Benodigde schematiseringen voor analyses van de taludstabiliteit - Grondmechanische schematiseringen

1. Inleiding

   De (in dit TRGS beschouwde) benodigde schematiseringen voor een stabiliteits- analyse zijn:

   1. Schematisering van de opbouw van de dijk en de ondergrond.

   2. Schematisering van de waterspanningen in de onderkende grondeenheden.

   Doorgaans zijn waterspanningen in en onder de dijk het effect van zaken die zich in de omgeving van de dijk afspelen. Bijvoorbeeld, respons op rivierwaterstanden, op grondwaterpeilbeheer en neerslag, maar ook verkeersbelasting op de dijk. Voor het schematiseren van waterspanningen voor een stabiliteitsanalyse is het daarom nodig de (geohydrologische) systeemwerking en de erbij behorende geohydrologische parameters van de dijk, de ondergrond en de omgeving te kennen.

   Ruwweg gezegd moet deze schematisering één (of meer) afbeelding(en) opleveren, zoals de in figuur 2.1 getekende dwarsdoorsnede van de dijk, die representatief is (zijn) voor de op macrostabiliteit te onderzoeken dijkstrekking.

   De schematisering(en) vormt (vormen) de invoer voor het rekenmodel of de reken- modellen waarmee de stabiliteitsanalyses worden uitgevoerd. De keuze van het rekenmodel is afhankelijk van verschillende factoren. Voor het controleren van de veiligheid tegen ‘ondiepe’ afschuivingen wordt in de praktijk doorgaans het glij- cirkel evenwichtsmodel volgens Bishop2gebruikt. In de situatie die in figuur 2.1 is geschetst (tussenzandlaag niet in contact met de rivier) is dit een goede keuze.

   Staat de tussenzandlaag wel in contact met de rivier, dan bestaat de kans dat bij hoge rivierstand de binnendijkse deklaag (rechts van de dijk in figuur 2.1) opdrijft. Daardoor kan een diepere,langgerekte afschuiving, dus niet cirkelvormig, maat- gevend zijn. In dat geval zal de voorkeur gegeven worden aan het gebruik een rekenmodel dat speciaal voor zulke situaties is ontwikkeld3. Wanneer ook vervor- mingen berekend moeten worden, dan is een numeriek rekenmodel gebaseerd op vervormingen en evenwicht4aangewezen. Voor alle drie is echter een schematisering van grondlagen en waterspanningen, zoals aangegeven in figuur 2.1, vereist. Wel kunnen voor verschillende berekeningsmodellen verschillende typen van grond- eigenschappen binnen de onderscheiden grondlagen nodig zijn. Voor een nadere beschrijving van de rekenmodellen en de hiervoor benodigde grondparameters wordt verwezen naar het TRWG [3].

   

2. 1. 1. Figuur 2.1 Schematisering van de opbouw van een dijk en de ondergrond voor de controle op macro-instabiliteit

      2. Globale werkwijze bij schematiseren

         kans

         In deze paragraaf worden verschillende stappen beschreven die doorlopen moeten worden om te komen tot schematiseringen van een of meer representatieve dwars- profielen van de dijk in een beschouwde dijkstrekking. Deze stappen zijn:

         1 karakterisering van de ondergrondopbouw in de omgeving van de dijk 2 geohydrologische karakterisering

         1. geotechnische schematisering

         2. keuze maatgevende dwarsprofielen

         Deze stappen worden nu beschreven:

         1 Karakterisering van de ondergrondopbouw in de omgeving van de dijk:

         Deze karakterisering dient om inzicht te krijgen in de voorkomens van grondlagen en (onder)grondopbouw- typen die relevant zijn voor de verschillende potentiële faal- of bezwijkmechanismen van de dijk. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de aanwezig- heid van zandbanen, kleilenzen, grindbanken enz. Deze verschijnselen kunnen locaal van aard zijn en zo beperkt van omvang dat ze bij ‘normaal’ grondonderzoek

         dijkmateriaal

         stijghoogten grondwater

         in de directe omgeving van de dijk (bijvoorbeeld sonderingen om de 100 meter) niet worden opgemerkt. Deze karakterisering verschaft handvatten om, ook wanneer dit niet uit het ‘normale’ grondonderzoek bij de dijk zelf blijkt, met de mogelijke aanwezigheid ervan toch rekening te houden bij de schematisering van de dijk en de directe ondergrond.

         slappe klei

         Verder dient deze karakterisering om een beeld te krijgen van de geohydrologische systematiek in de ondergrond. Van belang hierbij is dat onderkend wordt welke factoren in de omgeving van de dijk invloed kunnen hebben op de voor de stabiliteit relevante waterspanningsopbouw in en om de dijk. Denk hierbij aan respons van grondwaterstanden en grondwaterspanningen op de buitenwaterstand en peil- beheer binnendijks, maar bijvoorbeeld ook aan zaken in de omgeving als zand- winning (binnendijks), grondwateronttrekking, afgravingen in het voorland, enz.

         1. Bijvoorbeeld de optie Bishop in het programma MSTAB

         2. Bijvoorbeeld de optie LiftVan in het programma MSTAB

         3. Bijvoorbeeld het programma PLAXIS

         Het resultaat van deze schematiseringstap is dat een (globaal) beeld wordt verkregen van de bodemopbouw in de omgeving van de dijk en geohydrologische systeem- kenmerken. Precieze ligging, dikte en eigenschappen van grondlagen of grond- pakketten zijn nog niet van belang, die komen in de volgende stappen aan de orde.

         De informatie die hierbij gebruikt wordt kan divers van aard zijn. Als al grondonder- zoek ter plaatse van de dijk beschikbaar is kan dit een aanvulling zijn die detaillering toevoegt aan gebiedservaring of kennis van de geologie van het gebied.

         Gegevensbestanden met boringen en/of sonderingen in de omgeving (DINO- data- base [7]) zijn onmisbare informatiebronnen voor het globale beeld van de onder- grondopbouw. Gebiedservaring en/of kennis van de geologie van het gebied zijn ook richtinggevend bij het vaststellen van de mogelijke aanwezigheid van locale verschijnselen of structuren in de ondergrond in de directe omgeving van de dijk, die van belang kunnen zijn. Hiermee kan dan bij het opzetten van het grondonder- zoek rekening gehouden worden.

         Mogelijk is de uitkomst niet een (min of meer) eenduidige karakterisering, maar zijn er door ontbrekende informatie meerdere (essentieel verschillende) mogelijkheden. Deze moeten meegenomen worden bij de verdere schematiseringstappen.

         1. Geohydrologische karakterisering:

            Op basis van de geïdentificeerde geohydrologische systeemkenmerken in de vorige stap moet de geohydrologische schematisering verder worden opgetuigd. Veelal gaat het om waterspanningen in zandlagen onder de dijk die bij de binnenteen voor opdrijven of opbarsten zouden kunnen zorgen. Maar ook om het verloop van waterspanningen (verticaal) over klei- en veen pakketten en/of stijghoogtes in het dijklichaam, voor zover die via grondwaterstroming door de ondergrond ontstaan.

            De geohydrologische karakterisering is een schematisering van lagen die water- voerend zijn (zandlagen) en slecht doorlatende pakketten (klei en veenlagen). Van de watervoerende lagen moet aangegeven worden hoe die in verbinding (kunnen) staan met oppervlaktewater waarvan invloed op het waterspanningsbeeld in de dijk en de omgeving ervan uitgaat. Daarbij moet uiteraard rekening worden gehouden met de 3D configuratie van de lagen. In de slecht doorlatende lagen wordt in de regel geen horizontale grondwaterstroming verondersteld, wel mogelijk verticale grondwaterstroming door potentiaalverschillen tussen watervoerende lagen boven en onder de slecht doorlatende laag. Doel van de geohydrologische schematisering is primair het in beeld brengen van de mogelijke invloed van (veranderingen van) open waterpeilen en grondwaterpeilen in de omgeving op de ontwikkeling van water- spanningen in en nabij de dijk. Op basis van de geohydrologische schematisering kunnen rekenmodellen voor grondwaterstroming worden gekozen om de water- spanningen in de ontwerp- of toetssituatie te berekenen of aan de hand van metingen te schatten (bijvoorbeeld extrapolatie van een meting van de getijderespons).

            De benodigde mate van detail van de schematisering is afhankelijk van de rekenmodellen die men wil toepassen. Detailinformatie wordt ontleend aan:

            boringen en sonderingen (voor het classificeren en schatten van de dikte van grondlagen),

            eventueel waterspanning responsmetingen in de zandlagen, om te verifiëren of en in welke mater deze communiceren met oppervlaktewater

            soms waterspanningsmetingen in slecht doorlatende lagen.

            Net als voor de globale karakterisering van de ondergrondopbouw geldt dat de geo- hydrologische karakterisering in de lengterichting van de dijk variabel kan zijn. Verder geldt ook dat de beschikbare informatie niet toereikend kan zijn om tot een eenduidig geohydrologische karakterisering te komen. Met additioneel grondonderzoek (bij- voorbeeld metingen van waterspanningen) kan dan geprobeerd worden wel een eenduidig(er) beeld te verkrijgen. Maar ook dan kunnen verschillende mogelijkheden overblijven. Die moeten worden meegenomen in het verdere schematiseringproces.

            In het Technisch Rapport Waterspanningen bij Dijken (TRWD [8]) zijn rekenmodellen voor grondwaterstroming in dijken en ondergrond in detail beschrevenen. Daarin worden naast recepten voor eenvoudige schematiseringen van waterspanningen in en onder de dijk, ook geohydrologische rekenmodellen aangedragen.

         2. Geotechnische schematisering:

         Op het schaalniveau van de dijk en de voor de stabiliteitsanalyses relevante directe ondergrond moeten de ruwe schematiseringen die uit stap 1) en 2) komen verder worden gedetailleerd. Dit noemen we de geotechnische schematisering. Hieronder verstaan we een min of meer driedimensionaal beeld van het verloop van grondlagen (in de diepte, in de richting loodrecht op de dijk en in de lengterichting ervan). Meer gedetailleerde informatie over ligging en dikte van de grondlagen is hierbij wel van belang, omdat de stabiliteitsanalyses daar gevoelig voor zijn. Verder moet aan de hand van de geohydrologische karakterisering een beeld worden afgeleid van de binnen die grondlagen heersende waterspanningen. Idealiter moet het op grond van deze schematisering mogelijk zijn op elke locatie in de lengterichting van de (beschouwde strekking van de) dijk een dwarsprofiel te genereren van dijk en onder- grond. Hierin zijn grondlagen en/of andere grondeenheden, en hierin optredende waterspanningen onder toetscondities vastgelegd.

         De opbouw van dijk en ondergrond in deze schematiseringstap moet worden ontleend aan grondonderzoek. De basis hiervoor zijn boringen en sonderingen verdeeld over de lengterichting van de dijk. Aan de hand van de geïnterpreteerde boringen en sonderingen wordt een eerste beeld van de aanwezigheid van verschillende grondlagen en het verloop ervan in de lengterichting van de dijk geconstrueerd.

         Van de in stap 1 geïdentificeerde in het gebied aanwezige geologische structuren van beperkte afmeting, zoals zandbanen of kleilenzen, moet worden nagegaan of deze ook in de gedetailleerder geotechnische schematisering direct bij de dijk een rol kunnen spelen. De mogelijkheid bestaat, bijvoorbeeld, dat zandbanen of kleilen- zen in de ondergrond nabij de dijk aanwezig kunnen zijn, gezien het voorkomen in de omgeving, maar dat die niet aan het licht gekomen zijn bij het grondonderzoek.

         In figuur 2.2 is, ter illustratie, de kans weergegeven dat bij sonderingen een in de ondergrond aanwezige lens met slap bodemmateriaal niet wordt opgemerkt, als functie van de afstand tussen de sondeerpunten in een raai in de lengterichting van de dijk. Hierbij is uitgegaan van een normaal verdeelde breedte van de lens, met een verwachtingswaarde van 75 meter en een standaardafwijking van 15 meter.

         De afmetingen van zo’n lens zijn in elk geval relevant voor de taludstabiliteit van een dijk. We zien in deze figuur dat bij een zeer gebruikelijke afstand van 100 meter zo’n lens, indien aanwezig, met een kans van 10% door deze sonderingen niet wordt opgemerkt. De figuur is ontleend aan het artikel ‘Optimaal grondonderzoek vraagt een gedegen kansenanalyse’ [9].

         

         Dit kan betekenen dat wanneer op grond van de gebiedskarakterisering in stap 1 is vastgesteld dat lenzen van deze afmetingen kunnen voorkomen, er bij de geotech- nische schematisering rekening mee gehouden moet worden dat die mogelijk ook onder of vlakbij de dijk aanwezig kunnen zijn, ondanks dat de sonderingen dit niet aangeven. In principe geldt dit ook voor andere geologische structuren van beperkte afmeting en de ligging in horizontale richting van begrenzingen van lagen. De kans daarop is afhankelijk van de dichtheid van voorkomen van die structuren in het gebied en is niet altijd even gemakkelijk te schatten.

         Figuur 2.2: Kans op ‘missen’ van een lens met slap bodemmateriaal als functie van de sondeerafstand bij equidistante sonderingen. Ontleend aan [9]

         Het is dus denkbaar dat de beschikbare informatie niet leidt tot één eenduidige geotechnische schematisering, maar tot meerdere mogelijke schematiseringen.

         4 Keuze maatgevende dwarsprofielen:

         Aan de hand van de geotechnische schematisering(en) moeten keuzes gemaakt worden voor dwarsprofielen die maatgevend zijn voor het ontwerpen van een dijk(versterking) of het toetsen van de veiligheid van een bestaande dijk. Zoals gezegd kunnen de opbouw van de dijk en de ondergrond, maar ook water- spanningen in de dijk en de ondergrond variëren in de lengterichting van de dijk.

         Een arbeidsintensieve maar wel doeltreffende aanpak is om de dijkstrekking in secties te verdelen, waarvoor op basis van de hierboven beschreven schematise- ringen een dwarsprofiel van de dijk, de ondergrondopbouw en de hierin heersende water(over)spanningen, behorende bij de ontwerp- of toetsbelasting, te bepalen. Met informatie over de grondeigenschappen binnen de onderscheiden grondlagen kunnen dan voor elk van de secties een of meer stabiliteitsanalyses worden uitge- voerd. Maatgevend voor het op te stellen (dijkversterking)ontwerp, of de beoordeling bij een veiligheidstoetsing, is het dwarsprofiel met de kleinste stabiliteitsfactor.

         Deze aanpak vergt in beginsel stabiliteitsberekeningen voor alle in de lengterichting van de dijk onderscheiden ‘typische’ dwarsprofielen. Doorgaans zal het voor een ervaren ontwerper/toetser mogelijk zijn een (groot) deel van de dwarsprofielen al bij voorbaat op basis van kwalitatieve beoordeling als niet maatgevend te kwalificeren. Een algemeen recept hiervoor is echter niet te geven. Het systematisch zoeken, door alle secties ‘door te rekenen’ leidt in ieder geval tot een bruikbaar resultaat.

         In de praktijk zal het keuzeproces een mengvorm zijn van kwalitatieve beoordeling en systematisch zoeken.

      3. Keuze van de basisschematisering voor toets- of ontwerpanalyse

De bedoeling is dat het in de voorgaande paragraaf beschreven schematisering- proces uiteindelijk bij voorkeur één voor de te toetsen dijkstrekking representatieve locatie oplevert, die qua dwarsprofiel van de dijk, in combinatie met de onder- grondopbouw en bijbehorende waterspanningen, maatgevend is. Het is uiteraard ook mogelijk dat nog niet één locatie als maatgevend kan worden aangewezen, maar dat er twee of meer locaties zijn, waarvan later moet blijken welke maatgevend is. In dat geval zullen voor al deze locaties ontwerp- of toetsanalyses moeten worden gemaakt. We gaan hier vooralsnog even uit van het ideale geval dat één represen- tatieve locatie kan worden aangewezen. Benadrukt wordt dat voor de verschillende toets- of ontwerpsporen de representatieve locaties binnen een dijkstrekking verschillend kunnen zijn. De representatieve dwarsdoorsnede voor het toetsen op macrostabiliteit hoeft dus niet tevens de representatieve dwarsdoorsnede voor toetsen van andere faalmechanismen, zoals piping, of micro-instabiliteit, et cetera.

Wanneer in dit ideale geval er ook slechts één mogelijkheid is geïdentificeerd voor ondergrondopbouw en ontwikkeling van grondwaterspanningen in de ontwerp of toetssituatie, dan ligt hiermee ook het uitgangspunt voor de ontwerp- of toets- analyses vast. Er is dan geen onzekerheid ten aanzien van de schematisering.

Zijn er meer scenario’s5, dus meer schematiseringen voor ondergrondopbouw en waterspanningen mogelijk, dan moet hieruit een keuze worden gemaakt voor de schematisering die als uitgangspunt voor het ontwerpen of de toetsing wordt genomen, we zullen dat de basisschematisering noemen.

In een ontwerpsituatie lijkt het voor de hand liggend het meest ongunstige6scena- rioals basisschematisering te kiezen. Dat is in ieder geval een conservatief scenario (veilige keuze). Maar, wanneer de waarschijnlijkheid van dit scenario7erg klein is ten opzichte van de andere, minder ongunstige, scenario’s, kan dit leiden tot een onnodig duur ontwerp. In dat geval kan men ook kiezen voor een minder conservatief scenario als basisschematisering. Maar er moet dan er wel rekening mee gehouden dat werkelijkheid in principe ongunstiger kan zijn dan die basisschematisering. Dat betekent dat een ontwerp, uitgaande van zo’n basisschematisering, onvoldoende veilig kan zijn (minder veilig dan vereist).

In het geval het om toetsing van een bestaande dijk gaat kan de keuze van de meest conservatieve schematisering leiden tot onterecht afkeuren. Aan de andere kant zou de keuze voor een minder conservatieve schematisering kunnen leiden tot onterecht goedkeuren. In paragraaf 3.2 wordt dat geïllustreerd met een rekenvoorbeeld.

Bij de keuze van de basisschematisering uit een set van mogelijke of denkbare schematiseringen zullen afwegingen moeten worden gemaakt. Daarin spelen de kansen dat de verschillende mogelijkheden de werkelijkheid representeren een rol, evenals de mate waarin de verschillende mogelijke keuzen (naar verwachting) leiden tot verschillen in de berekende veiligheid. Dit afwegingsproces gebeurt impliciet en is daardoor diffuus en gevoelig voor subjectiviteit. Met de schematiseringanalyse, die in hoofdstuk 3 beschreven wordt, wordt een instrument aangereikt waarmee dit keuzeproces inzichtelijk gemaakt kan worden. De schematiseringfactor speelt daarbij een belangrijke rol; in hoofdstuk 3 gaan we daar uitgebreid op in.

1. Het woord ‘scenario’ is in dit verband taalkundig niet helemaal correct, maar wordt gemakshalve gebruikt

2. Met ongunstig scenario wordt bedoeld een scenario waarbij de (berekende) veiligheid (bijv. stabiliteitsfactor) van een bestaande dijk of een dijkontwerp relatief laag is.

3. ‘Conservatief scenario’ en ‘ongunstig scenario’ zullen naast elkaar gebruikt worden. Ongunstig heeft betrekking op de ‘toe- stand’ of ‘staat’ (zie vorige voetnoot) en conservatief op de keuze van een uitgangspunt.