091
g k
q, .5 A) 17
7 --
CO-345040112 december 1994
GRONDMECHANICA
___
DELFT
Grondmechanische aspecten
alternatieve systemen
CO-345040/1 2
december 1994
stdIco345040.rap
Opgesteld in opdracht van:
Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde
Postbus 5044
2600 GA Delft
AFDELING GRONDCONSTRUCTIES
projectleider: ir. J. Riemsdijk van Eldik!
dr. H. J. Hofmann
projectbegeleider: ir. T. Stoutjesdijk
GRONDMECHANICA DELFT Stieltjesweg 2, 2628 CK DELFT Postbus 69, 2600 AB DELFT Telefoon (015) 69 35 00 Telefax (015) 61 08 21 Postbank 234342 Bank MeesPierson NV Rek.nr. 25.92.35.911
_ GRONDMECHANICA
__
DELFT
1. Rapport nr. 2. Serie nr. 3. Ontvanger catalogusnummer
A2.94.87
4. Titel en sub-titel Datum rapport
Grondmechanische aspecten December 1994
alternatieve systemen
Code uitvoerende Organisatie
Schrijvers Nr. rapport uitvoerende organisatie
Ir. J. Riemsdijk van Eldik. dr. H. J. Hofmann, ir. T. Stoutjesdijk CO-345040/12
Naam en adres opdrachtnemer Projectnaam
TAWD*NIEUW Grondmechanica Delft Postbus 69 2600 AB Delft Contractnummer DWW-837A
10. Naam en adres opdrachtgever Type rapport
eindrapport (onderdelen A en B van Rijkswaterstaat. Dienst Weg- en Waterbouwkunde contract)
Postbus 5044 2600 GA Delft
Code andere opdrachtgever
Opmerkingen
Het project is namens de DWW begeleid door ir. K. W. Pilarczyk Referaat
In dit verslag wordt ingegaan op de grondmechanische aspecten welke een rol kunnen spelen bij het dimensione- ren van alternatieve dijkbekledingen. Aan twee aspecten wordt aandacht besteed. Ten eerste wordt bekeken of er voldoende kennis is om voor de diverse systemen na te kunnen gaan onder welke omstandigheden verweking of afschuiving als gevolg van elastische berging zal ontstaan. Daarnaast is er aandacht besteed aan de druk onder de toplaag, hetzij onder invloed van korte golven, hetzij onder invloed van lange golven (getij).
Trefwoorden: Distributiesysteem
Alternatieve dijkbekledingen, grondmechanische stabiliteit, op aanvraag afschui ving. verweking, grondwaterstroming
Classificatie Classificatie deze pagina Aantal blz. Prijs vrij beschikbaar vrij beschikbaar
GRONDMECHANICA
J! DELFT
CO-345040112 december 1994INHOUDSOPGAVE
Samenvatting 1 Inleidin g 31.1 Kader van het onderzoek 3
1.2 Opzet van het onderzoek 3
1.3 Korte beschrijving mechanismen 4
1.4 Enkele grondmechanische begrippen 5
1.5 Schadecriteria 6
2 Samenvatting eerdere onderzoeken 9
3 Grondmechanische instabiliteit 13
3.1 Inleiding 13
3.2 Afschuiving als gevolg van elastische berging 13
3.2.1 Inleiding 13
3.2.2 Afschuiving door elastische berging in zand 14
3.2.3 Afschuiving door elastische berging in klei 17
3.3 Afschuiving door verweking 17
3.3.1 Inleiding 18
3.3.2 Afschuiving door verweking van zand 18
3.3.3 Afschuiving door verweking van klei 26
4 Grondwaterstroming 31
4.1 Inleiding 31
4.2 Korte golven (storm) 31
4.2.1 Inleiding 31
4.3 Lange golven (getij) 33
4.3.1 Inleiding 33
4.3.2 Ondergrond zand 34
4.3.3 Ondergrond klei 35
5 Conclusies en aanbevelingen 37
Literatuur 41
Appendix A: Theoretische uitwerking elastische berging: één-dimensïonale consolidatie voor
ww-
GRONDMECHANICA
DELFT
CO-345040112 december 1994
Samenvatting
In het verleden is veel aandacht besteed aan de stabiliteit van traditioneel toegepaste dijkbekledin-gen, zoals steenzetting, asfalt en gras. Hierbij is ook de nodige aandacht aan de grondmechani-sche aspecten besteed.
In dit rapport wordt verslag gedaan van onderzoek naar de grondmechanische aspecten van alternatieve bekledingsystemen, zoals blokkenmatten, gabions, zandzakken en dergelijke. Onderzocht is of er voor de aspecten elastische berging, verweking en grondwaterstroming voldoende kennis beschikbaar is om uitspraken en ontwerpregels te ontwikkelen. Dit is in zijn algemeenheid uitgewerkt, waarbij bekeken is in hoeverre de modellen algemeen toepasbaar zijn, of gemaakt kunnen worden.
De werkzaamheden zijn uitgevoerd als aanvulling op de hoofdactiviteiten, te weten het opstellen van dimensioneringsregels voor de alternatieve systemen, dat door het Waterloopkundig Laborato-rium wordt uitgevoerd.
Bekeken is in eerste instantie welke kennis uit eerder onderzoek kan worden gehaald. Dit wordt in een apart hoofdstuk toegelicht.
Daarna zijn de volgende vier aspecten nader uitgewerkt:
- afschuiving als gevolg van elastische berging in de ondergrond - afschuiving als gevolg van verweking van de ondergrond - drukken over de toplaag als gevolg van korte golven (storm) - drukken over de toplaag als gevolg van lange golven (getij)
Ten aanzien van elastische berging is een (semi-)twee dimensionaal model ontwikkeld dat vrijwel voor alle systemen toepasbaar is. Deze methode lost de één-dimensionale consol idatievergel ij king op voor een meerlagensysteem, waarna de resultaten worden gebruikt in een twee-dimensionale stabiliteitsanalyse.
Geconstateerd wordt dat een nadere bepaling van het luchtgehalte noodzakelijk is.
Voor wat betreft verweking moet noodgedwongen worden uitgegaan van reeds ontwikkelde kennis. Verschillende bekledingsystemen hebben met name invloed door de mate en de manier waarop de belasting aangrijpt op de ondergrond. Voor zand kan daarna ofwel de globale methode die ontwikkeld is door Lindenberg (1986) voor het onderzoek Verweking onder basalton'
worden toegepast, ofwel met het model MCYCLE worden gerekend.
Voor klei zijn geen rekenregels. De indruk wordt gewekt dat klei minder verwekingsgevoelig is dan zand. Hoe dit voor gestructureerde klei ligt is nog onbekend.
Drukken over de toplaag bij korte golven kunnen, afhankelijk van de constructieopbouw, op drie manieren worden benaderd. Ten eerste ontwerpt het Waterloopkundig Laboratorium rekenregels. Voor systemen waarbij de leklengte-benadering toepasbaar is, kan STEENZET/I of ANAMOS worden gebruikt. In die gevallen dat een dik filter aanwezig is, of de systemen zijn direct aangebracht op de ondergrond en er zijn geen geulen onder de toplaag aanwezig, dan kan de twee-dimensionale stroming onder de toplaag benaderd worden met STEENZET/2. Hierbij zijn weinig problemen met verschillende systemen of verschillende doorlatendheden te verwachten. Als de toplaag of de ondergrond niet zeer doorlatend is, dan kan een lektijd-verschijnsel optreden: er ontstaat verschil in waterstand boven en onder de toplaag. Voor zand kan dit worden berekend met het grondwaterstromingsmodel MSEEP. Bij klei traden met dit zelfde model instabiliteiten op, welke te maken hebben met het feit dat de waterstand in de grond zo langzaam oploopt in vergelijking met de stijging van de buitenwaterstand, dat de freatische lijn plaatselijk loodrecht gaat lopen. Onderzocht moet worden of dit probleem met een andere schematisatie (mesh) kan worden opgelost.
Het onderzoek besluit met conclusies en aanbevelingen voor het opheffen van geconstateerde knelpunten.
= GRONDMECHANICA
DELFT
CO-345040112 december 1994
1 Inleiding
1.1 Kader van het onderzoek
In de afgelopen jaren is veel onderzoek naar dijkbekledingen uitgevoerd. Daarbij heeft het accent gelegen op de traditioneel veel toegepaste bekledingstypes zoals steenzettingen, asfalt en gras. In situaties waarin deze systemen niet voldoen, of worden vervangen, kan echter ook gedacht worden aan minder gebruikelijke bekledingssystemen, zoals interlocksystemen, blokkenmatten, gabions, cementgevulde matrassen, zandzakken en dergelijke. Voor de toepassing van deze systemen ontbreekt echter enerzijds een overzicht van de opgedane ervaringen, terwijl anderzijds weinig bekend is over de dimensionering.
Om in deze leemte te voorzien is in het kader van het onderzoek naar alternatieve systemen onderzoek verricht naar de stabiliteit en de toepasbaarheid van alternatieve systemen. Dit onderdeel wordt voor een groot deel uitgevoerd door het Waterloopkundig Laboratorium. Het voorliggende rapport is een aanvulling op deze activiteiten, en behelst de grondmechanische aspecten van alternatieve bekledingsmaterialen. Dit verslag beoogt een algemene samenvatting te zijn van de aspecten welke een rol spelen en op welke wijze deze aspecten kunnen worden gemodelleerd. In een later stadium zal deze kennis worden toegepast op de afzonderlijke systemen.
1.2 Opzet van het onderzoek
In het verleden is veel onderzoek verricht aan grondmechanische aspecten welke een rol spelen bij met name steenzettingen. Het is dus niet nodig al deze kennis opnieuw te ontwikkelen. In hoofdstuk 2 wordt daarom de belangrijkste literatuur op dit gebied samengevat.
Het is voor de hand liggend te veronderstellen dat het grondmechanisch gedrag beïnvloedt wordt door stroming door de ondergrond, en dat daarin de doorlatendheid van de toplaag en de
onderlagen een belangrijke rol speelt. In de overige hoofdstukken is daarom steeds gezocht naar manieren om de grondmechanische stabiliteit en de optredende waterspanningen in de ondergrond in zijn algemeenheid te benaderen als functie van deze doorlatendheden.
Er wordt onderscheid gemaakt in twee categoriën grondmechanische aspecten:
- grondmechanische instabiliteiten. Hieronder wordt verstaan het optreden van verweking of afschuiving als gevolg van de optredende hydraulische belasting op de toplaag en de resulterende waterspanningen in de onderlagen.
zowel gekeken naar de invloed van lange golven (getij) als naar korte golven (storm). In beide gevallen wordt uitgegaan van zand of klei als basismateriaal. Dit leidt tot het volgende schema van onderwerpen, met daarbij vermeld het hoofdstuk of de paragraaf waarin het betreffen-de onbetreffen-derwerp wordt behanbetreffen-deld:
Afschuiving door Afschuiving door Korte golven (storm) Lange golven (getij)
elastische berging verweking
(paragraaf 3.2) (paragraaf 3.3) (paragraaf 4.2) (paragraaf 4.3)
basis basis basis basis basis basis basis basis
zand klei zand klei zand klei zand klei
(3.2.2) (3.2.3) (3.3.2) (3.3.3) (4.2) (4.2) (4.3.2) (4.3.3)
1.3 Korte beschrijving mechanismen
Afschuiving door elastische berging ontstaat als gevolg van een verschil in waterdrukken op de toplaag en de waterdrukken in de ondergrond. Op de toplaag wordt door goifwerking een druk uitgeoefend. Omdat de ondergrond enerzijds beperkt doorlatend is en anderzijds enigszins samendrukbaar wordt een golf aan het oppervlak gedempt en vertraagt in de ondergrond
voortgezet. Dit verschijnsel blijft beperkt van omvang zolang zowel korrelskelet als poriënwater relatief stijf zijn. Indien het poriënwater een kleine hoeveelheid lucht bevat neemt de samendruk-baarheid van het water sterk toe, en kan op korte afstand een grote demping van de waterdrukken optreden. Hierdoor ontstaan in de ondergrond afwisselend wateronder- en wateroverspanning, en daarmee corresponderend een toenemende en afnemende korreldruk. In het uiterste geval neemt de korreldruk zo sterk af, dat er onvoldoende schuifspanning in de ondergrond kan worden opgenomen om de stabiliteit van de ondergrond te waarborgen: er treedt een afschuiving op.
_
MWW
GRONDMECHANICA
___
DELFT
CO-345040112 december 1994
wateroverspanning. Het mechanisme is echter fundamenteel anders. Bij verweking is sprake van blijvende, plastische vervorming van de ondergrond. Door een wisselende cyclische belasting van voldoende grootte kan een deel van de reactie in de ondergrond in het plastische gebied terecht komen. Er ontstaat dan een blijvende volumeverkleining of volumevergroting. Bij een volumever -groting moet de vrijgekomen ruimte gevuld worden met water. Als dit niet instantaan gebeurt dan ontstaat er wateronderspanning: de sterkte wordt groter. Bij volumeverkleining is het omgekeerde het geval: er moet juist water uit de ondergrond stromen. Indien dit niet direct gebeurd, omdat de doorlatendheid beperkt is, dan ontstaat wateroverspanning. Deze wateroverspanning kan, net als beschreven bij elastische berging, leiden tot een afschuiving.
Waterdrukken onder de bekleding als gevolg van lange golven heeft te maken met de ligging van de freatische lijn. Door het getij is er sprake van een wisselende buitenwaterstand. Deze bui-tenwaterstand wordt zoveel als mogelijk gevolgd door de waterstand in de kern van de dijk. Hiervoor moet er echter water van en naar het basismateriaal toestromen. Dit water stroomt door de toplaag en eventueel een filterlaag of geotextiel, en door de grond onder de teen van de dijk. Als de toplaag of de ondergrond onvoldoende doorlatend is, kan er echter verschil optreden tussen de waterstand buiten de constructie en de waterstand in de constructie. Bij steenzettingen is dit bekend als het 'lektijd-verschijnsel', terwijl ook bij asfalt rekening wordt gehouden met drukken onder de bekleding welke tot afdrukken of afschuiven van de bekleding kunnen leiden.
Waterdrukken onder de bekleding als gevolg van korte golven is een bekend verschijnsel voor een steenzetting op een filterlaag. Niet alle systemen zijn geschikt om met STEENZET/1 of ANAMOS te worden gedimensioneerd. Hierbij kan worden gedacht aan systemen die direct op klei of op zand zijn geplaatst, aan systemen met een dikke filterlaag of aan systemen die ten opzichte van een steenzetting sterk afwijkende doorlatendheden hebben. Deze systemen moeten op een andere wijze worden benaderd.
1.4 Enkele grondmechanische begrippen
Bij het beschouwen van de grondmechanische stabiliteit voor praktijksituaties zal al snel blijken dat de dichtheid van de ondergrond een zeer belangrijke rol speelt. Door een goede verdichting neemt de sterkte van de ondergrond toe. Vaak worden om de dichtheid van de ondergrond aan te geven verschillende begrippen door elkaar heen gebruikt: relatieve dichtheid en Proctordicht-heid. Daarom zal hier op voorhand enige toelichting worden gegeven.
Het begrip relatieve dichtheid duidt aan hoe de dichtheid van de grond zich verhoudt tot de in het laboratorium bepaalde meest losse en meest vaste pakking. De relatieve dichtheid Dr is gedefi-nieerd als:
nmax - n
= - 100%
nmax - nmin
waarbij n de pakking van de ondergrond is, nmax de meest losse pakking (maximaal poriëngehal-te) en nmin de meest vaste pakking (minimum poriëngehalporiëngehal-te). De maximum dichtheid wordt bepaald door in een metelen koker met bekende inhoud zand te strooien en dit zand met behulp van een trillingsapparaat te verdichten. Uit het gewicht van het zand en de bekende inhoud van de koker wordt de dichtheid afgeleid. De minimum dichtheid wordt bepaald door in een koker met bekende inhoud door een trechter zand zo los mogelijk te strooien.
De relatieve dichtheid is inderdaad een relatief begrip. Het is mogelijk, bijvoorbeeld omdat zand met een bepaalde hoeveelheid vocht beter is te verdichten dan droog zand, dat de relatieve dichtheid hoger is dan 100 %. Aan de andere kant kan zand onder water zo los worden opge-bouwd dat de relatieve dichtheid minder is dan 0. Toch is de relatieve dichtheid een waardevol begrip, omdat een poriëngehalte van 45 % voor het ene type zand een extreem losse pakking kan betekenen, terwijl het voor een ander type zand slechts matig los is.
De Proctordichtheid is een begrip uit de wegenbouw. De verdichting van een weglichaam bijvoorbeeld moet volgens bestek een bepaald percentage van de Proctordichtheid zijn. De Proctordichtheid wordt in het laboratorium bepaald. In een cilinder met een inwendige diameter van ongeveer 10cm en een hoogte van circa 11,7cm wordt de grond in drie lagen opgebouwd. Iedere laag wordt verdicht door een gewicht van circa 25 N van circa 30 cm hoogte op de grond te laten vallen. Door de cilinder rond te laten draaien en het gewicht 25 keer te laten vallen wordt de grond gelijkmatig verdicht. Deze procedure wordt voor verschillende vochtgehal-tes doorlopen. Bij een zeker vochtgehalte is de grond optimaal te verdichten. De dichtheid die uit de proef wordt gevonden bij het optimale vochtgehalte heet de Proctordichtheid.
In het veld wordt de dichtheid meestal bepaald door steekringen te nemen. Een metalen ring met bekende inhoud wordt in de grond weggedrukt, uitgegraven en van de inhoud wordt het gewicht bepaald door droging en weging.
Uit een correlatie van de relatieve dichtheid en de Proctordichtheid blijkt dat de Proctordichtheid groter of gelijk is aan de maximum dichtheid bij de bepaling van de relatieve dichtheid. Voor Nederlandse zanden geldt over het algemeen dat de Proctordichtheid tussen 0 en -20 % relatieve dichtheid ligt.
1.5 Schadecriteria
Indien een grondmechanische instabiliteit plaatsvindt, zoals verweking en vloeiing, dan treedt in veel gevallen ook schade op. Dit kan zich bij dijkbekledingen uiten in beschadiging van de bekleding. Bij vooroevers van zand in Zeeland zijn dergelijke verbanden ook onderzocht (Davis (1978). Hierbij lag voor de dijk een vooroever met een zekere breedte. Langs de vooroever loopt
MWW GRONDMECHANICA
11 DELFT
C0345040112 december 1994
een stroomgeul met een diepte h. Van een groot aantal gevallen is geregistreerd hoe groot de schade, uitgedrukt in terugschrijding van de top van het talud richting de dijk, was.
Voor zettingsvloeiingen wordt vaak aangehouden dat men vanaf een diepte van 0,6 maal h een lijn met een helling 1 : 15 trekt. Waar deze de bodem snijdt is de grens voor de terugschrijding. Dit zijn vrij snel grote afstanden. Bij een diepte van de stroomgeul van 20 meter, waarbij de vooroever een helling had van 1 : 3, is de terugschrijding 144 meter. Dit criterium heeft dan ook ongeveer een 95 % onderschrijdingskans.
Bij afschuivingen is de schade minder omvangrijk. Voor 95 % van de gevallen was de eindhel-ling na de afschuiving steiler dan 1 : 6. Dit wil zeggen dat bij een taludhoogte h van 20 m en een helling voor de afschuiving van 1 2 de terugschrijding 48 meter bedraagt.
Praktisch gezien wil dit zeggen, dat als er een vooroever aanwezig is die bestaat uit zand dat kan afschuiven of waarin een zettingsvloeiing op kan treden, de breedte van de vooroever voldoende groot moet zijn wil bij een dergelijke gebeurtenis de dijk geen schade oplopen. De gegeven criteria geven geen informatie over afschuiving in kleigronden. Afschuivingen onder dijkbekledin-gen zijn vaak ondiep en geven bijvoorbeeld aanleiding tot het ontstaan van een s-profiel.
= GRONDMECHANICA
'i DELFT
CO-345040112 december 1994
2 Samenvatting eerdere onderzoeken
In het verleden is reeds zeer veel onderzoek gedaan naar de grondmechanische stabiliteit van steenzettingen, naar de grondmechanische eigenschappen van de grond en naar modellen om het gedrag van grond te beschrijven. Lang niet al dit onderzoek is nu nog bruikbaar, omdat de inzichten zijn gewijzigd, of omdat er betere benaderingen zijn ontwikkeld. Enkele aspecten, zoals verweking van klei of het luchtgehalte in het water, zijn nog slechts beperkt onderzocht.
De grote lijn in de ontwikkelingen kan worden gevolgd door de verschillende samenvattende verslagen te lezen. Deze geven een samenvatting van de op dat moment beste inzichten. In "Overzicht onderzoek 1980-1984, samenvattend verslag" wordt ingegaan op blijvende plastische vervorming van de ondergrond en op verweking. Van verweking wordt alleen in algemene termen opgemerkt dat het een gevoelig verschijnsel is, en dat voor verweking van zand een losse pakking eii een hoge verzadigingsgraad noodzakelijk is. Verder wordt verweking met name in verband gebracht met de golfklap, en niet zozeer met een cyclische sinusvorminge golfbelasting. Daarom wordt gesteld dat verweking alleen een rol speelt bij constructies die direct op zand of op klei liggen. Als hier een filterlaag tussen zit wordt de energie van de golfklap gespreid.
Plastische vervorming wordt beschreven voor klei onder golfklappen. De klap moet zo hard zijn, dat hierdoor de ongedraineerde schuifsterkte wordt overschreden. Geconcludeerd wordt dat dit niet snel zal optreden. Het is overigens de vraag wat er verder met dit mechanisme wordt bedoeld, want zelfs al wordt de ongedraineerde schuifsterkte niet overschreden, dan nog kunnen er wel degelijk plastische vervormingen bij lagere belasting ontstaan als de klei niet optimaal is verdicht.
In de Samenvatting onderzoeksresultaten 1980-1988" is een hoofdstuk gewijd aan afschuiving en verweking. Bij afschuiving wordt onderscheid gemaakt in afschuiving in de ondergrond door elastische berging, afschuiving in de ondergrond door golfklappen en afschuiving van de blokken over de ondergrond. Dit laatste wordt veroorzaakt door drukken onder de blokken. Voor
afschuiving in de ondergrond is de bekende formule van Bezuijen gebruikt, welke uitgaat van één-dimensionale elastische berging.
Voor de situatie bij de golfklap wordt een redenering opgezet die afhankelijk is van de leklengte. Bij een zeer grote leklengte (extreem: asfalt) wordt de belasting overgedragen op de korrels. Zolang het korrelskelet niet te veel deformeert is dit geen probleem met het oog op waterspannin-gen. Als de leklengte kort is (extreem: toplaag op klei) dan volgt de druk in het poriënwater de druk op de toplaag. De waterspanningen variëren sterk. Hierdoor is een afschuiving mogelijk. Aanbevolen wordt voor nieuwe, sterk van de steenzetting verschillende typen constructies rekening te houden met dit mechanisme.
Ten aanzien van verweking van zand was in 1988 de nodige voortgang geboekt. Onder verwij-zing naar het uitgevoerde grootschalige onderzoek 'Verweking van zand onder basalton" en rekenmethoden wordt gesteld dat verweking alleen een rol speelt als wordt voldaan aan de volgende voorwaarden:
- helling 1: 3 of steiler
- losgepakt zand (relatieve dichtheid kleiner dan 50 %) - toplaag direct op ondergrond zonder filterlaag ertussen - geen voorbelasting door eerdere stormen
- golven groter dan 1 meter.
Deze conclusie is alleen gebaseerd op de situatie bij een steenzettting, terwijl de onderbouwing van deze conclusie ontbreekt in het rapport.
Recent verschenen zijn het 'Handboek steenzettingen" en "Toepassing theorie afschuiven
bekleding'. In het Handboek is hoofdstuk 9 gewijd aan de grondmechanische aspecten. Er wordt naar twee momenten gekeken:
- het moment van de maximale goifterugloop. Er kunnen dan locale schuifviakken ontstaan, omdat de waterdruk in de ondergrond groter is dan op het talud.
- het moment van de golfkiap. Er kan door locale drukpieken verweking ontstaan, maar er kan ook locaal een afschuiving plaatsvinden (S-profiel).
Voor het moment van maximale golfterugloop wordt dezelfde redenering gebruikt als in het "Samenvatting onderzoeksresultaten 1980-1988". Aangegeven wordt dat door Meijers (1991) een verbeterde formulering wordt gegeven. Meijers maakt onderscheid in verschillende constructies, zoals steenzetting op filter of steenzetting op zand, en verschillende belastingssituaties (terugge-trokken golf en waterspiegeldaling). In feite komt hij tot de conclusie dat bij een steenzetting op een filter afschuiving van de bekleding over het filtermateriaal heen van belang is, terwijl bij een zetting direct op zand een vergelijkbare methode als Bezuijen wordt gevolgd.
Het Handboek behandelt het moment van de golfklap alleen voor zand. Ten aanzien van klei wordt gesteld dat diepere glijviakken maatgevend zijn. Hier heeft de goifwerking op het talud weinig invloed meer. Omdat is uitgegaan van de veronderstelling dat de macro-stabiliteit zonder golven is verzekerd wordt hier verder niet naar gekeken.
Bij golfkiappen kan de kans op een afschuiving afgeschat met een Brich-Hansen methode. Dit wil zeggen dat de golfklap een locale drukpiek op de ondergrond veroorzaakt, welke een wig- of cirkelvormig glijvlak zou kunnen veroorzaken. Bij niet-verdicht zand en klei kan dit tot vervor-ming van het oppervlak leiden.
Ten aanzien van verweking wordt eenvoudig gesteld dat goed verdichten verweking voorkomt. Voor blokken op klei wordt gesteld dat de klei bij golfklappen ongedraineerd reageert. Als wordt uitgegaan van verdichte klei, dan is vervorming van het oppervlak niet te verwachten. Er wordt niet gesproken over gestructureerde klei, wel wordt gezegd dat bij uitdroging (consolidatie) van klei de ongedraineerde schuifsterkte toeneemt.
Van belang zijn verder uiteraard de drie banden "Taludbekledingen van gezette steen. Grondme-chanische stabiliteit in de golfzone. Deel XXII". In band A wordt een handleiding gegeven waarin
ii GRONDMECHANICA
LI DELFT
CO-345040112 december 1994
diverse formules voor afschuiven bij verschillende situaties en verschillende constructietypen. Veel van deze kennis is toepasbaar bij de komende beoordeling van alternatieve systemen. Verder wordt een overzicht gegeven van de diverse fenomenen en stabiliteitsvraagstukken, naar aanlei-ding van de delen B en C. In band B worden diverse onderzoeken gebundeld. Dit betreft dynamica, afschuiven bekleding over de ondergrond, de sterkte van de bekleding, de drukverde-ling op het talud en oriënterende berekeningen.
Deel C is gewijd aan verweking van zand. Onder andere worden de Deltagootproeven "Verwe-king van zand onder basalton' en de benaderende methode voor verwe"Verwe-king van zand onder golfbelasting van Lindenberg behandeld. Deze laatste methode is nog steeds actueel.
In de Rijke, Klein Breteler en Stoutjesdijk (1992) wordt verslag gedaan van een oriënterende studie naar de toepassing van steenzettingenkennis op andere systemen. Hierbij worden de grenzen van de mechanismen verweking en afschuiving door elastische berging gelegd. Gesteld wordt dat verweking voornamelijk een rol speelt bij ondoorlatende bekledingen. Belastingen worden in dat geval overgedragen aan het korrelskelet, dat daardoor kan vervormen. Bij doorlatende bekledingen is eerder sprake van wisselende drukken in het poriënwater door elastische berging. Verder wordt verondersteld dat verweking van klei in het algemeen geen problemen geeft. Bij een doorlatende toplaag dempt een waterspanningswisseling aan het
oppervlak over korte afstand uit. Bij een ondoorlatende toplaag is de ongedraineerde schuifsterkte van belang. Zeker voor verdichte klei is deze hoog genoeg om grote vervormingen te voorkomen. Op kleine, maar cumulatieve effecten van plastische vervormingen door cyclische belasting wordt overigens niet ingegaan.
Ten aanzien van elastische berging worden drie mogelijkheden onderscheiden:
ondoorlatende toplaag. De waterspanning in de ondergrond fluctuëert nauwelijks. Er is dus ook geen opwaarts verhang. Wel komt er over de toplaag een groot opwaarts
verhang. Als wordt aangenomen dat dit onder de dimensionering van de toplaag valt, dan speelt elastische berging in de ondergrond geen rol.
doorlatende toplaag op zand. Elastische berging speelt een rol. Een eventueel aanwezig filter heeft een gunstige invloed op de stabiliteit.
doorlatende toplaag op klei. De belasting op de bovengrens van de klei dempt zeer snel uit. Hierdoor ontstaan in de ondergrond nauwelijks afwijkingen ten opzichte van de hydrostatische waterdruk. Omdat ervan wordt uitgegaan dat de macrostabiliteit voor de statische situatie gegarandeerd is, zal er dus ook geen grote afschuiving plaats kunnen vinden. Naar gestructureerde klei is overigens niet gekeken. Evenmin is de invloed van een groot verhang over korte afstand bestudeerd.
In Bezuijen (1991) en in de Groot et al (1988) worden de grenzen vastgelegd voor toepassing van modellen op diverse systemen. Onderscheid wordt gemaakt in golfbrekers (zeer grote doorlatend-heid) en kust- en oeververdediging (kleinere doorlatendheden). Kust- en oeververdedigingen
kunnen verder worden onderverdeeld in constructies met dunne filterlaag (STEENZET/I of ANAMOS -benadering) of met een dikke dilterlaag of direct op de ondergrond (STEENZET/2, elastische berging, MSEEP en dergelijke). In de Groot et al (1988) wordt aangegeven dat als de leklengte klein is ten opzichte van de golflengte dat vooral de snelheid waarmee belastingen wisselen van belang is. Omgekeerd geldt, dat als de leklengte groot is ten opzichte van de golflengte, dat voornamelijk de amplitude van de belastingswisseling van belang is. Verder wordt aangegeven wanneer interne waterstandsverhoging van belang wordt, en wanneer rekening moet worden gehouden met elastische bergingseffecten.
__ GRONDMECHANICA
__
DELFT
CO-345040112 december 1994
3 Grondmechanische instabiliteit
3.1 Inleiding
In de categorie grondmechanische instabiliteit worden twee fenomenen behandeld: - afschuiving als gevolg van elastische berging
- afschuiving als gevolg van verweking
Ten aanzien van elastische berging kan worden gesteld dat er modelmatig goede voorspellingen mogelijk zijn, maar dat de te gebruiken invoer, met name luchtgehalte in de ondergrond, moeilijk te voorspellen zijn.
Bij verweking geldt dat de theoretische beschrijving van het gedrag in de golfzone rond de stilwaterlijn ontbreekt, en dat aan de hand van de beschikbare gegevens hoogstens een indicatie kan worden gegeven of en, zo ja, onder welke omstandigheden verweking een reëel mechanisme kan zijn.
In de volgende paragrafen wordt de problematiek nader toegelicht.
3.2 Afschuiving als gevolg van elastische berging
3.2.1 Inleiding
Elastische berging kan zowel voor zand als voor klei eenvoudig worden benaderd met een één-dimensionale consolidatievergelijking. De doorlatendheden van de toplaag en eventueel aanwezig filter zijn bepalend voor de mate waarin de golfdruk op het talud nog aanwezig is op de
bovengrens van de ondergrond. Andere belangrijke parameters zijn de stijfheid van de ondergrond en het poriënwater en, daarmee samenhangend, de doorlatendheid van de ondergrond en het luchtgehalte in het poriënwater.
Gebruikmakend van de resultaten van de één-dimensionale con solidatievergel ij king zijn door Bezuijen (1990) formules afgeleid waarmee de locale stabiliteit van de basislaag kan worden berekend. Voor het ontstaan van een afschuiving is echter niet zozeer de locale stabiliteit als wel de stabiliteit over een groter gedeelte van het talud van belang. In van den Heuvel/Hofmann (1994) is een methode aangegeven waarmee de totale stabiliteit kan worden berekend op basis van een beschouwing van Koerner. Bij deze (semi)twee-di men sionale aanpak wordt de mogelijke afschuiving geschematiseerd tot twee wiggen, waarbij één wig af wil schuiven, terwijl de tweede wig dit tegengaat. Deze benadering is uitgewerkt voor de specifieke situatie van blokken op zand. De in de benadering gebruikte krachten zijn ontleend aan een één-dimensionale consolidatiebe-schouwing. Om een uitspraak te kunnen doen over de totale stabiliteit van het talud wordt een
CO-345040112 december 1994
tweetal kritieke momenten tijdens de golfaanval beschouwd.
In het kader van deze studie is een analoge rekenwijze gevolgd. In Appendix A is de algemene theorie uitgewerkt. Voor een afschatting van door golfaanval gegenereerde waterspanningen in de ondergrond is hierbij gebruik gemaakt van een één-dimensionale benadering voor een meerlagen-systeem. De op deze wijze gevonden waterspanningen worden gebruikt in een twee-dimensionale berekening van de stabiliteit.
In deze studie wordt verondersteld dat de door ons beschouwde alternatieve systemen kunnen worden geschematiseerd tot drie boven elkaar gelegen homogene lagen, te weten een toplaag, een filterlaag en een basislaag. Bij een beschouwing van de grondmechanische stabiliteit van een dergelijk systeem wordt de mogelijkheid onderzocht van het optreden van afschuivingen in de basislaag.
In de volgende twee paragrafen worden enkele resultaten behandeld voor hetzij een ondergrond van zand (paragraaf 3.2.2) hetzij klei (paragraaf 3.2.3).
3.2.2 Afschuiving door elastische berging in zand
Op basis van de gegeven formules in Appendix A is een programma geschreven waarmee ontwerpgrafieken kunnen worden gemaakt voor een systeem naar keuze. Deze ontwerpgrafieken zijn vergelijkbaar met die weergegeven op blz. 180 en 181 van het Handboek steenzettingen FCUR 19921, De belangrijkste verschillen met de berekeningen uitgevoerd om tot de laatstge-noemde grafieken te komen, zijn:
- de gebruikte formules zijn toepasbaar op elk systeem dat gerepresenteerd kan worden door een systeen van 3 homogene lagen, namelijk dat van een toplaag, een filterlaag en een basislaag (i.p.v. één enkele, oneindig dikke homogene laag.)
- in de gevolgde benadering wordt bezwijken van de basislaag over de gehele lengte van een grondmoot beschouwd (i.p.v. locaal bezijken op één punt in de basislaag).
Voor de berekening van een ontwerpgrafiek van het systeem onder beschouwing dient de geometrie van het talud tot 3 lagen te worden geschematiseerd. Ten behoeve van de berekening van het verloop van de waterspanning wordt voor ieder van deze lagen een afschatting gemaakt van:
p volumieke massa [kg/m3] d dikte van de laag [m] n porositeit
[-1
k doorlatendheid [mis] E elasticiteitsmodulus [MPa] v Poissonverhouding [-]
GRONDM ECHAN (CA
DELFT
CO-345040112 december 1994
Daarnaast moet voor de basislaag worden aangegeven: hoek van inwendige wrijving [graden]
C cohesiegetal [kPa]
Tenslotte zijn nog de volgende invoerparameters benodigd:
taludhelling [graden] HIL0 golfsteilheid
[-1
s luchtgehalte [%]Aan de hand van de gegeven invoerparameters kan vervolgens een ontwerpgrafiek worden berekend.
In tabel 3.1 is voor een tweetal systemem het bereik van de diverse parameters van de toplaag aangegeven. De waarden zijn ontleend aan de gegevens uit het Handboek voor steenzettingen [CUR 1992]. In tabel 3.2 is het bereik van de diverse parameters in de filterlaag weergegeven. De waarden zijn wederom ontleend aan het Handboek voor steenzettingen. De afwezigheid van een filterlaag kan worden gesimuleerd door een zeer dunne filterlaagdikte aan te nemen. In tabel 3.3 is het bereik van diverse parameters voor zowel zand als (gestructureerde) klei als basislaag aangegeven. De parameters voor de klei zijn ontleend aan proeven die zijn uitgevoerd op grote monsters gestructureerde klei (Wouters (1993)).
Groothe id ingeklemde stenen, blokken-
mat zandgevulde, cementgevulde zakken p [kg/m3] 2000-3000 2000-3000 d [m] -0.25 -0.25 n [-] 0.05-0.15 0.3-0.4 k [mis] 10 1 10 3 5 iO E [MPa] -200 -200 D [-] -0.3 -0.3
grootheid steenslag gnnd geen filter p [kg/m3] 2500-3500 - d [m] —0.2 0.001 n [-] 0.25-0.4 - k [mis] 10 3 l0 2 - E [MPa] —200 - 1)
1-1
—0.3 -Tabel 3.2: parameters filterlaag
grootheid zand klei
p [kglm3] —2700 —1800 d [m] —1.0 —1.0 n
[-1
0.3-0.4 0.02-0.05 k [mis] 5 iO-i iO 1 106 - 10 E [MPa] —200 —71-1
—0.3 0.45-0.48 [graden] 35-40 —30 C [kPa] 0 4-10Tabel 3.3: parameters basislaag
Voor alle systemen is gekozen voor een vaste taludhelling (1:4) en goifsteilheid (0.05):
tan A = 1/4 H/L() = 0.05
Bij berekening van de ontwerpgrafieken bleek in alle gevallen het moment direct na het breken van de golf op het talud het meest kritiek te zijn (bijlage A.1, situatie 2). In een conservatieve schatting is er verder van uitgegaan dat de toplaag aan de teen niet ondersteund wordt (onveran-kerde teen).
GRONDMECHAN ICA
DELFT
CO-345040112 december 1994
Voor elk voorbeeld zijn in bijlage 3.1 2 curves in een figuur weergegeven. Deze 2 curves hebben betrekking op een luchtgehalte van het water van respectievelijk 1 en 10%.
Voorbeeld 1 (zie bijlage 3.1, bovenste figuur) Toplaag: blokkenmat
d-0.2 m, n=0.15,p=2500 kg/m3,k=0.I m/s,E=200 MPa,u=0.3 Filterlaag: grind
d0.2 m, n=0.30,p=3000 kg/m3,k=0.01 mls,E=200 MPa,D=0.3 Basislaag: zand
d-1 m, n=0.30,p=2600 kg/m3,k=0.001 mls,E=200 MPa,l)=0.3,=35 °,C=0 Voorbeeld 2 (zie bijlage 3.1, onderste figuur)
Toplaag: cementgevulde zakken
d--0.2 m, n=0.3,p=2600 kg/m3,k=10 3 mls,E=200 MPa,D=0.3 Filterlaag: grind
d-0.2 m, n=0.30,p=3000 kg/m3,k=0.01 mls,E=200 MPa,'=0.3 Basislaag: zand
d-1 m, n=0.30,p=2600 kg/m3,k=0.001 mls,E=200 MPa,D=0.3,4=35 ° ,C=0
Opgemerkt moet worden dat de voorbeelden uitgewerkt zijn voor de situatie waarin de teen niet wordt ondersteund. Als dat wel het geval is komen er naar verwachting kleinere diktes van de toplaag + filterlaag uit de berekeningen.
3.2.3 Afschuiving door elastische berging in klei
Als voorbeeld is een ontwerpgrafiek opgenomen voor het systeem van een blokkenmat op klei. De gehanteerde parameters zijn:
Voorbeeld 3 (zie bijlage 3.1, middelste figuur) Toplaag: blokkenmat
d-0.2 m, n=0.15,p=2500 kg/m3,k=0.1 mls,E=200 MPa,o=03 Filterlaag: grind
d-0.2 m, n=0.30,p=3000 kg/m3,k=0.01 mls,E=200 MPa,ij=0.3 Basislaag: gestructureerde klei
d-1 m, n=0.03,p=2000 kg/m3,k=5 10 mls,E=7 MPa,=0.47,=30 0 ,C=4 kPa
CO-345040112 december 1994
3.3.1 Inleiding
Verweking ontstaat door plastische vervorming van de ondergrond. In eerdere onderzoek werd bij het beschouwen van de gevolgen van goifkiappen bekeken of de grens van de schuifsterkte van de ondergrond door een golfklap zou worden overschreden. Op die manier zou aan het oppervlak een locale afschuiving plaats kunnen vinden die ook wel als "plastische vervorming" werd aangemerkt. Dit werd aangemerkt als niet waarschijnlijk.
Verweking ontstaat eveneens als gevolg van plastische vervorming, maar dan volgens een geheel ander mechanisme. Bij het opleggen van een zuiver cyclische belasting, bijvoorbeeld sinusvormig, blijkt, als die belasting groot genoeg is, aan het einde van één volledige cyclus dat het volume van de grond is veranderd. Dit wil zeggen dat de reactie van de ondergrond niet zuiver elastisch is geweest.
Zo wordt bijvoorbeeld bij cyclische triaxiaalproeven op verzadigd en losgepakt zand, die volledig ongedraineerd worden uitgevoerd (er kan geen water uit het monster stromen) dat gedurende de proef de waterspanning toeneemt. Dit wordt veroorzaakt doordat het zand in volume afneemt. Na een aantal cycli is het zand verweekt, hetgeen wil zeggen dat de waterspanning gelijk is
geworden aan de korrelspanning. Het zand kan dan geen spanning meer opnemen. Op verweking van zand wordt verder ingegaan in paragraaf 3.3.2.
Verweking van klei is een minder bekend verschijnsel. Toch zijn er ook aanwijzingen dat klei onder cyclische belasting in volume verkleind. Het is echter minder goed mogelijk dan voor zand om hier quantitatief uitwerking aan te geven. Het onderzoek heeft zich voornamelijk gericht op bestudering van de literatuur over dit onderwerp. Verweking van klei wordt behandeld in paragraaf 3.3.3.
In een talud zal volledige verweking (waterspanning gelijk aan korrelspanning) waarschijnlijk niet bereikt worden. Omdat de maximaal opneembare schuifspanning samenhangt met de korrelspan-ning ('t = (7 'tan) en de korrelspanning evenredig met de wateroverspanning afneemt zal eerder een afschuiving in de ondergrond optreden dan volledige verweking.
3.3.2 Afschuiving door verweking van zand
Bij golfaanval is sprake van een wisselende belasting. In de ondergrond kan onder invloed van vervorming van het korrelskelet waterspanningsgeneratie plaatsvinden. Bij een horizontale bodem of in proefomstandigheden kan dit tot volledige verweking leiden. In de situatie van een talud zal waarschijnlijk eerder een afschuiving plaatsvinden dan volledige verweking.
GRONDMECHANICA
AW
DELFT
CO-345040112 december 1994
Op het verwekingsproces zijn verschillende factoren van invloed:
de dichtheid van het zand. Bij losgepakt zand is de neiging tot volumeverkleining uiteraard veel sterker aanwezig dan bij vastgepakt zand.
de verzadigingsgraad of luchtgehalte van het poriënwater. Wateroverdruk ontstaat doordat, als het zand in volume afneemt, het poriënwater wordt samengedrukt. Als er zich lucht in het poriënwater bevindt is dit veel samendrukbaarder, waardoor de wateroverspanning kleiner blijft dan het geval zou zijn bij zuiver water.
de doorlatendheid van het zand. Als er plaatselijk wateroverspanning ontstaat, dan ontstaat er ook een verhang. Het water zal willen afstromen. Als er drainage op kan treden, dan zal zich bij een constante belasting in sommige gevallen een evenwicht kunnen vormen tussen opwekken van waterspanning enerzijds, en drainage anderzijds, waardoor de waterspanning op een bepaald niveau blijft. Ook in die gevallen dat uiteindelijk wel verweking optreedt, wordt het ontstaan van wateroverspanning afgeremd door drainage, en zal het aantal cycli dat benodigd is om verweking te veroorzaken toenemen.
voorgaande belastingen (spanningsgeschiedenis). Door cyclische belasting op losgepakt zand treedt verdichting op. Dit wil zeggen dat, als een bepaalde belasting wel waterover-spanning heeft opgewekt, maar geen verweking, het zand iets in dichtheid is toegenomen. Het zand kan dan zonder problemen dezelfde belasting nogmaals doorstaan, terwijl de waterspanningen die daarmee gepaard gaan minder hoog zullen zijn dan tijdens de eerste belasting. Theoretisch kan dit verschijnsel ertoe leiden dat, als de belasting stapsgewijs iets wordt opgevoerd, nooit verweking op kan treden.
Hieronder wordt verslag gedaan van de ervaringen bij het onderzoek 'Verweking van zand onder basalton (Lindenberg, 1986). Het doel van dit onderzoek in de Deltagoot, dat in 1986 is
uitgevoerd, was om de invloed van golven op het verwekingsgedrag van zand onder een een steenzetting te analyseren. Omdat dit onderzoek vrijwel de enige gelegenheid is geweest om dit verschijnsel experimenteel te bestuderen wordt hier de nodige aandacht aan besteed. Verder wordt in het kort het computerprogramma MCYCLE toegelicht, waarmee onder verschillende condities de verweking van zand of de toename van de grondwateroverspanning kan worden berekend. In 1985 zijn de Voorlopige ontwerperiteria ter voorkoming van verweking in een zandlaag onder een steenzetting met helling 1 :3' opgesteld. Dit op basis van bestaande theorieën afgeleide criterium is getoetst middels een experimenteel onderzoek in de Deltagoot. De resultaten hiervan zijn gerapporteerd in Lindenberg (1986).
Hieronder volgt een samenvatting van genoemd verslag van het experimenteel onderzoek in de Deltagoot.
De geometrie van het model dat voor dit onderzoek in de Deltagoot is gebruikt kan als volgt worden omschreven:
talud 1:3
grond-opbouw (van toplaag naar diepere lagen): * handgezette basalton glooiing
* zanddicht geotextiel * 1.5 m fijn zand * zanddicht geotextiel * grindkern
het zand is laagsgewijs verdicht, waarbij de oostelijke 2.5 m minder verdicht (losser (Yepakt), en de westelijke 2.5 m meer verdicht (dichter gepakt) is. In Tabel 2.1 worden de gemeten zandkarakteristieken gegeven zoals deze gemeten zijn na de verdichting.
Oostelijke gootheift Westelijke gootheift
Poriërigehalte n
11%]
48,4 46.2Relatieve dichtheid Rd [%] 26 42
Verzadigingsgraad [%] 94 88
Tabel 2.1: Gemeten zandkarakteristieken van de proefconstructie in de Deltagoot
NB: gemeten relatieve dichtheden zijn aanzienlijk lager dan bedoeld (40% resp. 60%). Mogelijke oorzaken: onvoldoende capaciteit verdichtingsapparatuur, te laag vochtgehalte van het zand gedurende verdichten.
Het talud is verzadigd door gedurende een weekend de buitenwaterstand op 6.5 meter boven de bodem te handhaven en de waterstand in het zandlichaam op 5 meter boven de bodem.
De geschatte equivalente gemiddelde doorlatendheid was 5.10 mis.
Plaatsing meters
De volgende meters/opnemers zijn in de proefopstelling geplaatst: - 22 golfdrukopnemers in talud-oppervlak
- 35 waterspanningsmeters in het zand en onder de basalton-blokken.
Tijdens de proeven met regelmatige golven, behalve bij proef DGL06, waren 36 opnemers
GRONDMECHANICA
J DELFT
CO-345040112 december 1994
direct onder de zetsteen.
Uitgevoerde proeven
In Tabel 2.2 worden de belangrijkste kenmerken van een aantal proeven gegeven. Voor meer gegevens over deze proeven wordt verwezen naar Lindenberg (1986).
Proef nummer [-J regelmatige (r) of onregelmatige (o) golf H of H [ml T of s] DGL03 o 0.50 4.27 DGL06 r 0.835 3.11 DGBIO o 1.14 3.94 DG13I2 o 1.24 3.94 DGBII r 1.054 3.79 DGBI3 r 1.231 3.79 DG13I6 r 0.468 5.37 DGBI7 r 0.938 5.37 DGBI8 r 1.382 5.37
Tabel 2.2: Proevenprogramma waarbij voor regelmatige golven de golfhoogte (H) en periode (T) en voor onregelmatige golven de significante goifhoogte (H) en de bijbehorende periode (T).
Opgetreden schade
Bij een aantal proeven is schade opgetreden, die varieërde van eenvoudig te herstellen tot volledig bezwijken van de constructie. Dit wordt hieronder samengevat:
De volgende schade is waargenomen: Proeven:
Eenvoudig herstelbaar:
• Beperkt aantal stenen uit talud
• Enige zakking en vervorming talud- en zand oppervlak • Emstige zakking en vervorming talud- en zand oppervlak
Vol ledig bezwijken (proeven gestaakt):
DGL06, DGB 12 DGLO6
Verloop van de waterspanning
Toename van de gemiddelde waterspanning is bij alleproeven geconstateerd in een of meerdere opnemers. Drie oorzaken hiervoor zijn te onderkennen:
potentiaalstroming in het dijklichaam als gevolg van golven op het talud cyclische verweking in het zand
elastische berging (NB: dit aspect is niet in het rapport van Lindenberg genoemd, maar door berekeningen van [van de Heuvel en Hofman (1994)] is het wel aannemelijk dat elastische berging een rol heeft gespeeld bij het verloop van de waterspanningen bij deze proeven).
Ad. 1: In de initiële bureau studie naar de verweking van zand onder een steenzettalud is de wateroverspanning als gevolg van de potentiaalstroming in het dijklichaam niet meegenomen. Uit de proeven kan worden afgeleid dat dit verschijnsel echter niet te verwaarlozen is. Deze
veronderstelling is niet verder uitgewerkt en dient nader (kwantitatief) te worden onderbouwd. Toename van de gemiddelde waterspanning als gevolg van potentiaalstroming is bij alle proeven geconstateerd bij opnemer 7.
Vanaf proef DGB1 1 bij opnemer 8. Vanaf proef DGB13 bij opnemer 9. Vanaf proef DGB 17 bij opnemer 10.
Conclusies met betrekking tot het verloop van de waterspanningen:
- Het gebied waarin waterspanning optreedt wordt groter bij toenemende goifperiode. - De wateroverspanning neemt toe bij toenemende golfhoogte.
- In meer verdicht zand treedt waterspanning later op; mogelijk door de lagere doorlatend- heid
Ad 2. Wateroverspanning veroorzaakt door cyclische verweking in het zand
Waargenomen bij de proeven DGL03, DGBIO (met onregelmatige golven) en DG13I8 (met regelmatige golven).
Direct na het begin van de proeven DGL03 en DGB1O is bij meerdere waterspanningsmeters een belangrijke verhoging van de gemiddelde waterspanning waargenomen. Na verloop van enige tijd verdween deze wateroverspanning geheel of gedeeltelijk. Dit is een teken dat de waterspanning door verweking is veroorzaakt en niet door elastische berging of potentiaalstroming, aangezien bij deze waterspanningen niet gedurende de proef verdwijnen.
ii GRONDMECHANICA
DELFT
CO-345040112 december 1994
(conservatief) berekende maximaal toelaatbare waarden volgens de methode Lindenberg (1986). Vanwege de na de proeven DGL03 en DGB12 (die uitgevoerd is direct na DGB10) gemeten taludvervormingen wordt geconcludeerd dat plaatselijk een begin van afschuiven heeft plaatsge-vonden.
Hieruit kan worden geconcludeerd dat de opgetreden wateroverspanningen voldoende groot zijn geweest om verweking te veroorzaken.
Ad 3. Elastische berging
In van de HeuvelfHofmann (1994) is aangetoond dat de instabiliteit bij de laatste proef eveneens verklaard kan worden door elastische berging. Bij narekenen van de verschillende proeven waren om de gemeten waterspanningen na te kunnen rekenen luchtgehaltes nodig van 92 tot bijna 100 %.
Invloed Belastingsgeschiedenis
Wanneer grond in het verleden zodanig belast is geweest dat plastische vervorming is opgetreden, dan is dit van invloed op het gedrag van deze grond wanneer deze later opnieuw wordt belast. In het al g emeen zal voorbelaste grond stijver reageren dan niet voorbelaste grond. Dit verschijnsel, dat de mate van belasting die de grond in het verleden heeft ondergaan van invloed is op het huidige gedrag van deze grond, wordt 'belastingsgeschiedenis' genoemd.
Bij de initiële bureaustudie is uitgegaan van een voorbelast zandtalud.
Op basis van de onderzoeksresultaten werd verwacht dat een belastingduur van ten minste 10 uur nodig is om te voldoen aan een minimum belastingsgeschiedenis.
Oorzaak van het bezwijken van de constructie tijdens proef DGB18
Regelmatige golven resulteren in een zwaardere belasting dan onregelmatige golven indien voor de golfkarakteristieken H en T, resp. H en T worden gebruikt.
Dit is waarschijnlijk de oorzaak van het volledige bezwijken tijdens de proef DG1318.
Daarnaast zijn de opgetreden zettingen en vervormingen het gevolg van de losse pakking van het taludzand. In de praktijk dient daarom een relatieve dichtheid van ten minste 50% te worden aangehouden.
Of de instabiliteit is opgetreden ten gevolge van verweking dan wel elastische berging is al vaker onderwerp van discussie geweest. Het aanwezige luchtgehalte is bij deze vraag waarschijnlijk doorslaggevend.
De vergelijking van het opgetreden gedrag met het verwachte gedrag levert ten aanzien van verweking van zand de volgende conclusies:
- De voorlopige ontwerperiteria kunnen als veilig worden beschouwd voor losgepakt zand indien het gunstige effect van de belastingsgeschiedenis van voldoende omvang is. Dit wil zeggen dat er eerst een aantal "kleine" stormen zijn geweest waardoor er enige verdich-ting is opgetreden, en pas later een "grote" storm. Dit kan betekenen dat hoger op het talud, waar alleen tijdens zware omstandigheden belasting komt problemen ontstaan. De gemeten gemiddelde wateroverspanningen verschillen sterk met de berekende. De variatie in de wateroverspanning kan veroorzaakt zijn door de mogelijke verschillen van invloed van de belastingsgeschiedenis, locale dichtheidsverschillen of verschillen in luchtgehalte.
Aanbevelingen voor aanvullend onderzoek
Uit het experimentele onderzoek volgen enige aanbevelingen voor aanvullend onderzoek: - Nadere studie van de omvang van het gebied waarin stijging van waterspanning zal
optreden alsmede van de grootte van de gemiddelde wateroverspanning als functie van golfhoogte en goifperiode.
- In aansluiting hierop en indien potentiaalstroming een belangrijke verhoging van de gemiddelde waterspanning kan veroorzaken: het opstellen van een simpele uitdrukking voor dit effect en introductie in de analyse voor verweking van zand.
Uitvoeren van een aantal cyclische triaxiaalproeven met en zonder belastingsgeschiedenis ter vergelijking van het verwekingsgedrag van het in de Deltagoot toegepaste zand met dat volgens het door Seed et. al. gepubliceerde en in de verwekingsstudie [1] ingevoerde
'gemiddelde" gedrag voor zand.
- Presentatie van de ontwerperiteria in een andere meer compacte vorm zonder kwantitatie- ve waarden voor wateroverspanningen. Bijvoorbeeld grafieken met vereiste relatieve dichtheid van het zand (eventueel % proctordichtheid) als functie van de golfhoogte en golfperiode.
- Aandacht voor de afleiding van de effectieve consolidatiecoëfficiënt van het zand (in samenhang met het stromen van water naar spleten tussen taludstenen) bij de presentatie van de definitieve ontwerperiteria.
t GRONDMECHANICA
M
AW DELFT
CO-345040112 december 1994
Als zand wordt onderworpen aan een wisselende schuifspanning, bijvoorbeeld door goifbelasting, zal hierin een neiging tot verdichten optreden. Deze neiging heeft een toename van de waterover-spanning tot gevolg, wat in een aantal gevallen kan leiden tot verweking van het zand.
Het programma MCYCLE berekent de generatie van de wateroverspanningen in zand als gevolg van een cyclische golfbelasting.
De ondergrond kan opgebouwd worden uit een aantal verschillende grondlagen. Iedere grondlaag wordt beschreven door middel van een aantal parameters, waarmee het programma op ieder tijdstip de wateroverspanning in de ondergrond berekent. Hierbij kan het geschiedeniseffect (pre-shearing) meegenomen worden.
Het programma is ééndimensionaal, dat wil zeggen het is opgezet voor de situatie dat er alleen afstroming in verticale richting plaatsvindt.
Waar nodig is het tweedimensionale effect op een schematische wijze in de berekening meegeno-men.
Het programma is geschikt voor drie soorten berekeningen. Dit zijn: wateroverspanning in een horizontale zeebodem
wateroverspanning in een oneindig uitgestrekt onderwatertalud; hierbij wordt tevens de lokale stabiliteit gecontroleerd
wateroverspanning onder een gewichtsconstructie op de zeebodem waarbij de lengte van de constructie groot is ten opzichte van de breedte
De belasting op de ondergrond wordt in alle gevallen gevormd door de goifbelasting.
Het is mogelijk om de golfhoogte en daarmee de belasting te variëren in de tijd. Per berekening kunnen in totaal drie stormen worden gedefinieerd, waarbij in iedere storm de golfhoogte eerst lineair met de tijd toeneemt, vervolgens constant blijft en daarna weer lineair afneemt naar nul.
Horizontale zeebodem
De amplitude van de relatieve schuifspanningswisseling in de ondergrond wordt bepaald met behulp van een analytische oplossing. Met deze amplitude als input wordt de grootte van de waterspanningsgeneratie per tijdseenheid bepaald op verschillende diepten in een verticaal. De hieruit volgende afstroming en verdichting worden berekend met een expliciete tijdsintegratie.
Onderwatertalud
De oplosmethode hierbij is gelijk aan die bij een horizontale zeebodem. Er wordt gerekend met afstroming loodrecht op het talud. Als extra is toegevoegd een controle op de stabiliteit van het
oneindig lange onderwatertalud. In iedere rekenstap wordt gecontroleerd of ergens in het talud de wateroverspanning zo groot geworden is dat instabiliteit optreedt. Bij deze stabiliteitsbeschouwing wordt de golfdrukindringing in de zeebodem meegenomen.
Bij deze toepassing is het de vraag of in de golfzone waar een deel van de tijd geen water op het talud staat niet een ongunstiger situatie ontstaat.
Ad 3: Gewichtsconstructie op de zeebodem
Uitgangspunt bij de berekening is dat de lengte van de constructie groot is ten opzichte van de breedte, zodat er sprake is van een tweedimensionale situatie.
Het 2-dimensionale aspect wordt op schematische wijze in rekening gebracht. Het programma werkt met een expliciete tijdsintegratie. Op ieder tijdstip wordt de amplitude van de schuifspan-ningsverhouding in de ondergrond bepaald. Deze is afhankelijk van de goifhoogte en goifperiode op dat moment. De toename van de wateroverspanning per tijdseenheid op dat moment wordt bepaald met behulp van de grafieken van Seed. Door consolidatie neemt de wateroverspanning weer af. Dit heeft een verdichting van de ondergrond tot gevolg waardoor neiging tot waterspan-ningsgeneratie afneemt.
Conclusie
Het programma MCYCLE kan op de volgende voorwaarden worden toegepast voor het berekenen van de wateroverspanning in het zand onder een steenzettalud:
- het talud bevindt zich geheel onder de stilwaterlijn - implementeren van een getijde beweging is niet mogelijk
- het beschouwde steenzettalud is oneindig lang, zonder teenconstructie en horizontaal voorland, eveneens zonder kruin
- het programma MCYCLE is uitsluitend geschikt om de stabiliteit van het talud te analyseren beneden de golfzone van het talud
Met het model zijn geen oriënterende berekeningen uitgevoerd, omdat het programma zonder aanpassingen operationeel kan worden ingezet.
3.3.3 Afschuiving door verweking van klei
Door herhaalde golfbelasting deformeert klei onder een bekleding. Als de klei onvoldoende verdicht is, kunnen deze deformaties, vooral in ongedraineerde en verzadigde toestand, leiden tot opbouw van wateroverspanning. Hierdoor kan de sterkte verminderen, waardoor de vervormingen toenemen en een bezwijkmechanisme wordt ontwikkeld. Dit bezwijken is overigens lang niet zo duidelijk en eenduidig aan te geven als bij zand het geval is. Het optreden van dergelijke
GRONDMECHANICA
MW DELFT
CO-345040112 december 1994
verschijnselen wordt in deze paragraaf aan de hand van de beschikbare literatuur behandeld. In Bauduin (1983a en 1984) wordt het onderdeel verweking van klei ten behoeve van de Oesterdam en de Philipsdam behandeld. Het betreft hier enerzijds een literatuurstudie en
anderzijds de beschrijving van de resultaten van enkele proeven. Overigens wordt opgemerkt, dat ten aanzien van de Oesterdam en de Philipsdam geen definitieve gevolgtrekkingen zijn aangetrof-fen.
Er zijn verschillende proeftechnieken om het gedrag van klei onder cyclische belasting vast te stellen. De meest gebruikte in de literatuur zijn de cyclische triaxiaalproef en de cyclische schuifproef. Bij de triaxiaalproef wordt het monster onder een constante alzijdige spanning gehouden, waarop aan de bovenkant door een plunjer op en neer te bewegen een cyclische component aan toe wordt gevoegd. Omdat de kracht ten gevolge van de cyclische component niet meer in alle richtingen gelijk is, ontstaat een cyclische schuifspanningscomponent.
Bij de cyclische schuifproef wordt de schuifspanning direct opgelegd. Beide proeven worden meestal ongedraineerd uitgevoerd. Bij de triaxiaalproef is ook drainage mogelijk.
Het nauwkeurig meten van waterspanningen in klei is moeilijk vanwege de slechte doorlatendheid van het materiaal. Hierdoor kan de waterspanning ook van plaats tot plaats verschillen. Bij zand kan de waterspanning wel goed gemeten worden. In dat geval is een analyse op basis van effectieve spanningen goed mogelijk. Het criterium: korrelspanning = waterspanning betekent bezwijken van het monster.
Bij klei is dit alleen mogelijk als er sprake is van een dusdanig langzame belasting dat de waterspanningen zich aan kunnen passen. Daarom wordt bij klei veelal gekeken naar totale spanningen in plaats van effectieve korrelspanningen, en naar de bijbehorende vervorming. Een duidelijk criterium ten aanzien van het bezwijken is er niet. Door verschillende onderzoekers worden verschillende criteria gehanteerd. Vaak wordt voor de triaxiaalproef een bepaald
percentage van de axiale rek E, gehanteerd, bijvoorbeeld 5 of 10 %, en voor de schuifproef een schuifvervorming y van 3 %. Dit zijn arbitrair gekozen grenzen.
In de meeste proeven is bij die grenzen nog geen bezwijken opgetreden. In sommige proeven wordt overigens wel plotseling stijgende vervorming of plotselinge instorting van het monster gevonden.
De sterkte van de klei wordt weergegeven als 'het aantal cycli dat nodig is om het vooraf gestelde bezwijkcriterium te bereiken'. Op dit bezwijkcriterium zijn van invloed:
- het spanningsniveau. Hoe hoger het alzijdige spanningsniveau, hoe meer cycli nodig zijn voor verweken.
- éénzijdige of tweezijdige cyclische belasting. Bij éénzijdige belasting is het alzijdige spanningsniveau groter dan de amplitude van de cyclische belasting, met andere woorden: de belasting wisselt niet van teken. Bij tweezijdige belasting werkt de belasting afwisse-
lend de ene en de andere kant op. Uit de proefresultaten blijkt dat omkeren van de belasting (tweezijdig belasten) veel sneller tot verweken leidt.
- de consolidatiegraad. De weerstand tegen verweken is groter naarmate de klei meer is gecon s 01 ideerd.
- golfvorm en frequentie. Een blokvormige belasting is ongunstiger dan een sinus. Een lage frequentie (lange duur golf) leidt in minder cycli tot verweking dan een hoge frequentie, maar een hoge frequentie kent meer cycli in dezelfde tijd.
- in zijn algemeenheid is de aard van het kleimateriaal van belang. Hiervoor zijn weinig of geen algemene stelregels, alleen de ervaring dat verschillende kleien sterk verschillend kunnen reageren.
- drainage. Door drainage neemt het aantal cycli tot verweking toe.
In vergelijking met zand wordt in één geval gesteld dat klei drie maal zo grote weerstand tegen verweking heeft als zand. Dit volgt echter uit proeven op 1 soort zand en 1 soort klei, zodat dit als algemene conclusie niet is hard te maken.
Een opmerkelijk verschijnsel dat wordt gerapporteerd is het optreden van vervormingen, geruime tijd nadat de cyclische belasting heeft plaatsgevonden. Kennelijk kan door de cyclische belasting een dusdanige vermindering tegen kruip en schuifbelasting zijn opgetreden dat dagen na de dynamische belasting, onder invloed van eigen gewicht en eventueel statische belasting bezwijken heeft plaatsgevonden. In verschillende studies wordt dit verschijnsel gerapporteerd, terwijl het ook experimenteel is aangetoond. De dynamische belasting heeft een poriënwaterspanning geïnitieerd, welke tot een kruipvervorming aanleiding geeft die na verloop van tijd tot bezwijken in de vorm van afschuiven of grote vervormingen leidt.
Ten behoeve van de verwekingsproblematiek is ook een nieuw type proef ontwikkeld (Bauduin 1984) en uitgevoerd op twee monsters. In de proef werd een kleimonster opgebouwd en verdicht in een C.B.R. cilinder (afmeting: diameter 15,3 cm en 11,8cm hoog). Op de oppervlakte werd door middel van een stempel met een diamter van 5 cm een drukkracht aangebracht welke cyclisch in grootte kan variëren. Naast deze stempel kunnen gewichten worden geplaatst om een nevenbelasting aan te brengen. Tijdens de proef worden kracht en verplaatsing van het stempel geregistreerd. Bij de eerste twee proeven werd het monster verdicht tot ongeveer de Proctordicht-heid. Dit is dichter gepakt dan in de praktijk haalbaar. Voor het aanbrengen van de belasting werd het monster twee dagen onder zout water gezet.
Bij proef 1 werd een nevenbelasting van 5 kPa toegepast, om blokken van 20 cm dikte te simuleren. De cyclische belasting had een amplitude van 20,5 kPa (ca. 2 meter waterkolom). De zakking van het stempel na 1000 cycli bedroeg slechts 0,4 mm.
In de tweede proef werd de nevenbelasting weggelaten en werd de amplitude verdubbeld. Dit resulteerde in grotere zakking van het stempel (5 mm na 1000 cycli).
Daarna werd een ander monster genomen. Dit monster werd verdicht tot 95 % Proctordichtheid, een waarde die in de praktijk ongeveer maximaal haalbaar mag worden geacht. De derde proef
GRONDMECHANICA
DELFT
CO-345040112 december 1994
werd weer uitgevoerd met nevenbelasting, de vierde proef zonder. De amplitude van de cyclische beweging was in beide gevallen 45 kPa. In dit geval waren de zakkingen groter, te weten 20,6 mm na 700 cycli in de derde proef en 22,5 mm na 200 belastingswisselingen in de vierde proef. In geen van de proeven werd een plotselinge toename van de vervormingen of een andere aanwijzing voor bezwijken gevonden. Blijkbaar is, ondanks de grote belasting, geen verweking opgetreden. Bovendien is de nevenbelasting, zoals deze in de praktijk veroorzaakt wordt door het gewicht van de toplaag, een gunstige invloed. Er moet wel worden opgemerkt dat de klei in alle proeven zeer goed is verdicht, dit wil zeggen tot de op een dijk maximaal haalbare verdichtings-graad of hoger.
In Andersen et al (1992) wordt een beschrijving gegeven van verscheidene methoden voor het bepalen van:
- de cyclische schuifsterkte ten behoeve van het berekenen van het draagvermogen (offshore platforms)
- schuifmoduli om de verplaatsing onder een maximum cyclische belasting te berekenen - schuifmoduli voor het berekenen van de stijfheid van de grond ten behoeve van de
'structural dynamic analysis'.
In de praktijk is een cyclische belasting door golven onregelmatig van aard. Dit wordt ten behoeve van proeven in het laboratorium meestal omgezet in een representatieve regelmatige belasting. Het gedrag van de grond wordt dus voorspeld op basis van proeven met cyclisch wisselende schuifspanningen met constante amplitude.
Bij de interpretatie van de proefresultaten wordt onderscheid gemaakt in:
cyc li c shear strain accumulation procedure'. Deze methode geeft goede resultaten voor klei bij toenemende en licht afnemende cyclische schuifspanningen. Nadeel is dat de methode bij lage cyclische schuifspanningen de cyclische schuifmodulus kan onderschat-ten indien de grond is voorbelast met grotere cyclische schuifspanningen. Hierdoor kan ook de stijfheid van de grond te laag worden ingeschat.
- 'permanent pore pressure accumulation procedure'. Deze methode is in feite gebaseerd op een effectieve spanningen-benadering. Gezien de problemen om accuraat waterspanningen te meten in klei, is de methode goed geschikt voor zand, maar minder voor klei.
- 'permanent shear strain accumulation procedure'. Deze methode houdt rekening met de gehele voorgeschiedenis van de belastingen. Daarom worden goede resultaten verkregen voor hoge en lage schuifspanningen, door onderscheid te maken in cyclische en perma-nente schuifvervorming.
industrie, waarbij grote gewichtsconstructies in diep water (meer dan 300 m diep) op een klei of zandbodem zijn geplaatst.
De methoden zijn volgens de auteurs algemeen toepasbaar, ook voor cyclische goifbelasting in ondiep water.
In het book of abstracts van de ICCE 1994 conferentie staat een interessant verhaal van de Wit, Kranenburg en Battjes (1994) over verweking als gevolg van golven. Vanwege de beknopte vorm ontbreken enkele essentiële gegevens, zoals de dichtheid, maar omdat het over havenbodems gaat, is de pakking vermoedelijk los geweest, te meer omdat sprake is van 'mud' en niet van klei. Uit de proeven blijkt duidelijk dat, boven een zekere drempelwaarde van de golfhoogte, een laagje mud in verweking komt, hetgeen blijkt uit plotseling toenemende waterspanningen.
Dit typische verwekingsgedrag wordt slechts een enkele maal in de literatuur genoemd, maar in de meeste gevallen zijn de proefmonsters verdicht geweest.
GRONDMECHANICA
NNW DELFT
december 1994 CO-3450401124 Grondwaterstroming
4.1 Inleiding
In dit hoofdstuk wordt verslag gedaan van het onderzoek betreffende de toepasbaarheid van de computerprogramma's MSEEP en STEENZET/2, waarmee de stabiliteit van een talud kan worden geanalyseerd, voor verschillende situaties en onder verschillende voorwaarden. De programma's MSEEP en STEENZET/2 zijn door Grondmechanica Delft ontwikkeld.
Er zijn enkele voorbeeldberekeningen uitgevoerd. Deze berekeningen zijn met name om te zien of de programma's werken en goede resultaten geven indien afwijkende configuraties worden
ingevoerd. Met name MSEEP kan problemen geven bij scherpe overgangen in doorlatendheden, terwijl voor de geometrie een goede schematisatie noodzakelijk is.
Onderscheid wordt gemaakt in korte golven (storm) en lange golven (getij).
4.2 Korte golven (storm)
4.2.1 Inleiding
Het doel van deze paragraaf is om aan te geven hoe de drukken over de toplaag kunnen worden berekend. Wanneer de verschildrukken over de toplaag tijdens een deel van een golf voldoende groot zijn geworden, kan opdrukken of afschuiven van de bekleding plaatsvinden. Het doel is derhalve het berekenen van drukken onder de toplaag als functie van de eigenschappen van de ondergrond.
Voor bekledingen op een filterlaag kan in een aantal gevallen volstaan worden met STEENZET/l of ANAMOS benaderingen. Als de doorlatendheden zeer groot worden komen programma's voor golfbrekers in aanmerking. Als de dikte van de filterlaag niet klein is ten opzichte van de
leklengte, dan speelt elastische berging een rol. In dat geval kan STEENZET/2 worden toegepast. De in deze paragraaf gegeven benaderingen zijn bedoeld als aanvulling op de ontwerpregels voor de toplaag die door het Waterloopkundig Laboratorium worden opgesteld.
Een apart probleem vormen bekledingen die direct of met alleen een geotextiel onder de toplaag op de ondergrond worden geplaatst. Bij blokken op klei en blokken op zand bleek dat het ontstaan van kleine geultjes onder de blokken bepalend was voor de stabiliteit. Indien, bijvoor-beeld door toepassing van een geotextiel, deze geulvorming kan worden voorkomen, dan wordt mogelijk wel een zeer stabiel systeem verkregen. Ook in dat geval kan de reactie van de
ondergrond waarschijnlijk met elastische berging worden beschreven. Door een filterlaagdikte te kiezen groter of gelijk aan de afstand waarover de golf aan de oppervlakte uitdempt kan
STEENZET/2 worden toegepast.
Het lijkt voor de hand te liggen STEENZET/2 nogmaals kort toe te lichten en enkele berekenin-gen uit te voeren om te zien of het programma geschikt en operationeel is voor de voorgestelde
