Hieronder worden de initiële mechanismen voor de stabiliteit van een asfaltbekleding op het buitentalud fenomenologisch beschreven. Deze mechanismen zijn fysische verschijnselen waarbij de asfaltbekleding tijdens omstandigheden ontoelaatbaar vervormt, zijn samenhang verliest en geen bescherming meer biedt tegen erosie van het dijklichaam.

De te beschouwen mechanismen zijn afhankelijk van het niveau van de buitenwaterstand en de freatische lijn en het niveau van de onderzijde van de asfaltbekleding. De volgende drie mechanismen worden onderscheiden:

• Bezwijken asfaltbekleding ten gevolge van golfklappen (AGK).
• Bezwijken asfaltbekleding door ontstaan S-profiel (ASP).
• Bezwijken asfaltbekleding ten gevolge van wateroverdrukken (AWO).

Stabiliteit asfaltbekleding buitentalud

Een asfaltbekleding op het buitentalud kan als gevolg van golfaanval bezwijken. Ook wateroverdukken kunnen tot bezwijken van de bekleding leiden. In dit artikel wordt alleen Hieronder wordt ingegaan op het bezwijken van de asfaltbekleding als gevolg van vermoeiing door golfklappen, het ontstaan van een S-profiel en wateroverdrukken. Er zijn enkele mechanismen die hier niet behandeld worden. Deze zijn onderstaand opgesomd.

1. Golfklappen oefenen een (geconcentreerde) belasting op de asfaltbekleding uit. Hierdoor ontstaan direct naast de belasting, schuifspanningen in het asfalt. Wanneer deze schuifspanningen de kritische schuifsterkte van het asfalt overschrijden kan de asfaltbekleding bezwijken. Het bezwijken van een asfaltbekleding ten gevolge van dwarskrachten kan eigenlijk alleen optreden bij asfaltbekledingen met een geringe dikte (kleiner dan 10 cm voor WAB op zand, of 15cm voor WAB op klei ). Omdat in Nederland altijd asfaltbekledingen met een grotere laagdikte wordt aangelegd, zal dit mechanisme tijdens extreme omstandigheden nooit maatgevend zijn en wordt deze hier niet beschouwd.
2. Zonder golfaanval kan er in geval van schade aan de asfaltbekleding onder dagelijkse omstandigheden materiaaltransport plaatsvinden. Dergelijke schades dienen te worden opgemerkt tijdens inspecties en tijdig hersteld te worden en deze wordt daarom niet verder beschouwd.
3. Door erosie zal de laagdikte van het asfalt en daarmee de weerstand tegen golfklappen afnemen. Erosie van het bekledingsoppervlak dient te worden opgemerkt tijdens inspecties en tijdig hersteld te worden en wordt daarom niet verder beschouwd. Merk op dat erosie van het bekledingsoppervlak vooral voor open steenasfalt (OSA) van toepassing is.

Bezwijken asfaltbekleding ten gevolge van golfklappen

Onder extreme omstandigheden kan een asfaltbekleding in de golfklapzone, aan de bovenzijde begrensd door de stilwaterlijn plus een kwart van de significante golfhoogte, worden belast door herhaalde golfklappen (brekende golven). Deze geven aanleiding tot herhaalde deformatie en dientengevolge trekspanningen aan de onderzijde van de bekleding, zie Figuur 1. Deze herhaalde trekspanningen leiden tot vermoeiing van het asfalt, zodat er bij een te zwakke bekleding trekscheuren aan de onderzijde van het asfalt ontstaan. Het ontstaan van scheuren wordt beschouwd als bezwijken van de asfaltbekleding. Onderliggende aanname bij de rekenregel is dat de ondergrond zich elastisch gedraagt en dient als verende ondersteuning van de bekleding. In de werkelijkheid vindt er ook lastenspreiding plaats in de ondergrond en kan deze ook plastisch vervormen als de belastingen te hoog zijn.

Figuur 1 Golfklappen op asfaltbekleding.

In geval van extreem zware golfaanval (significante golfhoogtes van ongeveer 3 meter of meer) of bij golfklappen op een verhoogde freatische lijn kan de ondergrond plastisch (blijvend) vervormen. Tot op zekere hoogte kan een asfaltbekleding vervormingen volgen, maar te grote vervorming leidt tot bezwijken van de asfaltbekleding. Omdat hierover op dit moment nog weinig bekend is kan de rekenregel die bij de analyse van dit mechanisme gebruikt wordt alleen veilig toegepast worden voor situaties waarbij de significante golfhoogtes kleiner zijn dan 3 meter en het niveau van de onderkant van de asfaltbekleding hoger ligt dan de (verwachte) grondwaterstand tijdens extreme omstandigheden. Voor significante golfhoogtes groter dan of gelijk aan 3 meter kan de rekenregel enkel toegepast worden indien op basis van een nadere beschouwing van de stabiliteit van de ondergrond is vastgesteld dat deze in staat is om de golfklappen op te vangen zonder plastisch te vervormen.

Bezwijken asfaltbekleding door ontstaan S-profiel

Wanneer onder extreme omstandigheden de grondwaterstand tot onder de asfaltbekleding reikt, zou een asfaltbekleding in de golfklapzone door vervorming van de ondergrond kunnen bezwijken. Deltagootproeven hebben aangetoond dat bij golfaanval in dezelfde zone er vervorming van de ondergrond kan optreden en er een S-profiel kan ontstaan. Als gevolg van golfklap veert de asfaltbekleding niet alleen in. De asfaltbekleding zal als gevolg van golfterugtrekking ook enigszins opbollen: omdat de druk aan de bovenzijde van het asfalt tijdens de golfterugtrekking wegvalt is er sprake van een opwaartse druk als gevolg van hydrostatische druk door de hoge freatische lijn. Door afstromend grondwater kunnen hierdoor gronddeeltjes onder de asfaltbekleding verplaatst worden. Als dit proces zich maar lang genoeg herhaalt, zal een S-profiel ontstaan, zie Figuur 2.

Figuur 2 Vorming S-profiel door combinatie van ontlasten door golfterugtrekking en belasten door golfklap.

Tot op zekere hoogte kan een asfaltbekleding vervormingen volgen, maar te grote vervorming leidt tot falen van de asfaltbekleding. Hierbij kan worden opgemerkt dat oudere asfaltbekledingen minder vervorming  aan kunnen, vanwege het meer brosse karakter en ook omdat er al wat scheurtjes in die oude bekleding zijn ontstaan ten gevolge van de klimatologische omstandigheden

Bezwijken asfaltbekleding ten gevolge wateroverdrukken

Wanneer onder extreme omstandigheden de grondwaterstand tot onder de asfaltbekleding reikt, zou de asfaltbekleding als gevolg van wateroverdrukken kunnen bezwijken. Bij het optreden van een hoge buitenwaterstand zal de freatische lijn in het dijklichaam stijgen door het grote stijghoogteverschil tussen de buitenwaterstand en de grondwaterstand in het dijklichaam. Bij een snelle val van de hoge buitenwaterstand kan, omdat de grondwaterstand vertraagd volgt, de asfaltbekleding worden belast door een opwaartse druk (zie Figuur 3). Het gaat bij dit mechanisme dus om de statische wateroverdruk die wordt veroorzaakt door het niveauverschil tussen de grondwaterstand onder de bekleding en de buitenwaterstand die de belasting levert op de bekleding. Deze zal enkel optreden in het geval van een slecht waterdoorlatende bekleding, zoals bij klei of waterbouwasfaltbeton het geval is.

Figuur 3 Wateroverdruk onder de bekleding.

Wanneer de opwaartse druk van het water groter is dan de component loodrecht op het talud (het eigen gewicht van de asfaltbekleding inclusief eventuele slecht doorlatende funderings- en/of kleilaag), zal de bekleding plaatselijk worden opgelicht. In de ruimte die tussen de bekledingen en de ondergrond ontstaat, zal zich vervolgens materiaal ophopen dat wordt verplaatst door het grondwater dat onder de bekleding naar beneden wegstroomt. Hierdoor kan de bekleding niet meer naar zijn oorspronkelijke positie terugkeren. Dit wordt beschouwd als bezwijken van de asfaltbekleding.

Overzicht van het faaltraject stabiliteit asfaltbekleding op het buitentalud

Een voorbeeld van een faalpad voor het falen van de dijk als gevolg van instabiliteit van een asfaltbekleding op het buitentalud is weergegeven in Figuur 4.

@ Figuur 4, Faalpad tot falen dijk als gevolg van golfklap, ontstaan S-profiel en wateroverdrukken, nog te vervaardigen.

Bij de initiële mechanismen AGK, ASP en AWO wordt respectievelijk scheurinitiatie, het ontstaan van een S-profiel en het oplichten van de bekleding aangemerkt als bezwijken van de asfaltbekleding.

In geval van AGK kan het asfalt bij aanhoudende golfklappen zodanig deformeren dat scheuren doorgroeien naar de bovenzijde van het asfalt. Het laatste stuk van de asfaltdoorsnede, de trekzone, zal waarschijnlijk doorscheuren als gevolg van dwarskracht. De ontstane doorgaande scheur kan als gevolg van een beperkte afschuiving open gaan staan. Hierdoor kan materiaal uit de onderlaag en/of het dijklichaam uitspoelen. De snelheid van dit proces is afhankelijk van het materiaal van de onderlaag en/of het dijklichaam. Zo zal zand sneller uitspoelen dan bijvoorbeeld een fundering van granulair materiaal of klei. Door deze uitspoeling wordt het asfalt ondermijnd. Uiteindelijk zal het asfalt instorten. Hierdoor ontstaan er grote(re) gaten in de bekleding en vindt, omdat het asfalt nauwelijks meer bescherming biedt tegen erosie door de golven, verdere erosie van de onderlaag en/of het dijklichaam plaats. Pas als het dijkprofiel 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 het dijklichaam. Omdat een asfaltbekleding meestal direct op zand is aangelegd, wordt er meestal van uitgegaan dat kort na het bezwijken van de asfaltbekleding aanzienlijke gevolgschade optreedt. 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.

In geval van ASP zullen er, wanneer de asfaltbekleding het S-profiel als gevolg van doorgaande vervorming van de ondergrond niet meer kan volgen, gaten in de toplaag ontstaan en kan verdere erosie van de onderlaag en/of het dijklichaam uiteindelijk tot falen van de dijk leiden.

Ook in geval van AWO kunnen zich bij golfaanval op de opgelichte bekleding scheuren ontwikkelen over de gehele dikte van de asfaltbekleding. Door deze scheuren kan uitspoeling van materiaal uit de onderlaag en/of het dijklichaam plaatsvinden en wordt het asfalt ondermijnd. Uiteindelijk kunnen gaten in de toplaag ontstaan en kan verdere erosie van de onderlaag en/of het dijklichaam leiden tot falen van de dijk. Merk op dat dit mechanisme voor dijken in watersystemen zonder getij waarschijnlijk pas bij een eerstvolgende storm tot falen van de dijk kan leiden. Voor watersystemen met getij zou dit mechanisme ook tijdens één stormevent tot falen van de dijk kunnen leiden.

Behalve door bezwijken van de toplaag zelf kan de bekleding op het buitentalud ook beschadigd worden door andere mechanismen zoals ‘macro-instabiliteit buitenwaarts’. 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.