Procesbeschrijving
In principe kunnen twee karakteristieke configuraties worden onderscheiden waarbij kwel onder en door de grondslag van grondconstructies doordringt:
- Binnenwaarts van de grondconstructie is op de watervoerende zandlaag een afdekkende laag bestaande uit klei- en/of veen aanwezig.
- Binnenwaarts van de grondconstructie is op de watervoerende zandlaag geen of slechts een dunne afdekkende grondlaag aanwezig die bijvoor- beeld door een brede sloot wordt doorsneden.
Binnenwaartse afdekkende laag
Voor ondoorlatende grondconstructies waarvan de binnenwaartse bovenlaag waterdicht is, kunnen de volgende kwelfasen worden gekenmerkt:
- Opdrijven van de afdekkende laag. Door een hoge buitenwaterstand zullen de waterspanningen in de watervoerende zandlaag toenemen. Wanneer de waterspanningen ter plaatse van de afdekkende laag aan de binnenzijde groter worden dan het gewicht van die laag, zal deze gaan opdrijven. Deze gebeurtenis is een vorm van hydraulische grondbreuk. In de praktijk is opdrijven soms, maar niet altijd, waarneembaar door zwakke golfbewegingen van het maaiveld bij betreden.
- Opbarsten van de afdekkende laag. Door het opdrijven zal de afdekkende laag scheuren, waardoor kwelwater via verticale kanaaltjes, zich een weg naar het maaiveld zoekt.
- Erosieproces in de watervoerende zandlaag. Het optreden van horizontale kanaaltjes in watervoerende zandlagen is sterk afhankelijk van de optredende stroomsnelheid in deze kanaaltjes en de kritieke stroomsnelheid (= de gemiddelde stroomsnelheid van het water waarbij de zandkorrels nagenoeg in rust blijven). De optredende stroomsnelheid wordt grotendeels bepaald door het verval over de grondconstructie, terwijl de kritieke stroomsnelheid sterk afhankelijk is van de materiaaleigenschappen, bijvoorbeeld de korrelgrootte. In principe zijn er twee mogelijkheden, namelijk (1) de stroomsnelheid is kleiner dan de kritieke stroomsnelheid; het erosieproces stopt, of (2) de stroomsnelheid is groter dan de kritieke stroomsnelheid; de afvoer van zand uit het kanaaltje blijft voortduren. Het geërodeerde materiaal wordt door het kwelwater meegevoerd en rond de holte nabij het maaiveld afgezet. Bij voldoende groot verval zullen de kanaaltjes blijven groeien (terugschrijdende erosie). Als deze kanaaltjes het buitenwater bereiken is sprake van ‘piping’. Wanneer er een open verbinding is tussen het buitenwater en de locatie waar het kwelwater uittreedt zullen de afmetingen van de kanalen toenemen. Uiteindelijk zal dit leiden tot holle ruimtes onder de grondconstructie die zo groot worden dat verzakking en breuk en dus bezwijken van de grondconstructie zal optreden.
Binnenwaarts geen afdekkende laag
Indien aan de binnenzijde van grondconstructies de grondsamenstelling zandig is, kunnen de verticale korrelspanningen aldaar wegvallen onder invloed van kwel. Dit wordt aangeduid met heave, wat overeenkomt met de vorming van drijfzand en met name optreedt bij verticaal uittredend grondwater. Vervolgens zullen ondergrondse kanalen ontstaan die in grootte zullen toenemen door de eroderende werking van het kwelwater met als uiteindelijk resultaat het bezwijken van de constructie. Omdat zowel heave als wel piping kunnen optreden bij een watervoerende laag aan het oppervlak dienen deze twee aspecten afzonderlijk te worden beoordeeld.
Ter voorkoming van beide fenomenen worden veelal kwelbermen of kwelschermen (damwanden, kleikisten, kistdammen etc.) toegepast. Deze verlengen de afstand die het water moet afleggen, waardoor de snelheid van het kwelwater en het uittredende verhang beide afnemen.
