Geotechniek Fracture grouting in zand

factor van 1 à 2 wordt gehanteerd. De bentoniet
concentraties zijn niet altijd te herleiden
doordat vaste mengsels gebruikt worden,
waarvan de samenstelling fabrieksgeheim is.
Verwacht wordt dat de bentonietconcentratie
tussen de 3 tot 7 % ligt. Bij de opzet van de
proeven werd voor de injectiedruk die optreedt
tijdens fracture grouting een verhouding
‘injectiedruk / verticale spanning5’ verwacht
[De Pater, 2003]. Deze verhouding is echter
in de proevenseries van 2005 en 2006 niet
teruggevonden. In de proevenserie van 2008
was deze verhouding voor een aantal proeven
wel uit de resultaten te herleiden.
Laboratoriumonderzoek
Zoals al is aangegeven is in 2001 gestart met het
onderzoek naar fracture grouting in zand. Een
onderdeel van het onderzoek naar fracture grouting
zijn laboratoriumproeven. Vanaf 2005 is er
een aantal laboratoriumproeven uitgevoerd
waarbij er gekeken is naar de grout samenstelling,
verschil in type materiaal (grout of polymeer),
verschil in drukken, variatie in grondeigenschappen
en invloed van de installatie van
de TAM. In dit artikel zijn alleen de proevenseries
2005, 2006 en 2008 besproken welke zijn
uitgevoerd bij Deltares. De proeven uitgevoerd
aan de Universiteit van Cambridge worden buiten
beschouwing gelaten. Deze leveren overigens
vergelijkbare resultaten [Gafar et al., 2008].
De opstelling voor de uitvoering van de proeven
bestaat uit een cel bestaande uit 4 stalen ringen
Grout
reservoir
Plunjer
pomp
36 GEOtechniek – april 2009
Luchtdruk
10-100 kPa
240
450
27
390
Buret
Water
niveau
Water kamer
PVC plaat
2 filters
Rubber band
900
met een diameter van 90 cm en een totale hoogte
van 1,08 m. De cel is gevuld met zand (h=0,84 m)
dat verdicht wordt tot een relatieve dichtheid
van ca. 65%. In het midden van het zandpakket
is een stalen pijp gepositioneerd die fungeert als
TAM. De diameter van de pijp is kleiner dan de
werkelijke diameter (0,027 in plaats van 0,063
m). De spanningen zijn vergelijkbaar met de
werkelijke spanningen (100 kPa).
Op het zandpakket wordt een pvc-plaat
geplaatst waarboven zich een waterkamer
bevindt. Om de plaat worden rubberen ringen
aangebracht, zodat de verbinding tussen de
waterkamer en het zandpakket waterdicht is.
De waterkamer boven de plaat wordt onder een
druk van 100 kPa gezet, om de grondspanningen
op ongeveer 10 m diepte te realiseren. De druk
in deze waterkamer wordt gereguleerd via
luchtdruk die aan de bovenkant van een buret
wordt aangebracht. De buret zorgt ervoor dat
de waterkamer altijd geheel onderwater staat.
Door de waterhoogte in de buret te meten met
een verschildrukopnemer zijn volumeveranderingen
in de waterkamer en dus in het zandpakket
te meten.
Aan de onderkant van de opstelling en in de pvcplaat
zitten drainagesleuven onder zanddichte
geotextielen welke verbonden zijn met een
waterburet die boven op het deksel is geplaatst.
Het drainage water wordt met behulp van een
drukopnemer gemeten.
Aan de zijkant van de cel hangt de pomp die het
grout in de injectiepijp injecteert.
Drainage buret
Water niveau
PPT
Figuur 5
Opstelling
proevenserie
2005 en 2006
(maten in mm).
[Sanders, 2007]
In het zandpakket wordt op 4 verschillende
plaatsen de waterspanning gemeten en op 1
plaats de horizontale en verticale spanning.
In figuur 5 is een dwarsdoorsnede van de opstelling
afgebeeld. De opstelling is voor de proevenserie
in 2008 gewijzigd. Hierop zal later dit
artikel worden ingegaan.
Naast het simuleren van een diepte werd de
waterkamer in de proevenseries van 2005
[Kleinlugtenbelt, 2005] en 2006 [Sanders, 2007]
tevens gebruikt om een voorspanning van de
ondergrond te simuleren. Om de pre-conditioning
fase te simuleren is in 2005 en 2006 de
waterkamer onder extra druk van 300 kPa
gebracht en vlak voor de injectie is die druk
teruggebracht naar 100 kPa. Voor de proevenserie
van 2008 is besloten de invloed van de
TAM installatie te simuleren door de opstelling
rondom de injectiepijp aan te passen.
De proeven zijn uitgevoerd met grout mengsels
variërend met een water cement factor van 1 tot
100 en bentoniet concentraties van 5, 6,2 of 7
%. Daarnaast is er in de serie van 2006 een
injectie uitgevoerd met cross-linked gel, een
injectiemateriaal dat wordt toegepast voor
hydraulic fracturing in de olie-industrie.
Laboratoriumresultaten tot nu
Fracturing bleek in de proeven lastiger te realiseren
dan in de praktijk beweerd wordt. De gebruikelijke
mengsels voor fracture grouting, bleken
onregelmatig gevormde groutlichamen te geven,
maar deze waren toch nauwelijks te duiden als
fractures. Bij een hogere water-cement factor
(meer dan 2) leek het resultaat meer op scheurvorming.
Vanaf een w/c-factor van 20 trad veel
leak off op (het mengsel wordt tijdens de injectie
in de poriën geperst), waardoor er weinig
materiaal resteerde voor de vulling van de
fractures.
Daarnaast waren de injectiedrukken erg hoog.
Volgens de theorie van De Pater (2003) zou
in de proefopstelling fracturing optreden bij
injectiedrukken van ongeveer 5 bar. In de proeven
zijn injectiedrukken tot 29 bar gevonden.
In tabel 1 zijn enkele resultaten van de proevenserie
2005 en 2006 weergegeven. Test 1 is uitgevoerd
in de proevenserie van 2005 en test 2 t/m
6 in proevenserie 2006. Het toegepaste bentoniet
is in alle proeven geactiveerd-calcium bentoniet
en het cement is Portland cement (CEM I).
De injectiesnelheid bedroeg voor alle proeven 10
l/min. Naast de onderstaande gegevens zijn er
proeven uitgevoerd met vliegas en silica flour als
vervangers voor cement. Voor deze resultaten en
achtergrondinformatie over de eigenschappen