‘Nieuwe bodems zijn onbekend terrein’

Hoogleraar geotechnologie prof.dr. Michael Hicks (Civiele techniek en Geowetenschappen) hield eind vorig jaar zijn intreerede ‘Soil mechanics in a changing world’. Over slappe bodems, nieuwe gronden en omgaan met onzekerheid.

Wie is Michael Hicks?
Geboren in 1961 in het Britse Middlesborough volgde Michael Anthony Hicks zijn universitaire opleiding in Engineering aan de universiteit van Manchester, waar hij regelmatig onderscheidingen ontving als beste student van zijn jaar. In 1990 promoveerde hij er op de numerieke modellering van drukbelasting van bodems. Hij had toen al een computerprogramma geschreven, Monica, dat zich in de praktijk bewezen had. Hij had er de fundering van een offshore gasplatform bij Australië mee doorgerekend en de stabiliteit van opgespoten eilanden in de Canadese Beaufortzee. In 2007 publiceerde hij het boek ‘Risk and variability in geotechnical engineering’. In 2009 kwam hij naar Delft als opvolger van prof.dr. Frans Molenkamp, die hij goed kende.

Wat trok u aan in Delft?
“De TU heeft een goede internationale reputatie en dat geldt in het bijzonder voor de grondmechanica.”

Wie hebben dat gebied zo beroemd gemaakt?
“Direct voor mij was dat Frans Molenkamp, zijn voorganger was Arnold Verruijt en daarvoor professor Josselin de Jong.”

Hebben ze hun succes mede te danken aan de slappe Nederlandse bodem?
“Ik denk het wel. Er zijn veel grondmechanische problemen geweest omdat Nederland een delta is met jonge, zachte gronden en dat geeft moeilijkheden bij de bouw. Verder moet je met slappe grond de zee tegenhouden en nieuwe gebieden zoals de Tweede Maasvlakte opspuiten. Er gebeurt heel veel in het deltagebied. Het kan geen toeval zijn dat Fugro als grootste geotechnische bedrijf hier vandaan komt, net als twee van de vier grootste baggerbedrijven en oliebedrijven.”

Hoe is bij u de fascinatie voor de bodem ontstaan?
“Ik denk dat het begonnen is aan de universiteit van Manchester waar ik college had van hoogleraar geotechnologie professor Peter Rowe, nog zo’n bekende bodemman en een charismatisch man. Hij heeft bij mij interesse gewekt, evenals zijn opvolger Ian Smith, die ook mijn promotor werd. Ik was erg geïnteresseerd in zijn numerieke aanpak.”

Draait dat allemaal om het berekenen van grondeigenschappen?
“In mijn geval wel. Ik houd me bezig met de modellering van grondeigenschappen in een computermodel. Ik ben een echte computerman, maar ik maak gebruik van data uit het veld en uit het laboratorium om de grondmodellen op te zetten en te evalueren.”

Hoe lang bestaat die numerieke grondmechanica al?
“Het is in de zestiger jaren begonnen met de eerste modellen. Men verdeelde de bodem als het ware in discrete blokken. Het gedrag daarvan werd berekend met een eindige elementen analyse. In het begin van de jaren tachtig heb ik meegewerkt aan de implementatie van complexe programma’s over grondgedrag. De uitkomst daarvan gebruikten we voor technische toepassingen. Nu kunnen we veel grotere vraagstukken aan. In de jaren tachtig rekenden we in twee dimensies aan misschien een paar honderd elementen. Nu gaat dat in drie dimensies met vijftien- of honderdduizend elementen.”

Is dat een kwestie van krachtigere computers?
“Het is een gevolg van snellere computers met parallelle processors. Daarnaast is in de laatste tien tot vijftien jaar een ontwikkeling gaande om de onzekerheid in de berekeningen te kwantificeren, en om na te gaan wat de consequenties ervan zijn.”

Kunt u een voorbeeld geven?
“De gevallen waarbij ik betrokken ben geweest, betroffen vaak opgespoten structuren. Ik heb gerekend aan de stabiliteit van kunstmatige eilanden voor de oliewinning. In de Noordelijke IJszee, die niet erg diep is, spuiten ze eilanden op om naar olie te zoeken. In dieper water beginnen ze ook vaak met een hoop zand onder water, waar dan een caisson bovenop geplaatst wordt. Zo’n ding meet honderd meter in het vierkant en is twintig meter hoog. Wij onderzochten de heterogeniteit van de opgespoten zandhoop. Fugro of Boskalis heeft de stabiliteit op verschillende plekken gemeten. Dat geeft een indruk van de spreiding. Wij gebruiken die meetgegevens om de variatie door de hele driedimensionale structuur te voorspellen.”

Waar kunnen die onderlinge verschillen in de bodem toe leiden?
“Tot verschillen in zettingen. Goede voorbeelden in Nederland zijn hobbelige wegen en scheefgezakte huizen. Wij proberen verschillen in de bodem te kwantificeren en ook het gevolg voor de geotechnische constructies die er gebouwd gaan worden. We willen onzekerheden daarin verkleinen door betere metingen en betere interpretaties daarvan. Naarmate we beter weten wat er in de grond zit kunnen we er beter op ontwerpen.”

Is het niet lastig rekenen met al die onzekerheden?
“Als je niet zeker bent van het materiaal en hoe het zich gedraagt kom je niet met één waarde maar met een waarschijnlijkheidsverdeling. We herhalen de berekeningen dan voor alle mogelijke waarden. Daarnaast houden we er rekening mee dat eigenschappen zich vaak in horizontale richting uitstrekken door de manier waarop de bodem is ontstaan. We hebben dus te maken met een ruimtelijke verdeling van de heterogeniteit en een waarschijnlijkheidsverdeling van de eigenschappen. Dat geeft een reeks van oplossingen in plaats van één antwoord. Ook al weten we niet precies hoe de constructie zich zal gaan gedragen, we hebben die reeks mogelijke oplossingen met bijbehorende waarschijnlijkheden. Voor een gegeven belasting kunnen we dan de kans berekenen dat de bodem het houdt.”

Is dat goed genoeg?
“Misschien niet, maar het is wel de werkelijkheid. Als je zegt: ‘de veiligheidsfactor is 1,3’, garandeert dat dat het constructie overeind blijft? Niet per se. Geef mij dan maar een waarschijnlijkheidsverdeling, dan weet je waar je aan toe bent.”

Is dat een vooruitgang bij hoe constructies twintig jaar geleden werden berekend?
“In het verleden was de benadering deterministisch. Ze namen bepaalde waarden aan, rekenden ermee en deden er dan een veiligheidsfactor overheen. Dat heeft goed gewerkt, maar dat komt vooral omdat het ervaren ingenieurs waren die ermee werkten. Maar de moderne samenleving heeft behoefte aan meer efficiënte en goedkopere ontwerpen en een expliciet gekwantificeerd risico. Een veiligheidsmarge zegt dan te weinig. Het kan zijn dat je het allemaal veel te groot en te zwaar maakt, maar dat weet je niet, omdat er geen maat is voor de onzekerheid in het ontwerp.”

Is het niet gevaarlijk om veiligheidsmarges te schrappen?
“Ik denk dat je dankzij deze ontwikkeling goedkoper kunt ontwerpen. Vroeger stortte er ook wel eens een constructie in. Het kan beide kanten op werken, maar ik blijf erbij dat de waarschijnlijkheidsverdeling informatiever is dan een enkele veiligheidmarge, omdat het de onzekerheden in het ontwerp onderkent. Uiteindelijk wil je natuurlijk die onnauwkeurigheden inperken en ik denk dat dat kan door laboratoriumproeven te doen, door de wiskundige modellen te verbeteren en door betere sonderingen. In de constructieleer en de waterbouw wordt de waarschijnlijkheidstheorie al twintig tot dertig jaar toegepast. In de geotechniek is het wel een stuk lastiger omdat de bodem een grote variabiliteit heeft. Toch denk ik dat waarschijnlijkheidstheorie de nieuwe richting is voor de civiele techniek.”

Hebt u zichzelf doelen gesteld voor de komende tijd?
“Ik denk dat het modelleren en beproeven van problematische slappe bodems een belangrijke bezigheid wordt. Ook wil ik onderzoek doen naar nieuwe gronden, dat is materiaal afkomstig uit industriële processen of afval. Momenteel zijn we bezig met modelleren en beproeven van bodem die afkomstig is uit de Britse kernindustrie.”

Wat voor materiaal komt daar vandaan?
“Metalen bekleding van afgewerkte nucleaire staven bijvoorbeeld, die in water gecorrodeerd is, vormt na verloop van tijd een soort modder. Uiteindelijk komt dat in een radioactieve eindberging terecht, maar in de tussentijd willen mensen wel weten hoe ze met dat spul om kunnen gaan.”

Is dat nog radioactief?
“Het materiaal waar wij mee werken is dat niet, maar het materiaal bij onze opdrachtgever heeft nog enige activiteit. Zulk materiaal is nieuwe bodem waar we nog weinig van weten. Een ander voorbeeld is mijnafval, zoals de bekende rode modder uit Hongarije. Ik werk nu aan de afvalstroom van een kopermijn in Polen. Dat is heel fijn materiaal, ontdaan van alle erts. Er zijn duizenden van die plekken in heel Europa.”

Slaan ze het ook allemaal op in een ringdijk?
“Dat gebeurt wel vaker, ja. Vaak is die dam van hetzelfde afvalmateriaal gebouwd. Het reservoir in Polen ligt achter een 15,4 kilometer lange ringdam. Het gevaar is dat zo’n dam zich door bijvoorbeeld een aardbeving plotseling als een vloeibaar materiaal kan gaan gedragen, en dan wegstroomt. We zoeken nu naar manieren om die afvalvijvers te stabiliseren en het risico op rampen zoals met de rode aluminiumslurry in Hongarije te verkleinen.”

Uw ‘nieuwe bodem’ is dus eigenlijk industrieel afval.
“Het komt van de industrie, maar het heeft de korrelstructuur van een bodem, en er zit water in. Het is bodemmateriaal waar we nog niet bekend mee zijn. In het geval van radioactief afval komt daar nog bij dat er gassen vrijkomen. Dan heb je een mengsel van vast, vloeibaar en gasvormig materiaal. Dat is een complex geheel.
We zullen ons steeds meer bezig gaan houden met complexe materialen. Dat geldt voor klei en veen omdat we er op willen bouwen. Maar dat geldt ook voor de nieuwe gronden uit de industrie of van de vuilstort. Ook die materialen moeten we modelleren en testen. Probleembodems zijn vaak gekoppelde systemen van vaste stof, water, en gassen met chemische of biologische interactie en temperatuur afhankelijkheid. Die te doorgronden betekent veel werk, zowel achter de computer als in het laboratorium.”

Bekijk intreerede op Collegerama