Opdrukken is een vorm van hydraulische grondbreuk waarbij de wateroverspanning in de watervoerende laag de cohesieve afdekkende laag oplicht. In dit artikel gaat in op de verschillende verschijningsvormen van opdrukken die kunnen optreden en hoe dat het mechanisme afschuiven langs een diep glijvlak kan beïnvloeden. Het artikel Rekenen aan afschuiven bij opdrukken achterland beschrijft hoe rekening te houden met het fenomeen opdrukken bij het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts.

Inleiding

In de standaard beschrijving van afschuiven is er sprake van een glijcirkel in de actieve zone die naadloos overgaat in een glijcirkel in de passieve zone. Dat is een situatie waarbij de vorm van het glijvlak niet direct wordt beïnvloed door de watervoerende laag onder de dijk.

Veel dijken in Nederland zijn aangelegd op een relatief ondoorlatende pakket van klei- en/of veenlagen. Dit relatief ondoorlatende pakket, de deklaag, ligt op zijn beurt op een relatief doorlatende zandafzetting, de watervoerende zandlaag. Specifiek als er in het achterland sprake is van een niet al te dik pakket ondoorlatende lagen (de deklaag) op de watervoerende zandlaag, dan kan er bij extreem hoogwater sprake zijn van opdrukken van het achterland. De bezwijkvorm kan dan in de passieve zone wezenlijk afwijken van een glijcirkel die naadloos aansluit op de glijcirkel in de actieve zone.

Fenomeen opdrukken

Als de buitenwaterstand stijgt, leidt dit tot een stroming van het buitenwater naar de watervoerende zandlaag. Dat kan enerzijds direct als de bodem van de rivier is ingesneden tot in de zandlaag, maar het kan ook doordat het water infiltreert door de deklaag op het voorland of vooroever.

Per saldo ontstaat er bij hoogwater een stroming door de watervoerende zandlaag onder de dijk door, waardoor de waterdruk onder en direct achter de dijk oploopt. Als die waterdruk direct achter de dijk zodanig hoog oploopt dat deze gelijk is aan het eigengewicht van de erop rustende zandlagen, dan treedt er hydraulische grondbreuk op: het grondwater gaat de cohesieve deklaag optillen. De druk op het grensvlak van watervoerende zandlaag en de deklaag is dan gelijk aan de zogenaamde grenspotentiaal (ϕ_g Grenspotentiaal, de stijghoogte aan de bovenzijde van de zandlaag waarbij opdrukken optreedt  [m t.o.v. NAP] [m tov NAP). Er is sprake van opdrukken van het achterland. Omdat de waterdruk in de zandlaag direct achter de dijk evenwicht maakt met het gewicht van de deklaag, kan de waterdruk daar niet hoger oplopen, zie Figuur 1. Zolang de deklaag ondanks de vervormingen die optreden door het opdrukken, in tact blijft, spreekt men van opdrijven van de deklaag.

Naarmate de buitenwaterstand verder oploopt, stroomt er meer water toe naar het punt direct achter de dijk waar de grenspotentiaal al is bereikt. Als de toestroming groter is dan de kwel door de deklaag achter de dijk dan zal de zone waarover het achterland opdrijft groter worden tot er wel evenwicht ontstaat tussen de hoeveelheid water die via de zandlaag toestroomt naar de opdrijfzone en de kwel door de deklaag boven de opdrijfzone.

Als de deklaag echter relatief dun is, kan opdrukken mogelijk de samenhang in de deklaag aantasten, zie Figuur 3. Dat fenomeen wordt aangeduid als opbarsten. In dat geval kan het water via schade aan de deklaag naar het maaiveld uittreden. Die schade aan de deklaag kan leiden tot lagere waterspanningen in de watervoerende zandlaag waardoor er geen zone met opdrukken meer aanwezig zal zijn. Die lagere waterspanningen komen de dijkstabiliteit ten goede. De schade aan de deklaag zou echter in ongunstige omstandigheden de sterkte van de deklaag kunnen reduceren, hetgeen de dijkstabiliteit vermindert.

Het door de deklaag uitstromende water kan ook gronddeeltjes meevoeren. Aldus kan het mechanisme piping worden geïnitieerd door opbarsten.

Opbarsten treedt op bij relatief geringe dikte van het slappe lagenpakket.

Recent zijn nieuwe inzichten opgedaan betreffende het fenomeen opdrukken. Zie hiervoor het handelingsperspectief van het Praktijkonderzoek Opbarsten bij Dijken

Interactie tussen opdrijven en afschuiven

De nu volgende beschrijving heeft betrekking op de situatie waarbij er sprake is van opdrukken, waarbij de deklaag niet opbarst.

Opdrijven van het achterland kan bij rivierdijken onder extreme omstandigheden (ontwerp of beoordeling) - maar soms ook bij lagere waterstanden - op veel plaatsen optreden, vooral in het benedenrivierengebied. Uit observaties van bezwijkgevallen (bijvoorbeeld Streefkerk-Midden) en eindige elementen berekeningen wordt aangenomen dat bij opdrukken een bezwijkmechanisme optreedt wat vooral in de passieve zone afwijkt van de standaard binnenwaartse taludafschuiving [Van Hoven en Van, 2000]. Bij laag water, voordat er sprake is van opdrukken, is de situatie nog stabiel. Maar de schuifweerstand is over een groot deel van de actieve zone al gemobiliseerd. In de passieve zone is nog geen of nauwelijks sprake van enige plasticiteit. De kracht die de potentieel afschuivende grondmoot op de passieve zone uitoefent, maakt evenwicht met de schuifspanningen tussen deklaag en onderliggend zandpakket.

Het zandpakket onder de dijk en het achterland staat veelal min of meer rechtstreeks in contact met het buitenwater. De stijghoogte in het zandpakket is dus afhankelijk van de buitenwaterstand. Bij stijgende buitenwaterstand loopt de waterspanning in het zandpakket dan ook op. Daardoor daalt de korrelspanning op de grens van dek- en zandlaag: de maximaal mobiliseerbare schuifweerstand op dit grensvlak neemt af. Als de waterspanning in de zandlaag zodanig oploopt dat er sprake is van opdrukken van de deklaag, dan gaat de schuifweerstand zelfs volledig verloren. Er ontstaat bij opdrijven een dunne waterlaag tussen de zand- en de deklaag. Omdat de waterlaag geen schuifspanningen kan overdragen, kan de kracht afkomstig van de potentieel afschuivende grondmoot ter plaatse van de opdrukzone niet worden overgedragen via schuifspanningen op het zand. De krachten moeten zich herverdelen, rekening houdend met de nieuwe randvoorwaarden voor het evenwicht.

Volgens de schematisatie gebeurt het volgende. Eerst wordt aan de actieve zijde alle resterende schuifweerstand aangesproken. Hierbij treden nog slechts relatief kleine vervormingen op. Zodra de potentieel afschuivende grondmoot in de actieve zone geen evenwicht meer kan vinden, wordt de passieve zone belast met een horizontale kracht. Maar als de deklaag in de passieve zone is opgedreven, dan kan deze de kracht niet meer direct op het zand overbrengen. De opgedreven deklaag moet als drukstaaf fungeren. Een drukstaaf die de horizontale kracht naar een meer polderwaarts gelegen gebied overdraagt. Er zijn dan twee mogelijkheden.

In het eerste geval ontstaat er aan het einde van de drukstaaf alsnog een glijvlak dat loopt naar het maaiveld achter de dijk. Een deel van het glijvlak in de passieve zone loopt dus horizontaal langs het scheidingsvlak van slappe lagen en zandpakket. Het glijvlak komt op een zwakke plek van de deklaag, bijvoorbeeld ter plaatse van een sloot, aan het maaiveld, zie Figuur 4.

In het tweede geval lijkt alleen de actieve zone te bezwijken. De kracht in de drukstaaf leidt er namelijk toe dat de drukstaaf vervormt. Als deze vervormingen over een aanzienlijke lengte optreden, leidt dat tot dusdanig grote verplaatsingen van de binnenteen van de dijk dat er in de actieve zone van de dijk feitelijk sprake is van een afschuiving, zie Figuur 5.

Bij oplopende waterspanningen onder de dijk kan de dijk dus afschuiven door het verlies van krachtenevenwicht, of door te grote vervormingen in het opgedreven achterland. In het tweede geval loopt het glijvlak dood in het scheidingsvlak van dek- en zandlaag, alleen de actieve zone is bezweken. Het artikel Methode LiftVan, rekenmodel afschuiven langs diep glijvlak behandelt het rekenmodel dat speciaal voor deze situatie is ontwikkeld.

Bij opdrijven blijft de deklaag een gesloten dek vormen: de deklaag bolt mogelijk iets op en drijft dan op een bel water die zich vormt op het grensvlak van de watervoerende laag en de deklaag.

Opbarsten

Als de deklaag relatief dun is, kan opdrukken onder ongunstige omstandigheden leiden tot scheuren in de deklaag waardoor grondwater naar het maaiveld stroomt. Van een opdrukzone is dan nauwelijks meer sprake. Door de scheuren in de deklaag in het achterland zou de passieve zone minder weerstand kunnen leveren bij een binnenwaartse afschuiving.

In het algemeen wordt aangenomen dat als de dikte van de deklaag kleiner is dan 4 m, dat opdrukken dan resulteert in opbarsten zie Figuur 3.

De sterkte in de passieve zone wordt voor opdrijven en opbarsten anders aangenomen. Het artikel Rekenen aan afschuiven bij opdrukken achterland gaat daar nader op in.

Faaltraject binnenwaarts afschuiven geïnitieerd door opdrukken

Opdrukken van de deklaag is een bijzonder initiërend mechanisme van het mechanisme afschuiven langs een glijvlak binnenwaarts. De verschijnselen in de actieve zone zijn dezelfde als beschreven voor het afschuiven langs een diep glijvlak zonder opdrukken. Er ontstaat eerst een scheur in de lengterichting van de dijk. Het intredepunt van de afschuiving kan zowel in de kruin als op het binnen- en buitentalud liggen. In het achterland kan opdrukken leiden tot het wat omhoogkomen van het maaiveld in een zone aansluitend aan de teen van de dijk.

Flinke hoeveelheden opwellend grondwater wijzen op opbarsten. Als er sprake is van opdrijven kan er aan het einde van de opdrijfzone het maaiveld lokaal omhoog komen, het uittreden van het schuifvlak in de passieve zone. Het is echter ook mogelijk dat de vervormingen zich beperken tot een geleidelijke rijzing van het maaiveld als gevolg van samendrukking van de opdrijfzone. De teen van de dijk verschuift daarbij wel duidelijk landinwaarts.

Na de feitelijke binnenwaartse afschuiving kunnen dezelfde vervolgmechanismen optreden.