLong Basel?ne princ?pe. Om de funde-ring wordt een matrix van 6 tot 8 rad?o~bakens geplaatst. De pos?tie van de ma-trix?nhetco?rd?natenstelselwordtvan~af een boot, voorz?en van een opper-vlakte-plaatsbepal?ngssysteem, ?nge-meten. Op de verd?chter staan twee (+een reserve) rad?o-ontvangers. Doorcontinu de afstand van de ontvangersten opz?chte van ten m?nste drie bakenste bepalen, kan de pos?tie en de ori?nta-tie van de verd?chter worden berekend.De pos?tie van de matrix ten opz?chtevan het co?rd?natensysteem kan meteen nauwkeurighe?d van ? 0,50 m wor-den bepaald, d?e van de verd?chter b?n-nen de matrix met een nauwkeurighe?dvan 0,10 m.5 Verdichter?1 I... 4000 ..I ?1 De overlap tussen twee pos?ties van de... 5000 ?? verdichter ?s 0kPo,50hmdvastgesteld'IDke1-----------------------------------1 meet-onnauw eur?g e? ?s name ij0,10 m, de kraanmacmn?st heeft eenplaats?ngstolerantievan 0,20 m en u?t deCement 1993 nr. 10 11I_B_R_U_G_G~ENB~~~O_UW__~_~ ~~~ ~_IFUNDERINGEN"009h""" '0oomprn"'jrhijsbalkslangbundeljsdradentesten is gebleken dat de verdichter tij-dens het verdichten maximaal 0,20 mverloopt.Het survey-systeem is een gevoelig on-derdeel in het produktieproces. Hetplaatsen van de matrix van radiobakenswordt met behulp van duikers uitge-voerd. In verband met de optredendestroomsnelheden in de Grote Belt zijnduikwerkzaarnheden slechts in 50% vande beschikbare tijd mogelijk.De radiobakens dienen zeer nauwkeu-rig te worden gepositioneerd, opdat deverdichter op iedere positie 'vrij zicht-veld' heeft naar de bakens. Voorts moetelke 6 uur het zoutgehalte van hetwaterworden bepaald omdat d?t nogal vari-eert, hetgeen de voortplantingssnelheidvan het geluid be?nvloedt.In de Grote Beltzijn vaak een onderlaagvan zout Water en een bovenlaag vanzoet water aanwezig, met een relatiefscherpe scheidingslijn tussen de twee la-gen. Indien deze scheiding zich op dehoogte van het survey-systeem bevindt,kunnen de metingen worden verstoord.6-7 Kraanponton Marlin :met verdichterfoto's: ir. O.A. de Bnijzer, HBW bv12ResultatenTijdens het opstarten van de produktiezijn enigeverbeteringen aanhet systeemuitgevoerd. Zo is de aandrijving van deverdichter verbeterd, de manier van op-slaan en verwerken van de gegevens ge-optimaliseerd en het survey~systeemverbeterd. De cyclustijd voor het posi-tioneren van de verdichter en het ver-dichtenvan een locatieis ongeveer8? 10minuten. De produktie wordt be?n-vloed door vertragingen als gevolg vanweersomstandigheden en onderhouds-werkzaamheden, alsmede door de be-nodigde tijd voor het positioneren encalibreren van de survey-matrix.DecombinatievankraanpontonMarlinmet de verdichter kan in het gebied vande Grote Belt tot windkracht 7 werken,afhankelijk van de windrichting. Door-dat in dit gebied de deining beperktblijft, zijn de bewegingen van de ver-dichter ten gevolge van de golven klein.De trilplaat en het statisch frame wor-den regelmatig op scheurvorming ge-controleerd. De verdichter is met mini-maal onderhoud in goede staat te hou-den.Cement 1993 nr. 10