Zwaar heien

Het heien is een complex proces. De kwaliteit van betonnen heipalen is zodanig dat zwaar heiwerk langdurig kan worden verdragen. Niettemin zijn kritische kanttekeningen op zijn plaats. De trefsnelheid van het blok bepaalt immers de maximale drukspanningen en niet de ondervonden grondweerstand. Bij dieselblokken zal bij zwaar heien de plunjer maximaal omhoog gaan springen tengevolge waarvan de drukkracht hoger oploopt dan bij een goede zakking van de paal. Bovendien mag men niet vergeten dat aan zwaar heiwerk vaak licht heien vooraf is gegaan. Daarbij is de kans op scheuren in de paal aanwezig. Treedt dan ook nog een flinke excentriciteit in de paal op, dan heeft men een grotere kans op paalschade dan normaal. Maar centraal staat: van efficiënt heien is onder dergelijke omstandigheden geen sprake meer. 

Het verdient aanbeveling om, als zwaar heiwerk wordt verwacht, voor het eigenlijke werk een flink aantal palen 'om en om' te heien, dat wil zeggen dat men steeds een aantal palen uit het palenplan overslaat. Als men vervolgens enkele sonderingen maakt op de nog lege paalposities, dan blijkt vaak dat het verloop van de conusweerstand onherkenbaar beter is geworden. Aldus kan op de lengte van de nog te heien palen en ook op de heitijd van deze palen aanzienlijk worden bespaard. Deze gedragslijn is destijds gevolgd voor de paalfunderingen onder de sluizen van het Haringvliet en leidde tot een aanzienlijke reductie van het aantal palen, nu met verdichting en opspanning kon worden gerekend.

Alles wat hiervoor is geschreven, gaat uit van de veronderstelling dat de condities van het grondwaterpeil tijdens de sondering en tijdens de installatie van de palen dezelfde zijn. Maar tussen sondering en installatie kunnen maanden verlopen. Als tussentijds van een structurele verlaging van de grondwaterstand sprake is, bijvoorbeeld als gevolg van lange, droge zomers of de uitvoering van grote bouwwerken in de nabijheid, is het verstandig controlesonderingen uit te voeren. Maar ook om andere redenen kunnen verschillen optreden. Verlaging van de grondwaterstand heeft als resultaat dat de korrelspanningen in de ondergrond toenemen en dientengevolge ook de heiweerstand. Vooral in de waterdoor latende lagen van het grondpakket kan van een verzwaring van het heiwerk sprake zijn. 

Het omgekeerde kan evenwel ook het geval zijn: als het grondonderzoek vanaf het maaiveld is verricht en het heiwerk vanuit een bouwput plaatst vindt, is te rekenen met een vergemakkelijking van het heiwerk. Immers, de ontgraving leidt tot gewichtsvermindering op de ondergrond. Deze gewichtsvermindering kan ook het draagvermogen van de palen negatief beïnvloeden.

Fijnmazige paalstramienen leiden vaak bij het heien tot verhoging van de conusweerstand als gevolg van verdichting van de grond. Als regel geldt dat een verdichting van 5% weliswaar tot zwaar maar niettemin redelijk uitvoerbaar heiwerk leidt. Voor betonpalen met een doorsnede van 400 x 400 mm leidt dat tot 1 paal per 3,2 m2 (0,4 x 0,4 : 2). Het paalstramien is dan 1,8 x 1,8 m2 of 1,2 x 2,0 m2. Een verdichting van 10% evenwel leidt tot dermate zwaar heiwerk dat problemen ontstaan. Een dergelijke verdichting wordt gehaald bij palenstramienen van 1,25 x 1,25 m2 of 1,1 x 1,5 m2. De grens van het haalbare ligt als regel bij 7 à 8% verdichting. Bij het bereiken van deze grenswaarde is het verstandig om voor meerdere dunne palen te kiezen in plaats van een beperkter aantal dikke palen. De duur en de zwaarte van het heiwerk zullen daardoor gunstig beïnvloed worden. De ontwerper van een paalfundering moet met deze zaken terdege rekening houden. ​Op een aantal locaties in Nederland komen harde tussenlagen voor die moeilijk te doorheien zijn en daarbij een vergroot risico opleveren voor paalschade. In deze omstandigheden is het raadzaam een goed regelbaar heiblok toe te passen, zodat de overgang van harde tussenlagen naar een zachte onderlaag met weinig hei-energie kan plaatsvinden.

Tijdens het installeren van geprefabriceerde betonnen palen worden op maaiveldhoogte trillingen waargenomen. Deze trillingen laten de grond lichtjes bewegen. Deze trillingen worden veroorzaakt door een kort durende samendrukking van de grond langs de paalschacht en onder de paalpunt als gevolg van de heiklap. Als gevolg van die korte klap of stoot ontstaat een pulsvormige beweging van de grond die zich in alle richtingen in de vorm van golven voortplant. De trillingen in de grond laten zich vergelijken met rimpeling van het water nadat een steen in het water is geworpen. Vanaf de bron verbreidt de trilling zich driedimensionaal, waarbij drie soorten golven zijn te onderscheiden, te weten:

• de compressiegolf: de bewegingsrichting van de gronddeeltjes is evenwijdig aan de voortplantingsrichting van de golf. Het golffront is half-bolvormig.
• de schuifspanningsgolf: de bewegingsrichting van de gronddeeltjes staat loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf. Het golffront is halfbolvormig.
• de oppervlaktegolf of Rayleighgolf: deze golf heeft zowel een horizontale als een verticale bewegingscomponent van de gronddeeltjes. Het golffront is cilindervormig. De Rayleighgolf veroorzaakt doorgaans bij het heien van palen de meeste hinder, omdat dit golftype de grootste amplitude heeft, de meeste trillingsenergie bezit en de kleinste reductie van de amplitude vertoont op een afstand van de trillingsbron (demping). Rayleighgolven hebben aan het maaiveld de grootste amplitude.