Hieronder worden de initiële mechanismen voor de stabiliteit van een steenzetting op het buitentalud fenomenologisch beschreven. Vijf mechanismen worden  beschreven:

• Toplaaginstabiliteit onder golfaanval. Hierbij wordt een zetsteen uit de steenzetting gelicht door golven die inslaan op het talud (ZTG)
• Toplaaginstabiliteit door langsstroming. Hierbij wordt een zetsteen uit de steenzetting gelicht ten gevolge van sterke stroming langs een dijk.  (ZTS).
• Afschuiving als gevolg van vervorming van de ondergrond door golven die op de steenzetting slaan en een S-profiel genereren (ZAF)
• Materiaaltransport vanuit de ondergrond getriggerd door een waterbeweging in de filter zodanig is dat het onderliggende materiaal (klei of zand) gaat eroderen en uitspoelt. Hierdoor verzakt de toplaag en verliest deze zijn samenhang. (ZMO)
• Materiaaltransport vanuit de granulaire laag waarbij korrels van het filters uitspoelen door de gaten in de toplaag. Hierdoor verzakt deze en verliest zijn samenhang (ZMG)

Het erosieproces dat betrekking heeft op de onderlagen (de granulaire laag (filter) en een eventuele aanwezig(e) geotextiel en/of kleilaag), wordt aangeduid met ‘Erosie van de onderlagen’ en als onderdeel van de vervolgprocessen beschouwd. Dit is geen vervolgproces als grote golfbelasting leidt tot een lokale afschuiving waarbij de kern bloot komt te liggen.

Stabiliteit steenzetting buitentalud

Instabiliteit van een steenzetting op het buitentalud kan optreden als gevolg van golfbelasting (golfneerloop, golfklap en golfoploop). Ook stroming langs de dijk kan tot instabiliteit van de steenzetting leiden.

Toplaaginstabiliteit onder golfaanval

Brekende golven op een taludbekleding van gezette steen geven een zware belasting, vooral net onder de waterlijn. Op het moment waarop de golf zich maximaal heeft teruggetrokken (golfneerloop) is er sprake van een muur van water op het talud in zone A, zie Figuur 1. Dit levert een hoge druk op het talud. In zone B is de druk laag.

De hoge druk op het talud wordt doorgegeven aan de granulaire laag (filter) onder de toplaag en komt ook onder de toplaag in zone A. Tegelijkertijd is er sprake van een verhoogde freatische lijn in het filter vanwaar water door het filter naar beneden en naar buiten stroomt. Waar zone A op zone B aansluit ontstaat er daardoor een opwaarts drukverschil over de toplaag die de neiging heeft om zetstenen uit de bekleding te drukken. Deze situatie houdt in elke golf circa 0,2 tot 0,7 seconde aan en dat kan voldoende zijn om de zetstenen stukje bij beetje uit de toplaag te drukken, of ineens helemaal tijdens een grote golf.

Figuur 1 Golfneerloop leidt tot drukverschil over toplaag.

Dit mechanisme treedt op bij steenzettingen met een relatief kleine doorlatendheid van de toplaag en grote doorlatendheid van het filter. De meeste moderne steenzettingen hebben een zodanig grote doorlatendheid dat het moment van de golfklap maatgevend wordt. Dat moment is weergegeven in Figuur 2.

De golfklap geeft een kortdurende (circa 0,1 à 0,3 seconde) zeer hoge druk op het talud. Deze hoge druk is slechts in een smalle strook op het talud aanwezig en wordt via het filter doorgegeven aan de zones ernaast, waar een opwaarts drukverschil ontstaat. Daar kunnen zetstenen uit de bekleding gedrukt worden. Het principe van deze belasting is verder hetzelfde als die tijdens de golfneerloop.

Figuur 2 Druktransmissie vanaf golfklap door het filter, leidend tot een opwaarts stijghoogteverschil.

De mate waarin bovenstaande processen leiden tot een drukverschil over de toplaag is afhankelijk van de doorlatendheid van toplaag en de onderliggende granulaire laag (filter). Wanneer het filter relatief doorlatend is en de toplaag relatief ondoorlatend, dan is dat ongunstig voor de stabiliteit van steenzetting: bij dezelfde golfcondities wordt het drukverschil over de toplaag groot. De verhouding in doorlatendheden, gecombineerd met de dikte van de toplaag en het filter, wordt gekarakteriseerd door de zogenaamde leklengte. Een goed ontworpen steenzetting heeft een lage doorlatendheid van het filter, waardoor de druktransmissie wordt verminderd, en een hoge doorlatendheid van de toplaag. Dat laatste zorgt ervoor dat de verhoogde druk onder de toplaag gemakkelijk weg kan vloeien. De leklengte van een dergelijke constructie is relatief kort.

Omdat de leklengte afhankelijk is van de eigenschappen van de toplaag en het filter, kan dit aspect ook bij de sterkte gerekend worden. Doorgaans wordt het drukverschil echter meer gerelateerd aan de belasting.

Boven de waterlijn is de belasting van de steenzetting veel minder dan er net onder. De grootte van de belasting wordt steeds minder naarmate we verder boven de stilwaterlijn komen en is gereduceerd tot nul ter hoogte van het golfoploopniveau. De belasting wordt veroorzaakt door verdwaalde zwakke golfklappen, het drukfront van het golfoploopfront en hoge stroomsnelheden. Ook hier speelt de leklengte een rol ten aanzien van de grootte van de drukverschillen over de toplaag.

Statische verschildruk door een hogere freatische lijn onder de toplaag dan de buitenwaterstand levert zelden een belangrijke belasting op. Dit kan alleen spelen bij een ingegoten steenzetting die waterdicht is ingegoten tot en met een waterdichte teenconstructie. Dit laatste komt vrijwel niet voor.

De sterkte van de steenzetting wordt bepaald door het eigen gewicht van de toplaag per vierkante meter en de interactie tussen de zetstenen. Voor het eigen gewicht per m² geldt dat de open ruimte tussen de zetstenen niet meetelt, ook al zijn ze gevuld met steenslag, en gaat het dus primair om de toplaagdikte en dichtheid van het materiaal waar de zetstenen van gemaakt zijn.

De interactie tussen de stenen kan aanwezig zijn door:

• Wrijving tussen losse zetstenen.
• Klemming (door normaalkracht in het vlak van de zetting, verder versterkt bij vervorming van het taludoppervlak).
• Interlocking, bijvoorbeeld door een hol-en-dol verbinding tussen de zetstenen (messing en groef).
• Kabels door de blokken of een verbinding via het onderliggende geotextiel bij blokkenmatten.
• Asfaltmastiek of beton in de spleten tussen de zetstenen.

Klemming is in moderne steenzettingen een belangrijk aspect van de sterkte. Het speelt bij steenzettingen met inwasmateriaal in de spleten, zodat de afzonderlijke zetstenen goed contact met elkaar maken. Door de bovenliggende rijen ontstaat er een normaalkracht in het vlak van de steenzetting die zorgt dat de zetstenen stijf tegen elkaar gedrukt worden. Hierdoor kan de steenzetting zowel dwarskrachten als buigende momenten opnemen. Zodra de steenzetting als gevolg van verschildrukken iets wordt opgelicht, zorgt de interactie tussen de zetstenen ervoor dat de normaalkracht en daardoor ook de klemming toeneemt.

Voor steenzettingen bestaande uit rechthoekige betonblokken zonder inwasmateriaal mag niet op klemming worden gerekend. In een dergelijke steenzetting zit een paar procent van de zetstenen volledig los tussen de andere zetstenen en kunnen individuele blokken dus uit de steenzetting gelicht worden door de verschildrukken.

Toplaaginstabiliteit door langsstroming

In bijzondere gevallen kan het zijn dat de golfbelasting slechts zeer gering is, terwijl er wel een sterke stroming langs de dijk mogelijk is. In een dergelijk geval kan de stromingsbelasting maatgevend zijn. Dit kan het geval zijn bij bijvoorbeeld een schaardijk langs een rivier. Uitstekende stenen, maar ook ter plaatse van overgangs- en, aansluitingsconstructies of knikken in het talud, kunnen leiden tot een verhoogde verschildruk over de toplaag, zie Figuur 3. De stroomsnelheid botst tegen de uitstekende steen en dat leidt tot een plaatselijke hoge stuwdruk. Deze wordt doorgegeven naar het filter onder de toplaag. Tegelijk gaat het water over de uitstekende zetsteen, constructies en/of knikken met gekromde stroomlijnen. Dat geeft een zuiging (verlaagde druk) boven de zetsteen.

Figuur 3 Een verhoogde verschildruk over de toplaag door stroomsnelheden.

Afschuiving

Golfbelasting kan niet alleen leiden tot bezwijken van de steenzetting, maar in bijzondere omstandigheden ook tot bezwijken van de ondergrond onder die steenzetting, zie ook Figuur 4.

Figuur 4 Afschuiving bij proefvak bij Lelystad met blokkenmatten op zand (met tevens migratie van zand onder de mat naar beneden als gevolg van matbewegingen.

De golfbelasting zorgt voor een wisselde waterdruk in de ondergrond. Dit is vooral mogelijk als er geen kleilaag aanwezig is of als deze relatief dun is. De wisselende waterdrukken in het (onder de klei aanwezige) zand in combinatie met de golfbelasting kan leiden tot opdrijven van de bekleding en verweking van het zand. Hierdoor kan het zand zich gaan verplaatsen, wat leidt tot vervorming van het talud. Elke grote golf kan wat extra vervorming opleveren, waardoor na verloop van tijd een S-profiel (zoals geschetst in Figuur 5) of een andere taluddeformatie ontstaat, met als ultiem gevolg dat de toplaag zijn samenhang verliest.

Figuur 5 Gemodelleerde weergave van de vervorming tot een S-profiel.

Materiaaltransport vanuit de ondergrond

De ondergrond onder de steenzetting wordt doorgaans beschermd door een geotextiel. Dit zorgt ervoor dat het zand of de klei eronder niet door de waterbeweging gaat uitspoelen. Het uitspoelen kan leiden tot ontoelaatbare vervormingen waardoor de toplaag van gezette steen zijn samenhang verliest.

Vroeger werden in plaats van een geotextiel vaak vlijlagen op de klei gebruikt (minstens een dubbele laag) of een granulair filter op zand. Het principe van het mechanisme is dan echter hetzelfde.

Figuur 6 Verhang langs het grensvlak (omhoog en omlaag gericht).

De belasting wordt veroorzaakt door de golven die een waterbeweging op het klei- of zandoppervlak veroorzaken. De sterkte is gerelateerd aan de verhouding tussen de korrels van het zand (of klei) en de openingen in het geotextiel (of vlijlagen/ granulaire filter).

De belasting op het grensvlak tussen het filter en de ondergrond wordt gekarakteriseerd door het verhang over dit grensvlak. De sterkte wordt bepaald door de verhouding tussen de grootte van de korrels van de onderliggende laag en de openingen in het geotextiel (of vlijlagen, of in granulaire laag). Er is instabiliteit als de korrels worden opgepikt en door de stroming in het filter worden afgevoerd. Het verhang waarbij dit net wel / net niet gebeurd,  wordt het kritieke verhang genoemd. Het gaat hierbij steeds om het verhang evenwijdig aan de toplaag. Omdat het kritieke verhang bij een (evenwijdig aan het talud) omhoog gerichte stroming in het filter groter is dan bij een omlaag gerichte stroming langs het grensvlak, worden beide verhangen beschouwd. Voor het kritieke verhang bij een omhoog gerichte stroming is de belasting omhoog gericht. Voor de omlaag gerichte stroming is de belasting juist omlaag gericht.

De sterkte wordt beïnvloed door het al dan niet aanwezig zijn van een geotextiel. Als er een geotextiel dan zijn de karakteristieke openingen in het geotextiel de meest bepalende factor. Als er geen geotextiel is, dan wordt de sterkte bepaald door de verhouding tussen de korrelgrootte van de ondergrond en in het erboven liggende filter.

Als de belasting de sterkte overtreft, zal de ondergrond gaan uitspoelen. Dat leidt uiteindelijk tot het verzakken van de steenzetting, waardoor deze uit het verband raakt en samenhang verliest.

Materiaaltransport vanuit de granulaire laag

Zoals beschreven bij ‘Toplaagstabiliteit onder golfaanval’ is het voor de stabiliteit gunstig om de toplaag doorlatend te maken door middel van spleten en gaten. De openingen in de toplaag mogen echter niet te groot worden, omdat dan uitspoeling van granulair materiaal uit de uitvullaag of het filter kan optreden.

De golven zorgen voor een waterbeweging op de toplaag en een stroming van water door de toplaag naar buiten tijdens golfneerloop. Dit kan ertoe leiden dat granulair materiaal uit de uitvullaag of het filter gaat uitspoelen, tenzij de geometrie van de openingen zodanig is dat dit niet gebeurd. Dit laatste is afhankelijk van de breedte en diepte van de gaten en spleten in verhouding tot de korrelgrootte van het onderliggende materiaal.

Overzicht van het faaltraject stabiliteit steenzetting op het buitentalud

Een voorbeeld van een faalpad voor het falen van de dijk als gevolg van instabiliteit van een steenzetting op het buitentalud is weergegeven in Figuur 7.

Figuur 7 Faalpad tot falen dijk als gevolg van instabiliteit van de steenzetting op het buitentalud.

Het mechanisme ‘Toplaaginstabiliteit onder golfaanval’ is vaak het bepalende mechanisme voor het ontstaan van een gat in de toplaag. Wanneer onder golfaanval één of meerdere stenen uit de steenzetting worden gelicht kan de hieronder aanwezige granulaire laag (filter) door het gat uitspoelen en wordt de steenzetting (verder) ondermijnd. Hierdoor groeit het gat en kan verdere erosie van de onderlagen plaatsvinden.

Ook door materiaaltransport vanuit de ondergrond en/of granulaire laag kan de toplaag verzakken en zijn samenhang verliezen. Beide mechanismen kunnen na enige tijd leiden tot een gat in de toplaag dat door verdere uitspoeling van het filter zal groeien.

Nadat er een gat in de onderlaag is ontstaan, vindt erosie van de dijkkern plaats. Wanneer een grote belasting leidt tot een lokale afschuiving dan wordt verondersteld dat direct erosie van de dijkkern plaatsvindt. Pas als de dijkkern zodanig is geërodeerd dat de resulterende kruinhoogte tot onder de actuele waterstand is gezakt, is sprake van een dijkdoorbraak en faalt de dijk. Merk op dat na falen van de toplaag alleen een bres kan ontstaan als de duur van de hydraulische belasting tijdens extreme omstandigheden langer is dan de erosieduur van de onderlagen en/ of dijkkern. Het is echter ook mogelijk dat gedurende het erosieproces een ander mechanisme optreedt. Zo kan door het steeds smaller wordende profiel het binnentalud van de dijk eerder instabiel worden door een toename van waterspanningen in de dijk of overslaande golven.

Als gevolg van langsstroming kan ook een gat in de toplaag ontstaan. Hoewel voor bresvorming hierbij ook eerst erosie van onderlagen en dijkkern moet plaatsvinden, zal in vergelijking met erosie door golven de schadeontwikkeling bij erosie door stroming mogelijk anders verlopen.

Behalve door bezwijken van de toplaag zelf kan de bekleding op het buitentalud ook beschadigd worden andere mechanismen zoals buitenwaartse afschuiving. Bij een dergelijk mechanisme beschadigt de bekleding zodanig dat de steenzetting faalt en het dijklichaam niet meer (afdoende) beschermt wordt tegen erosie door golven/stroming.