Heave - Mechanismenbeschrijvingen

Heave

Indien aan de binnenzijde van grondconstructies op de watervoerende zandlaag geen of slechts een dunne afdekkende grondlaag aanwezig is, kunnen de verticale korrelspanningen aldaar wegvallen onder invloed van kwel. Dit wordt aangeduid met heave, wat overeenkomt met de vorming van drijfzand en met name optreedt bij verticaal uittredend grondwater.

Bij waterkerende kunstwerken en bij dijken kunnen kwelschermen worden toegepast. Kwelschermen vergroten de weerstand die een kwelstroom ondervindt. Het effect is dat de kwel vermindert en dat, nog belangrijker, de stroomsnelheid en daardoor de kans op erosie van de zandlaag afneemt. Bij kwelschermen aan de benedenstroomse zijde van de waterkering wordt de uittrederichting van de kwelstroom verticaal (zie Figuur 4.15). Hierbij doet zich het verschijnsel voor dat door de opwaartse kwelstroom de korrelspanningen in het zand achter het scherm afnemen. In het uiterste geval vallen de korrelspanningen geheel weg, waardoor feitelijk een drijfzandsituatie ontstaat. Dit mechanisme wordt heave genoemd.

Heave kan twee gevolgen hebben [Calle & Sellmeijer, 1998]:

1. een drijfzandsituatie treedt op, waardoor de op de zandlaag gelegen bescherming kapotgaat. Indien sprake is van een granulair stortebed, kan dit negatieve gevolgen hebben voor de eventuele filterwerking.

2. door reductie van de effectieve korrelspanning in het gefluïdiseerde zand naar 0 wordt het krachtenevenwicht op het kwelscherm verstoord. Hierdoor kan de aansluiting tussen scherm en constructie verstoord worden, met desastreuze gevolgen, zoals piping (zie volgende punt).

   Opgemerkt wordt dat beide effecten ook al kunnen optreden bij een geringere opwaartse kwelstroom dan noodzakelijk voor volledige fluïdisatie. Het ontbreken van een heldere grenstoestand moet bij de toetsing of het ontwerp worden afgedekt door een veiligheidsfactor (zie hoofdstuk 5 en 7).

   Bepalend voor dit mechanisme is de toename van waterspanningen, vanaf het maaiveld, met de diepte in het zand achter het kwelscherm (zie Figuur 4.15). Indien geen kwelstroming aanwezig is, dan is die toename hydrostatisch. In het zand is dan korrelspanning aanwezig. Bij een opwaartse kwelstroom zijn de waterspanningen groter dan hydrostatisch (er is dus wateroverspanning), wat leidt tot afname van de korrelspanningen. Een grenstoestand wordt bereikt wanneer de toename van de wateroverspanning met de diepte gelijk is aan de toename van de korrelspanning wanneer de waterspanning hydrostatisch zou zijn. De toename van de wateroverspanning kan worden uitgedrukt in termen van de verticale gradiënt van de grondwaterpotentiaal. De gradiënt waarbij de grenstoestand optreedt wordt kritieke gradiënt genoemd. De feitelijke verticale gradiënt van de grondwaterpotentiaal achter het kwelscherm, dus de toename van de wateroverspanning met de diepte, is in het algemeen niet constant. Daarom wordt bij heave controles gerekend met de over het kwelscherm gemiddelde verticale gradiënt van de grondwaterpotentiaal. Deze wordt getoetst aan de kritieke gradiënt, waarbij een veiligheidsfactor in acht wordt genomen.

   Indien er sprake is van geconcentreerde lekkage door het kwelscherm ten gevolge van een gat, zal dit leiden tot een verlaging van het gemiddelde verhang over het gehele kwelscherm. In zoverre werkt geconcentreerde lekkage dus positief op de genoemde gevolgen van heave. Voor een toetsing op heave hoeft dus geen rekening gehouden te worden met mogelijke gaten in het kwelscherm. Er kan echter wel een probleem ontstaan voor piping.

   Vanouds zijn kwelschermen bij dijken geweerd, omdat ze gezien werden als ‘vreemde elementen’. Door de Commissie Boertien is echter aanbevolen om kwelschermen als mogelijke optie voor ‘uitgekiend ontwerpen’ niet uit te sluiten. Deze aanbeveling heeft ertoe geleid dat goede en gemakkelijk te gebruiken rekenmodellen voor controle op het mechanisme heave zijn ontwikkeld (zie ook hoofdstuk 5).

                                                                                                                                                              Figuur 4.15 Mechanisme Heave