Zoeken in deze site

Inhoudsopgave


Fenomenologische beschrijving heave

Stroming concentreert zich naar het uittredepunt voor situaties met een deklaag. Door concentratie van stroming naar het uittredepunt, neemt de gradiënt in het zand toe, en worden zandkorrels gefluïdiseerd. Door hoge verticale stroomsnelheden in het verticale kanaal worden korrels opgetild. Het gefluïdiseerde zand vult het verticale kanaal. Wanneer de stroomsnelheid hoog genoeg is kunnen de korrels worden getransporteerd naar het uittredepunt.

Hoe dikker en ondoorlatender de deklaag in het achterland, hoe meer concentratie van stroming. Als er meerdere opbarstgaten zijn neemt de concentratie van stroming af. De aanwezigheid van sloten parallel aan de kering, zeker als die in het watervoerend pakket insnijden doet de concentratie van stroming afnemen. Een kopsloot daarentegen zorgt juist voor concentratie van stroming, als het uitstroompunt inderdaad in de kop van deze sloot is. Bij een doorlatend achterland neemt de concentratie van stroming eveneens af, zeker wanneer het watervoerend pakket daarnaast ook anisotroop is waardoor water minder makkelijk naar boven stroomt. De aanwezigheid van opbarstlocaties en wellen beïnvloedt de waterspanningen en zo de concentratie van stroming die nodig is voor fluïdisatie.

Als heave optreedt in een continuüm van zand, is de effectieve spanning tussen de korrels nul, en is sprake van fluïdisatie (drijfzand). Dit kan bijvoorbeeld optreden achter heaveschermen of in bouwputten. Het kan ook optreden aan de onderzijde van een opbarstkanaal direct na het opbarsten , zie figuur 1.

De sterke toestroom van water naar het opbarstkanaal zorgt voor hoge stroomsnelheden in het zandpakket nabij het uittredepunt. Het opbarstkanaal vult zich met het gefluïdiseerde zand-watermengsel. Direct onder het gat geldt in dat geval dat de gradiënt van de grondwaterstroming gelijk is aan de kritische gradiënt. Uit grondwaterstromingsberekeningen blijkt dat de horizontale gradiënt eerder een kritieke waarde voor horizontale instabiliteit bereikt dan dat de verticale stromingsgradiënt de kritische gradiënt voor drijfzandvorming bereikt. Daarom is het waarschijnlijker dat de fluïdisatiezone zich horizontaal sneller uitbreidt dan verticaal.

Als de drukgradiënt over het opbarstkanaal voldoende hoog is, wordt het zand-watermengsel naar boven gestuwd en kan het zand zich afzetten op het maaiveld. Hierdoor ontstaat een holle ruimte in het zandpakket onder het opbarstkanaal; dit wordt ook wel een erosielens genoemd omdat deze min of meer cirkelvormig is. Als het zand niet verticaal getransporteerd wordt zal het doorbraakproces stoppen.

Wanneer de suspensie van korrels in het gat een evenwicht bereikt met de stroomsnelheid resulteert de suspensie in een drukval in de wel, waardoor de drukval over het watervoerende pakket afneemt. Bij hogere stroomsnelheden worden de korrels uit de wel weggespoeld. Als er niet meer zand geërodeerd wordt kan de wel ook alleen water meevoeren (‘kokende’ wel). De drukval in de wel is nagenoeg nul en draagt niet bij aan de drukval over het pakket.

Wanneer het zand erg grof is zijn korrels zwaarder en worden deze minder makkelijk getransporteerd, wat verdere erosie belemmert. Bij een situatie van een grof zand bovenop een fijn zand, zijn gradiënten in het grove zand mogelijk te laag om korrels te eroderen. Bij de omgekeerde situatie, een fijn zand boven een grof zand zullen gradiënten in het fijne zand juist hoog zijn en is verticaal transport makkelijker.

Er is geen gevalideerd model beschikbaar waarmee het ruimtelijk uitbreiden van de fluïdisatiezone in horizontale en verticale richting wordt beschreven. Dit is een complex proces omdat:

  • met de groei van de fluïdisatiezone ook de doorlatendheidseigenschappen van de grond in de fluïdisatiezone drastisch veranderen. De doorlatendheid van drijfzand is namelijk vele malen groter dan die van zand in vaste pakking. Door dit effect zal de drainagecapaciteit rond de erosielens aanzienlijk toenemen wat de lokale gradiënt van de stroming zal verlagen en remmend zal werken op het verticaal uitbreiden van de fluïdisatiezone;
  • de totaal spanning bij toenemende diepte onder de holte steeds minder wordt beïnvloed door de aanwezigheid van deze holte (erosielens) en steeds meer de spanning zal aannemen van de situatie zonder holte waarbij het deklaaggewicht vrijwel volledig doorwerkt.

Voor individuele korrels in het met water gevulde opbarstkanaal geldt dat ze verticaal getransporteerd kunnen worden als de sleepkracht door de stroming groter is dan het gewicht.

De concentratie van het zand-watermengsel in het opbarstkanaal is afhankelijk van de stroomsnelheid (dat afhankelijk is van de dichtheid van het zand-watermengsel en de afmetingen en vorm van het opbarstkanaal) en de valsnelheid van de korrel (wet van Stokes), zie [Robbins et al 2020].

Dit zand-watermengsel veroorzaakt een drukverschil over het opbarstkanaal, de grootte hiervan is zeer locatie-specifiek en hangt af van:

  • Debiet wanneer de stroomsnelheid klein is blijft er veel sediment in de zandmeevoerende wel en is er veel weerstand. In de tijd neemt de stroming naar de pipe toe, doordat de pipe groeit, hierdoor spoelt het sediment uit de wel en neemt de weerstand af.
  • Vorm/afmeting opbarstkanaal: bij een groot opbarstkanaal neemt de stroomsnelheid in de het opbarstkanaal af. Door de verlaagde stroomsnelheid drijft zand in suspensie in het opbarstkanaal, dit leidt tot extra weerstand. De vorm van het opbarstkanaal is afhankelijk van de manier waarop deze gevormd is (opbarsten/erosie/antropogeen) en de aanwezigheid van sloten.
  • Korrelgrootte: Bij grotere korrelgroottes neemt de weerstand in het opbarstkanaal toe

Uit proeven blijkt dat de weerstand in het opbarstkanaal varieert tussen 0,1D (0,1 keer de dikte van de deklaag) en 0,6D, in de Nederlandse praktijk wordt normaliter 0,3D toegepast (zie  Modelleren heave).

Diagram of a flow diagram Description automatically generated
Figuur 1 Ovalle-Villamil, W., & Sasanakul, I. (2021). Centrifuge modeling study of backward erosion piping with variable exit size. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 147(11), 04021114.
Afbeelding met natuur, grot, schermopname, grond Door AI gegenereerde inhoud is mogelijk onjuist.
Figuur 2 Water-zandmengsel bij IJkdijk-proeven [Van Beek, et al., 2010]

Literatuur

Terzaghi, K. [1922]. Der grundbruch an stauwerken und seine verhutung. Wasserkraft, 17:445–449.

Robbins e.a. [2020] Bryant A. Robbins, Isaac J. Stephens, Vera M. Van Beek, Andre R. Koelewijn, and Adam Bezuijen. Field measurements of sand boil hydraulics. Géotechnique 2020 70:2, 153-160

Van Beek, V.M., De Bruijn, H.T.J., Knoeff, J.G., Bezuijen, A., and Förster, U. [2010]. Levee failure due to piping: A full-scale experiment. In: 5th International Conference on Scour and Erosion (ICSE-5), pp. 283–292. ASCE, San Francisco, USA.

Versies