Geschiedenis van de geotechniek

Geotechniek is een vakgebied met een rijke en veelzijdige geschiedenis. Het vormt al eeuwenlang de basis voor het bouwen in, op en met de ondergrond. Hoewel geotechniek pas in de twintigste eeuw als zelfstandige discipline werd erkend, zijn veel fundamentele principes van grondmechanica veel ouder. Van vroege observaties in de oudheid tot de moderne numerieke methoden van vandaag: de ontwikkeling van de geotechniek laat zien hoe wetenschap, praktijkervaring en techniek elkaar versterken.

Door inzicht in de ondergrond kunnen we veilige bouwputten ontwerpen, zettingen voorspellen, dijken versterken, funderingen optimaliseren en waterbouwkundige en infrastructurele werken realiseren. In dit overzicht worden de belangrijkste mijlpalen, personen en theorieën uit de geschiedenis van de geotechniek toegelicht.

De vroegste fundamenten van de geotechniek

De oorsprong van de geotechniek ligt in de behoefte om bouwwerken stabiel te funderen. Al in de oudheid werd nagedacht over draagkracht, waterdruk en grondgedrag bij dammen, kanalen en funderingen.
Enkele voorbeelden van historische constructieprincipes:

• In Mesopotamië werd gewerkt met klei, grind en leem voor dijken en irrigatiestructuren
• De Babyloniërs bouwden vroege kademuren met metselwerk en klei-afdichtingen om erosie en instabiliteit te beperken
• In Egypte werden zware steenblokken voor piramides op zandbedden geplaatst die vooraf werden verdicht voor een gelijkmatige belasting
• In China werden grondlichamen in lagen opgebouwd om de stabiliteit te vergroten
• In India werden stepwells (baori) gebouwd met complexe grondwaterbeheerstructuren om waterdruk en instroom te beheersen
• De Grieken pasten hellingshoeken van taluds aan op basis van ervaring met grondinstabiliteit rond wegen en verdedigingswerken
• De Perzen ontwikkelden qanats, ondergrondse waterkanalen waarbij kennis van grondwaterstroming en doorlatendheid essentieel was
• De Romeinen maakten houten paalfunderingen om verzakkingen in slappe gronden te beperken
• De Maya’s gebruikten kalksteenpuin als lichtgewicht ophoogmateriaal om zettingen in zachte ondergronden te beperken
• De Vikingen verbeterden funderingen van houten gebouwen door dikke lagen zand en grind aan te brengen als draagkrachtverhogende laag

Hoewel deze technieken vooral empirisch waren, vormden ze de basis voor de latere ontwikkeling van de grondmechanica.

De eerste empirische regels

Vóór de wetenschappelijke doorbraken van de late 18e eeuw werd geotechniek gedreven door de empirische regels van pioniers als Bullet, Gautier, Couplet, Bélidor en Gadroy. Zij waren de eersten die experimenteel de natuurlijke hellingshoek van grond vastlegden en de eerste wiskundige modellen voor keermuren ontwikkelden, nog voordat de wetten van wrijving en cohesie door Coulomb werden geformaliseerd.

De eerste wetenschappelijke stappen

De ontwikkelingssprong naar wetenschappelijke geotechniek vond plaats in de achttiende en negentiende eeuw. In deze periode werden de eerste theoretische inzichten geformuleerd die later uitgroeiden tot klassieke grondmechanische basisprincipes en modellen.

Belangrijke bijdragen:

Deze theorieën vormen nog steeds de ruggengraat van de moderne geotechnische analyse.

De geboorte van de moderne geotechniek

Terzaghi publiceerde zijn baanbrekende werk Erdbaumechanik in 1925, wat wordt gezien als het startpunt van de moderne grondmechanica. Hij bracht daarmee de grondmechanica samen tot één samenhangende wetenschap en legde daarmee de basis voor vrijwel alle moderne geotechnische methoden. Daarom wordt hij vaak beschouwd als de grondlegger van de moderne geotechniek.

Terzaghi definieerde het verschil tussen totaal spanning en effectieve spanning. Effectieve spanning is de spanning die uitsluitend wordt overgedragen door de vaste korrels op hun onderlinge contactpunten (het "skelet" van de grond). Dit is het meest essentiële concept in de geotechniek, want het is de effectieve spanning die de schuifsterkte en de vervorming (zetting) van de grond bepaalt.

De Beer

Edward De Beer wordt gezien als de grondlegger van de geotechniek in België. In 1939 richtte hij het Laboratorium voor Grondmechanica op in Gent. De Beer heeft fundamentele bijdragen geleverd aan het bepalen van de draagkracht van funderingen. Zijn methoden voor het berekenen van de draagkracht van palen op basis van sondeerresultaten (CPT) worden nog steeds wereldwijd toegepast.

Verdere ontwikkeling in de 20e eeuw

Na de fundering door Terzaghi ontwikkelde de geotechniek zich snel verder. Door internationale samenwerking, betere meetmethoden en complexere bouwprojecten nam de behoefte aan geavanceerdere modellen toe.

Belangrijke namen en ontwikkelingen uit deze periode:

• Pookajlov (1930): ontwikkelde de geotechnische centrifuge-modellering. Pookajlov zag in dat het testen van op schaal gemaakte modellen van constructies (zoals dammen en funderingen) op aarde niet werkte. Dit kwam doordat de spanningen in het model te laag waren in vergelijking met de spanningen in de veel grotere, werkelijke constructie. Dit schaalverschil leidde tot verkeerde voorspellingen van het gedrag, omdat het gedrag van grond sterk afhankelijk is van de spanning. Hij legde de theoretische en praktische grondslag dat nodig is om de resultaten van een centrifugeproef te vertalen naar het gedrag van het prototype
• Blum (1931): ontwikkelde een methode voor het ontwerp en de stabiliteitsberekening van damwanden. Dit was decennialang de standaard voor het handmatig berekenen van de benodigde inheidiepte en de snedekrachten in verankerde damwanden
• Barentsen (1932): ontwikkelde het allereerste handsondeerapparaat. Hij merkte dat hij door een kegelvormige punt de grond in te drukken, een directe maat kreeg voor de weerstand van de verschillende zandlagen. Dit was de geboorte van de conusweerstand
• Hvorslev (1937): Ontdekte dat de schuifsterkte van klei onlosmakelijk verbonden is met het watergehalte en de spanningsgeschiedenis, wat leidde tot een dieper begrip van cohesieve gronden
• Rendulic (1937): Grondlegger van de analyse van spanningspaden. Hij bewees dat volumeverandering in klei direct gekoppeld is aan effectieve spanningsveranderingen, wat de weg vrijmaakte voor moderne numerieke modellen zoals het Cam-Clay model

• Vermeiden (1948): introduceerde de kleefmantelconus. Door zowel de puntweerstand als de zijdelingse wrijving te meten, legde hij de basis voor de moderne grondsoortidentificatie en de berekening van het draagvermogen van paalfunderingen op basis van kleef
• Walter Kjellman (1948): uitvinder van de verticale drainage. Zijn innovatie maakte het mogelijk om bouwlocaties op slappe, waterverzadigde bodems sneller stabiel te krijgen door het consolidatieproces kunstmatig te versnellen
• Arend Koppejan (1948): formuleerde een zettingsmodel dat primaire zetting (consolidatie) combineerde met seculaire zetting (kruip). Het model is ontwikkeld vanuit de praktijkervaring met de specifieke Nederlandse ondergrond en parameters worden vaak empirisch afgeleid

• Tschebotarioff (1951): verrichtte pionierswerk op het gebied van zijdelingse gronddrukken. Hij introduceerde het concept van "interactie" tussen de bodem en de constructie. Hij was een van de eersten die aantoonde dat de druk op een damwand anders is dan de klassieke theorieën van Rankine voorspelden, omdat de wand zelf vervormt. Dit is de basis voor de moderne damwandberekeningen
• Erich Kranz (1953): legde de fundering voor veilige damwandverankeringen door aan te tonen dat de stabiliteit niet alleen afhangt van de ankersterkte, maar ook van de ankerlengte en de geometrie van de omliggende grond
• Janbu (1954): ontwikkelde een universele methode voor taludstabiliteit die, in tegenstelling tot eerdere methoden, ook niet-cirkelvormige glijvlakken kon analyseren

• Louis Ménard (1955): ontwikkelde de Ménard pressuremeter. De pressuremeter is een cilindrische sonde die in een voorgeboord gat in de grond wordt neergelaten. De sonde wordt vervolgens radiaal opgepompt met gas of vloeistof. De druk die nodig is om de sonde te laten uitzetten en de mate van uitzetting wordt gemeten. Zijn werk maakte het mogelijk om de stijfheid en de spanning-rek relatie van de grond direct in situ te meten
• Jørgen Brinch Hansen (1961): verfijnde de draagkrachtformule van Prandtl. Deze verfijnde draagkrachtformule is hedendaags de basis voor veel draagkrachtberekeningen op staal
• Leonards (1962): grondlegger van de forensische geotechniek en expert op het gebied van de samendrukbaarheid van klei
• Meyerhof (1963): Verfijnde de algemene draagkrachttheorie voor funderingen door rekening te houden met schuine belastingen en de invloed van de inbeddingsdiepte van de fundering
• Ladanyi (1963): legde de basis voor de moderne permafrost-geotechniek en de mechanica van bevroren grond. Hij ontwikkelde geavanceerde visco-plastische modellen om kruipvervormingen in bevroren ondergronden te voorspellen

• Wroth & Schofield (1968): publiceerden het invloedrijke standaardwerk Critical State Soil Mechanics, waarmee zij de complexe theorieën van de 'Cambridge-school' ontsloten voor de praktiserende ingenieur en de weg vrijmaakten voor moderne numerieke modellering
• Ralph Brazelton Peck (1969): Ontwikkelde een methode om zakkingsprofielen te voorspellen die ontstaan naast diepe ontgravingen en bij het boren van tunnels

Groei van de geotechniek tot een integraal onderdeel van het ontwerp

In dit tijdperk groeide geotechniek uit tot een integraal onderdeel van de civiele techniek, waarbij zowel veldmetingen, laboratoriumproeven, als analytische modellen uitgebreid werden toegepast.

Gerard de Josselin de Jong publiceerde vanaf de jaren 60 over spanningspaden, grondwaterstroming, plastische vervorming, schuifvervorming, consolidatie, cyclische belastingen en dilatantie. Verder deed hij baanbrekend onderzoek naar de vorming van shear bands, de theorie van lokale plastische vervorming, het ontstaan van glijvlakken onder complexe spanningspaden, en anisotropie in zand. Vanaf de jaren 70 publiceerde Arnold Verruijt over dezelfde onderwerpen.

De digitale revolutie in geotechniek

James Duncan en Clarence Chang (1970): publiceerden een niet-lineair elastisch constitutief model dat het spannings-rekgedrag van grond beschrijft. Dit model was een van de eerste en meest succesvolle modellen die de kloof overbrugde tussen eenvoudige lineair-elastische theorie en het complexe niet-lineaire gedrag van grond. Het maakte de weg vrij voor de praktische toepassing van de eindige-elementenmethode in de geotechnische praktijk.

Vanaf de jaren zeventig en tachtig begon een nieuwe fase dankzij de komst van computers. Eerst werden verenmodellen, zoals D-Sheet Piling, ontwikkeld. Later werd numerieke modellering mogelijk en de eindige-elementenmethode (EEM) maakte het bereikbaar om complexe grond-constructie interacties nauwkeurig te analyseren.

Belangrijke ontwikkelingen:

• Verenmodellen
• Eindige-elementenmethode (EEM)
• Spanningspaden analyses
• Modellering van anisotropisch en niet-lineair grondgedrag
• Grondwaterstromingsmodellen
• Probabilistische analyses
• Analyse van tijdsafhankelijke effecten

In Nederland versnelde deze ontwikkeling door toepassingen in dijken, sluizen, bouwputten, tunnels en offshore-constructies.

De rol van Plaxis in de moderne geotechniek

Sinds de jaren negentig speelt Plaxis een centrale rol in de geotechnische praktijk. Het programma maakt EEM-analyses toegankelijk voor ontwerpers, onderzoekers en ingenieursbureaus.

Voor geotechnische ingenieursbureaus is Plaxis een belangrijk instrument voor betrouwbare en efficiënte geotechnische ontwerpen.

Geotechniek in de 21e eeuw

• Digital twins van tunnels, bouwputten en andere geotechnische constructies
• Toepassing van machine learning voor classificatie, parameterbepaling en risicoanalyses
• Geautomatiseerd post-processen van Plaxis met Python. Een uitgebreide analyse hierover is weergegeven in onze whitepaper over geautomatiseerd post-processen met Plaxis en Python

Hiermee wordt geotechniek steeds meer een geïntegreerde discipline waarin theorie, numeriek modelleren en data-analyse elkaar versterken. Zie de pagina over de toekomst van de geotechniek voor dit onderwerp.

Kennis van de geschiedenis van de geotechniek blijft belangrijk

In de moderne geotechniek werken we met geavanceerde rekenmodellen en grote hoeveelheden data. Toch blijven de klassieke principes van Terzaghi, Mohr, Coulomb, Rankine, Prandtl en Keverling Buisman essentieel. Begrip van deze historische basis helpt ingenieurs om ontwerpkeuzen te maken en een conceptueel ontwerp te maken. Daarnaast is kennis van deze principes onontbeerlijk om uitkomsten van modellen te interpreteren, ontwerpkeuzes te onderbouwen en risico's te beheersen.
Voor Geo-ingenieurs vormt deze kennis de basis van een integrale werkwijze waarin inhoudelijke expertise wordt gecombineerd met moderne rekenmethoden en automatisering. Hierdoor kunnen we complexe projecten efficiënter, betrouwbaarder en duurzamer uitvoeren.