Instabiliteit van de toplaag door golfbelasting - Stabiliteit bekleding steenzetting

Brekende golven op een taludbekleding van gezette steen geven een zware belasting, vooral net onder de waterlijn. Op het moment waarop de golf zich maximaal heeft teruggetrokken (golfneerloop) is er sprake van een muur van water op het talud, zie Figuur 8.4, met in zone A een hoge druk op het talud en in zone B een lage druk.

De hoge druk op het talud wordt doorgegeven aan de granulaire laag (filter) onder de toplaag en komt ook onder de toplaag in zone A. Tegelijkertijd is er sprake van een verhoogde freatische lijn in het filter vanwaar water door het filter naar beneden en naar buiten stroomt. Waar zone A op zone B aansluit ontstaat er daardoor een opwaarts drukverschil over de toplaag die de neiging heeft om zetstenen uit de bekleding te drukken.

Deze situatie houdt in elke golf ca. 0,2 à 0,7 s aan en dat kan voldoende zijn om de zetstenen stukje bij beetje uit de toplaag te drukken, of ineens helemaal tijdens een grote golf.

Dit mechanisme treedt op bij steenzettingen met een relatief kleine doorlatendheid van de toplaag en grote doorlatendheid van het filter, zoals rechthoekige betonblokken met smalle spleten. Moderne steenzettingen hebben een zodanig grote doorlatendheid dat het moment van de golfklap maatgevend wordt. Dat moment is getekend in Figuur 8.5.

De golfklap geeft een kortdurende (ca. 0,1 à 0,3 s) zeer hoge druk op het talud. Deze hoge druk is slechts in een smalle strook op het talud aanwezig en wordt via het filter doorgegeven aan de zones ernaast, waar een opwaarts drukverschil ontstaat. Daar kunnen zetstenen uit de bekleding gedrukt worden. Het principe van deze belasting is verder hetzelfde als die tijdens de golfneerloop.

De mate waarin bovenstaande processen leiden tot een drukverschil over de toplaag is afhankelijk van de doorlatendheid van toplaag en de onderliggende granulaire laag. Als het filter relatief doorlatend is en de toplaag is relatief ondoorlatend, dan is dat ongunstig voor de stabiliteit van steenzetting, want dan wordt bij dezelfde golfcondities het drukverschil over de toplaag groot. De verhouding in doorlatendheden, gecombineerd met de dikte van top- en granulaire laag, wordt gekarakteriseerd door de zogenaamde leklengte.

Een goed ontworpen steenzetting heeft een lage doorlatendheid van het filter, waardoor de druktransmissie wordt verminderd, en een hoge doorlatendheid van de toplaag. Dat laatste zorgt ervoor dat de verhoogde druk onder de toplaag gemakkelijk weg kan vloeien. De leklengte van een dergelijke constructie is relatief kort.

Omdat de leklengte afhankelijk is van constructie-eigenschappen, kan dit aspect ook bij de sterkte gerekend worden. Maar aangezien het drukverschil doorgaans meer gerelateerd wordt aan de belasting, is het in deze paragraaf behandeld.

Boven de waterlijn is de belasting van de steenzetting veel minder dan er net onder. De grootte van de belasting wordt steeds minder naarmate we verder boven de stilwaterlijn komen en is gereduceerd tot nul ter hoogte van het golfoploopniveau.

De belasting wordt veroorzaakt door verdwaalde zwakke golfklappen, het drukfront van het golfoploopfront en hoge stroomsnelheden. Ook hier speelt de leklengte een rol ten aanzien van de grootte van de drukverschillen over de toplaag.

Op de kruin en het binnentalud van havendammen is er nog een extra belasting als de steenzetting niet mooi vlak is gezet. Uitstekende stenen kunnen leiden tot een verhoogde verschildruk over de toplaag, zie Figuur 8.6. De hoge stroomsnelheid botst tegen de uitstekende steen en dat leidt tot een plaatselijke hoge stuwdruk. Deze wordt doorgegeven naar het filter onder de toplaag. Tegelijk gaat het water over de uitstekende zetsteen met gekromde stroomlijnen. Dat geeft een zuiging (verlaagde druk) boven de zetsteen.

Statische verschildruk door een hogere freatische lijn onder de toplaag dan de buitenwaterstand levert zelden een belangrijke belasting op. Dit kan alleen spelen bij een ingegoten steenzetting die waterdicht is ingegoten tot en met een waterdichte teenconstructie. Dit komt vrijwel niet voor.

De sterkte van de steenzetting wordt bepaald door het eigen gewicht van de toplaag per vierkante meter en de interactie tussen de zetstenen. Voor het eigen gewicht per m2 geldt dat de open ruimte tussen de zetstenen niet meetelt, ook al zijn ze gevuld met steenslag, en gaat het dus primair om de toplaagdikte en dichtheid van het materiaal waar de zetstenen van gemaakt zijn.

De interactie tussen de stenen kan aanwezig zijn door:

• Wrijving tussen losse zetstenen.
• Klemming (door normaalkracht in het vlak van de zetting, verder versterkt bij vervorming van het taludoppervlak).
• Interlocking, bijvoorbeeld door een hol-en-dol verbinding tussen de zetstenen (messing en groef).
• Kabels door de blokken of een verbinding via het onderliggende geotextiel bij blokkenmatten.
• Asfaltmastiek of beton in de spleten tussen de zetstenen.

Klemming is in moderne steenzettingen een belangrijk aspect van de sterkte. Het speelt bij steenzettingen met inwasmateriaal in de spleten, zodat de afzonderlijke zetstenen goed contact met elkaar maken. Door de bovenliggende rijen ontstaat er een normaalkracht in het vlak van de steenzetting die zorgt dat de zetstenen stijf tegen elkaar gedrukt worden. Hierdoor kan de steenzetting zowel dwarskrachten als buigende momenten opnemen. Zodra de steenzetting als gevolg van verschildrukken iets wordt opgelicht, zorgt de interactie tussen de zetstenen ervoor dat de normaalkracht toeneemt en daardoor ook de klemming toeneemt.
Voor steenzettingen bestaande uit rechthoekige betonblokken zonder inwasmateriaal mag niet op klemming worden gerekend. In een dergelijke steenzetting zit een paar procent van de zetstenen volledig los tussen de andere zetstenen en kunnen individuele blokken dus uit de steenzetting gelicht worden door de verschildrukken.