Achtergronden

In de klassieke grondmechanica worden stabiliteitsanalyses uitgevoerd uitgaande van volledig gedraineerd grondgedrag of volledig ongedraineerd grondgedrag. Hierbij wordt er rekening mee gehouden dat de grond altijd zal bezwijken bij de laagste mobiliseerbare schuifsterkte. Voor slecht doorlatende, licht overgeconsolideerde grondlagen worden de analyses uitgevoerd met ongedraineerde schuifsterkte-eigenschappen. Voor goed doorlatende grondlagen worden de stabiliteitsanalyses uitgevoerd met gedraineerde schuifsterkte-eigenschappen cohesie c' Effectieve cohesie [kN/m²] en hoek van inwendige wrijving φ' Hoek van inwendige wrijving [°]. Dit laatste geldt ook voor slecht doorlatende grondlagen die sterk overgeconsolideerd zijn, met name wanneer de belasting langer aanhoudt. Deze grondlagen zijn bij ongedraineerde omstandigheden relatief sterk, omdat bij afschuiven wateronderspanning ontstaat (dilatant gedrag). Bij de keuze tussen gedraineerde en ongedraineerde schuifsterkte-eigenschappen in relatie tot de doorlatendheid van de grond en gegeven het te analyseren probleem werden in de gangbare ingenieurspraktijk voorzichtige keuzes gemaakt.

Het werkelijke grondgedrag in het veld zal heel vaak niet volledig gedraineerd of niet volledig ongedraineerd zijn. De doorlatendheid van de grond en de mate van overconsolidatie en de snelheid van de belastingverandering spelen een rol bij de grootte van de waterspanning die wordt gegenereerd door de grond bij het optreden van een instabiliteit. Ook de snelheid waarmee een afschuiving zich voltrekt speelt hierbij een rol. Complicerend hierbij is dat bij instabiliteit van een talud lokaal bezwijken snel en dus ongedraineerd kan optreden, terwijl de vervorming (of vervormingssnelheid) van het talud nog gering is. De genoemde factoren kunnen in beschouwing worden genomen bij de keuze tussen een stabiliteitsanalyse op basis van gedraineerde schuifsterkte of ongedraineerde schuifsterkte. Op basis van de consolidatie-theorie kan een inschatting worden gemaakt van de mate van drainage gegeven de genoemde factoren en de invloed hiervan op de mobiliseerbare schuifsterkte. Ook op basis van numerieke analyses met rekenmodellen waarin sterkte, deformatie en stroming gekoppeld worden doorgerekend, kan de mate van drainage en het effect daarvan op de schuifsterkte worden gekwantificeerd.

Wanneer een talud instabiel wordt en een afschuiving van het talud optreedt, dan blijkt dit vaak een snel proces te zijn. Bij de proef bij de IJkdijk [Koelewijn, 2008] voltrok de afschuiving zich binnen een paar minuten (nadat de eerste deformatie visueel waarneembaar was). Bij de Bergambachtproef [Lindenberg, 2002] trad de grootste deformatie op binnen een uur. Bij de grote afschuiving bij Streefkerk [Dekker, 1986] in 1984 vond de grootste deformatie binnen ruim een dag plaats, waarna de deformatiesnelheid van het talud gedurende de volgende dagen langzaam afnam. Deze tijdsduur is kort in relatie tot de doorlatendheid van de grond op deze locaties. De ondergrond bij deze locaties bestaat uit relatief slecht doorlatende grondlagen, namelijk klei, organische klei en veen. Gezien de lage doorlatendheid van de grond in relatie tot de tijdsduur van een afschuiving kan hooguit gedeeltelijke dissipatie van de gegenereerde waterspanningen zijn opgetreden.

Gezien de lage doorlatendheid van de grond in relatie tot de tijdsduur van een afschuiving kan hooguit gedeeltelijke dissipatie van de gegenereerde waterspanningen zijn opgetreden. De rekenprocedure voor het beoordelen van het mechanisme afschuiven langs een diep glijvlak met ongedraineerde schuifsterkte is gevalideerd op basis van zeven opgetreden taludafschuivingen van dijken in Nederland [Van Duinen, 2010] en op basis van vier cases waar een hoge waterstand is overleefd [Van Duinen, 2013].

Het gaat onder andere om de hiervoor genoemde afschuivingen van de Lekdijk bij Streefkerk en de Wolpherensedijk bij Gorinchem en de stabiliteitsproeven bij Bergambacht en de IJkdijk. De terug-analyses van de bezweken taluds wijzen op een overschatting van de schuifsterkte van grond bij toepassing van de vroegere werkwijze met het Mohr-Coulomb model met gedraineerde schuifsterkte parameters. De mate waarin de schuifsterkte wordt overschat is gemiddeld een factor 1,4, maar kan oplopen tot een factor 2,0. De werkwijze met ongedraineerde schuifsterkte voor klei, organische klei en veen (voor zandlagen is de gedraineerde schuifsterkte toegepast) geeft een realistische terug-analyse van de opgetreden afschuivingen. Bij lage effectieve spanningen is de ongedraineerde schuifsterkte veelal wel hoger dan de schuifsterkte op basis van de gedraineerde schuifsterkte eigenschappen cohesie c' Effectieve cohesie [kN/m²] en hoek van inwendige wrijving φ' Hoek van inwendige wrijving [°].

De cases met de overleefde waterstanden zijn onder andere de Markermeerdijk met de storm van 1928, de Lekdijk bij Nieuw-Lekkerland met de storm van 1953 en de Lekdijk bij Bergambacht met de hoge waterstand van 1995. Op deze locaties bestaat de ondergrond uit relatief slecht doorlatende grondlagen als klei, organische klei en veen. Uitgaande van beste schattingen van de ongedraineerde schuifsterkte is de ongedraineerde schuifsterkte juist voldoende om de opgetreden hoge waterstanden te keren. Met de vroegere werkwijze met het Mohr-Coulomb model met gedraineerde schuifsterkte parameters ligt de schuifsterkte ook in deze analyses gemiddeld een factor 1,4 hoger. Op basis van de terug-analyses van de overleefde waterstanden kan worden gesteld, dat de werkwijze met ongedraineerde schuifsterkte een realistische benadering is van de mobiliseerbare schuifsterkte van klei, organische klei en veen.

Keuze voor een stabiliteitsanalyse van waterkeringen

Gegeven het hiervoor gegeven beeld dat een instabiliteit van een talud zich snel voltrekt in relatie tot de doorlatendheid van licht overgeconsolideerde klei, organische klei en veen en gezien de resultaten van de genoemde validatie-studies is de keuze voor ongedraineerde schuifsterkte eigenschappen op zijn plaats bij klei, organische klei en veen. Bij de analyse van het mechanisme afschuiven  bij hoog water wordt daarom voor licht overgeconsolideerde klei, organische klei en veen de ongedraineerde schuifsterkte toegepast in stabiliteitsanalyses. Voor alle hoogwaterbelastingen in het bovenrivierengebied, benedenrivierengebied, de meren en bij de kust en de estuaria geldt dat deze belastingen als kortdurend worden beschouwd in relatie tot de doorlatendheid van deze grondsoorten. Voor zand wordt de gedraineerde schuifsterkte toegepast.

Wanneer de doorlatendheid zich bevindt tussen die van klei en zand, zoals zandige klei en zand met kleilaagjes, is de keuze tussen ongedraineerde en gedraineerde schuifsterkte minder gemakkelijk. Ook in relatie tot de duur van een hoogwaterbelasting is de keuze niet voor de hand liggend. Het grondgedrag zal niet volledig ongedraineerd of volledig gedraineerd zijn. Dit hangt af van de hiervoor genoemde aspecten (doorlatendheid, belastingverandering, overconsolidatieratio). Een analyse met ongedraineerde schuifsterkte bij licht overgeconsolideerde grond leidt veelal tot lagere stabiliteitsfactoren dan een analyse met gedraineerde schuifsterkte. Daarom is voorzichtigheid nodig bij de aanname dat bezwijken van een talud niet optreedt onder ongedraineerde condities. Voor grondsoorten die hoofdzakelijk zandig zijn (schoon zand en zand met orde millimeters – centimeters dikke kleilaagjes) kan de gedraineerde schuifsterkte worden toegepast. Lokale gegevens over de samenstelling van de grondsoorten (mate van kleiigheid en dikte van kleilaagjes in zandlagen) zijn nodig om de keuze voor de gedraineerde schuifsterkte of de ongedraineerde schuifsterkte te kunnen maken.

Klei met veel silt en zand (in het bovenrivierengebied) en ook löss en keileem zijn een aandachtspunt. Keileem is zandige leem vermengd met door landijs aangevoerd gesteentegruis en eventueel stenen. Keileem is ook bij de aanleg van dijken toegepast. Löss is siltrijke leem. Deze grondsoorten liggen tussen zand en klei in wat de doorlatendheid betreft. Beide grondsoorten zijn beoordeeld als matig doorlatend en worden daarom met ongedraineerde schuifsterkte geanalyseerd. Keileem kan overigens ook sterk zandig zijn en heeft dan een goede doorlatendheid, waarvoor gedraineerd grondgedrag kan worden verwacht.

Deze materialen kunnen sterke dilatantie vertonen bij ongedraineerd afschuiven in triaxiaalproeven en kunnen daardoor een hoge ongedraineerde schuifsterkte mobiliseren, zie het artikel Ongedraineerde schuifsterkte van zware zandige siltige klei; ook bij normaal geconsolideerde condities. Uitgaan van de gedraineerde schuifsterkte geeft dan de laagste stabiliteitsfactor. Wanneer een afschuiving zich snel voltrekt in verhouding tot de doorlatendheid van deze materialen, is de schuifsterkte echter ongedraineerd. Dit zal zich voor kunnen doen in een situatie met een snelle belastingverandering bij hoogwater en ook in situaties waar licht overgeconsolideerde en slecht doorlatende holocene grondlagen zijn afgezet op sterk overgeconsolideerde pleistocene grondlagen. In dat geval wordt in het keileem een relatief hoge ongedraineerde schuifsterkte gemobiliseerd of het meest kritische schuifvlak zal niet door het keileem heen gaan als gevolg van deze relatief hoge schuifsterkte.

Potklei is dichte lutumrijke klei. Dit materiaal is slecht doorlatend en wordt daarom met ongedraineerde schuifsterkte beschouwd. Potklei kan echter ook sterk overgeconsolideerd (OCR Overconsolidatieratio [-] > 3 à 4) zijn. In het WBI-onderzoek is geen onderzoek gedaan naar de eigenschappen van löss en potklei.

Voor dijksmateriaal (antropogene klei) beneden het freatisch vlak wordt ook de ongedraineerde schuifsterkte toegepast. Het dijksmateriaal boven het freatisch vlak wordt beschouwd als (initieel) onverzadigde zone. De doorlatendheid van dit materiaal kan veelal als matig worden omschreven. Door de grote dichtheid (laag watergehalte) van dijksmateriaal vertoont dit materiaal dilatant gedrag, zie het artikel Ongedraineerde schuifsterkte van zware zandige siltige klei. De gedraineerde schuifsterkte is daardoor veelal lager dan de ongedraineerde schuifsterkte. Het toepassen van de gedraineerde schuifsterkte geeft dan de laagste stabiliteitsfactor. Wanneer een afschuiving zich snel voltrekt, is de schuifsterkte echter ongedraineerd. Wanneer het dijksmateriaal op licht overgeconsolideerde en slecht doorlatende grondlagen ligt, moet er van worden uitgegaan dat een afschuiving snel kan optreden. In dat geval wordt in het dijksmateriaal een relatief hoge ongedraineerde schuifsterkte gemobiliseerd.

Samenvatting

Samenvattend zijn de uitgangspunten voor de analyse van het mechanisme afschuiven langs een glijvlak bij alle belastingen door hoog water als volgt, waarbij in aanmerking moet worden genomen dat een schematiseringskeuze realistisch dient te zijn:

• Voor een potentiële afschuiving die zich snel kan voltrekken bij hoogwater condities, wordt voor slecht doorlatende grond de ongedraineerde schuifsterkte toegepast.
• Voor licht overgeconsolideerde klei, organische klei en veen (OCR Overconsolidatieratio [-] < 3) wordt de ongedraineerde schuifsterkte toegepast, omdat deze materialen slecht doorlatend zijn. Dit geldt ook voor dijksmateriaal (beneden het freatisch vlak), wanneer dit hoofdzakelijk kleiig is.
• Voor licht overgeconsolideerde grondsoorten (OCR Overconsolidatieratio [-] < 3) die hoofdzakelijk kleiig zijn (klei met zandlaagjes en zandige klei) wordt ook de ongedraineerde schuifsterkte toegepast, omdat voorzichtigheid nodig is bij de aanname dat bezwijken niet optreedt onder ongedraineerde condities.
• Voor grondsoorten die hoofdzakelijk zandig zijn (schoon zand en zand met dunne kleilaagjes) wordt de gedraineerde schuifsterkte toegepast. Dit geldt ook voor dijksmateriaal, wanneer dit hoofdzakelijk zandig is.
• Voor sterk overgeconsolideerde hoofdzakelijk kleiige grond (OCR Overconsolidatieratio [-] > 3 à 4) en sterk dilaterende grond (zware zandige siltige klei, löss, keileem, dijksmateriaal) wordt de ongedraineerde schuifsterkte toegepast, omdat er rekening mee moet worden gehouden dat de grond bij hoogwater condities relatief snel zal bezwijken gegeven de doorlatendheid van deze materialen.
• Wanneer een sterk overgeconsolideerde grond en sterk dilaterende grond (beiden slecht doorlatend) voor komt samen met licht overgeconsolideerde grond (slecht doorlatend) dan wordt voor de sterk overgeconsolideerde grondlaag of de sterk dilaterende grondlaag ook de ongedraineerde schuifsterkte toegepast, omdat een afschuiving zich snel zal voltrekken, waarbij ongedraineerd gedrag van toepassing is.

Boorbeschrijvingen, boorfoto's (met verkleuring van klei en scheurvorming) en volumegewichten geven informatie op basis waarvan de keuze voor gedraineerde schuifsterkte parameters of ongedraineerde schuifsterkte parameters kan worden gemaakt.

Van belang is te constateren dat sondeerresultaten als indicatie kunnen worden gebruikt om onderscheid te maken tussen goed doorlatende grondlagen en matig tot slecht doorlatende lagen. Het onderscheid tussen deze categorieën is niet scherp, er is altijd een grijs gebied dat engineering judgement vraagt van de gebruiker (al was het alleen al het interpreteren van de sonderingen). In het artikel Indicatie doorlatendheid uit waterspanningssonderingen wordt ingegaan op de parameters en criteria waarop een inschatting van de doorlatendheid kan worden gebaseerd.

In de Tabel in het artikel Hoek van inwendige wrijving zijn een aantal grondsoorten opgenomen die op basis van gedraineerde schuifsterkte worden gemodelleerd. Voor andere grondsoorten moet een onderbouwde keuze worden gemaakt voor de modellering op basis van gedraineerd, ongedraineerd of transitional gedrag. Dit kan op basis van uit sonderingen en proeven afgeleide parameters en classificatie.