Verwekingsvloeiing - Beschrijving mechanismen

Na veel schuifvervorming wordt weer de critical state bereikt. Bij losgepakt zand en hoge initiële gemiddelde spanning p0(consolidatiespanning) is de bijbehorende relatieve deviatorspanning q/p0klein, dus ook de effectieve sterkte, vergeleken bij de sterkte bij volledig gedraineerde (of droge) afschuiving, q/ p₀= M (Figuur 2.3). Dat komt door de wateroverspanning die dan nog in het monster heerst, waardoor de waarde van p’(critical state) < p0. Die waarde van p’(critical state) is overigens géén functie van p₀ en is alleen een functie van de dichtheid, bijvoorbeeld zoals uitgedrukt in het poriegetal e. Die functie wordt de ‘critical state lijn’ of ‘steady state lijn genoemd’. Het is een rechte lijn op half-logaritmisch papier. Zie Figuur 2.4.

Figuur 2.4 Gemiddelde korrelspanning p’ als functie van poriëngetal e bij critical state

De afstand tot deze lijn, de zogenaamde ‘state parameter’ is een maat voor de verwekingsgevoeligheid. Die gevoeligheid is groter naarmate die parameter groter is.

Het is echter een vrij grove maat, omdat de initiële skeletstructuur en de initiële spanningsverhoudingen, die beide een grote invloed hebben op de verwekingsgevoeligheid, verloren gaan door de sterke schuifvervorming en omdat verweking juist optreedt bij geringe schuifvervorming.

Figuur 2.5 Metastabiliteit bij spanningsgestuurde triaxiaalproef op losgepakt zand met hoge p’

Relevanter voor verweking is de vraag of dichtheid groter of kleiner is dan de ‘natte kritieke dichtheid’ ofwel de vraag of de kromme in Figuur 2.3 een tussenmaximum vertoont. Zie de ster die in die figuur getekend is voor los gepakt zand en hoge beginspanning. Als de spanningstoestand van een zandelement zich bij die ster bevindt, is het element ‘metastabiel’ bij ongedraineerd belasten. Dit is geïllustreerd in Figuur 2.5. Zelfs een heel kleine verhoging van de schuifspanning kan alleen maar worden opgevangen als het zandelement onmiddellijk heel sterk vervormt (overspringen van punt A naar punt B), waarbij de wateroverspanning heel sterk toeneemt.

Net als de dichtheid horend bij de critical state (Figuur 2.5) is de natte kritieke dichtheid een functie van de gemiddelde korrelspanning p’. In het verleden werd de ‘natte kritieke dichtheid’ gedefinieerd als die gevonden in een triaxiaalproef bij een beginspanning p’0= p = 50 kPa.

Maar hier wordt de natte kritieke dichtheid gedefinieerd als de dichtheid waarbij het

zandelement aan het metastabiliteitscriterium voldoet. Daarmee is hij afhankelijk van de beginspanning. Anders dan de critical state dichtheid is de natte kritieke dichtheid tevens afhankelijk is van de wijze van belasten. Die is in een talud anders is dan in een triaxiaalproef en ook anders dan in een Direct Simple Shear proef. De natte kritieke dichtheid van een zandelement in een talud is lager (grotere n of e) dan in een triaxiaalproef bij dezelfde p’0, omdat de vervormingsvrijheid in het talud veel beperkter is.

Niettemin kunnen er, bij bepaalde combinaties van zandeigenschappen, taludhelling en taludhoogte, zoveel metastabiele zandelementen in een talud zijn, dat het hele zandlichaam metastabiel is. Zie Figuur 2.6. De minste of geringste belastingwijziging is dan voldoende om het zand in een groot deel van het talud ineens tot verweking te brengen. Door het combineren van het materiaalgedrag van het zand met de grond- en waterspanningen in het talud is een criterium gedefinieerd voor het berekenen van de metastabiele toestand.

Figuur 2.6 Metastabiliteit bij een talud in zand

Voorwaarden voor een verwekingsvloeiing

Voorwaarden voor metastabiliteit van een onderwater zandtalud zijn:

1. Het zand moet verwekinggevoelig zijn, dus voldoende los gepakt, over een bepaalde minimum laagdikte, die waarschijnlijk varieert van 2 tot 5m.
2. De taludgeometrie moet ongunstig zijn: helling voldoende steil en hoogte voldoende groot. Daarbij dient men zich te realiseren dat beide voorwaarden afhankelijk zijn van elkaar. Om een verwekingsvloeiing te krijgen moet de helling steiler zijn naarmate de verwekingsgevoeligheid minder is ofwel moet de verwekingsgevoeligheid groter zijn naarmate de helling flauwer is.
3. Voorwaarde voor het optreden van verweking, en daarmee een verwekingsvloeiing, is bovendien dat er sprake moet zijn van een inleidend mechanisme (“trigger”). Dat kan een flinke trilling zijn, bijvoorbeeld door een kleine aardbeving of door heien, de locale afschuiving van een kleilaagje, erosie waardoor een versteiling van het talud plaatsvindt of een plotselinge waterspiegeldaling.

Fasen van een verwekingsvloeiing

Bij een verwekingsvloeiing kunnen de volgende fasen onderscheiden worden:

1. Geleidelijke verandering van de spanningen als gevolg van erosie, aanzanding of anderszins zodanig dat het talud metastabiel wordt.
2. Sterke toename van de wateroverspanning in een groot deel van het talud ingeleid door een plotselinge kleine wijziging van de belasting (trilling, plotselinge waterspiegeldaling, afbrokkelen kleilaagje, et cetera). Daarbij treden kleine schuifvervormingen op met herverdeling van de spanningen tussen zandelementen met verschillende verwekinggevoeligheid. Tijdsduur: orde fractie van seconde.
3. Afstroming van overspannen water met verdere herverdeling van spanningen,
   verweking van bovenliggend zand, verdichting diepe lagen en wegvloeien van
   verweekte zandelementen. Tijdsduur: orde minuten.
4. Eventueel: ontstaan metastabiliteit in ander deel van het talud met verdere ontwikkeling vloeiing (zie ook paragraaf 2.2 bresvloeiing).