Palen die zich gedragen

Hoe gedraagt een funderingspaal zich in de grond? Hoeveel funderingspalen zijn er nodig om een bepaald gewicht te dragen? En wat is het effect van de samenstelling van de grondlagen op het gedrag van de paal? Promovendus Kevin Duffy doet onderzoek naar het gedrag van funderingspalen in de Nederlandse bodem. Zijn doel? Niet alleen het veiligheidsniveau en de kwaliteit van de palen hoog te houden maar ook om een bijdrage te leveren aan het terugdringen van CO2-uitstoot die gepaard gaat met de productie en het transport van deze palen. Eerder vonden er praktijkproeven plaats bij het Havenbedrijf op de Tweede Maasvlakte (2019-2020) en bij Deltares (2020-2021). In het voorjaar van 2022 vond de derde praktijkproef plaats op TU Delft Campus, gesponsord door Rijkswaterstaat.

Veen, klei en zand

Bijna alle gebouwen in Nederland zijn gebouwd op paalfunderingen. Aan het oppervlakte bestaat de ondergrond voor een groot deel, met name in Noord- en Zuid-Holland, uit zachte klei- en veenlagen dat problemen, zoals verzakkingen, kan opleveren voor gebouwen en infrastructuur. Palen ‘omzeilen’ de slappe klei- of veenlaag door de belasting van het gebouw over te brengen naar een dieper gelegen en draagkrachtige zandlaag die tot 30 meter onder het maaiveld ligt. “Wij willen beter inzicht krijgen in het gedrag van deze palen, zodat wij de huidige ontwerpnorm verder kunnen ontwikkelen om duurzamer te kunnen ontwerpen”, legt Duffy uit. 

Schroefinjectiepalen 

In de praktijkproef op TU Delft Campus ligt de nadruk op schroefinjectiepalen. Schroefinjectiepalen  bestaan uit een stalen buis en een schroefvormige punt

Door middel van een schroefbeweging worden de buizen in de grond gebracht, terwijl een mengsel van cement en water wordt geïnjecteerd vanuit de punt. Deze injectie fungeert als smering/koeling bij de punt en vult tevens de holte rondom de buis. Na installatie wordt de buis gevuld met beton en kan de buis worden teruggetrokken of in de grond worden gehouden. 

Paalproeven worden uitgevoerd door het stapsgewijs plaatsen van gewicht op de paal, tot een proefbelasting die vergelijkbaar is met de verwachten belastingen in praktijk. Hiervoor wordt een groot frame met betonblokken erop gebruikt.

Een hydraulische vijzel, die tussen de paalkop en het frame is geplaatst, gebruikt dit gewicht als reactiekracht: de vijzel duwt omhoog tegen het frame en door zijn zware gewicht geeft het frame veel weerstand waardoor er een kracht wordt opgebouwd die wordt uitgeoefend op de paalkop.

Tijdens dit proces wordt de vervorming over de gehele lengte van de paal gemeten met behulp van glasvezelsensoren om een goed beeld te krijgen van de krachtsafdracht naar de omliggende grondlagen. Daarnaast meet Duffy de grootte van de belasting en de zakking van de paalkop met behulp van elektronische sensoren en waterpassen. “Het gedrag van de paal kan worden beïnvloedt door bijvoorbeeld de installatie van de paal, de samenstelling van de ondergrond en de eigenschappen van de grondlagen. Door middel van deze paalproeven probeer ik dit nauwkeurig in kaart te brengen. ” 

Uitdagende puzzel

Momenteel analyseert Duffy de resultaten van de paalproeven op de Tweede Maasvlakte, bij Deltares en die op TU Delft Campus. Daarnaast vinden er nog kleinschalige labtesten plaats die worden uitgevoerd door zijn collega Dirk de Lange in TU Delft en Deltares. Al deze testen hebben het doel om meer inzicht te verkrijgen in het gedrag van palen in zand. Met de nieuwe inzichten kan de Nederlandse paalontwerpnorm NEN 9997-1 worden aangescherpt en natuurlijk kan de internationale markt hier ook van profiteren.  Een aangescherpte ontwerpnorm voor funderingspalen kan een belangrijke bijdrage leveren aan het terugdringen van de CO2-uitstoot met behoud van her vereiste veiligheidsniveau. Duffy wil met de verzamelde data een geschikte ontwerpmethode ontwikkelen die natuurlijk veilig is en ook duurzaam is. “Want als de palen te groot zijn, moeten we meer geld uitgeven aan materiaal, bijvoorbeeld aan beton en staal. Daarmee verhogen we de hoeveelheid CO2-uitstoot (onder andere) door de uitstoot die nodig is om het beton en of staal te produceren en het te vervoeren. Maar het vinden van een balans tussen een veilig en een economisch design is een uitdagende puzzel.”