Stabiliteit van gesloten bekledingen - Ontwerpberekeningen

1. 1. De stabiliteit van gesloten bekledingen kan in gevaar komen wanneer de grondwater­ stand in het dijklichaam hoog is ten opzichte van de buitenwaterstand.

      De belangrijkste oorzaken van relatiefhoge grondwaterstanden in rivierdijken zijn een snelle daling van de rivierwaterstand na een hoogwater, en de infiltratie van smelt-, regen- of perswater.

      Door het verschil tussen grondwaterstand en buitenwaterstand ontstaan onder gesloten

      bekledingen wateroverdrukken.

      De grootte van deze overdrukken wordt bepaald door het niveauverschil tussen het grondwater en de buitenwaterstand, de geometrie van het dijklichaam, de gesteldheid van de grond, en het al of niet stationaire karakter van de grondwaterstroming. Inhomo­ geniteiten in de ondergrond, bijvoorbeeld slib- of kleilaagjes in een zandpakket, en anisotropie hebben invloed op de overdruk, en bemoeilijken de bepaling ervan. In de volgende paragrafen wordt ingegaan op de globale bepaling van de wateroverdruk, de stabiliteitscriteria en de aan te houden veiligheidsfactoren. Meer informatie is te vin­ den in lit. 11.

      1. Berekening van de maximale overdruk

         De grondwaterdruk die zich onder een gesloten bekleding ontwikkelt, kan bepaald wor­ den met behulp van een grondwaterstromingsmodel (hoofdstuk 10).

         Het volgende is bedoeld om inzicht te geven in de invloed van verscqillende factoren op

         de maximale wateroverdruk Pmax tegen de onderzijde van een gesloten bekleding.

         In de meest eenvoudige benadering wordt er vanuit gegaan, dat een hoogteverschil h tussen de freatische lijn in de dijk en de buitenwaterstand een driehoekig verloop ver­ oorzaakt van de overdruk tegen de onderzijde van de bekleding (figuur 11.24). De maximale overdruk treedt in deze benadering op ter hoogte van de buitenwater­ stand.

         Voor de maximale overdruk Pmax geldt:

         

         Volgens deze formule is de grootte van de maximale overdruk onafhankelijk van de taludhelling. Uit onderzoek echter blijkt dat de taludhelling we! van invloed is op de maximale wateroverdruk. Beschouwt men een stationaire stroming bij een

         143

         

         figuur 11.24

         constante horizontale aanvoer van grondwater, en een niet-stationaire stroming, onder de aanname dat het freatisch vlak zich evenwijdig verplaatst, dan blijkt ter plaatse van

         de buitenwaterstand te gelden (voor h/H <0,8 a 0,85):

         

• In figuur 11.25 zijn de drie formules vergeleken.

  

  figuur 11.25

  In het geval van stationaire stroming blijken de overdrukken dlis aanzienlijk groter te zijn dan in het geval van een dalend freatisch vlak. In werkelijkheid zullen de overdruk­ ken tussen deze beide extreme situaties in liggen. Een driehoekig drukverloop geeft veelal een redelijke benadering. Voor situaties met constante aanvoer van grond­ water en bij grotere waarden voor h/H geeft het driehoekig drukverloop echter te !age waarden voor Pmax·

  1. 1. 1. Grenstoestanqen afschuiven en opdrijven

           Bij de stabiliteitsbeschouwing wordt bezien of de bekleding, onder invloed van de wateroverdrukken, voldoende veilig is tegen afschuiven of opdrijven.

           De krachten die op een mootje van de bekleding - met dikte den eenheidsbreedte - werken, zijn aangegeven in figuur 11.26.

           

           figu ur 11.26

           

           Op het moment dat ergens de gewichtscomponent Tevenwijdig aan het talud nogjuist evenwicht maakt met de wrijvingsweerstand W, wordt de grenstoestand afschuiven bereikt.

           145

           Om de kans hierop tot een aanvaardbaar niveau terug te brengen, moet bij de ontwerp­ waarden voor materiaaleigenschappen, waterdrukken en geometrie (hoofdstuk 6 en par. 11.3.3) voldaan zijn aan:

           

           met:

           y n = schadefactor

           Yd= factor voor modelonzekerheden

           Indien de wateroverdruk na het bereiken van de grenstoestand afschuiven verder toe­ neemt gaat op die plaats de bekleding steunen op het lager gelegen dee! en hangen aan het hoger gelegen dee!; daar is de overdruk lager, en de schuifweerstand nog we! vol­ doende. Door herverdeling van spanningen zal er een nieuw evenwicht in de construc­ tie ontstaan.

           Neemt de overdruk nog meer toe, dan zal plaatselijk een situatie ontstaan waarin de schuifweerstand geheel is opgeheven. Dan wordt de grenstoestand opdrijven bereikt. De bekleding kan nu bij een nog hogere druk plaatselijk opgelicht worden, waardoor er schuif- en buigspanningen in ontstaan.

           Ter voorkoming van de grenstoestand opdrijven moet gelden:

           

           Bij plaatselijk opdrijven van de bekleding kan het onderliggende materiaal zich ver­ plaatsen, waardoor de constructie van vorm verandert. Dit kan de inleiding tot bezwij­ ken zijn.

        2. Belastinggevallen en partiele veiligheidsfactoren

           Bij de ontwerpberekening van een gesloten dijkbekleding ten aanzien van overdruk verdient het aanbeveling de mogelijke belastingsituaties te bezien in relatie tot de frequentie waarmee ze voorkomen. Op deze wijze kan tot een afgewogen ontwerp ge­ komen worden, waarbij de bekleding ook op de lange duur bij normale omstandigheden geen schade door vervormingen oploopt, en bij extreme omstandigheden nogjuist zon­ der bezwijken haar beschermende invloed kan uitoefenen. Duidelijk zal zijn dat ook de materiaaleigenschappen van de bekleding hierbij een rol spelen, met name plastische of elastische eigenschappen (vergelijk asfalt en beton).

           - Plastisch vervormende bekledingen dienen voor regelmatig voorkomende overdruk­ ken ontworpen te worden op de grenstoestand afschuiven.

           Gezien de onzekerheden in de schuifweerstand in bet scheidingsvlak tussen bekle­ ding en dijk verdient het aanbeveling hierbij een modelonzekerheidsfactor yd= 1,1te gebruiken. Als schadefactor kan Yn= 1,1 genomen worden.

           146

Bij starre bekledingsconstructies, zoals betonplaten, behoeft niet gerekend te wor­ den met de grenstoestand afschuiven ter plaatse van de maximaal optredende over­ druk. Men kan dan volstaan met het evenwicht van de plaat als geheel, waarbij de eventuele steun van de teenopsluiting niet in rekening gebracht mag worden. Aanbe­ volen wordt ook hier te rekenen met een modelonzekerheidsfactor Yd= 1,1 en een schadefactor Yn = 1,1.

Bij minder vaak voorkomende, grotere overdrukken kan een tijdelijk niet voldoen aan de grenstoestand afschuiven wel acceptabel zijn, mits de materiaaleigenschap­ pen van de bekleding de hierbij optredende spanningen toelaten.

Maatgevend kan dan de grenstoestand opdrijven zijn, waarbij een modelonzeker­ heidsfactor Yd= 1,0 en een schadefactor Yn= 1,1 gebruikt kan worden.