Toplaaginstabiliteit bij maximale golfterugtrekking - Faalmechanismen steenzetting

Toplaaginstabiliteit kan worden veroorzaakt door de opwaartse waterdruk op het moment van maximale golfterugtrekking. Het bezwijkmechanisme is weergegeven in figuur 14-2.

Figuur 14-2: Mechanisme toplaaginstabiliteit bij golfterugtrekking

Op het moment van maximale golfterugtrekking is een deel van het talud drooggevallen, terwijl onder de toplaag nog water aanwezig is. Dit veroorzaakt een opwaartse verschildruk op de toplaagelementen, die maximaal is rond het punt tot waar de waterlijn zich heeft teruggetrokken. In werkelijkheid speelt zich in deze zone een complex dynamisch proces af. Er ontstaat een stroming door de granulaire laag in

de richting van de toplaagelementen vlak boven de waterlijn. Deze stroming komt zowel van hoger op het talud (want de freatische lijn in de granulaire laag is nog hoog) als van lager op het talud (want onder de golf is de druk alweer opgebouwd). Dit stromingspatroon houdt per golf ongeveer een halve seconde aan en kan zorgen voor zodanige druk op de toplaagelementen dat deze worden uitgelicht. Hierbij zijn tevens de volgende invloeden van belang: de onderlinge wrijving van de toplaagelementen, de toestroming van water onder het toplaagelement, de massatraagheid van het toplaagelement en de invloed van overgangsconstructies.

Bij bepaalde typen steenzettingen is niet het moment van maximale golfterugtrekking maatgevend, maar de situatie op het moment van de golfklap; dit mechanisme wordt apart besproken in §14.3.3.

De stabiliteit van de toplaag wordt bepaald door de parameters die de opwaartse waterdruk en de neerwaartse krachten (gewicht en wrijving en/of klemming) bepalen. Overigens: met opwaarts en neerwaarts worden de richtingen loodrecht op het talud bedoeld.

In Figuur 14-3 is voor alle relevante parameters weergegeven wat de invloed is op de stabiliteit. Bijvoorbeeld: voor de significante golfhoogte Hs is een grote waarde ongunstig (dus de balk is dik aan de linkerkant) en is een kleine waarde gunstig (dus de balk is dun aan de rechterkant).

Figuur 14-3: Parameters toplaaginstabiliteit

1. Golfhoogte Hs: de significante golfhoogte heeft invloed op het drukverschil boven en onder de toplaag. Bij hogere golven is de maximale freatische lijn hoger en trekken de golven zich verder terug. Dat levert bij maximale golfterugtrekking een groter stijghoogteverschil over de toplaag op.

2. Golfperiode Tp: de piekperiode heeft ook invloed op het drukverschil omdat de golf zich bij een grotere golfperiode verder terugtrekt. Dit geldt overigens slechts tot een bepaald maximum.

3. Waterdoorlatendheid van de toplaag k: de doorlatendheid bepaalt hoe makkelijk het water onder de toplaag kan ontsnappen. Hoe groter de doorlatendheid, hoe gunstiger. In feite gaat het om de leklengte : de verhouding tussen het gemak waarmee het water door de granulaire laag en

   door de toplaag stroomt, dat wordt bepaald door de waterdoorlatendheid en de dikte van de toplaag en de granulaire laag.

4. Waterdoorlatendheid van de tweede laag k (meestal de granulaire laag, soms geokunststof of onderlaag): een grotere doorlatendheid leidt tot een grotere druk onder de toplaag en daardoor tot een groter drukverschil met de bovenkant van de toplaag. Hoe kleiner deze doorlatendheid, hoe gunstiger.

5. Dikte van de tweede laag b: een grotere dikte vergemakkelijkt de waterbeweging en daarmee de drukopbouw en is dus ongunstig.

6. Gewicht van de toplaag D: het gewicht, dat wordt bepaald door toplaagdikte en dichtheid van de toplaagelementen, zorgt voor neerwaartse druk. Hoewel een grotere toplaagdikte ongunstig is voor het ontsnappen van water onder de toplaag (zie punt 3) is de positieve bijdrage van het gewicht per saldo groter.

7. Klemming: de klemming tussen de toplaagelementen levert neerwaartse kracht zodra er opwaartse waterdruk ontstaat door maximale golfterugtrekking.

8. Taludhelling cot : hoewel een steilere taludhelling leidt tot betere klemming van de toplaagelementen en dus een positieve bijdrage levert aan de toplaagstabiliteit, leidt het ook tot een kleinere gewichtscomponent van de zwaartekracht en tot een hogere belasting door golfaanval. Per saldo is een steile taludhelling ongunstig.

N.B.

Hierna wordt dit bezwijkmechanisme aangeduid als toplaaginstabiliteit bij maximale golfterugtrekking. Als in de tekst sprake is van toplaaginstabiliteit (zonder nadere specificering), dan betreft het beide mechanismen (§14.3.1 en §14.3.2). Ook de rekenregels voor toplaaginstabiliteit betreffen beide mechanismen.