Indien in de ondergrond slappe lagen van enige dikte voorkomen, moet rekening worden gehouden met wateroverspanningen die ontstaan door het aanbrengen van een grondophoging. Dit is van belang voor het bepalen van de stabiliteit van de dijk tijdens de uitvoering en om na te gaan of het ontwerp realiseerbaar is.

De eindsituatie, zijnde 100% consolidatie, wordt pas lange tijd na de uitvoering van een werk bereikt. Dus gedurende een langere periode heeft de waterkering een lagere stabiliteit.

Algemeen

Naast beoordeling van een dijkversterkingsontwerp voor de volledig geconsolideerde eindsituatie, moet ook de stabiliteit gedurende de uitvoering en de aansluitende periode worden vastgesteld. Dat is om twee redenen van belang. Ten eerste moet de veiligheid tegen dijkdoorbraak als gevolg van instabiliteit gedurende de uitvoeringsfase en de eerste winter na gereedkomen voldoende gewaarborgd zijn. Ten tweede moet het beoogde ontwerp ook technisch realiseerbaar zijn. Om het eindresultaat op een veilige manier te kunnen realiseren kunnen stabiliteitsverhogende maatregelen noodzakelijk zijn. De volgende paragraaf, Maatregelen ter verbetering van de stabiliteit tijdens de uitvoering, geeft een opsomming van verschillende mogelijkheden. In de rest van het huidige artikel wordt achtereenvolgens ingegaan op de belastingen waarmee tijdens de uitvoering rekening moet worden gehouden, stabiliteit van de bouwfase, al dan niet onderverdeelt in diverse ophoogslagen met het daarbij behorende tempo van ophogen.

De rekenmodellen voor de stabiliteitsanalyse van de uitvoering zijn geen andere dan die voor het ontwerp van de eindsituatie, zie het artikel Rekenmodellen voor afschuiven.

Maatregelen ter verbetering van de stabiliteit tijdens de uitvoering

Als een ophoging niet in één keer kan worden aangebracht zonder verlies van stabiliteit, zijn maatregelen nodig. Mogelijkheden zijn:

• De ophoging in fasen aanbrengen, met een consolidatieperiode tussen de fasen.
• Verticale drains aanbrengen om het consolidatieproces te versnellen.
• Een grondverbetering toepassen.
• De stabiliteit verbeteren met geotextielen of geogrids.
• Ophogen met licht materiaal.
• In uitzonderingsgevallen, de beoogde geometrie aanpassen, door bijvoorbeeld grotere bermen of flauwere taluds te realiseren.

De berekeningsmethodiek krijgt aandacht onder de kop Bepalen van de uitvoeringsfasering.

Het artikel Grondverbetering voor dijkversterking behandelt bijzondere uitvoeringswijzen, zoals grondstabilisatie, lichte ophoogmaterialen en de toepassing van geokunststoffen.

Informatie over de toepassing van verticale drainage is te vinden in het artikel Consolidatie met drainageconstructies en vacuüm consolidatie.

Belastingen tijdens de uitvoering

Net als voor het ontwerp van de eindsituatie moet een stabiliteitsanalyse van de uitvoering rekening houden met een combinatie van belastingen. Afgezien van belasting door bouwverkeer, zijn de belangrijkste belastingen voor de bouwfasen de belasting door de waterstanden en de water(over)spanningen veroorzaakt door het eigengewicht van de ophoging.

Belasting door de buitenwaterstand

Als een hoge buitenwaterstand een rol speelt bij de stabiliteit, dan moet worden gerekend met extreme waterstanden. Voor werkzaamheden in de zomerperiode is daarbij de hoogwaterstatistiek voor de zomerperiode relevant. Voor zee- en meerdijken is hierover enige informatie opgenomen in de Leidraad Zee- en Meerdijken. Meer informatie en informatie over waterstanden  is te verkrijgen op de websites Rijkswaterstaat waterdata en Rijkswaterstaat waterinfo. T.z.t. link naar artikel Waterstanden zomerseizoen.

Als praktische waarde werd een waterstand aanbevolen die 0,50 m lager ligt dan de laagste bestaande kruinhoogte in het dijktraject aan het begin van de versterkingsronde, rekening houdend met het daarbij optredende rivierverhang.

Bij zee- en meerdijken kan een waterstand worden aangehouden die ongeveer gelijk is aan de kruinhoogte, verminderd met de waakhoogte die volgens het ontwerp nodig is.

De vertaling van waterstand(sverloop)en naar een in rekening te brengen waterspanning(sverloop) voor de uitvoering is niet wezenlijk anders dan voor de uiteindelijke eindsituatie, met uitzondering dat een waterspanning(sverloop) voor de uitvoering moet worden aangevuld met de wateroverspanning als gevolg van het eigengewicht van de ophoging, zie de volgende paragraaf.

Belasting door wateroverspanningen als gevolg van het eigengewicht van de ophoging

Naast waterspanningen gegenereerd door hoge buitenwaterstanden spelen wateroverspanningen ten gevolge van het eigengewicht van de ophoogslagen een essentiële rol.

Ten gevolge van eerdere dijkverhogingen kunnen nog initiële wateroverspanningen aanwezig zijn. Die kunnen worden aangetoond met waterspanningsmetingen. Zie ook het artikel Uitvoeringsbegeleiding dijkverbetering. Dergelijke wateroverspanningen zijn van invloed op sterkte van de dijk.

Berekenen van wateroverspanning door toename van eigen gewicht

Wateroverspanningen in de uitvoeringsfase hebben in eerste instantie weinig met de geohydrologische beschrijving te maken. Wel vormt de geohydrologische beschrijving het ‘uitgangspunt’, waarop de wateroverspanningen ten gevolge van ophoogwerkzaamheden worden gesuperponeerd. Bij het aanbrengen van ophogingen voor aanleg of versterking van grondconstructies wordt de sterkteafname in eerste instantie vooral bepaald door de toename van de waterspanningen. In principe nemen door het consolidatieproces de wateroverspanningen mettertijd af, met als gevolg een toename van de effectieve spanningen ofwel de sterkte. Toch kunnen de waterspanningen evenzo in de tijd toenemen, bijvoorbeeld door een oplopende buitenwaterstand, door extreme neerslag of door vervormingen, met name in grondconstructies op zeer slappe ondergronden.

Vaak, bijvoorbeeld in het benedenrivierengebied, is de initiële sterkte onvoldoende om de totale aanvulling te dragen. Een gefaseerde uitvoering is in die gevallen de eerst aangewezen oplossing: de dijk wordt in stappen opgehoogd, waardoor de wateroverspanningen per stap beperkt zijn en tussen de stappen voldoende tijd krijgen om (deels) te dissiperen. Een gefaseerde uitvoering zorgt ervoor dat de effectieve spanningen in de ondergrond geleidelijk toenemen en daarmee de sterkte.

De stabiliteit tijdens de verschillende uitvoeringsstadia begrenst het uitvoeringstempo. Voor de verschillende uitvoeringsstadia moet daartoe de grootte van de wateroverspanningen en de consolidatiesnelheid worden berekend.

Is op basis van de geometrie en de grondeigenschappen te verwachten dat de schuifvervormingen beperkt zullen blijven, dan kan de toename van de waterspanningen worden voorspeld op grond van de elasticiteitstheorie. Het consolidatieverloop kan dan globaal worden berekend met de eendimensionale consolidatietheorie van Terzaghi.

Zijn de schuifvervormingen daarentegen groot, wat te verwachten is bij een lage stabiliteitsfactor, dan zijn de wateroverspanningen groter dan op basis van de elasticiteitstheorie wordt voorspeld. Dit is een gevolg van de plasticiteit en de contractie (zie het artikel Constitutieve modellen voor grond). De grootte van de wateroverspanningen kan in dat geval worden voorspeld met behulp van een elementenmodel gebaseerd op een elasto-plastisch grondmodel, zoals het Soft Soil Creep Model.

Tweedimensionale consolidatie

Wordt het consolidatiegedrag van de grond in sterke mate beïnvloed door horizontale deformatie en/of horizontale afstroming van het overspannen grondwater, dan is een tweedimensionale beschouwing gewenst. Dit is het geval bij anisotrope veenlagen (zie het artikel Anisotropie) waar de horizontale doorlatendheid, als gevolg van het vervormingsproces een veelvoud van de verticale waarde kan zijn.

Een tweedimensionale consolidatieberekening kan eveneens gewenst zijn als de breedte van de ophoging relatief klein is ten opzichte van de dikte van het samendrukbare pakket. In dat geval treedt namelijk zowel spanningsspreiding op in de ondergrond alsmede tweedimensionale stroming van het poriënwater.

Met behulp van een eindige-elementenmethode kan het tweedimensionale consolidatiegedrag worden berekend. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de basisvergelijkingen die door Biot zijn opgesteld.

Ten gevolge van kruipverschijnselen kan de voorspelde consolidatiesnelheid tegenvallen: de wateroverspanningen blijven hoog. Deze effecten kunnen worden berekend met EEM op basis van het Soft Soil Creep Model. Indien de berekende wateroverspanningen kritiek zijn voor de stabiliteit tijdens de uitvoering van het werk, dan is het wenselijk de wateroverspanningen tijdens de uitvoering te meten met elektrische waterspanningsmeters. De werkelijke waterspanningen kunnen namelijk sterk afwijken van de berekende. Onzekerheden in de laagopbouw, het rekenmodel en de waterdoorlatendheid zijn daarvan de voornaamste oorzaken.

Het kan gewenst zijn de rekenresultaten gedurende de uitvoering bij te stellen, om te voorkomen dat de uitvoering onnodig lang duurt of dat de risico’s ongewenst hoog oplopen.

Squeezing

Onder invloed van een belasting op het maaiveld kan een slappe laag, direct of dicht onder het maaiveld, worden weggeperst. Dit verschijnsel, dat ook wel het ijswafeleffect wordt genoemd, is algemeen bekend als zijdelings wegpersen of ‘squeezing’. Tijdens de uitvoering van dijkversterkingwerkzaamheden kan dit van belang zijn. Squeezing wordt veroorzaakt doordat lokaal en in relatief korte tijd wateroverspanningen ontstaan in een weinig draagkrachtige laag, waardoor de schuifspanning de aanwezige schuifsterkte overschrijdt.

Voor de berekeningsmethode ‘IJsseldijk’ wordt verwezen naar par. 5.9.6 van CUR-publicatie 162 [CUR, 2022].

Bepalen van de uitvoeringsfasering

De algemene gang van zaken bij het bepalen van de uitvoeringsfasering is als volgt:

1. Bereken bij welk consolidatiepercentage de geplande totale ophoging een voldoende hoge evenwichtsfactor heeft.
2. Nadat de hydrodynamische periode is berekend, kan worden vastgesteld hoe lang de uitvoeringsduur is om de totale ophoging te realiseren.
3. Als de onder 2 berekende uitvoeringsduur te lang blijkt te zijn, wordt nagegaan wat het effect is van verticale drainage.
4. Binnen de gevonden totale uitvoeringsduur wordt nagegaan hoe de verschillende fasen in de tijd zo effectief mogelijk kunnen worden verdeeld.

Ad 1: De evenwichtsfactor van de totale ophoging wordt berekend bij een aantal consolidatiepercentages, bijvoorbeeld 30, 60 en 90%. Interpolatie naar de vereiste evenwichtsfactor levert het benodigde consolidatiepercentage, bijvoorbeeld 50%.

Ad 2: Uit berekeningen of uit grondmechanische handboeken kan worden afgeleid hoe lang het duurt (een gedeelte van de hydrodynamische periode) om het benodigde consolidatiepercentage te bereiken. Bijvoorbeeld 50% aanpassing wordt bereikt na 10% van de duur van de hydrodynamische periode.

Ad 3: Is het volgens de berekening niet mogelijk het werk in de beschikbare periode te realiseren, dan kunnen verticale drains de oplossing bieden. Daarbij wordt indien nodig een kleinere hart op hart afstand geaccepteerd dan volgens het gebruikelijke stramien. Voor de berekening van het effect van verticale drainages is inzicht nodig in de horizontale k-waarde (doorlatendheid). Bijna altijd worden kunststofdrains toegepast.

De uitvoeringsstabiliteit is slechts in uitzonderingsgevallen reden om het ontwerp van de eindsituatie dijkgeometrie te wijzigen. Wijzigingen in het ontwerp kunnen bestaan uit het maken van hogere of bredere bermen of het toepassen van lichter ophoogmateriaal. Indien een uitvoering in grond op te grote bezwaren stuit in verband met de bouwtijd dan kan het ontwerp worden aangepast door het toepassen van alternatieve materialen of constructies, zie de opsomming onder Maatregelen ter verbetering van de stabiliteit tijdens de uitvoering.

Ad 4: Op basis van berekeningen wordt vastgesteld welk aanpassingspercentage vereist is om de diverse fasen van het werk te maken met in acht name van de vereiste veiligheid. Vervolgens kan het gevonden aanpassingspercentage worden vertaald in uitvoeringsduur respectievelijk wachttijden. De berekende aanpassingen worden meestal als gemiddelde waarden over het gehele pakket ingevoerd. Beter is, en dat gebeurt in gevallen waarbij optimalisering nodig is, de aanpassing als functie van de afstand tot de doorlatende randen in te voeren (zie Deformaties en zettingen).

Eisen aan uitvoeringsperiode gelet op de uitvoeringsduur

Een belangrijk gegeven, dat volgt uit de berekening van de stabiliteit tijdens de uitvoering en de te volgen uitvoeringsmethodiek, is de tijdsduur die in beslag wordt genomen door de bouw. Hierbij dient te worden bedacht dat in het winterseizoen, waarin de kans op extreme hydraulische belastingen maximaal is, geen of slechts zeer beperkt werkzaamheden kunnen worden uitgevoerd. In het laatste jaar van de uitvoering dient tijd te worden gereserveerd voor de afwerking.

Bij buitenwaartse versterking van zeedijken, zeker als die in zand worden uitgevoerd, is het bijna altijd een eis dat het werk in één seizoen gereed komt. Voor het stormseizoen begint, dient een verdedigd dijklichaam aanwezig te zijn. De relatief korte uitvoeringsduur kunnen maatregelen nodig maken om de stabiliteit tijdens de uitvoering te verhogen.

In sommige gevallen kan vooruitlopend op het eigenlijke werk een voorbelasting worden aangebracht.