Geoteknikerdag 29. maj 2015

Strømninger i geoteknikken 1969 - 2015

ved

Frands Haahr(22 57 29 44)

Axeltorv 2 (2013)

Kontrolberegning GeoSlope 2012

Geoteknikerdagen 2013

Strandvejen 59 - 2013

1Frands Haahr ApS

Strømninger i geoteknikken 1969 - 2015

Hvorfor har tiden eroderet vigtig viden bort og erstattet den med højepartialkoefficienter og konservative beregningsmetoder og –tilnærmelser?

I perioden 1906 – 1969 var Danmark i front vedr. design/optimering afstøttekonstruktioner.

I 1906 opfandt R. Christiani en empirisk beregningsmetode for optimering af kajkonstruktioner (“C&N-wharf”) – spunsvægge af armeretbeton, der gik sin sejrsgang i Danmark og Nordeuropa og senere over hele verden.

1923 – 1940’erne var det “The Danish Rules” – “aflastningsparablen”, enmodificering af “C&N-wharf”, der blev opdateret i 1937 og i 1952.

1940 – 1969 var det “Earth Pressure Calculation” af Jørgen BrinchHansen (teknisk doktorafhandling udgives i 1953) som var den nyeberegningsmetode for støttekonstruktioner.

2Frands Haahr ApS

Den geotekniske arv i 1969

J.B. Hansen (1961): The ultimate resistance of rigid piles against transversal forces (Bulletin No. 12)

N.K. Ovesen (1964): Anchor slabs, calculation methods and model tests

DS415:1965: Spidsbæreevnen af stålprofiler kan bestemmes ved den effektive bredde B´ = 0,8 H (empirisk formel)

I 1965 udgiver Bent Hansen sin tekniske doktorafhandling: “A Theory of Plasticity for Ideal Frictionless Materials”

N.H. Christensen (1967): “Rigid pipes in symmetrical and unsymmetrical trenches” (Bulletin No. 24)

J.B. Hansen (1968): A revised and Extended Formula for Bearing Capacity (Bulletin No. 28)

3Frands Haahr ApS

Den geotekniske arv i 1969

H.M. Jacobsen (1970): “Strength and deformation properties for preconsolidatedmoraine clay”, DGI Bulletin 27.

N. Bønding (1968): “Fundamenter på ler med voksende forskydningstyrke”

N. Bønding (1969): Fundamenter på ler med variabel forskydningsstyrke (I.M. 1969-5)

O. Steen (1969): “Bæreevne af excentrisk belastede fundamenter” (I.M. 1969-1)

J. Poulsen (1969): “Squeezing under skråt og excentrisk belastedestribefundamenter på ler” (I.M. 1969-4)

J.S. Steenfelt (1969): “ Bæreevne af stribefundamenter med tvungen lodretbevægelser” (I.M. 1969-2)

J.B. Hansen dør I 1969, men forskningen og udviklingen på GI fortsætter I de kommende år.

4Frands Haahr ApS

Den geotekniske arv vokser efter 1969

N. H. Christensen (1972): “Ekofisk Olietank. Bæreevneberegning” (udrænet bæeevne for sand er kritisk) udført for Norges Geotekniske Institut (GI-sag K72327)

H.M. Jacobsen (1975): “Nogle danske moræneleres styrke- ogdeformationsegenskaber” (NGM75)

N.K. Ovesen (1975): “Optrækningsmodstanden af cirkulæreankerplader I sand” (NGM75)

N. Foged (1975): “Kvikler på Sydgrønland” (NGM75) (cv = cu –MCUu=0, ϕϕϕϕ’ = 30 - 35°°°° og c’ = 5 – 36 kPa)

5Frands Haahr ApS

Moust Jacobsen (1970)

Empiriske formler for styrkeparametre

φ’a ≈≈≈≈ 35,3° - 9°⋅⋅⋅⋅ ek

c’a ≈≈≈≈ 430⋅⋅⋅⋅exp(-7,3⋅⋅⋅⋅ek)

cu ≈≈≈≈ 10⋅⋅⋅⋅exp(0,77⋅⋅⋅⋅(ek)-1,2) [kPa]

(konservative skøn)

Triaksial- eller pladebelastningsforsøg kan givehøjere styrkeegenskaber

6Frands Haahr ApS

Moust Jacobsen (1975)

7Frands Haahr ApS

ϕ’ = 36° ⇒ c’ = 0,1 cu

Den geotekniske arv vokser efter 1969

Moust Jakobsens evner til at opstille empiriske formler for morænelerblev rost af Bent Hansen og Knud Mortensen ved NGM75 med ønsketom at andre ville opstille tilsvarende formler for andre jordarter.

Resultater af denne opfordring:

1) Børge Knudsen (1987) (T. H. Wu (1958), T. C. Kenney (1959))

Peakværdi (små tøjninger) for ”ler” med 5% ≤≤≤≤ Ip ≤≤≤≤ 100 %:

φ’ ≈≈≈≈ 45 - 10 log10 (Ip/1,0%)

Residualværdi (store tøjninger):

φ’ ≈≈≈≈ 45 - 15 log10 (Ip/1,0%)

8Frands Haahr ApS

Resultater fortsat

2) GEO (19xx): c’ = f(Ip) for plastisk ler

3) GEO (1989) Storebælt - SHANSEP

4) GEO (1994) fra Øresund - Copenhagen Limestone

5) GEO (1995) Metro – Kgs. Nytorv

6) O. v. Steensen-Bach, Grontmij (2013): Ip = f(w) for gytje og normalt-konsolideret ler (stor ros for dette arbejde)

⇒ ϕϕϕϕ’ = g(Ip)

⇒ c’ = h(Ip) ?

9Frands Haahr ApS

Benspænd fra DGF’s Normkomite

A) Ved indførelse af DS415:1977 blev det forbudt at anvende c’ på aktivsiden ved dimensionering af støtte-konstruktioner (argumentationen mangler i DGF’s vidensdatabase)

B) I DS415:1984 indføres høj sikkerhedsklasse (≈≈≈≈ KFI = 1,1), men med hvilken begrundelse (hyppige designfejl)?

C) I 2007-2009 indfører DGF’s normkomite en forhøjelse af partialkoefficienten på den udrænede forskydningsstyrke for jordtryk og stabilitet, γγγγcu til 1,8 fra den tidligere værdi på γγγγcu = 1,5. Dog uden nogen form for konsekvensberegninger og med katastrofale resultater til følge, især ved dimensionering af baneskråninger og havnekonstruktioner (overdimensionering i særtilfælde fra 400 – 600% for en forøgelse på 20% af γγγγcu – hvilket er meget overraskende). Havde JBH gennemskuet dette i 1965 (DS415:1965)?

10Frands Haahr ApS

Benspænd fra DGF’s Normkomite

Ved NGM2012 (maj 2012) forsøger en gruppe ingeniører at bevise, atman ved brug af probabilistiske beregninger med cirkulærebrudfigurer kan nedsætte partialkoefficienten, γγγγcu = 1,8 (som hævet i2009 af DGF’s Normkomite) til den tidligere værdi på γγγγcu = 1,5.

Problemet er blot, at man overvurderer stabilitetsforholdet med enfaktor 1,2 á 1,8 ved ikke at anvende de kritiske ikke-cirkulærebrudfigurer for dæmninger på blød bund og stærkt varierendejordbundforhold. Derfor nedsætter DGF’s normkomite et cu-udvalg iefteråret 2012 for at vurdere mulighederne for en nedsættelse af γγγγcu forjordtryk og stabilitet. Begrundelsen for dette udvalg er, at fleremedlemmer af DGF (inklusiv formanden for DGF’s normkomite, dervar ansvarlig for forhøjelsen af γγγγcu i 2009) nu har opdaget, atsikkerhedsniveauet er alt for højt, jf. Indlæg i Ingeniøren 2012-09-21.

Fejl af denne karakter skal rettes af de personer, som har skabt dem.

11Frands Haahr ApS

Benspænd fra DGF’s Normkomite

Ved høringskommentarerne til DS/EN 1997-1DK NA:2012, der blev afleveret i november2012, fremkom der stærk kritik af den højepartialkoefficient, γγγγcu = 1,8 (for jordtryk ogstabilitet) fra adskillige medlemmer af DGF.

Normkomiteen afviste al kritik, på trods af, atman ved indlæg i Ingeniøren 2012-09-21indrømmer, den alt for høje partialkoefficient.

12Frands Haahr ApS

Nedbrydningen af den geotekniske arv

Ved NGM2012 og Geoteknikerdagen 2013 præsenteresartiklen: Strength Models for Clay Till based on Triaxial Testing,

K. M. Iversen, VIA University College and C. S. Sørensen, COWI.

med en formel for fastsættelse af c’ som virker nogetovervurderet, c’ = k cu, hvor k bestemmes som :

I samme artikel konkluderes

Hvad skal jeg som bruger

anvende?

13Frands Haahr ApS

Nedbrydningen af den geotekniske arv

14Frands Haahr ApS

Nedbrydningen af den ‘geotekniske arv’

Partialkoefficienternes himmelflugt for design af banedæmninger (1998 – 2012)

COWI har ‘vist’ ved dæmningsanalyser for Nordvestbanen, at merudgifterneved brug af γγγγcu = 1,8 bliver af størrelsesorden (50–) 100 mill kr., jf. artikel iIngeniøren 2012-09-21. Men ved hjælp af probabilistiske beregninger, og brug afefterfølgende stabilitetsanalyser med SLOPE (dog kun cirkulære brudfigurer)og avancerede laboratorieforsøg, da kan man spare disse merudgifter. Hvisdette er tilfældet, burde man trække den forhøjede partialkoefficient tilbage, istedet for at påføre bygherren unødvendige udgifter til nytteløse probabilistiskeberegninger.

15Frands Haahr ApS

Nedbrydningen af den ‘geotekniske arv’

Udviklingen over tid – men hvorfor er det muligt at anvende γγγγcu = 1,25ved dimensionering af offshore vindmøllefundamenter ?

16Frands Haahr ApS

Den “nye” jordtryksteori (2011)?

Ved møde i DGF 2011-03-03 blev DGF’s medlemmer introduceret tilen ”ny jordtryksteori” af J. Phillipsen, Rambøll, i forbindelse meddesign af de midlertidige sekantpælevægge for Nordhavnsvejenstunnel.

Resultatet heraf blev præsenteret ved DGF-møde 2014-11-20, hvordeformationsmålinger viste 10 á 15 gange mindre værdier end deberegnede, altså en kraftig overdimensionering.

Det dobbelte antal jordankre og større armeringsmængder endnødvendigt, hvis EPC-teorien var anvendt.

Skyldes denne fejldimensionering manglende kendskab til JBH’sEPC-teori? Denne har været uovertruffen i mere end 70 år i DK ogWorld Wide, se foredrag af J.S. Steenfelt (1988) til konference iBrisbane, Australien eller Steenfelt, J.S. og Haahr, F. (1993): "Impactof safety factors in design of retaining structures". InternationalSymposium on Limit State Design (ISLSD 93), København, Maj 1993,Vol.1, Session 4.

17Frands Haahr ApS

Optimerede brudfigurer• På Geoteknikerdagen 2013 blev der fremsat anbefalinger om kun af

benytte cirkulære brudfigurer ved stabilitetsundersøgelser af skråninger(M. Lodahl, K. Brødbæk, COWI og R. Christensen, Rambøll: ”Optimeredebrudfigurer i stabilitetsberegninger”).

• Dette blev afvist af Frands Haahr, ved eksempel fra Polen (1989), hvor etfuldskalaforsøg netop afviste udvikling af cirkulære brudfigurer.

• GeoSlope kom ikke med éntydige svar herpå (COWI og Grontmij): Dog envigtig konklusion, at dersom geometrien, belastningen og jordensstyrkeparametre er givet, så må man leve med de ikke-cirkulærebrudfigurer, der er resultatet af en optimeret analyse, hvilket senere erdokumenteret ved adskillige PLAXIS-beregninger.

18Frands Haahr ApS

Optimerede brudfigurer• Brud i skråning ved Lagmannsholmen, Kristiansand Havn 2008. En

antaget forkert cirkulær brudfigur vil resultere i 57% større sikkerhed enden optimeret (korrekt) brudfigur.

• Se også erfaringer fra Storebælt – dæmningen ved Svanedammen i 1989,hvor de udviklede brudfigurer langt fra var cirkulære, men havde ennærmest retlinjet form (DGF-bulletin 18, Kapitlet om Gytje)

• Opponenterne Torben Thorsen, GEO og Jens-Erik Jepsen, Rambøllkritiserer forfatterne (K.T. Brødbæk, M.R. Lodahl og C.S. Sørensen, COWIog R. Christensen, Rambøll) til Funderingshåndbogens kapitel 11:”Totalstabilitet” (DGF-møde 2013-11-2) for at fraråde brugen af

optimerede brudfigurer. Anbefalingen med generelt at fraråde brugen af

”optimerede” brudfigurer må og skal ud af artiklen

• Morten Larsen, Niras (DGF-møde 2015-03-19) viste også, at de optimeredebrudfigurer er realistiske (kontrolleret med FEM-beregninger – PLAXIS).

19Frands Haahr ApS

Optimerede brudfigurer

• Hvorfor skal vi øvrige medlemmer bruge vordyrekøbte fritid til at tilbagevise de varmlufts-postulater der fremsættes af fremtrædendemedlemmer af DGF?

• Hvis man satte sig ind i det geotekniske emne, manønsker at belemre andre medlemmer i DGF med, børman som minimum inddrage sin geotekniske historieeller være bekendt med den geotekniske arv (dvs.andre forskeres erfaringer og resultater)

• ”Forskere” skriver for meget og læser for lidt, seClaus Holm’s kommentar i Berlingske, 2012-10-08.

20Frands Haahr ApS

Fundamentsforstærkning af den gamle Lillebæltsbro

Ved DGF-møde 2014-06-12 blev en undrende forsamling af geoteknikerepræsenteret for analyser af sikkerheden for de 79 år gamle fundamenter for de 4bropiller for den gamle Lillebæltsbro.

En ‘ekspertgruppe’ havde anbefalet Banedanmark at forstærke de 4fundamenter, da ekspertgruppen havde fundet dette nødvendigt som baggrundaf de udførte laboratorieforsøg og geotekniske analyser.

Det kan undre, at Professor Anker Engelund i 1925, da dimensioneringenbegyndte, ikke havde kendskab til forskydningstøjninger, som påstået af en afforedragsholderne, når nu bropillerne i store træk har opnået de konsoliderings-samt sekundære deformationer (tøjninger) som beregnet i 1925.

Hvor har ”ekspertgruppen” fejlet?

Var der behov for den 125 mill. kr dyre forstærkning?

21Frands Haahr ApS

Fundamentsforstærkning af den gamle Lillebæltsbro

Broens fundamenter er langt fra i en brudtilstand, idet de registrerededeformationer skyldes primære- henholdsvis sekundærekonsolideringstøjninger der medfører styrketilvækst (ellers skal vorelærebøger skrives om) og ikke styrkereduktion som påstået af”ekspertgruppen”.

Antagelsen om ϕϕϕϕ’ = 15°°°° og c’ = 4,5 kPa (residualværdier er forkert), idetdette svarer til en fri skråning udsat for forskydningstøjninger over langtid. Tilbageregning er således en umulighed.

De virkelige styrkeparametre er nærmere: ϕϕϕϕ’ = 18,5-20°°°° og c’ = 20-35 kPa(pladebelastningsforsøg og laboratorieforsøg, se DGF-Bulletin16_Palæogent ler), dvs. at sikkerheden er langt over 2,0, for γγγγc’ = γγγγϕϕϕϕ’ = 1,2,hvorfor forstærkningen er spild af skattetborgernes penge. 125 mill. krer hældt i Lillebælt, som følge af helt uacceptabelt manglende indsigt ibasale geotekniske tolkninger og efterfølgende beregninger.

22Frands Haahr ApS

Krav om innovationer

23Frands Haahr ApS

JP 2012-06-29

Krav om innovationer

DONG Energy – Møde i DGF 2014-04-01

Goldman Sachs ønsker en større forrentning af sin investering i DONG Energy,hvorfor geoteknikerne skal finde besparelser i design af fundamenter tilOffshore Wind Turbines (monopæle og GBS-fundamenter) – Tove Feld i sinåbningstale.

Lone Krogh – bedre bestemmelse af den relative lejringstæthed og dermed enmere korrekt friktionsvinkel (højere værdi).

Banedanmark (Vamdrup-Vojens):

Dæmningsprofilerne er efter 2009 blevet alt for store (a = 2 – 3) sammenholdtmed designet udført før 2004 (a = 1,5).

(årsagen hertil skyldes et urimelig højt sikkerhedsniveau, dvs. indførelse af αααα =1,33, KFI = 1,1 og γγγγcu = 1,8)

24Frands Haahr ApS

Innovationer – 1990 til dato

• Bæreevnebestemmelse af fundamenter på lagdelt jord ved brug af FEM(ABAQUS) – H. Denver og F. Haahr, ISLSD (1993). Statistik er ikke anvendeligved fastlæggelse af en vægtet middelværdi af cu.

• Beregning af deformationer i forbindelse med en prøvebelastning af en jack-up rig EXPLORER på KRAKA-feltet i 1998 var et overraskende godt resultat afca. 6 års modelleringsarbejde på Geoteknisk Institut (1992-1998) medgennemlokningsanalyser af store fundamenter (borerigge).

• Dette er siden fulgt op af GEO, se fx L. Kellezi & G. Kudsk (2011).

• Brug af den effektive kohæsion for morænesand, c’ ≥ 0,05 cu (ChristianhavnsBoliger, 1999 – Carl Bro og Skanska) for optimering af fundamentsdesign.Introduceret ved ren ‘Engineering judgement’, men senere dokumenteret veden ihærdig indsamling af triaksialforsøgsresultater i årerne 1995 – 2015, jf.DGF-Bulletin 18.

25Frands Haahr ApS

Innovationer – 1990 til dato

• Genindførelse af den effektive kohæsion, c’ på aktivsiden ved dimensionering afstøttekonstruktioner (18 – 34 års karantæne): Kastrup P-hus (1995-1998),Solbjerg Station, Mini Metro (1999-2001), Nordhavnsvejens tunnel (2011-2017),Axeltorv 2 (2012-2015), Kanalvej Lyngby, Etape I - Microsoft (2013)

Nordhavnsvejen – sekantpælevægge

Resultat af den ”nye jordtryksteori”

- 5 - 6 ankerlag

- betonstræk (1x1,2 m) og ankre i hver anden pæl

- de beregnede deformationer er 10 – 15 x de målte

Entreprenørens (Züblin) optimering med EPC

- 3 ankerlag

- betonstræk fjernet og ankre i de uarmerede pæle

- de beregnede deformationer er af samme størrelsesorden som de målte

• Udførelse af korrekt design med dertil hørende deformationsberegninger forstøttekonstruktioner og nabobygninger, som er i overensstemmelse med demålte værdier: Karlsruhe (1993), Torvebyen (2010), Nordhavnsvejen (2011-2014),Microsoft (2013).

26Frands Haahr ApS

Innovationer – 1990 til dato• Opstilling af optimerede effektive styrkeparametre for kalk ved hjælp af de

”primitive metoder” som SPT-forsøg og M. Tomlinson (2005): Buxton (2001),Libyen (2005), Baltic 2 (2010) (LCPT-metoden – skrivekridt).

SPT-forsøg kan med fordel erstattes af pladebelastningsforsøg, hvis en superoptimering af bæreevnen ønskes (her 8,8% forøgelse i relation til SPT-forsøg).

Ingen anvendelse af statistik ved tolkning af SPT-forsøg

27Frands Haahr ApS

Regningsmæssige bæreevner for fundamenter i kalk (AUCC, Libyen – 2005)

q1d (kPa) 1,00 X Bygherrens rådgiver (Professor NN, Cairo University): SPT-forsøg - ULS

q2d (kPa) 2,14 X Totalentreprenørens rådgiver – Carl Bro (FRH): SPT-forsøg - ULS

q3d (kPa) 2,33 X Totalentreprenørens rådgiver – Carl Bro (OSB): 23 pladebelastningsforsøg i

2,4 henholdsvis 4,0 meters dybde - ULS

q4d (kPa) 3,00 X Totalentreprenørens rådgiver – Carl Bro (OSB): 23 pladebelastningsforsøg i

2,4 henholdsvis 4,0 meters dybde (Jordskælvsdesign)

Innovationer – 1990 til dato

Opstilling af effektive styrkeparametre for kalksten (bjergartsmekanik), som harrevolutioneret de meget konservative parametre fra 1995 (Kgs. Nytorv – MetroPhase 1): Kvæsthusmolen (2013), Axeltorv 2 (2013), Nordhavnsvejen – TKA (2014),TP40 (2015)

Axeltorv 2 (2013) optimering af bæreevnen af

søjlefundamenter – ingen udgravning under

bundplade (t = 0,9 m)?

Hoek-Brown brudkriterie:

Core drilling, RMR89-classifikation, intact

rock mass parameter (mi), unconfined com-

pressive strength (quc), geological strength

index (GSI), disturbance factor (D) and

horizontal effective stress (σσσσ’3) in failure zone

28Frands Haahr ApS

Innovationer – 1990 til dato

Axeltorv 2 (2013) optimering af bæreevnen af søjlefundamenter – ingenudgravning under bundplade (t = 0,9 m)?

σσσσ’Ed = 2956 kPa for fundament G.06

GEO’s Rapport 1 (2011-02-09):

København kalk H2-H4 ϕϕϕϕ’ = 40-45°°°° og c’ = 50-100 kPa

q’Rd-1 = c’d Nc Sc ≈≈≈≈ 1000 á 1660 kPa ⇒⇒⇒⇒ q’-bidrag er nødvendigt

Tolkning af styrkeparametre ved brug af bjergartsmekanik (E. Hoeckog E.T. Brown, 1988): ϕϕϕϕ’ = 39°°°° og c’ = 286 kPa

q’Rd-2 = c’d Nc Sc ≈≈≈≈ 4760 kPa ⇒⇒⇒⇒ q’-bidrag er ikke nødvendigt, dvsbundpladen klarer trykspredningen (1:1).

Bæreevneforøgelse: q’Rd-2/q’Rd-1≥ 2,87 (mere end dobbelt op)

29Frands Haahr ApS

Er livet for kort til Geoteknik og Fundering?

Konklusion A

Ja, når man skal bruge sin fritid på at lede”dilettanterne” (se Claus Holms definition) ind påtroværdighedens smalle sti, som de ikke ønsker atbetræde.

På troværdighedens smalle sti, er der kun plads tilde, der værner om den geotekniske arv fra voreberømte geoteknikere, og som ikke vil finde sig i atblive frarøvet denne arv.

For mange artikler med for magert indhold.

30Frands Haahr ApS

Er livet for kort til Geoteknik og Fundering?

Konklusion B

• Nej (måske ikke), men det kræver, at flertallet af de‘slumrende geoteknikere’ vågner op til dåd og deltageraktivt i kampen om at genskabe et troværdigt geotekniskmiljø i DK/DGF.

• Tak til de få, som nu har skiftet side og som bakker opom kravene til realistiske partialkoefficienter oganvendelse af korrekte beregningsmetoder.

• Lad os håbe, at geoteknikken en dag i den nærmestefremtid igen kan blive et fag, hvor alle bestræber sig på atoptimere vore geotekniske konstruktioner som før 1969 -til glæde for erhvervslivet, kommunerne, Banedanmarkog Vejdirektoratet.

31Frands Haahr ApS

Tak for opmærksomheden

Frands Haahr ApS

Når der skal optimeres, thi her kan du som

bygherre/entreprenør få

‘det hele til det halve’

(det kræver dog som minimum en kompetent 3.partskontrollant/validator, og at

bygherrens rådgiver holder sig ‘langt’ væk)

32Frands Haahr ApS