Fysische aspecten in de heipaal
De relatie drukgolflengte/paallengte
De verhouding tussen de lengte van de drukgolf en de lengte van de paal kan een maatstaf zijn voor het beoordelen van de kans op ontoelaatbare trekgolven. De grootte van de trekspanning wordt beheerst door de grootte van de maximale drukspanning in de naar beneden lopende golf en door de dynamische grondweerstand die de paal ondervindt.
Excentrisch heien
Bij excentriciteit ontstaat het fenomeen dat de spanningen in uiterste vezels van mutsvullingen zullen afwijken van gemiddelde waarden. Omdat het tijdens de stoot al om gemiddeld hoge spanningen gaat, is een zo gering mogelijke excentriciteit geboden. Dit kan worden bereikt door een goed passende heimuts en adequate vullingen.
Het betekent echter ook dat de ontwerper moet voorkomen om palen van verschillende doorsneden op eenzelfde deellocatie toe te passen. Palen met een geringere doorsnede zouden dan geheid moeten worden met een te grote (te ruime) heimuts.
Men kan zich voorstellen dat excentriciteit al gauw een rol speelt bij schoor heien. Immers, de paal zoekt zijn laagste stand, tegen de mutsrand. Qua tolerantie heeft de excentriciteit dan al snel zijn hoogste waarde bereikt.
Essentieel is voorts er in de eerste fase van de installatie van de paal voor te zorgen dat hij op de berekende plaats staat. Eenmaal heiende kan men weinig of niets aan positieverbetering doen, ook al wordt het in de praktijk wel eens geprobeerd. Het leidt positietechnisch tot niets omdat het uitoefenen van haaks op de paalas staande krachten op een reeds in de grond staande paal geen ander effect heeft dan het oproepen van onaanvaardbaar grote excentriciteit.
Excentriciteit in een van de twee assen, gemeten in de kop van een betonnen paal gedurende het hele heitraject. Men kan zien dat de excentriciteit tijdens het heien van teken wisselt. Toegepast werd een blok met 10 ton vallende massa bij de installatie van een 29 m lange paal met een doorsnede van 500 x 500 mm. Omstreeks meting 190 werd de muts van een nieuwe zachthouten vulling voorzien.
Oplangers
Oplangers zijn bedoeld om palen dieper weg te kunnen heien, bijvoorbeeld onder een maaiveld dat later moet worden weg gegraven. Een goed ontworpen oplanger werkt als een verlengde heimuts. De oplanger wordt geplaatst op de paal met een zachthouten vulling tussen beide. De combinatie blok, slagprop, muts en zachthouten vulling blijft dus intact.
Het ligt voor de hand dat de slingerbeweging, waaraan hiervoor aandacht is besteed, bij het toepassen van een oplanger wordt versterkt. Anderzijds zal de grote massa van de oplanger de snelheid waarmee deze de paal treft, verminderen. De effectiviteit van de heistoot vermindert hierdoor. De piekspanningen behoeven echter niet kleiner te worden omdat die beheerst worden door de trefsnelheid.
Een heimuts, een heimuts met oplanger en een verlengde heimuts (onder). Duidelijk blijkt dat bij de oplanger de geleiding onderaan ontbreekt en dat men te maken heeft met een tweede aansluiting.
Trefsnelheid
De trefsnelheid van het blok bepaalt de grootte van de (gemiddelde) druk spanningen in de paalkop en die spanningen staan geheel los van de weerstand die de paal in de grond ondervindt. Een kleine valhoogte leidt tot een lage trefsnelheid en dus ook tot lage drukspanningen. Maar lage krachten leiden tot een beperkte zakking per slag. Uit productieoverwegingen is men dan ook geneigd om met grote valhoogte te werken. Men moet immers in een zo kort mogelijke tijd de gewenste penetratie van de paal realiseren.
Grondweerstand
Valhoogte
Zou men er vanuit gaan dat de dynamische weerstand even groot is als de statische weerstand van de grond, dan zou een effectieve valhoogte van 0,45 meter benodigd zijn. Op grond hiervan zou men vervolgens kunnen concluderen dat een effectieve valhoogte van 0,5 meter als regel voldoende moet zijn om de paal in de draagkrachtige laag te laten penetreren.
Let wel: onder de effectieve valhoogte wordt verstaan de hoogte waarover een blok vrij en ongeremd moet vallen en bovendien afgezien van energieverlies in de muts (en oplanger). Bij dieselblokken moet dus met een grotere hoogte worden gerekend.
In feite kan men stellen dat het bij het heien van betonnen palen de kunst is om bij een beperkte drukspanning de drukgolf zo lang mogelijk te laten duren. Dat pleit voor een zo zwaar mogelijk blok.
Trekspanningen
Als een heiblok de paalkop treft, wordt door de botsing in de paal een drukgolf opgewekt die met een snelheid van circa 4000 m/s benedenwaarts gaat. Een kortdurende felle drukgolf zal gemakkelijk tot trekspanningen aanleiding geven omdat de omlaag lopende drukgolf maar gedeeltelijk in staat is de weerkaatsende trekgolf te compenseren. De compensatie is beter naarmate de drukgolf langer is. Dit is opnieuw een goede reden om voor een verhoudingsgewijs zwaar heiblok te kiezen. Bovendien pleit dit voor toepassing van een dieselblok, omdat de compressie voorafgaande aan de drukstoot de paal voorspant en in staat stelt een grotere trekgolf te weerstaan.
Breuk
Te hoge trekspanningen leiden tot breuk van de heipaal. De plaats van de breuk wordt bepaald door de golfvoortplaning: de combinatie van de naar beneden lopende drukgolf en de aan de paalpunt gereflecteerde naar boven lopende trekgolf. Breuk van de heipaal kan tijdens het heien worden geconstateerd door een afwijkende kalender. Achteraf kan het sonisch doormeten de breuk en de diepte ervan worden vastgesteld.
Katten
Hoge trekspanningen treden op wanneer de puntweerstand klein is, dus bij:
- De eerste klappen van een dieselblok, het zogenaamde katten.
- Doorheien van zware lagen met te grote valhoogte. In het bijzonder het doorheien van een zware laag met een dieselblok is riskant. Een dieselblok kan niet worden geregeld. Door de zware grondlaag is de valhoogte maximaal, terwijl de punt net geen of nauwelijks puntweerstand ondervindt. Wanneer de grondlagen een zware tussenlaag bevat is het beter te kiezen voor een goed regelblaar heiblok, bijvoorbeeld een hydraulisch heiblok.
