In deze sub-paragraaf wordt het faaltraject met betrekking tot de instabiliteit van de constructie en het grondlichaam verder in detail beschreven.
Belasting
Vanuit het blikveld van waterkeren is vooral de vervalbelasting van belang bij instabiliteit constructie en grondlichaam. Min of meer permanente belastingen als grondbelasting, grondwaterbelasting en eigen gewicht behoren daarnaast te worden meegenomen bij beschouwing van het mechanisme. Golfbelastingen kunnen ook een rol spelen, maar het gaat daarbij voornamelijk om lange golven. Deze lange golven zoals seiches worden standaard meegenomen in de hydraulische randvoorwaarden. Overige belastingen spelen in het geval van instabiliteit in combinatie met maatgevende (hoogwater) omstandigheden geen substantiële een rol.
Vervalbelastingen ontstaan door een hoogteverschil tussen de binnen- en buitenwaterstand. Het buitenpeil is hierbij de waterstand aan de buitenzijde van de waterkering, terwijl het binnenpeil betrekking heeft op de waterstand van de watergang die binnendijks van de waterkering aanwezig is.
De binnenwaterstand wordt doorgaans onder normale omstandigheden vanuit het aspect waterbeheer in grote mate gereguleerd. Ten tijde van hoogwaters kan een afwijkend beheersregime gelden. Hiermee dient dan rekening te worden gehouden.
De buitenwaterstand wordt beïnvloed door de afvoer van rivieren en/of de waterstanden op zee en daarnaast door de wind. De wind kan zorgen voor aanvullende golfbelastingen maar ook voor een opzet van de waterstand. De waterstanden die gebruikt worden bij het toetsen van de primaire waterkeringen worden binnen Nederland vanuit Rijkswaterstaat voorgeschreven en aangeleverd door de in het kader van de toetsing beschikbaar gestelde software.
Golven kunnen door verschillende oorzaken ontstaan. Voor waterkeringen geldt doorgaans dat onder hoogwateromstandigheden wind geïnduceerde golven maatgevend zijn. Afhankelijk van locatie en geometrie worden (onderdelen van) de constructies belast door golven. Golven worden beschreven aan de hand van de golfhoogte, de golflengte en de golfperiode. Van deze drie parameters zijn vele combinaties mogelijk, wat leidt tot een heel scala aan golfvormen. De hele lange golven (seiches) kunnen leiden tot een waterstandsverhoging die langere periode aanhoudt (10 minuten tot 2 uur). De kortere golven kunnen leiden tot golfklappen op onderdelen van de constructie. Voor het faalmechanisme instabiliteit constructie en grondlichaam zijn voornamelijk de lange golven van belang. De korte golven kunnen wel tot golfklappen leiden op een specifiek onderdeel, maar zijn vaak dusdanig kortstondig aanwezig, dat door de traagheid van de gehele constructie dit niet tot daadwerkelijk aanvullende belastingen leidt. Alleen wanneer golfklappen met regelmaat voorkomen kan het aanhoudend ‘hameren’ wellicht tot een stabiliteitsprobleem leiden.
Sterkte
De sterkte van het kunstwerk bestaat uit de weerstand van het kunstwerk en het aanwezige grondlichaam tegen kantelen en horizontaal dan wel verticaal verplaatsen. Het gaat hierbij dus om stabiliteit van het kunstwerk
De stabiliteit van het kunstwerk is afhankelijk van de fundatie, de afmetingen van het kunstwerk de aanwezigheid van schermen (en haar aansluitingen op de harde constructie) en de grondeigenschappen van het grondmassief waarin het kunstwerk is gelegen. Bij overschrijding van maximale (schuif)spanningen kan leiden tot instabiliteit van (onderdelen van) de constructie. Dit uit zich in significante verplaatsingen in het horizontale en/of verticale vlak, waarbij ook rotaties van de constructie kunnen optreden. Als gevolg van deze verplaatsingen is het waterkerende vermogen van het kunstwerk niet meer gewaarborgd, doordat water langs of onder de constructie door kan stromen het achterliggende watersysteem in. Als gevolg hiervan zijn aanvullende verplaatsingen te verwachten, waardoor uiteindelijk het geheel bezwijken van de constructie kan plaatsvinden.
Wanneer de constructie is bezweken is een onbeheersbare situatie ontstaan en is direct sprake van bresvorming. Een eventueel aanwezige komberging kan de eerste tijd de gevolgen wellicht nog beperken, maar doordat het aansluitende dijklichaam niet wordt afgeschermd door een harde constructie, deze is immers bezweken, zal er ook bresgroei optreden. Bresgroei bij een kunstwerk met achterliggende watergang kan leiden tot het eroderen van aangrenzende dijklichamen, waarbij ook water instroomt buiten het achter het kunstwerk liggende watersysteem.
Het traject van initiatie tot falen van het kunstwerk
Het faaltraject begint doordat het verval over een kunstwerk dusdanig groot wordt dat verplaatsingen optreden. Deze kunnen in eerste instantie nog gering zijn, maar vervolgens bij toenemende belastingen verder doorzetten tot significante vervormingen. Op welke wijze dit proces verloopt, is sterk afhankelijk van de fundatie, de afmetingen van het kunstwerk en de aanwezigheid van schermen. Zo zal bij een op loodpalen gefundeerd kunstwerk in eerste instantie de schuifweerstand van de wanden ten opzichte van de grond moeten worden overschreden voordat hier enige verplaatsingen optreden. Wanneer dit stadium is bereikt en er sprake is van enige verplaatsingen worden de palen aangesproken op buigende momenten. Die dragen daardoor bij aan de horizontale stabiliteit. Bij een kunstwerk waarbij ook nog schermen in de langsrichting van het kunstwerk aanwezig zijn (bijvoorbeeld vanuit de bouwkuip) zullen deze schermen ook direct belasting gaan afdragen en dragen de palen nauwelijks bij aan de horizontale schuifweerstand van het kunstwerk.
Nadat significante verplaatsingen van (onderdelen van) het kunstwerk zijn opgetreden, worden aansluitingen tussen kunstwerk en naastliggende grond of tussen onderdelen van het kunstwerk verbroken. Hierdoor kan het aanwezige water gaan bijdragen aan erosie van de grondconstructie naast en onder het object. Bij stijgende buitenwaterstand worden mede hierdoor verplaatsingen groter en zal het waterkerende vermogen verdwijnen. Omdat de naast- en onderliggende grondlagen daardoor onbeschermd blootgesteld kunnen worden aan stromend water, treedt erosie van deze grondlagen op. Feitelijk is er op dat moment sprake van bresgroei.
