Welvorming en opbarsten kleilaag - Algemene aandachtspunten bij de toetsing en het ontwerp op piping en heave

Welvorming en opbarsten kleilaag

Piping zal alleen optreden als binnendijks wellen aanwezig zijn. Indien binnendijks een klei- of veenlaag voorkomt, kan alleen een wel ontstaan als een kanaaltje door deze laag aanwezig is. Er zijn een aantal oorzaken waardoor zo'n kanaaltje kan ontstaan:

• perforatie de kleilaag door boor- of sondeergaten of door funderingspalen;
• ontgravingen in de kleilaag voor grondverbeteringen of de aanleg van sloten of andere waterpartijen;
• uitdroging van de kleilaag;
• opbarsten van de kleilaag.

Een waterondoorlatende deklaag kan wederom alleen opbarsten als er ook heave mogelijk is. In dit geval dient bij de toetsing eerst een controle van verticale verhangen bij het uittreepunt (heave) plaats te vinden.

Is aan het heavecriterium voldaan en is opbarsten mogelijk, zal kwelweglengtecontrole met de Regel van Sellmeijer of Lane (in geval van verticale kwelschermelementen) moeten plaatsvinden.

Perforatie van kleilaag

Perforatie van de kleilaag door boor- of sondeergaten, of andere werkzaamheden van tijdelijke aard, is in de praktijk niet te controleren. Tijdens hoogwater zullen dergelijke gaten mogelijk aan het licht komen.

Indien binnendijks funderingspalen zijn toegepast, waar de grond niet goed omheen sluit, dan wordt er van uit gegaan dat langs de paal welvorming kan optreden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij palen met een verzwaarde paalvoet.

Bij perforaties in afdekkende lagen, die overigens wel aan het opbarst/opdrijfcriterium voldoen, is naast kwelweglengtecontrole volgens Sellmeijer ook controle op het verticale verhang (heavecriterium) in het perforatiekanaal mogelijk. Indien aan het heavecriterium wordt voldaan, is in beginsel voldoende veiligheid tegen piping gewaarborgd.

Ontgravingen

Ontgravingen binnendijks zijn door verkenning in het veld waar te nemen. Bij een lokale ontgraving zal zonodig voor die specifieke locatie een controle op de kwelweglengte moeten plaatsvinden.

Uitdrogen klei

Klei die regelmatig boven de grondwaterstand uitkomt kan uitdrogen. Er is dan geen sprake meer van een aaneengesloten waterdichte laag en aangenomen moet worden dat welvorming kan optreden.

Indien geen onregelmatigheden in de kleilaag voorkomen zoals hiervoor is beschreven, dan kunnen kanaaltjes ontstaan door het opbarsten van de kleilaag. Opbarsten vindt plaats indien de waterdruk in de watervoerende zandlaag onder de kleilaag groter is dan het gewicht van de kleilaag.

Potentiaal in zandlaag

De potentiaal in de zandlaag kan worden berekend met de analytische formules uit het Technische Rapport Waterspanningen bij Dijken [TAW, 2004]. Daarnaast kunnen ook diverse computerprogramma's worden gebruikt, zoals WATEX of numerieke grondwaterstromingsmodellen. Ter controle ingevoerde parameters kunnen peilbuiswaarnemingen worden gebruikt. Voor een analyse van de peilbuiswaarnemingen en extrapolatie naar het toetspeil is een analyse nodig, bijvoorbeeld met WATEX. Het voordeel van peilbuiswaarnemingen is dat deze een goede weergave van de werkelijkheid geven. Bij voldoende peilbuizen en voldoende waarnemingen kan de opbouw van de ondergrond deels bepaald worden op basis van de waarnemingen.

Opbarsten

Opbarsten van de kleilaag binnendijks wordt berekend zoals in paragraaf 5.2.4 is beschreven.

Indien in de stabiliteitszone (d.i. binnen de opdrijfzone of binnen de kritieke kwelweglengte) plaatselijk een duidelijk minder dik afdekkend pakket aanwezig is, bijvoorbeeld ter plaatse van een watergang (dijk- en bermsloten), kan de veiligheid tegen opbarsten hier ter plaatse lager zijn.

In dit geval wordt de laagdikte van de ondoorlatende klei/veenlaag gereduceerd. In Figuur 6.1 is aangegeven dat ter bepaling van de opdrukveiligheid kan worden gerekend met de gewichtsvermindering van de ondoorlatende laag onder de sloot uitgaande van een spreiding van 2:1.

De breedte van opdrijfzone kan gelijk aan tweemaal de laagdikte d worden aangenomen.

Figuur 6.1 Bepaling effectieve laagdikte voor opbarsten bij sloot

Bij een laagdikte groter dan de slootbreedte B wordt geen reductie van het grondgewicht toegepast. De maximale waterspanning is gelijk aan het gewicht van laag H1.

Bij een laagdikte onder de sloot kleiner dan de slootbodembreedte b, wordt gerekend met het gewicht van de ondoorlatende laag onder de slootbodem H2 inclusief het gewicht van de waterlaag in de sloot.

Bij een laagdikte kleiner dan B en groter dan b onder de slootbodem is de maximale waterspanning tegen de onderkant van de ondoorlatende laag gelijk aan het gewicht van laag H3 inclusief het gewicht van de waterlaag in de sloot.

Als ter plaatse van de sloot de grenspotentiaal wordt bereikt dan mag ervan worden uitgegaan dat op dat punt de potentiaal zodanig wordt gereduceerd dat opdrijven van het achterliggende gebied niet meer kan optreden. In het achterliggende gebied is de dikte van het slappe lagenpakket immers dikker dan ter plaatse van de slootbodem. Hiermee is de zone waar met opdrukken rekening moet worden gehouden begrensd tot de slootbreedte B.

Er zijn situaties denkbaar waarin met bovenstaande regels berekend zou worden dat geen opbarsten optreedt, terwijl toch een kanaaltje door de kleilaag kan ontstaan. Bijvoorbeeld, indien de sloot relatief diep is ten opzichte van de breedte, of indien geen samenhangende kleilaag onder de slootbodem meer aanwezig is. Bij twijfel dient daarom altijd aangenomen te worden dat een (zandmeevoerende) wel kan ontstaan.

Indien de veiligheid tegen opbarsten, rekeninghoudend met de veiligheidsfactor volgens paragraaf 5.2.4, voldoende groot is en ook welvorming door een van de andere genoemde oorzaken uitgesloten is, dan zal geen piping optreden. De toetsing is dan in principe beëindigd. Zoniet, dan zal verdere controle op piping moeten plaatsvinden door controle van de kwelweglengte met de regels Sellmeijer of Lane. De regel van Sellmeijer wordt gebruikt voor controle op piping waarin uitsluitend de horizontale kwelweg wordt beschouwd, terwijl Lane naast de horizontale ook de verticale kwelweg in zijn rekenregel meeneemt.

De controle op opbarsten vergt een relatief grote onderzoeksinspanning, zowel voor wat betreft het grondonderzoek, als voor de berekeningen. Het is mogelijk deze controle over te slaan, en aan te nemen dat opbarsten optreedt. Als binnendijks welvoming of natte plekken zijn geconstateerd tijdens hoogwater, is vrijwel zeker sprake van opbarsten. Als deze verschijnselen zeer lokaal zijn, kan ook sprake zijn van een perforatie van de afdekkende laag.

Indien is aangetoond dat geen piping optreedt, terwijl is aangenomen dat er opbarsten optreedt, dan kan de controle op opbarsten geheel achterwege blijven en men gaat direct over naar de gedetailleerde toets. In het andere geval kan alsnog de controle op opbarsten worden uitgevoerd.