verweking van zand en zettingsvloeiingpublicaties.minienm.nl/download-bijlage/44854/verw... ·...
TRANSCRIPT
ministerie van verkeer en waterstaat ri jkswaterstaat
dienst weg- en waterbouwkunde
VOORLICHTINGSMIDDAG
VERWEKING VAN ZAND EN ZETTINGSVLOEIING
-grondmechanica delft
1990
J. van HeterenJ. LindenbergF. SilvisH. Verwoert
VERWEKING VAN ZAND EN ZETTINGSVLOEIING
Door:
ir. J. van Heteren, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde
ir. J. Lindenberg, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde
(voorheen werkzaam bij Grondmechanica Delft)
ir. F. Silvis, Grondmechanica Delft
ir. H. Verwoert, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde
INHOUD
Ten geleide
1.
2.
3.
4.
Inleiding en historie onderzoek
Verweking van zand
Verweking, vloeiing en mogelijke gevolgen in
experimenten en praktijk
Het PC komputerprogramma MSLIQ
1
8
17
24
TEN GELEIDE
Het zettingsvloeÜllgsonderzoek voor de Rijkswaterstaat, uitgevoerd door
Grondmechanica Delft, is ca. 6 jaar geleden opgestart. In de eerste helft
van 1988 heeft een herbezinning plaatsgevonden met betrekking tot de
aanpak van het onderzoek. Als doelstelling staat voorop dat op zo kort
mogelijke termijn een bruikbaar resultaat/produkt aangeboden kan worden
aan de adviespraktijk. Bij de herbezinning is aandacht besteed aan de
"wensen" van en de mogelijkheden voor de adviespraktijk.
Op 22 november 1989 is er een voorlichtingsmiddag "Verweking van zand
en zettingsvloeÜllg" gehouden. Tijdens deze middag zijn het zettingsvloei
ingsonderzoek en de inmiddels bereikte resultaten toegelicht.
Direkt na afloop van deze middag kwam het in ruime mate aanwezige
publiek met de wens naar voren om de voordrachten vast te leggen. Om
het karakter van de lezingenmiddag zo goed mogelijk te bewaren, zijn de
voordrachten in de voor u liggende brochure vrijwel woordelijk opgeno
men.
Het ligt m de bedoeling om ca. '91/'92 een presentatie te organiseren
waarin het dan (nagenoeg) voltooide eindprodukt en toepassingsmoge
lijkheden worden toegelicht.
Mocht de voorlichtingsmiddag of deze verslaglegging voor u aanleiding zijn
voor opmerkingen en/of vragen dan staan wij hier graag voor open. Als
kontaktpersoon in deze fungeert de projektleider van de Dienst Weg- en
Waterbouwkunde.
ir. H. Verwoert
projektleider ZettingsvloeÜllgen
Dienst Weg- en Waterbouwkunde
Hoofdafdeling Waterbouw
1. Inleiding en historie onderzoek
ir. J. van Heteren
1
Figuur 1.1
..,m00 I~D
BL:\ L,\ [)
/'
Figuur 1.2
1. INLEIDING EN HISTORIE ONDERZOEK
1.1 Inleiding
Op 7 mei 1985 kwam de Radionieuwsdienst met het volgende bericht:
"12.00 uur Radionieuwsdienst verzorgd door het A.N.P.
Binnenlandsnieuws
Hedenmorgen is er een grote oeverval gekonstateerd aan de zuidoever van het eiland Schouwen
nabij Koudekerke. Op slechts enkele kilometers afstand van de damaanzet van de Stormvloedke
ring in de Oostersehelde is de dijk over een lengte van 200 m gedeeltelijk beschadigd. Er is een
grote hoeveelheid grond verdwenen uit de vooroever. In verband met het gevaar voor het
achterland wordt de achter de dijk gelegen weg tijdelijk afgezet voor het verkeer.
Inmiddels is er stortmateriaal aangevoerd om de kans van afschuiving bij de aan de teen van de
dijk ontstane verstelling weg te nemen. Een grote hoeveelheid grof materiaal is reeds in de
ontstane verdieping van ca. 10 m gestort."
We denken dat u, net als wij, als u dit bericht van de radionieuwsdienst hebt gehoord, toch wel even ge
schrokken bent. Want Koudekerke ligt vlak achter de Oosterscheldekering, het sluitstuk van de beveili
ging van Zeeland. Natuurlijk zullen de meesten van u deze nieuwsmededeling inmiddels wel vergeten zijn.
Toch wil ik u deze oeverval in herinnering roepen en er op wijzen dat deze val geen incident was dat
ééns in de zoveel jaren optreedt, maar een regelmatig terugkerend verschijnsel is. In de afgelopen 150
jaar zijn er in Zeeland enkele honderden van zulke vallen van grote omvang geweest, zij het dat deze
vallen niet alleen dijkvallen waren, maar daar ook de oever- en plaatvallen bij inbegrepen zijn. Daarbij
komt dat deze vallen niet alleen in het verleden, maar ook nu nog en ook in de toekomst zullen
plaatsvinden. In figuur 1.1 ziet u de plaatsen waar de laatste eeuw de meeste dijk- en oevervallen in
Zeeland hebben plaatsgevonden, aangegeven met stippen.
Wat is nu eigenlijk een dijk-, oever- of plaatval?
Om u een voorstelling te geven van dit gebeuren is in figuur 1.2 door middel van een schematische
tekening een oeverval weergegeven met als één van de kenmerken het schelpvormige karakter. Bij een val
is er sprake dat plotseling een grote hoeveelheid grond van een relatief hoog nivo zich verplaatst naar
een lager gelegen nivo. Soms treedt inscharing op tot op korte afstand van de dijk of zelfs tot in de dijk.
Hierdoor kunnen gevaarlijke situaties ontstaan voor de achterliggende polders. Wanneer gesproken wordt
over "plotseling" moet u denken aan "één of enkele dagen" en wanneer gezegd wordt "een grote
hoeveelheid" dan moet u denken in de orde van enkele honderdduizenden m3 tot meer dan een miljoen
m3•
Het meest verontrustend is, dat deze vallen zich niet langzaam ontwikkelen, maar plotseling, zonder een
2
Figuur 1.3
afschuivingsvloeiing
afschuivingen
klei afzand'/ .y ../ .. '.: ... -/ ..... '.
Figuur 1.4
~'- /'" .'.:.
1: 15 ".,., ~:":".' " ..",?"I.'"'.".I~ ~:.:':::.:. - : ::~ :.~ .. ' : ..:: .
zettingsvloeiing met afschuivende kleilaag
"'!'" ~~_-~-- ~~/lZ klei./ ..' .
All! i I! 1I11111111111111}11l(fP'&bty~: . '. .'. 'Io~ zand. . '. ..... . . .'. . . .' . . ..
zettingsvloeiing met afkalvende zandlaag
, ;l7~7-ï .. 'd' h d':' /' / / / /~. •.•. IC t zan~..J.J..../_/. _......:..• ..:,.__
rt I I i i i I i i I I I1 LP i I fiÄ . .. : los zand. . ... :., .. :: ....: ". :: :: .':.:. '.. '... ' : dicht zand
Figuur 1.5
schijnbare oorzaak, optreden. Hierbij komt dat we eigenlijk nauwelijks weten waardoor deze vallen
worden ingeleid, niet kunnen zeggen wanneer ze zullen optreden en ook niet in staat zijn de omvang
ervan te schatten. In figuur 1.3 ziet u nog één van de vele dijkvallen die in de loop van de jaren zijn
opgetreden. Duidelijk is te zien dat de inscharing nog net niet tot een doorbraak heeft geleid.
Deze middag is genoemd een "zettingsvloeiingsmiddag". Misschien zult u zich afvragen wat een
"zettingsvloeiing" te maken heeft met de getoonde "vallen".
Wel een zettingsvloeiing is precies hetzelfde als een val met dien verstande dat een val het natuurver
schijnsel is, en een zettingsvloeiing de grondmechanische benaming. Hoewel dit dus twee namen zijn voor
één en hetzelfde gebeuren, ligt er in de term "zettingsvloeiing" al iets van een mogelijke verklaring.
Een zettingsvloeiing is geen afschuiving. Er is duidelijk een verschil tussen een zettingsvloeiing en een
afschuiving, alhoewel er zich tussen beide verschijnselen wel een grijs gebied bevindt. Figuur 1.4 geeft u
een schematische dwarsdoorsnede van een afschuiving, terwijl in figuur 1.5 enkele schematische profielen
van zettingsvloeiingen zijn gegeven. Hier is duidelijk te zien dat de verschillende grondlagen het
uiteindelijke schadeprofiel bepalen.
Wanneer de uiterlijke kenmerken van beide verschijnselen naast elkaar worden gezet, geeft dit het
volgende beeld.
De kenmerken van een zettingsvloeiing zijn:
1. een zettingsvloeiing vindt meestal plaats bij jong zeezand,
2. de beginhelling is ongeveer 1:3 over een hoogte van ongeveer 5 meter,
3. de eindhelling is erg flauw, tussen de 1:15 en 1:20.
Een afschuiving geeft het volgende beeld te zien:
1. afschuivingen vinden plaats bij zowel jong zeezand als oud wadzand,
2. de beginhelling is meestal steiler dan bij een zettingsvloeüng, ± 1:2
3. een afschuiving heeft een veel steilere eindhelling dan een zettingsvloeiing, n.l. 1:3 tot 1:5.
Grondmechanisch gezien ontstaat een zettingsvloeiing door wateroverspanning in de grond, dus door het
ontstaan van drijfzand, terwijl een afschuiving ontstaat door overschrijding van de schuifweerstand van de
grond.
Was er dan totaal geen kennis over het verschijnsel aanwezig?
Natuurlijk, als een verschijnsel honderden malen in een relatief kort tijdsbestek van 150 jaar heeft
plaatsgevonden, is er een grote ervaringskennis opgebouwd. Die kennis heeft men in de jaren 1979 tot
1982 geïnventariseerd en geëvalueerd; o.a. resultaten vooronderzoek langs Zeeuwse stromen (Wilderom,
1979), korrelatiestudie Wilderomgegevens (Davis, 1978), nota stabiliteit rand bodembescherming SVKO
(Deltadienst, 1982). Bij deze inventarisatie en evaluatie zijn zo'n 200 vallen in Zeeland betrokken, wat als
een representatieve steekproef kan worden beschouwd.
Allereerst een schematisatie van het dwarsprofiel voor en na de zettingsvloeiing. Van belang zijn de
steilste helling over een hoogte van 5 m v66rdat de vloeiing heeft plaatsgevonden, l:e, de flauwe even-
3
0 0
A
AO X • • X ••
tItI
'9." 6 ~66 •
0 • 0 • \CID XllD
066 pwO ~ A A
Schematisatie profiel oever voor en na een zettingsvloeiing
1:1
1:1 2
1:1 4
1:1 6
t 1:1 8
gemeten 1:2steilste 1:2 2aanzet- 1:2 4
helling 1:2 6
over5m 1:2 81:3
voor 1:3 5optreden 1:4vloeiing 1:5
1:61:7
10 20 30 40 50
af ..............----.-.,-
,.,.~p/lilllreuïketllftlikelYteJfJiJg
Figuur 1.6 kuildiepte voor optreden vloeiing [m] ---
tijdsverloop tussen datum • 0-2 maandenlaatste peiling voor optreden x 3-4 maandenvloeiing en datum optreden vloeiing 0 5-8 maanden
A 9-12 maanden
Figuur 1.7
1:10
2010
xl(
)t
1C )( IC
"J( x>lxX(II >t:~ .11
.;»...~I :i
,jOl • ..-~Ka..
111
30
40
t
10o I
kuildieptevoorvloeiing 20[m]
o
50
•• _.
•• •
•••• •• •••• •
• • ~.-10 •••.- •• •
• ••• • •• ...• ••
"~ ,,1.:.t,.1-
1:25
1:15
1:30
1:12,5
tevenwichtshelling na
optr~~en 1:20vloeIIng
l:y
kuildiepte voor vloeiing [m]
Figuur 1.8
relatie kuildiepte voor vloeiing tegenevenwichtshelling na vloeiing
o 10 20 30 40 50 60L
~Figuur 1.9
wichtshelling 1:y, die overgaat in de steile, zogenaamde aanzethelling 1:6 (zie figuur 1.6).
Eén van de resultaten van deze inventarisatie en evaluatie ziet u in figuur 1.7: de gemiddelde steilste
helling over 5 meter hoogte v66rdat de zettingsvloeiing optrad, vertikale as, uitge,zet tegen de kuildiepte
voor het optreden, horizontale as. U ziet het: een puntenwolk waaruit weinig informatie te halen is.
Wel is uit deze puntenwolk op te maken dat bij de opgetreden vallen de helling in 95% van de
waarnemingen steiler of gelijk was aan 1:4. In Zeeland wordt als kriterium bij de advisering gebruikt: in
jong zeezand een taludhelling van 1:3.
Een tweede resultaat is in figuur 1.8 te zien: de evenwichtshelling 1:y nà het optreden van de vloeiing,
wederom als funktie van de kuildiepte voor de vloeiing. Evenals figuur 1.7 ziet u weer een puntenwolk
met als resultaat dat in 95% van de gevallen de evenwichtshelling steiler of gelijk aan 1:25 is. Deze even
wichtshelling is niet gelijk aan de eindhelling waarover dikwijls wordt gesproken, die loopt van het
bovenste punt van de aanzethelling tot het onderste punt van deze evenwichtshelling. Dit is in feite de
gemiddelde helling voor het gehele talud. Deze eindhelling was in 95% van de gevallen steiler dan 1:15.
Als laatste resultaat wil ik u figuur 1.9 laten zien: de aanzethelling 1:6, eveneens als funktie van de
kuildiepte voor de val. Voor het eerst enige korrelatie: de hoogte van de aanzethelling D, uitgezet op de
horizontale as neemt toe met een groter wordende ontgrondingskuildiepte, uitgezet op de vertikale as.
Ook werd gekonstateerd dat deze vloeiingen alleen plaatsvonden bij het losgepakte holocene of jonge
zeezand.
Later bleek dat er ook vloeiingen konden plaatsvinden bij het holocene oud-wadzand. Tenslotte kwam
men tot deze oude griekse filosofische stelling (Herakieitos, 500 v. Chr.):
"1rQ;VTa. pel (panta rei)"
"alles vloeit", want het blijkt dat uiteindelijk elk zand, zij het onder bepaalde kondities tot vloeien is te
brengen.
Gekonkludeerd moet worden dat vanuit de empirie alleen inzicht bestond in:
de mogelijke grote eindgevolgen (schadekriteria);
de omstandigheden waaronder een vloeiing mogelijkerwijs zal optreden
(optredingskriteria).
1.2. Historie van het ondgrzoek
De eerste stap om meer inzicht te verkrijgen kwam uit de analyse van modelproeven uitgevoerd tussen
1973 en 1977 in het Waterloopkundig Laboratorium de Voorst. Uit dit onderzoek bleek dat in het fe
nomeen zettingsvloeiing de volgende deelprocessen kunnen worden onderkend (zie ook figuur 1.10):
het verweken van zand (toename waterspanning);
mengselvorming (begin van stroming);
mengselstroming (afvoer verweekte zand-water mengsel);
4
beginprofiel
sveIWeking --
-----;engselvormingt------f mengselstroming
sedimentatie
eindprofiel
De vier deelprocessen tijdens een zettingsvloeiing
Figuur 1.10
mengsel sedimentatie (bezinking).
Om meer inzicht te verkrijgen in het verschijnsel verweking werden in het laboratorium de volgende
triaxiaal proeven ontwikkeld:
de natte kritieke dichtheidsproef waarbij het zand monster met water verzadigd is met
als resultaat het natte kritieke poriëngehalte (nk'1n);
de droge kritieke dichtheidsproef waarbij gewerkt wordt met een droog zandmonster met als
resultaat het droge kritieke poriëngehalte (nk'1d)'
Het natte kritieke poriëngehalte geeft aan het poriëngehalte waarbij door schuifspanningsveranderingen
net geen verweking in het zand optreedt: het vormt dus een bovengrens. Is het poriëngehalte in het veld
groter dan nkr1n dan is het zand ter plaatse zeker gevoelig voor een zettingsvloeiing. Omgekeerd als het
poriëngehalte in situ lager is dan de droge kritieke dichtheid zal in het algemeen geen zettingsvloeiing
optreden. Als de droge kritieke dichtheid als kriterium wordt aangehouden zit men dus aan de veilige
kant.
Zo zijn in de loop van de tijd vanuit de empirie en de laboratoriummetingen de volgende drie optre
dingskriteria ontstaan:
het poriëngehalte van het zand moet groter zijn dan nk'1d' d.w.Z. los tot zeer losgepakt zand;
er moet sprake zijn van een minimale steilheid (b.v.: 1:3) over een minimale hoogte van (b.v. 5
m);
er moet sprake zijn van een aanleiding, een zogenaamd inleidend mechanisme.
Aan alle drie kriteria moet worden voldaan, wil er een zettingsvloeiing optreden. Wil men deze vloeiing
voorkomen, dan is het voldoende om één van deze drie kriteria weg te nemen.
Er zijn vele inleidende mechanismen, zoals trillingen door heien, baggeren, explosies, golfinwerking,
uittreden van grondwater uit de dijk en last but not least versteiling van het talud door erosie van on
derbeloop, de teen, of aanzanding van het bovenbeloop.
Ervaringskennis, ja, die was gelukkig wel aanwezig, maar echt inzicht, wanneer een vloeiing zal ontstaan
en wat de omvang zal zijn en hoe de eindgeometrie eruit zal zien, vormde één grote witte vlek.
Vandaar dat in 1984 vanuit de T.O.W. (= Toegepast Onderzoek Waterstaat) een onderzoek werd gestart
om meer inzicht te krijgen in het zettingsvloeiingsverschijnsel met als uiteindelijk doel het toepassen van
de verkregen kennis voor de adviespraktijk. De voordelen zijn evident:
als de minimale hoogte nu eens geen 5 m maar 4 m zou bedragen, maar het zand is iets losser
dan de kritieke dichtheid, is dan een zettingsvloeiing echt onmogelijk?
of als er sprake is van verwekingsgevoelig zand, maar de verwachte evenwichtshelling is 1:8
i.p.v. 1:25 dan bereikt de inscharing de dijk niet en behoeft er veel minder bestort te worden.
Wel is het onderzoek beperkt tot het eerste en het resultaat van het laatste deelproces, nl. de verweking
en de sedimentatie van het mengsel en dus de optredingskriteria en de schadekriteria. De andere twee
fasen, de mengselvorming en de mengselstroming, zijn in het kader van het MODVLO onderzoek
bekeken.
5
PRESSlOMETER PROEF
\ (pri nci pe)
r;:::====~--- vloeistofdruk trapsgewijs opvoeren
Io'-r---- STEUNCEL
-+I'T----MEE TCEL
~-----STEUNCEL
-+..,L7----BOORGAT
Figuur 1.11
Het onderzoek heeft zich steeds langs drie lijnen bewogen. In de eerste plaats de oriënterende studies
om een beter kwalitatief inzicht te verkrijgen in zowel de omstandigheden die tot verweking kunnen
leiden als voor het proces van voortplanting voor een verweekt front.
In de tweede plaats: modelvorming met een eindig elementenprogramma en een goed grondmodel. Voor
dit programma viel de keus op dat het programma van de universiteit van Manchester, terwijl als grond
model het model MONDT werd gebruikt. Dit model is geschikt voor 2-dimensionale situaties.
Als derde lijn gold de inventarisatie en eventueel verbetering van de terreinmeetapparatuur. Hierbij werd
vooral gedacht aan een dilatantiemeter. In de loop van het onderzoek bleek namelijk dat de dilatante ei
genschap van het zand van elementaire invloed was. Onder dilatantie wordt verstaan de verandering van
het volume bij belasten van grond d.m.v. schuifspanning. Die eigenschap is goed te zien als u uw voet zet
op het natte gedeelte van strand. Het zand heeft daar een tamelijk dichte pakking. Bij belasting door uw
voet ziet u het zand rondom uw voet droog worden. Dat komt door die dilatantie, waardoor er meer
ruimte komt voor het water in de poriën (volumevergroting), en het poriënwater naar een wat dieper
gelegen laag kan stromen.
De twee eerstgenoemde onderzoekssporen, de oriënterende studies en het eindige elementenprogramma,
zijn direkt vanaf het begin van het onderzoek aangepakt, waarbij het eindige elementenprogramma als
hoofdspoor werd beschouwd. Het derde spoor, de verbetering van de terreinmeetprocedure is in 1986
opgestart.
De oriënterende studies, bestaande uit totaal 10 deelstudies, hebben het inzicht in het verschijnsel zet
tingsvloeiing aanzienlijk vergroot. Het geldt voor zowel de omstandigheden die verweking kunnen
teweegbrengen als voor het proces dat een voortplanting van een verweekt front kan veroorzaken.
Helaas is de studie met het eindig elementenprogramma minder positief verlopen. Met name bij de ta
ludberekeningen, waarbij de grondeigenschappen overeen kwamen met zeer los zand, traden problemen
op en resulteerden in niet verklaarbare resultaten. De oorzaak lag vooral in de kombinatie van een kom
plex eindige elementen schematisatie en het komplexe grondmodel MONDT, met als gevolg dat er
numerieke instabiliteiten optraden.
Voor wat betreft het derde spoor, de terreinmeetmethoden voor dilatantie van ongeroerde zand is een
literatuurstudie uitgevoerd. Daaruit bleek dat de techniek om ongeroerde monsters te nemen niet opera
tioneel is en tevens erg duur is. Wel bleek dat de self-boring pressure meter veelbelovend is, maar de
kosten van de volledige ontwikkeling van deze meettechniek voor het meten van de relevante parameters
bleken zodanig hoog dat tot op dit moment nog niet zeker is of de baten tegen de kosten opwegen (zie
figuur 1.11).
Ten gevolge van de problemen bij het hoofdspoor van het onderzoek heeft er in de eerste helft van 1988
een herbezinning plaatsgevonden met betrekking tot de aanpak van het onderzoek. Als doelstelling stond
voorop dat op korte termijn er een bruikbaar resultaat aangeboden zou moeten worden aan de
adviespraktijk, om situaties als bij de Leendert Abrahampolder langs de oever van Noord Beveland te
voorkomen, waar meer dan 1 miljoen m3 grond werd verplaatst (zie kaft). Als basis diende hiervoor de
oriënterende studies die tot een aanzienlijke vergroting van het inzicht hadden geleid. Deze nieuwe
6
aanpak kenmerkt zich door pragmatisme door het werken van klein naar groot, van simpel naar
gekompliceerd. Het quasi 2-dimensionale model omvat in wezen een i-dimensionaal rekenschema, waarin
de relevante 2-dimensionale aspekten op geschematiseerde en kunstmatige wijze worden toegevoegd.
Later kan verifikatie aan het eindige elementen programma plaatsvinden. Voorlopig zijn de aktiviteiten
voor dit komplexe programma sterk gereduceerd. Wel worden de ontwikkelingen in Manchester, waar
men met hetzelfde programma werkt, op de voet gevolgd. Hoofdspoor is nu het ontwikkelen van een
eenvoudiger programma voor de adviespraktijk. Deze heroriëntatie heeft ook konsekwenties voor het
derde spoor: de verbetering van de terreinmethode, er is geen behoefte aan veel en nauwkeurige
parameters, maar wel aan praktische relevante parameters.
De volgende lezingen zullen meer informatie geven over deze nieuwe aanpak en de stand van zaken van
het onderzoek.
7
2. Verweking van zand
ir. J. Lindenberg
8
doelstelling zettingsvloeiingsonderzoek
------......:~--vroeger alleen:
verwekingsgevoeligheid van zand
binnenkort:
ook bij welke helling(sverandering}
als funktie van grondprofiel en
grondeigenschapPen
Figuur 2.1
2. VERWEKING VAN ZAND
2.1 Inleiding
Het ontstaan van verweking is een voorwaarde voor het optreden van een zettingsvloeiing in een zandige
vooroever. Willen we meer inzicht krijgen in het hoe en waarom van een zettingsvloeiing dan zullen we
dus eerst het mechanisme van het ontstaan van verweking moeten doorgronden. Om die kennis van ver
weking toegankelijk te maken voor toepassing in de praktijk moeten de relevante parameters worden
onderkend. Tevens moet het mogelijk zijn of mogelijk worden gemaakt om de grootte van die parameters
in een terreinlokatie vast te stellen.
In deze tweede presentatie zal ik het ontstaan van verweking in zand toelichten vanuit de grondme
chanika. Beginnend met een meer algemene verklaring van simpele en kwalitatieve aard wordt toegewerkt
naar de kern van het probleem: formuleren van het mechanisme van ontstaan van verweking in een talud
in zodanige vorm dat het in een berekening kan worden geïntroduceerd.
Tijdens de presentatie zullen enkele begrippen - zoals het spanningspad - worden toegelicht en zal ik
uitgebreid ingaan op het instabiliteitsverschijnsel.
Ik zal geen formules laten zien. De bedoeling van deze presentatie is enerzijds dat u begrijpt hoe het
ontstaan van verweking kwalitatief in zijn werk gaat en anderzijds dat u inziet dat alles wat ik u vertel en
met figuren toon, in formulevorm kan worden weergegeven. En dus dat het gedrag van zand in een
onderwatertalud met een rekenmodel te beschrijven is. Hiermee vormt mijn toelichting een brug naar de
laatste presentatie van vanmiddag, waarin Frank Silvis zal ingaan op het rekenmodel en de mogelijkheden
daarvan.
In figuur 2.1 wordt een talud onder water getoond met daarin aangegeven een veronderstelde taludveran
dering bestaande uit een versteiling nabij de teen. Het gaat er nu om hoe het zand op deze verandering
reageert. Dit is aangegeven d.m.v. spanningen op een zandelementje in de vooroever. Vroeger konden we
vanuit de gronclmechanika alleen iets zeggen over de verwekingsgevoeligheid van het zand. Dit hield in
dat we aan de hand van vooral de in het terrein aanwezige dichtheid van het zand, konden aangeven of
dat zand zou kunnen verweken bij toenemende schuifspanning. We konden echter geen relatie leggen
tussen de mate van verwekingsgevoeligheid enerzijds en de aanwezige taludhelling, de verwachte of
mogelijke taludverandering en de diepte van de zandlaag anderzijds.
De verwekingsgevoeligheid van zand is dan ook meer een materiaalparameter. Het zegt nog niets over de
mate waarin een geometrische situatie in een vooroever kritiek is. Onze advisering was in het verleden
dan ook vaak belangrijk konservatief.
Vanaf het begin van het onderzoek naar zettingsvloeiingen is het doel geweest om de genoemde relaties
wel te kunnen leggen. We zijn nu zover dat we kunnen stellen dat we daar binnenkort toe in staat zijn.
9
mechanisme ontstaan van Ve!'Weldng
schuifspanning
l08gepalct zand vastgepakt zand
dilatantie: volumeverandering als gevolg van schuifspanning
vmumL~ voL(verdichting)
FIgUur 2.2
vastgepakt
I
losgepk zandI ..
0,1 a 0,4%
volumeverkleining
kenmerken:
volumevergroting
- ook losgepakt zand ondergaat volumevergroting
bij hoge schuifspanning 't
..- volumeverkleining slechts klein, 0,1 a 0,4%
van oorspronkelijk volume
Figuur 2.3
Het betekent dus dat de koppeling tussen de verwekingsgevoeligheid enerzijds (of beter: de materiaalpa
rameters voor de verschillende zandlagen) en de taludgeometrie, gelaagdheid en belasting in een talud
anderzijds, kan worden gelegd.
2.2 Principe van ontstaan van verweking
Jan van Heteren heeft in zijn inleiding al genoemd dat dilatantie het sleutelwoord is bij het verklaren van
verweking in zand. Het effekt van dilatantie en onder speciale kondities het ontstaan van verweking kan
worden waargenomen bij het lopen op het natte deel van het strand. Voor ons grondmechanici is het
belangrijk dit verschijnsel kwantitatief te beheersen en te vangen in formulevorm.
Velen van u zullen de in figuur 2.2 getekende geschematiseerde korrelstapelingen vaker gezien hebben in
relatie tot het verklaren van dilatantie. Links een losse pakking met vrij labiele korrelstapeling en grote
holtes tussen de korrels, rechts een vastgepakt zand met relatief klein poriënvolume.
In figuur 2.2 is een schuifspanningstoename aangegeven. Als gevolg hiervan zullen de korrels zich
herschikken, d.w.z. het korrelskelet zal vervormen. Het zal duidelijk zijn dat het zand daarbij ook in
volume zal veranderen.
De definitie van dilatantie is nu:
De volumeverandering als gevolg van alleen schuifspanning,. (dus niet normaalspanning (T)
Dan is kenmerkend voor losgepakt zand dat die volumeverandering een volumeverkleining is, een
verdichting dus en bij vastgepakt zand een volumevergroting; de korrels willen bij vervormen over elkaar
en uit elkaar.
De werkelijkheid is toch iets gekompliceerder en dat is in figuur 2.3 aangegeven. Op de horizontale as is
de volumeverandering uitgezet, volumeverkleining naar links. Op de vertikale as de grootte van de
schuifspanning. Vastgepakt zand vertoont alleen volumevergroting, sterker naarmate de schuifspanning ,.
groter is.
Bij het vervormen van losgepakt zand treedt alleen bij grote ,. volumevergroting op. Bij lagere ,. echter
volumeverkleining. Deze neiging tot volumeverkleining bij alleen schuifspanningsbelasting is karakteristiek
voor losgepakt zand. Een tweede kenmerk is dat de maximale volumeverkleining slechts beperkt is, orde
0,1 à 0,4 % van het totale zandvolume. Dit is echter één van de aspekten die het beschrijven van ontstaan
van verweking zo moeilijk maken: die relatief kleine volumeverkleining die - u zal dat zo direkt zien
zulke extreme gevolgen kan hebben.
Veronderstel nu dat het losgepakte zand zich onder water bevindt en dat de poriën volledig gevuld zijn
met poriënwater. Water is zeer stijf evenals de zandkorrels zelf. Dit betekent dat als de schuifspanning
toeneemt de volumeverkleining niet direkt kan optreden. Het water moet eerst uit de poriën verdwijnen.
Voor dat verdwijnen zijn 2 dingen nodig nl. een verhoogde druk in het poriënwater en daarenboven is er
tijd nodig. De verhoogde druk of wateroverspanning nodig voor het wegstromen is een direkt gevolg van
de neiging tot verdichten van het losgepakte zand: de normaalspanning op het korrelskelet wordt
10
kans op verweking
volumeverldeining
Figuur 2.4
cirkel van Mohr
volumevergroting
T
t
ar- a3'q=--
2
t qzql
Figuur 2.5
II
... I spanningspadI.... I I
---'....~ 11
----I~'
I I '\
Pz PI 01'+03'--+-p= 2
overgedragen op het poriënwater. De korrelnormaalspanning neemt dus af.
Samengevat: snel belasten van losgepakt zand levert een toename van de waterspanning in het poriënwa
ter. Belasten betekent hier een schuifspanning T. Snel tussen aanhalingstekens. We zuilen zo dadelijk zien
dat dat vrij betrekkelijk is.
Vanwege evenwicht volgens de simpele formule van Terzaghi:
a a + u
grondspanning korrelspanning waterspanning
betekent een toename van de waterspanning u een gelijktijdige afname van de korrelspanning a'.
Als de neiging tot volumeverkleining groot is, kan de wateroverspanning zo groot worden dat de
korrelspanning volledig verdwijnt en dit noemen we verweking.
Nog even over spanningen. Ik heb de korrelnormaalspanning a' genoemd en de schuifspanning T.
Schuifspanning in relatie tot de dilatantie en normaalspanning in relatie tot evenwicht. In een talud ligt
het allemaal vrij gekompliceerd. Belangrijk is te realiseren dat water stijf is voor alzijdige normaalspan
ning. Vandaar het belangrijk meewerken in het evenwicht. Water is slap bij schuifspanning. Dit betekent
dat schuifspanningsbelasting geheel door het korrelskelet moet worden opgenomen.
Ik heb gezegd dat de neiging tot volumeverkleining de aanleiding is voor de toename van waterspanning
(wateroverspanning) en in het uiterste geval voor verweking. Bekijken we opnieuw het verloop van de
volumeverandering als funktie van de schuifspanning, figuur 2.4, dan zien we dat de volumeverkleining in
een beperkt trajekt van T belangrijk toeneemt. Dit betekent dat verweking slechts in een beperkt
schuifspanningsgebied zou kunnen optreden. Bij hogere T is er een tendens tot volumevergroting.
Volumevergroting betekent dat er poriënwater moet worden aangezogen. Dus het omgekeerde van wat
we daarnet zagen. Het betekent afnemende waterspanning (wateronderspanning), toename van
korrelnormaalspanning a' en versteviging van de grond.
In vastgepakt zand zal er dus bij elke schuifspanning T een neiging tot aangroei van wateronderspanning
zijn. Verweking ten gevolge van dilatantie is in vastgepakt zand dan ook niet mogelijk.
2.3 Weergave d.m.v. spanningspad
Tot nu toe zal het voor de meesten onder u allemaal bekend zijn. Voordat ik verder ga, zal ik eerst
toelichten wat een spanningspad is. In figuur 2.5 ziet u bovenaan een diagram van Mohr, de meeste van u
wel bekend. Horizontaal is de korrelnormaalspanning a' uitgezet, vertikaal de schuifspanning T. De cirkel
van Mohr ligt vast door de grootste en kleinste normaalspanning a 1' en a3', ook wel de hoofdspanningen
genoemd. Met de richting van deze hoofdspanningen zijn de spanningen a' en T op elk willekeurig
georiënteerd vlak bepaald. Een probleem bij de cirkel van Mohr is om de veranderingen van spanningen
11
kenmerk van zand
q
t
!ondiep
lage korre1spanning(J'enp
. !kleme 't , qbij bezwijken
--+p
!diep
hoge korrelspanning(J'enp
!grore 't , qbij bezwijken
FJ.gUur 2.6
lijnen vankonstante q/p
/!//--- .---:::::.:- -
.....- \
spanningspad met toenemende q/p (of 1'10')
q
tl'
t
Ihoge a' en p
I(diep)
I
volumeverkleining-+-
l'
t
I lage a' en p
: (ondiep)
middelvast
// vastgepakt
I
afname q--
q
tvolumeverkleining-+-
De relatieve schuifspanning q/p en de verandering ervanis van belang
Figuur 2.7
Figuur 2.8
te visualiseren, vooral als die veranderingen omvangrijk en grillig zijn. Daarom tekenen we voor die
gevallen een spanningspad. Een cirkel van Mohr ligt vast met alleen het bovenste punt van die cirkel,
d.w.z. door de gemiddelde normaalspanning (u1' + u3')/2 = P en de maximale schuifspanning q = (u1'
u3')/2.
Een spanningspad is de verbindingslijn van die punten van elkaar opvolgende cirkels van Mohr. In
tegenstelling tot de cirkel van Mohr geeft een spanningspad tevens spanningsveranderingen weer op een
goed inzichtelijke wijze.
2.4 Relatieve schuifspanning
In figuur 2.6 ziet u enkele spanningspaden voor een diep en een ondiep nivo onder het taludoppervlak.
Diep betekent hoge korrelspanning p, ondiep lagere p. Omdat zand een wrijvingsmateriaal is, moeten we
de schuifspanning en de verandering daarin relatief opvatten. Het betekent dat een kleine q-toename
voor een nivo dicht onder het oppervlak (ondiep), zeg maar even erg is als een veel grotere q-toename
bij veel hogere p (diep). In figuur 2.7 is dit effekt nog eens weergegeven, maar nu voor het dilatante
volumegedrag.
Het komt erop neer, dat we niet zozeer op de schuifspanning T of q en de toename ervan moeten letten,
maar veel meer op de relatieve schuifspanning T/U' of q/p en de verandering daarin.
In figuur 2.7 is te zien dat de maximale volumeverkleining evo1max bij lage normaalspanning p kleiner is
dan bij hoge p. Dit zal in waterverzadigde omstandigheden leiden tot een lagere wateroverspanning bij
lage p (ondiep). In het proces tot ontstaan van verweking behoeft dit nog geen verschil op te leveren in
het ondiepe en diepe gedrag. Immers de voor verweking vereiste afname van de korrelspanning is bij
"ondiep" ook kleiner.
Het spanningspad bovenaan m figuur 2.8 geldt voor losgepakt zand en ongedraineerde kondities.
Ongedraineerd betekent dat de belasting zo snel verandert of dat het zand zo sterk ondoorlatend is dat
het poriënwater niet de gelegenheid krijgt om weg te stromen.
De neiging tot volumeverkleining in het losgepakte zand wordt dan volledig omgezet in waterover
spanning. Dit verklaart de sterke teruggang van het spanningspad in de richting van de oorsprong van het
p-q diagram. De korrelnormaalspanning p neemt dus belangrijk af als gevolg van de wateroverspanning.
Volledige verweking is in deze figuur niet verondersteld, d.w.z. het spanningspad keert voordat het de
oorsprong bereikt weer om in de richting van hogere korrelnormaalspanning p. Dit als gevolg van de
eerder genoemde neiging tot volumevergroting bij hogere waarden van de relatieve schuifspanning q/p.
Bovenin figuur 2.8 zijn enkele lijnen getekend voor konstante q/p. Een kenmerk van het spanningspad is
dat langs het gehele trajekt sprake is van toenemende relatieve schuifspanning q/p en dus van de
daarmee gepaard gaande neiging tot volumeverandering.
Onderin figuur 2.8 is dit spanningspad voor losgepakt zand getekend tesamen met spanningspaden voor
middelvast en vastgepakt zand. De laatste gaat gepaard met wateronderspanning als gevolg van de
voortdurende neiging tot volumevergroting en met toename van de korrelspanning p.
Kenmerkend verschil tussen het spanningspad voor losgepakt zand en die voor de twee andere
12
--p
·A
instabiliteitq
t
ve eking
~; -~
afname q
krachtgestuurde kondities
• instabiel gedrag tussen A en C
• trajekt AC wordt zeer snel doorlopen
• plotselinge toename vervormingen waterspanning
--p Po
0"
Po'
• massatraagheid speelt een rolFiguur 2.10a
Figuur 2.9
q "volledig"t ~/ gedraineerd
rJB" A"
d · d -~ .....onge rameer "'/~-"13;-' :A~ ~_
,,-~ ..... -v,,-;B~ __~
~" ~-y-.-- .---------- p
Figuur 2.10b
--pook instabiliteit onder "volledig gedraineerde" kondities
procedure:bereken een taludversteiling gedraineerd en toetssteeds of het talud ongedraineerd stabiel is
Figuur 2.10c
dichtheden is dat er bij losgepakt zand sprake is van een lang trajekt met afnemende schuifspanning q.
Dit brengt mij op het volgende aspekt dat ik kort wilde toelichten; namelijk het verschijnsel instabiliteit.
2.5 Het instabiliteitsverschijnsel
Het spanningspad in figuur 2.9 wordt doorlopen door losgepakt zand onder ongedraineerde kondities bij
toenemende relatieve schuifspanning q/p. Tot op zekere hoogte is dit spanningspad uniek. Dit betekent
dat in een triaxiaalproef met uitwendig opgelegde, toenemende schuifspanning q als funktie van de tijd,
er tussen de punten A en C geen statisch evenwicht mogelijk is. Immers er wordt uitwendig een
toenemende schuifspanning q aan het zandmonster opgelegd en de reaktie van het monster (het unieke
spanningspad) vraagt als het ware om een lagere q bij het doorlopen van het trajekt ABC.
Zo'n proef wordt een krachtgestuurde triaxiaalproef genoemd. Het gevolg is dat het trajekt AC zeer snel
wordt doorlopen. De vervorming en de wateroverspanning neemt plotseling sterk toe. In dit trajekt is el
dus als het ware een overschot aan spanning (belasting = qa = qc) en daarom speelt massatraagheid een
niet geheel te verwaarlozen rol (volgens F = m a). Omdat dit betekent dat het gedrag zeer gekompli
ceerd is, is voorlopig het optreden van instabiliteit (in punt A in figuur 2.9) gelijk gesteld aan ontstaan
van verweking.
Uit triaxiaalproeven waarin echte volledige verweking van het zand optrad, is sterk de indruk verkregen
dat dit ook daadwerkelijk zo is. In de figuur is dit met de streepliin naar de oorsprong aangegeven.
In een talud, dat onderhevig is aan versteiling, zijn de uitwendige randvoorwaarden niet volledig
krachtgestuurd. Instabiliteit zal dan pas iets voorbij punt A optreden. (bijv. in punt B in figuur 2.9)
Nu zult u misschien zeggen dat ongedraineerde omstandigheden wel erg extreem zijn bij versteilen van
een talud onder natuurlijke kondities (dus niet baggeren of zo). Dat is waar. In veel praktische gevallen
kan zelfs worden uitgegaan van vrijwel volledig gedraineerde kondities. Maar met het oog op het ontstaan
van instabiliteit en verweking in losgepakt zand is dat enigszins verraderlijk. Want één van de be
langrijkste resultaten van het onderzoek is dat instabiliteit ook kan optreden onder zogenaamd volledig
gedraineerde omstandigheden. Voorwaarde is dat de belasting geheel of gedeeltelijk krachtgestuurd is en
dat het zand met water verzadigd is. Figuur 2.10 illustreert dit fenomeen. De figuur bestaat uit drie delen.
In de bovenste zijn 3 volledig ongedraineerde spanningspaden getekend met beginpunten 0, 0', 0" en
beginspanningen Po < Po' < Po". We koncentreren ons op het meest linkse spanningspad met beginpunt
o en we veronderstellen dat de belasting q langzaam toeneemt. Het ongedraineerde spanningspad zal
vanuit 0 langzaam in de richting van punt A gaan (ongedraineerd in kombinatie met langzame
belastingstoename betekent dat de grond zeer ondoorlatend zal zijn). Stel dat we punt A bereiken, de top
in het pad OABC. We hebben hiervoor gezien dat een zeer kleine belastingstoename in een krachtsge
stuurde triaxiaalproef betekent dat het spanningspad plotseling zal doorschieten van A naar punt C en
dat dit gepaard gaat met belangrijke toename van de wateroverspanning en de vervorming. In een talud
zal ditzelfde, vanwege de andere belasting- en zandkondities pas iets later, in punt B, optreden. De
instabiliteitspunten A en A" voor de triaxiaalproef en B' en B" voor een talud zijn ook ingetekend in de 2
andere ongedraineerde spanningspaden met beginpunten 0' en 0". Voordat we overstappen naar
gedraineerde omstandigheden is het belangrijk om te onderkennen dat vanuit de instabiliteitspunten A en
13
waterspanning
tc
A(B)
Figuur 2.11
verweking?
••f\I \I \I \I
At I ,(B") I
--- ongedraineerd- - - "volledig" gedraineerd
~tijd
(belasting)
B een zeer kleine (en extern opgelegde) toename in de belasting een abrupte en grote toename in de
waterspanning levert.
In de middelste tekening van figuur 2.10 is het volledig gedraineerde spanningspad OA'B" toegevoegd aan
de 3 ongedraineerde paden. Volledig gedraineerd betekent dat de dilatante volumeverkleining alleen
wegstromen van poriënwater tot gevolg heeft. De belastingverhoging verloopt zo langzaam en de
doorlatendheid van het monster is zo groot dat dit in principe niet of nauwelijks gepaard gaat met
toename van de poriënwaterspanning. Dit betekent dus tevens dat de korre1normaalspanning p in het
algemeen niet zal afnemen.
Wanneer we nu echter de toestand beschouwen in het punt A' (voor de "volledig" gedraineerde
triaxiaalproef) of in het punt B" (voor een talud met bijv. zeer langzame versteiling) dan moeten we
konkluderen dat er sprake is van een tegenstrijdigheid. Immers ik heb zonet bij het uitleggen van de
ongedraineerde situatie gekonkludeerd dat de punten A en Binstabiliteitspunten zijn: een minieme
toename van de belasting heeft een plotselinge en grote toename van de wateroverspanning tot gevolg.
Dit betekent dat de tijd waarin die kleine belastingstoename optreedt er niet toe doet. Ook in zogenaamd
volledig gedraineerde kondities zal de belasting nooit zo langzaam kunnen toenemen of zal het zand nooit
zo doorlatend kunnen zijn dat deze neiging tot abrupte waterspanningstoename kan worden tegen
gegaan. In de onderste figuur 2.10 is dit geïllustreerd door het "volledig gedraineerde" spanningspad
OA'B" vanuit punt B" (taludsituatie) plotseling te laten afbuigen in de richting van de oorsprong van het
p-q diagram.
Konklusie: instabiliteit en verweking kan ook optreden onder gedraineerde omstandigheden, anders
gezegd bij zeer langzame belastingsverandering (bijv. versteiling) in een talud. Voorwaarde is dat het
zand waterverzadigd is en dat de belastingsrandvoorwaarden geheel of gedeeltelijk krachtgestuurd zijn.
Eigenlijk moeten we het anders zeggen, namelijk dat "volledig gedraineerd" onder voornoemde
voorwaarden in losgepakt zand niet mogelijk is. Het zand zal in specifieke spanningskondities (spannings
punten A en B) alleen volledig ongedraineerd kunnen reageren.
Het optreden van plotselinge wateroverspanning en verweking onder "volledig gedraineerde" kondities is
meermalen waargenomen tijdens krachtgestuurde triaxiaalproeven op losgepakt zand. Daarbij resulteerde
het onderin figuur 2.10 getekende spanningspad OA'B" inklusief de plotselinge ombuiging naar de
oorsprong (optreden verweking).
Dit toch wel verrassende resultaat heeft een belangrijke konsekwentie gehad. Namelijk dat we een eerste
fase beoordelingsprocedure voor taluds hebben uitgewerkt, waarbij we in een gedeeltelijk of geheel
gedraineerde berekening voor een talud bij elke kleine belastingstoename toetsen op ongedraineerde
(in)stabiliteit.
Hoewel verweking in losgepakt zand zowel bij ongedraineerde als "volledig gedraineerde" omstandig
heden kan optreden zijn er toch ook verschillen. In figuur 2.10 (onderste tekening) is dit duidelijk te zien
in de verschillende q-waarde behorend bij B (instabiliteitspunt ongedraineerd vanuit 0) en bij B" (in
stabiliteitspunt gedraineerd vanuit 0). In figuur 2.11 is dit op een andere wijze geïllustreerd door de
14
waterspanning als funktie van de tijd uit te zetten. De horizontale tijdas kan worden opgevat als de
belastingsas bijvoorbeeld voor langzame verstelling in een talud. De ongedraineerde lijn geeft toename
van waterspanning vanaf het begin te zien met een meer kontinue overgang naar de plotselinge toename
vanaf punt A of B. De gedraineerde lijn toont geen waterspanning tot punt A' of B" en in dat punt een
diskontinuïteit en eveneens een sprong in waterspanning. Duidelijk is dat de sprong bij "volledig
gedraineerd" later optreedt. Dus hoewel belangrijke wateroverspanning en verweking (?) niet wordt
tegengegaan, zal dit pas optreden, nadat een omvangrijke versteiling heeft plaatsgevonden.
Ik heb nu een aantal belangrijke aspekten in relatie tot verweking van losgepakt zand toegelicht. En ik
heb daarbij geen formules getoond. Ik hoop evenwel dat u inziet dat wiskundige formulering mogelijk is
en dat het gedrag van losgepakt zand in een talud met behulp van een berekeningsmodel te beschrijven
is.
Frank Silvis zal in de laatste presentatie van vanmiddag ingaan op het recent ontwikkelde rekenmodel
MSLIQ.
2.6 Samenvatting
Dilatantie in losgepakt zand onder water betekent neiging tot volumeverkleining onder invloed van
schuifspanningstoename. Het leidt tot wateroverspanning in het losgepakte zand bij relatief snelle
belasting en tegelijkertijd tot afname van de korrelspanning.
Verweking treedt op als de wateroverspanning als gevolg van dit mechanisme zo groot is geworden
dat de korrelspanningen zijn opgeheven.
We hebben gezien dat voor het beschrijven van het gedrag in losgepakt zand, dat een wrijvings
materiaal is, de relatieve schuifspanning(sverandering) van belang is.
Het spanningspad is een geschikt middel om de spanningsvariaties in het zand in het talud te
visualiseren.
Instabiliteit in losgepakt zand kan optreden bij volledig of gedeeltelijk krachtgestuurde belasting.
Dit betekent dat instabiliteit ook in een talud zal kunnen optreden. Instabiliteit gaat gepaard met
een plotselinge sterke toename van de waterspanning en de vervorming.
Instabiliteit kan plaatsvinden bij ongedraineerde omstandigheden, maar ook bij ogenschijnlijk
volledig gedraineerde kondities (dus bij relatief langzame belasting).
Voor de adviespraktijk wordt het optreden van instabiliteit voorlopig gelijk gesteld aan het ontstaan
van verweking.
15
Het gedrag van losgepakt zand in een onderwatertalud is wiskundig te beschrijven en meen
numeriek model onder te brengen.
16
3. Verweking, vloeiing en mogelijke gevolgen
in experimenten en praktijk
ir. H. Verwoert
17
3. VERWEKING, VLOEIING EN MOGELIJKE GEVOLGEN
IN EXPERIMENTEN EN PRAKTIJK
3.1 Inleiding
In deze presentatie zal ik enkele recente voorbeelden van verweking en vloeiing toelichten, waaruit blijkt
dat het fysisch inzicht in deze fenomenen de laatste periode aanzienlijk is vergroot.
De inhoud is als volgt:
In aansluiting op de eerste presentatie van Jan van Heteren wil ik nog even terugkomen op de
gehanteerde adviesmethode tot nu toe en in het bijzonder op de tekortkomingen/onvolmaaktheden
hiervan. Dit alles verduidelijkt aan de hand van praktijkvoorbeelden.
Vervolgens zullen de vorderingen en nieuwe inzichten op het gebied van verweking en vloeiing, die
de laatste tijd verkregen zijn, aan de hand van enkele voorbeelden uit de praktijk en experimenten
aan de orde komen.
Tot slot de konklusies die uit de bereikte vorderingen getrokken kunnen worden.
3.2 Adviesmethode tot nu toe
De vuistregels voor de huidige adviespraktijk zijn voornamelijk gebaseerd op ervaringsfeiten voortkomend
uit inventarisatie van oude vallen. Ondanks het grote aantal vallen blijft de informatie vrij summier. De
belangrijkste gegevens zijn begin- en eindhelling, korreldiameter, verplaatste hoeveelheid zand, aangevuld
met geologische gegevens. Sporadisch zijn deze gegevens aan te vullen met resultaten van metingen
verricht na het optreden van de vloeiing.
Toch zijn er een drietal algemeen aanvaarde voorwaarden opgesteld, waaraan voldaan moet worden, wil
een zettingsvloeiing überhaupt kunnen plaatsvinden.
Deze zijn achtereenvolgens:
1 Het beschouwde zandpakket moet over een zekere hoogte verwekingsgevoelig zijn, dat wil zeggen
het moet bestaan uit los tot zeer los gepakt zand en volledig verzadigd met water.
2 Het talud van het zandlichaam dient over voldoende hoogte een minimale steilheid te overschrij
den.
3 Er moet sprake zijn van een aanleiding, een zogenaamd inleidend mechanisme.
Voorbeelden van zo'n aanleiding zijn bijv.: trillingen t.g.v. heien, baggeren, explosies, aardbevingen en
18
voorbeelden Nederlamise praktijk
ontgrondingskuilen Oosterscheldekering
""'.,.'''''''''.,.,.,.,..,.,.w~~:Sm
1:5
.............................................................3 eerste bestorting..............................~-
:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.
tweede bestorting
I
* kriterium 1:5 over Sm erg konservatief
* grote besparing bij scherper kriterium
Figuur 3.1
voorbeelden Nederlandse praktijk
_ baggeren taluds
~C:==_-~~~(3~-~-=-=_:::-:"'~
- opspuiten/klappen van zandlichaam
~:10àl:30
I~~:6J •••••••••••••••••••••••••••• \,................• • "t•• ::::::::::::::::::::::::::::::::::::\::.: ••••••
Jiibiibii&ii.............................
Figuur 3.2
direkte golfmwerkingen. Algemeen wordt aangenomen dat die aanleiding wel zal optreden, zodat alleen
getoetst moet worden aan de eerste twee voorwaarden.
Wat betekent dit nu voor de Nederlandse praktijk?
Naar aanleiding van de plaatselijke ervaringen - in Zeeland enkele honderden vallen in de afgelopen 150
jaar - kunnen de drie voorwaarden voor het optreden van een zettingsvloeiing nader worden ingevuld:
1 Meestal betreft het jong zeezand. Dit is overigens geen garantie dat oudere afzettingen niet vloeien.
Veel belangrijker dan de periode waarin het zand is afgezet, is de wijze van sedimentatie voor de
verwekingsgevoeligheid.
2 In Zeeland wordt de kritieke helling van 1:3 gehanteerd over een minimale hoogte van 5 m.
3 Specifiek voor de Zeeuwse situatie is de aanleiding vaak: een versteiling van het talud t.g.v. erosie
van het onderbeloop of aanzanding van het bovenbeloop of het uit de dijken stromende grondwa
ter, wanneer na langdurige hoge waterstand in de Oosterschelde de stormvloedkering weer wordt
opengezet.
Het te verwachten schadeprofiel is geheel gebaseerd op ervaring ter plekke en vertoont een forse
spreiding. Eindhellingen zijn mogelijk van 1:5 tot 1:25. De inventarisatie van Wilderom gaf aan dat in 95
% van de vallen de gemiddelde eindhelling steiler was dan 1:15.
WAT is nu die Nederlandse praktijk?
Allereerst natuurlijk de al eerder genoemde Zeeuwse vooroevers. Verder is toepassing mogelijk bij
ontgrondingskuilen. Een mooi praktijkvoorbeeld is aanwezig bij de stormvloedkering in de Oosterschelde.
Ten gevolge van het open houden van de Oosterschelde is de vereiste stabiliteit van de randen van de
bodembescherming geen tijdelijke zaak meer. Een eventuele vloeiing zou de standzekerheid van de pijlers
in gevaar kunnen brengen. Daarom is bij het ontwerpen een nog konservatiever advies gegeven dan
normaal gebruikelijk is.
In plaats van de gebruikelijke helling van 1:3 wordt nu een taludhelling van 1:5 gehanteerd. Indien nu een
kuil ontstaan is waarbij over minimaal 5 m hoogte een helling van 1:5 of steiler aanwezig is, wordt de
ontstane kuil afgestort. Verdere ontgrondingen moeten worden gevolgd om - indien noodzakelijk - een
tweede bestorting uit te voeren. Dit is een duidelijk voorbeeld dat bij meer kennis van zaken een
scherper kriterium geformuleerd had kunnen worden. Met als gevolg dat grote besparingen van materiaal
en inspanning hadden kunnen plaatsvinden (zie figuur 3.1).
Een ander voorbeeld waarbij men veiliger normen hanteert, is bij baggerwerkzaamheden bij bijv. havens
en vaargeulen. Gezien de moeilijk in te schatten nauwkeurigheid van werken worden de volgende normen
19
metingen tijdens zandsluiting Slaak
N
'i
o 1km
Figuur 3.3a
4 stort
NAP ....
-5
(m)
-10
:::::::::::::::::::
loopbrug 1
AZTM
•1
•
Figuur 3.3b
stort
I +,/--,handpejji~gen f ,
I \ J
proriler
schotels
eb !><! vloed
grondweerstandI (2x)
3
•LGM
peiling
Steenvliet
o
Figuur 3.4
2m meetopstelling driepoot Slaak
gehanteerd bij zettingsvloeiingsgevoelige taluds: ruw baggerwerk kriterium 1:8 en in de direkte omgeving
van taluds een snededikte van 2 à 4 m met een eindhelling van 1:4,5 tot 1:6 (zie figuur 3.2).
Ook bij het opspuiten of klappen van een zandlichaam zou met meer fundamentele kennis enorme
besparingen kunnen plaatsvinden in de benodigde hoeveelheid m3 zand als men de helling van het te
maken zandlichaam zo steil mogelijk probeert aan te brengen. Ervaringen met bepaalde werkwijze, bijv.
het laagsgewijs vertikaal opbouwen, kan er toe leiden dat onderwaterhellingen gerealiseerd worden van
1:5 i.p.v. de gebruikelijke 1:10 à 30. Dit is natuurlijk wel sterk afhankelijk van de korreldiameter van het
toegepaste zand.
Dit alles overziend hebben de huidige adviesregels de nodige beperkingen. Allereerst zijn deze regels
zeer konservatief. Tevens ontbreekt de theoretische onderbouwing voor deze regels. Aangezien het regels
betreft die gebaseerd zijn op ervaringsgetallen van een bepaald gebied, moet bij toepassing buiten dit
gebied zeer voorzichtig worden omgesprongen. Verder worden een aantal punten niet of nauwelijks
meegenomen bij een eventueel advies. Bijvoorbeeld: de mate van verweking, de hoogte van de losgepakte
laag, het moment van vloeien, het te verwachten eindprofiel en waar stroomt het zand heen?
Hieruit kan worden gekonkludeerd dat met de huidige kennis - uit de inventarisatie van de plaatsgevon
den vallen - geen verdere vooruitgang valt te verwachten. Inzichtvergroting in de bij zettingsvloeiing
belangrijke fenomenen en een betere kwantificering hiervan moet plaatsvinden om de adviesregels te
kunnen verbeteren.
3.3 Vorderingen en nieuwe inzichten op het gebied van verweking en vloeiing
Het onderzoek naar zettingsvloeiingen in praktijk en experimenten heeft de laatste 15 jaar een ekstra
prikkel gekregen door het bouwen van een stormvloedkering in een gebied dat als zettingsvloeiingsge
voelig bekend staat en het feit dat bij een open Oosterschelde de zettingsvloeiingsgevoelige oevers de
invloed van getijwerking zouden blijven ondervinden.
De hieruit voortvloeiende vorderingen zullen nu aan de hand van enkele voorbeelden worden geillus
treerd. Allereerst wordt de uitgebreide meetkampagne behandeld, die is uitgevoerd tijdens het opspuiten
van een zandlichaam ten behoeve van het sluiten van het Slaak. Vervolgens de metingen verricht tijdens
proeven in een laboratoriumgoot, waarbij het opspuiten van een zandlichaam gesimuleerd wordt.
Dit zijn beiden voorbeelden van opspuiten van zand. De fenomenen, die zich afspelen bij zettingsvloeiin
gen tijdens het opspuiten, zijn echter dezelfde als bij een oever- of dijkval. Zodat de vergroting van in
zicht - verkregen uit de resultaten van deze metingen - ook bruikbaar is bij oever- en dijkvallen.
- metingen tijdens zandsluiting Slaak
In het kader van de kompartimenteringswerken IS in 1986 de afsluiting van het Slaak uitgevoerd,
onderdeel uitmakend van de Philipsdam. Deze afsluiting is uitgevoerd middels het opspuiten van een
zandlichaam.
20
u(A)
~~~~h~andIboven A
'--"""-...J..-__...J..-__~ t
1s.. , I
Figuur 3.5
-1,50m
31 augustus
07.00h
niveau t.o.v.NAP [m]
-2,7
~ I9~, I\", 100%"I'180%160%
-3,90m
o 5 10 15 [kPa]
Figuur 3.6
-3,6
-4,5-4,7
-5,7
-7,2
1 september10.59h
o 5 10 [kPa]
welk trmlsportlllecómlisllleis vt"Jantwoordt".1JjK vooróet vooflJitkolllell van een zmldlicóäälll onder water? overloop
zand-water mengsel
~
2,5m
O~xy
Figuur 3.7
~.I2.1rn
Het vermoeden bestond dat bij opspuiten met zand het zandlichaam vooruit kwam door middel van
zettingsvloeiingen. De instabiliteiten, die hiervoor nodig zijn, kunnen veroorzaakt worden door waterover
spanningen.
Door Grondmechanica Delft zijn tijdens de sluiting metingen verricht op en in het onderwaterstort. Er is
van te voren een meetopstelling met platformen geplaatst in het tracé van de te maken dam bij de
bodemligging van - 6 m NAP (zie figuur 3.3). Vervolgens is de dam uitgebouwd vanuit het werkeiland
Philipsland en wordt als het ware over het meetplatform heen gespoten.
De meetopstelling bestaat uit 3 platformen onderling verbonden door loopbruggen (zie figuur 3.4).
Zonder nu in detail in te gaan op de gehanteerde meetinstrumenten worden de belangrijkste opgesomd.
Tijdens het opspuiten zijn meerdere peil- en lodingssystemen ingezet. Er zijn waterspanningsmeters
geplaatst en voor het meten van de porositeit dichtheidsmeters.
De belangrijkste en meest sprekende meetresultaten per meetinstrument zijn:
- echolood * de aanzanding is grofweg in een viertal sedimentatieperioden opgetreden. Zo'n
periode duurt globaal 30 à 45 minuten en in deze periode bevinden weer subperi
oden. Deze schoksgewijze ophoging komt overeen met zettingsvloeiingen.
* de totale ophoging bedraagt 5 m in 2,5 dag.
- waterspanning * afwijkingen in waterspanning ontstaan in een fraktie van een sekonde; dissipatie
treedt op binnen 30 à 120 sekonden (zie figuur 3.5).
* nergens wordt 100% wateroverspanning bereikt (zie figuur 3.6).
Deze metingen hebben in ieder geval door middel van verschillende peilingen aangetoond dat bij het
opspuiten zettingsvloeiingen optreden. De opgetreden vloeiingen zijn kleinschalig (orde 0,5 m), treden
niet overal tegelijk op en zijn daardoor moeilijk te "vangen". Wateroverspanningen zijn zeer regelmatig
gekonstateerd, ze vallen meestal nagenoeg samen met registraties van ophogingen, en spelen een
belangrijke rol. Verder is het mogelijk gebleken om orde van grootte van de relevante fenomenen af te
schatten. Ondanks de resterende vragen is de theorie zeker een stap vooruit in de fundamentele aanpak
van zettingsvloeiingen.
- grootschalige proeven gericht op processen bij het storten van zand onder water
Geruggesteund door de resultaten van de metingen tijdens de sluiting van het Slaak zijn vervolgens
grootschalige laboratoriumproeven opgezet. Deze proeven zijn uitgevoerd door Grondmechanica Delft en
het Waterloopkundig Laboratorium.
Belangrijkste doel van deze metingen is het in beeld brengen van het transportmechanisme dat bij het
spuiten van zand verantwoordelijk is voor het vooruitkomen van een zandlichaam onder water.
Door middel van het variëren van bepaalde parameters kunnen de proeven gestuurd worden. De
meetopstelling bestaat uit een grote rechthoekige goot. Aan één zijde voorzien van een glazen wand,
zodat de vooruitgaande beweging van het zandlichaam goed gevolgd kan worden (zie figuur 3.7). Met
deze opstelling wordt in feite een 2-dimensionale simulatie gemaakt van het opspuiten van zand door het
inbrengen van een hooggekoncentreerd zandwatermengsel.
21
b:::d synthetisch materiaal
waterspanningsmeter
o dichtheidsmeter
y~x
Figuur 3.8
~ invoer
bovenwaterstort
Sm lOm
waterstand
x ___
typisch voorbeeld van zettingsvloeiing
Figuur 3.9
,.,,-
,)
46
47tporositeit
[%] 48
49
506600 6700 6800 6900 7000
waterspanning
[kPa] 2
7000690068006700
t'~
\\
1\
""'"t'--..
6
4
o6600
1~u
tijd in sekonden
Figuur 3.10
In het uitgevoerde proevenprogramma zijn een drietal parameters gevariëerd. Dit zijn het specifiek debiet
q, de zandkoncentratie C en de mediane korreldiameter D50• Deze gehanteerde waarden van deze
parameters zijn reële prototypewaarden; het specifiek debiet is gevariëerd van 0,01 tot 0,1 m2/s, de
koncentratie van 12 tot 30 (volume)% en een korreldiameter van 135 en 225 IJ.m. Ondanks deze
prototypewaarden zijn er toch wel enkele modeleffekten te verwachten. Deze zijn o.a. een gevolg van de
relatief smalle goot, de beperkte diepte en de afwezigheid van 3-dimensionale effekten (geen kegelvor
mige uitbreiding ("pannekoek") van het onderwatertalud).
Ook hier zal niet worden getracht om een volledig beeld te geven van wat en hoe er is gemeten. De
voornaamste interesse gaat echter uit naar de ontwikkeling van de onderwaterhelling en de dichtheid van
het zandlichaam; dit in verband met (in)stabiliteiten.
De ontwikkeling van het zandlichaam onder water is vastgelegd door middel van foto's en video opna
men. De belangrijkste gehanteerde meetinstrumenten zijn waterspanningsmeters en elektrische
dichtheidsmeters. Er zijn 7 waterspanningsmeters in een vertikaal geplaatst (zie figuur 3.8). Hier vlak
naast zijn 4 dichtheidsmeters geplaatst. Verder zijn er nog 6 waterspanningsmeters in de lengterichting
vlak boven de bodem van de goot geplaatst.
De ontwikkeling van een zandlichaam onder water is het resultaat van zowel hydraulische en grondme
chanische gebeurtenissen, zoals: turbidity currents, watersprongen, verweking, zettingsvloeiingen en
bressen. Afhankelijk van het ingestelde specifieke zanddebiet en het gehanteerde zand (D50) zal een
bepaalde wijze van opbouw de boventoon voeren.
Ik zal mij hier koncentreren op die proeven waar zettingsvloeiing het belangrijkste voortplantingsme
chanisme is. Deze treden hoofdzakelijk op bij proeven met kleinere specifieke zanddebieten en een
korreldiameter van 135 IJ.m. Een typisch voorbeeld van een zandlichaam in opbouw door middel van
zettingsvloeiingen is te zien in figuur 3.9. Dit is een dwarsdoorsnede van de goot; de oplopende nummers
geven de opeenvolgende fasen in de ontwikkeling aan. Het zandlichaam bouwt zich laagsgewijs op tot een
hoogte van 1,5 m en een helling van 1:3 (zie figuur 3.9, lijn 1). Een zettingsvloeiing zorgt voor een
plotselinge verflauwing van het talud (lijn 2). Vervolgens bouwt het zandlichaam weer laaggewijs op, zoals
bij het begin van de proef, met een helling van 1:3. Wanneer er weer over voldoende hoogte met een
bepaalde kritieke helling zand aanwezig is, ontstaat wederom een zettingsvloeiing (lijn 4 - 5). In deze
typerende proef herhaalt dit proces zich telkens weer. De instabiliteiten zijn te verklaren door het
ontstaan van wateroverspanningen.
WAT gebeurt er nu bij een vloeiing?
Figuur 3.10 geeft het verloop van de dichtheid en het verloop van de waterspanning op twee plaatsen
dicht bij elkaar. Tijdens deze registraties vindt een zettingsvloeiing plaats. Een nadere beschouwing van
het ontstaan van de zettingsvloeiing laat zien dat op een gegeven moment plotseling een wateroverspan
ning wordt gegenereerd (in minder dan twee sekonden). Deze wateroverspanning handhaaft zich enige
tijd. In deze fase vloeit het zandpakket. Daarna neemt de waterspanning relatief langzaam af, om na
ongeveer 150 sekonden weer terug te zijn op de oude waarde. Tijdens de afnemende wateroverspanning
sedimeert het vloeiende deel van het zandpakket weer. Ten gevolge van de opgetreden vloeiing is de
22
2,0 •POS 1,8
1,6 • 106683.09 • 1,4 ~ [kPa]y 1,2 8
wllijd = 15.38.23:09 1,0 •[mI
0.8 •6
0.6 • 40.40,2 • 20 • 0
x=8,lm -2 , , i , i i i , i i ,0 2 4 6 8 10 [kP,,] 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 rml
Figuur 3.l1a • • • • • •x-
2,0 •6683.59 s
l,S •t
1,610
wllijd = 15.3S.23:591,4 • [kPa]1,2 8
Y 1,0 6[mI 0,8 *0,6
*4
0,420,2 •
0 • 0x = 8,1 m .2
. , i , , , , , , .0 2 4 6 8 10 [kPa] 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 8,5 9,5 10,5 li,S 12,5 [mI
Figuur 3.l1b * * • • • *x-
2,0 •1,8 •POS 1,6 10
t1,4 • [kPa]S
6698.45 s 1,2wllijd = 15.38.30:45 1,0 • 6
Y 0,8 •[mI 0,6 4
0,4 •0,2 • 2
0 * 0x=8,1 m .~
.0 2 4 6 8 10 [kPa] 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 rml
* • * * •Figuur 3.12a x_
6748.46 s2,0 •
wl tijd = 15.39.20:46 1,8 •1,6 10
t1,4 • [kPa]1,2 81,0 •
Y 6[m] 0,8 •
0,6 • 40,40,2 • 2
~0 • 0 , , , , , , ,x =8,1 m -2 0 2 4 6 8 10 [kPa] 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 rml
Figuur 3.12b * * • * * *x_
7 8 9 10 [m] 11
P05
taludhelling op ve~~hillende tijdstippen7194s
6787 tJm 6885 s 9
6
.7 .13
- - - - - - - - - - - .6 .14 .- Çe~:edelijkegrens
-;'5' - ;12 velWeekt gebied t = 6690.45 s.4.3 .11 bodem goot .15 J6
wsm.2
6637 s
z
0,5
o
2
t[m)
1,5
Figuur 3.13 x_
porositeit afgenomen van ruim 49% tot ongeveer 46,5%. Aangezien de natte kritieke dichtheid 44,5% is,
is het zandpakket na vloeien nog steeds verwekingsgevoelig. Deze zelfde verschijnselen zijn gekonstateerd
bij de metingen tijdens de zandsluiting van het Slaak.
De figuren 3.11 en 3.12 geven het verloop van de waterspanning op 4 verschillende tijdstippen tijdens de
zettingsvloeiing. Per tijdstip zijn de resultaten van de vertikaal geplaatste waterspanningsmeters en de
horizontaal vlak boven de bodem geplaatste meters weergegeven. Omdat op meerdere lokaties meters
gemonteerd zijn, is - behalve in de tijd - ook het verloop als funktie van plaats in beeld te brengen. Het
eerste tijdstip (figuur 3.11 A) toont de drukverdeling bij het eerste begin van de vloeiing. De hoogste
overdrukken worden gemeten bij x = 5,5 m. Het tweede tijdstip (figuur 3.11 B) geeft de overdrukken 0,5
sekonden later. De hoogste overdruk op de bodem van de goot bevindt zich nu op x = 8,1 m. Opmerke
lijk is de negatieve waterspanning die voorkomt bij y = 1,4 m. Deze is slechts 0,4 sekonden aanwezig en
vermoedelijk een gevolg van dilatantie (hier volumevergroting) in een bezwijkende zandlaag met
oorspronkelijk een wat grotere dichtheid dan het andere zand. Figuur 3.12 A geeft de drukverdeling op
het tijdstip met de grootste overdrukken. Hier zal het verweekte deel van het zandpakket vloeien. Figuur
3.12 B toont het tijdstip waarop de overdrukken weer sterk zijn afgenomen, dat wil zeggen het vloeiende
deel van het zandpakket is alweer aan het sedimenteren.
Tot slot ziet u in figuur 3.13 de dwarsdoorsnede van de laboratoriumgoot met daarin aangegeven de
taludhellingen op de verschillende tijdstippen en de vermoedelijke, maximale grootte van het verweekte
gebied. Tevens is hier duidelijk het verschil te zien tussen het verweekte deel van het zandlichaam en de
verplaatste hoeveelheid hiervan.
Bij dezelfde omstandigheden (d.w.z. zelfde q en C) bij middelgrof zand - korreldiameter 225 J.Lm- treden
er géén zettingsvloeiingen op! Waarschijnlijk is bij deze korreldiameter de bovenbelasting van het boven
liggende zand niet voldoende om aanleiding te geven tot een zettingsvloeiing. Ook zullen wateroverspan
ningen bij deze grotere korreldiameter makkelijker kunnen dissiperen.
Ook uit deze experimenten zijn enkele konklusies te trekken:
zettingsvloeiingen treden voornamelijk op bij fijn zand (135 J.Lm)en kleine specifieke debieten.
bij de experimenten uitgevoerd met het grof zand (225 J.Lm) wordt de kritieke hoogte niet
gehaald.
de porositeit na een zettingsvloeiing is afgenomen; het zandpakket blijft echter verwekingsgevoe
lig.
bij deze proeven is ook weer duidelijk naar voren gekomen dat wateroverspanningen een
essentiële rol spelen bij het ontstaan van zettingsvloeiingen.
het moment van vloeien is ook bij deze experimenten moeilijk te bepalen.
Frank Silvis zal nu aan de hand de laatst besproken experimenten het rekenmodel MSLIQ bij u
introduceren.
23
4. Het pc komputerprogramma MSLIQ
ir. F.Silvis
24
4. HET PC KOMPUTERPROGRAMMA MSLIQ
4.1 Inleiding
In de vorige 3 lezingen heeft u een uitgebreid overzicht gekregen over verweking van zand en zettings
vloeiing:
- een inleidende voordracht over de historie van het onderzoek
- een kollege over verweking van zand en de mogelijke gevolgen
- een beschrijving van verweking in experimenten en in de praktijk
Het doel van deze laatste voordracht is u te tonen, hoe ver we zijn met de ontwikkeling van een praktisch
rekenmodel voor de berekening van het ontstaan van een zettingsvloeiing.
En hoe u dit model over enige tijd kunt (laten) gebruiken, als u bijvoorbeeld de stabiliteit van een
zandige onderwateroever moet beoordelen.
Het vooralsnog I-dimensionale pc-model is gebaseerd op het gedrag van zand, zoals dat bepaald kan
worden met behulp van triaxiaalproeven. Dit is uitgebreid in de tweede lezing besproken.
Het rekenmodel heet MSLIQ. Daarbij staat SLIQ voor Slope LIQuefaction. De M komt van Microcom
puter, de vroegere naam voor een pc.
De lezing geeft in enkele hoofdlijnen de huidige stand van de ontwikkeling van MSLIQ aan.
De volgende onderwerpen komen ter sprake:
- beschrijving invoer en uitvoer MSLIQ
- overzicht programmatuur
- enkele berekeningsvoorbeelden
- naberekening aanvang zettingsvloeiing bij cuttergootproeven
- toekomstigeaktiviteiten
- toepassingsgebieden en slot.
4.2 Beschrijving invoer en uitvoer MSLIQ
Stelt u zich eens voor, dat u de stabiliteit van een zandige oeveronderwater moet beoordelen.
Welke gegevens heeft u dan nodig voor een I-dimensionale berekening met MSLIQ:
1. de gelaagdheid van het zand (voor de mesh-indeling loodrecht op het talud)
2. de taludhelling IX
3. de porositeit n van het zand per laag
25
q [kPa] q [kPa]
40 40
2
1
20 melDster poriën %
1 43,82 42,23 41.3
schuifvervorming..
volumeverkleining
•volumevergroting
1 2 3 4
'Y5%
•
bezwijklijn
Figuur 4.1
\diepte
[m]
II 'Y /I I~I
V
I AT =0,75 kPa
II AT =1,50 kPa
q
[kPa]
t
5
4
3
2
diepte 1,lm
I I5 6
p [kPa]7
I8•
Figuur 4.2 Figuur 4.3
Op de zandmonsters, die representatief zijn voor de verschillende lagen, worden in het laboratorium bij
verschillende porositeiten droge triaxiaalproeven uitgevoerd, die ook wel kritieke dichtheidsproeven
worden genoemd.
In figuur 4.1 staan de uitkomsten van een 3-tal van deze proeven op Oosterschelde zand getekend (D5o
= 185 J.1m).Ook hier ziet u weer, dat hoe losgepakter het zand is (groter poriënpercentage), hoe groter
de volumeverkleining bij toenemende q is;
4. de vorm van deze krommen, als ook de waarde van de maximale volumeverkleining zijn
invoer voor MSLIQ.
5. de sterkte van het zand gekenmerkt door de waarde van <I> - de hoek van inwendige wrijving
in graden.
6. in geval van een berekening met drainagemogelijkheden de doorlatendheidskoëfficiënt k in
mis.
7. tenslotte moet u de soort belasting opgeven: keuzemogelijkheden:
- verstelling van gehele talud
- aanbrengen van een schuifspanning evenwijdig aan het talud op een willekeurige diepte
- relatieve schuifspanning q/p vergroten
Deze gegevens vormen samen de invoer voor MSLIQ.
De volgende berekening is nu gemaakt:
oneindig lang talud onder een helling 1:4
laagdikte totaal 20 m
de belasting bestaat uit het aanbrengen van een toenemende schuifspanning op 1,1 m onder het
talud en evenwijdig aan het talud en naar beneden gericht
de situatie is ongedraineerd
Met behulp van de berekeningsresultaten kunt u de volgende plaatjes laten tekenen:
- het verloop van de wateroverspanning (dus ten opzichte van de hydrostatische waterspanning) in de
diepte voor verschillende waarden van de belasting.
Zo is in figuur 4.2 voor een schuifhelasting van 0,75 en 1,50 kN/m2 het wateroverspanningsverloop met de
diepte getekend. De relatieve schuifspanning is uiteraard in de bovenste lagen het grootst, daar treden
dan ook de grootste wateroverspanningen op (op 3,5 m onder het maaiveld Au = 13,8 kPa).
- het spanningspad: de relatie tussen p en q. In figuur 4.3 is het spanningspad getekend voor een punt
dat op een diepte van 1,1 m onder het maaiveld ligt. Het beginpunt ligt rechts in de figuur, de q bedraagt
hier 3,5 kPa. De initiële schuifspanning op dit nivo bedraagt 2,65 kPa en wordt tijdens de berekening in
26
~u 6r--
t 4
2
0,1 0,5-~r [kPa]
Figuur 4.4
voorbeeld 1 (ongedraineerd)
punt lOm diep in talud
30
tq 20
[kPa]
10
À>O
À>O
O~---r--....-----.---r-
o 20 40 60 80
P [kPa]-
Figuur 4.5
stapjes van 0,001 kPa verhoogd met totaal 1,5 kPa. Bij toename van de schuifspanning ÀT neemt de
korrelspanning p behoorlijk af. Tussen ÀT = 0,112 kPa en 0,113 kPa treedt er zelfs een sprong op in het
spanningspad. Dit duidt op instabiel gedrag. Eigenlijk schrijft in dit ongedraineerde geval het grondmodel
voor dat de schuifspanning iets moet afnemen. Maar bij de hier uitgevoerde krachtgestuurde berekening
moet de schuifspanning toenemen. Het spanningspad loopt dan ook in 1 keer direkt zo ver door dat er
wel evenwicht met de opgelegde belasting optreedt. Het punt waar deze sprong in het spanningspad
optreedt en waarvan de positie berekend kan worden, noemen we het instabiliteitspunt.
Vanaf dit punt neemt de wateroverspanning eksplosief toe. In praktijksituaties willen we deze instabiliteit
meestal voorkomen. De nadruk bij de ontwikkeling van MSLIQ ligt dan ook op de bepaling van de plaats
van het instabiliteitspunt en de omstandigheden, waaronder dit punt bereikt wordt.
In figuur 4.4 is ook de sprong in wateroverspanning goed te zien. Hierin is op de horizontale as de
opgelegde schuifbelasting weergegeven en op de vertikale as de optredende wateroverspanning.
Als er een berekening gemaakt is met een veranderende situatie in de tijd, dan is het uiteraard ook
mogelijk het verloop van de berekende grootheden in de tijd te visualiseren.
Overzicht programmatuur
Voor verschillende situaties zijn verschillende programmaatjes ontwikkeld.
Zo zijn er voor situaties, waarin op slechts 1 diepte een berekening nodig is, 2 programmaatjes. De één
voor volledig gedraineerde en de ander voor volledig ongedraineerde omstandigheden.
In voorbeeld 1 en 2 vindt u voor beide situaties een berekening gepresenteerd.
Er zijn ook 2 programmaatjes voor situaties met meerdere lagen. De belasting kan dan bestaan uit een
opgelegde schuifspanning (zie het voorbeeld van de vorige paragraaf) of uit een versteiling van het gehele
talud. In beide gevallen bestaat de mogelijkheid optredende waterspanningen te laten dissiperen door het
opgeven van de doorlatendheidskoëfficiënten.
Op dit moment zijn alleen de beide programmaatjes voor 1 laag uitgerust met een ekstra subroutine voor
de stabiliteitskontrole. De rekenmethodiek voor deze kontrole is ontwikkeld door Molenkamp. In feite
komt het hier op neer, dat voor elke volgende belastingstap de stijfheidsmatrix van het toegepaste
grondmodel wordt opgesteld en dat daarvan de eigenwaarden berekend worden. Als nu de eigenwaarde
negatief is, dan is er sprake van instabiliteit. (zie: F.Molenkamp, Liquefaction as an instability, paper in
report on Committee on Mechanics of Granular Materials of the International Conference on Soil
Mechanics and Foundation Engineering, Rio de Janeiro, 1989)
Dit komt verder ter sprake in enkele berekeningsvoorbeelden.
Enkele berekeningsvoorbeelden
Voorbeeld 1: Een ongedraineerde berekening voor een punt op 10 m diepte onder een talud van 1:6. In
de beginsituatie bedraagt p = 81,4 kPa , q = 23,8 kPa en de schuifspanning T = 16,4 kPa. Als belasting
wordt opgelegd een toenemende relatieve schuifspanning q/p. Het doorlopen spanningspad is getekend in
figuur 4.5. De grondeigenschappen zijn'van een fiktieve zandsoort.
27
voorbeeld 1 (ongedraineerd)
punt lOm diep in talud
30
t À>O À<O À>O20
r (21)(32)(39)[kPa]
10
8020 40 60
L\u [kPa] ---
O-+--~---.-------'r---"-
o
Figuur 4.6
60
50
t 40q
[kPa] 30
20
10
o 10 20 30 40 50 60 10 80 90 100
p' [kPa] --.-
FiguW' 4.7
De eerste 20 berekeningsstappen is de eigenwaarde À. positief. Maar stap 21 tot en met 32 is de À. nega
tief. Bij stap 21 bedraagt de taludhelling 1:4,95. In het trajekt met een negatieve À. nemen ook de
taludhelling en de schuifspanning af. Na punt 32 nemen deze weer toe, overeenkomend met een positieve
À.. Pas in berekeningsstap 39 treedt voor de eerste keer een situatie op waarbij de berekende schuifspan
ning en taludhelling groter zijn, dan in punt 21 het instabiliteitspunt.
Als dit een krachtgestuurde berekening was geweest, zou het spanningspad dus in één ruk van punt 21
tot punt 39 doorlopen zijn onder gelijktijdige toename van de wateroverspanning van 24 tot 45 kPa. Dit is
ook goed te zien in figuur 4.6 waar op de horizontale as de wateroverspanning À u staat uitgezet en op de
vertikale as de schuifspanning '1'.
Voorbeeld 2: Ook voor een gedraineerde berekening kunnen we deze aanpak gebruiken. Zoals u in de
tweede lezing hebt gehoord, is het mogelijk dat er instabiliteit kan optreden onder volledig gedraineerde
omstandigheden. Want soms is een heel kleine aanleiding genoeg om een talud zonder wateroverspanning
toch te laten verweken, waardoor een zettingsvloeiing ontstaat.
Zo werd op een gegeven moment aan kollega Piet Visser gevraagd, die bij de cuttergootproeven
betrokken was, wanneer er een zettingsvloeiing zou optreden. Zijn antwoord luidde: een trap tegen de
goot is al genoeg. Met andere woorden een klein inleidend mechanisme is voldoende.
Vroeger werden in Zeeland achteraf de fraaiste verklaringen afgelegd waarom de betreffende zettings
vloeiing was ontstaan. Zo kon men in een bepaald geval als enig mogelijke aanleiding alleen noemen, dat
er een paard in galop langs de waterlijn was gerend. Een andere kollega stelt, dat bij ekstreem losse
pakking zelfs het landen van een meeuw op het talud voldoende aanleidng kan zijn voor het ontstaan van
een zettingsvloeiing.
Gelukkig voor de dijkbeheerder is het in werkelijkheid niet zo ernstig.
Dan nu echt voorbeeld 2. Uitgaande van dezelfde fiktieve zandsoort is nu voor verschillende diepten
beneden het maaiveld het spanningspad getekend. Daarbij wordt vanaf een horizontaal maaiveld de q/p
aangroei voorgeschreven.
Voor elk punt op dit gedraineerde spanningspad wordt wederom de eigenwaarde À. berekend.
Op een nivo van 10 m onder het talud treedt instabiliteit op bij een helling van 1:3,9. Op een nivo van 6
m onder het talud treedt instabiliteit op bij een helling van 1:3,2.
Het instabiele trajekt van het spanningspad - dat deel waarbij de eigenwaarde À. < 0 - blijkt bij kleinere
diepten korter te worden (zie figuur 4.7).
Een belangrijke vraag is dan; is er wellicht een minimale laagdikte nodig om nog een instabiliteitspunt te
kunnen berekenen? Het antwoord op deze vraag luidt: ja!
Bij de hier gebruikte grondeigenschappen is deze laag 5,2 m dik.
Het grote voordeel van dit soort berekeningen is, dat je op basis van grondeigenschappen en de omstan
digheden in het terrein (taludhelling, etc.) kunt konkluderen of je (bij wijzigingen in talud of andere
belastingen) instabiliteiten kunt verwachten of niet.
28
Figuur 4.8
Tsec
462
t 47
48 1porositeit
N49
[%] SO
Sl6600 6700 6800 6900
tijd [sec] -
6
t 4
~u
[kPa]2
0
6600 6700 6800 6900
tijd [sec] --
Figuur 4.9
T + 3 sec~--=,,---- - L· ----.........@<î) • ....-
------ __ • X _--/- .. x'--
• bodem goot• •
7 8 9 10lengte goot [m] •
proef POSbegintalud 1:42/3
[m]2
l,S
1
O,S
o
zettingsvloeiing
POS T =6700s
10
wateroverspanning ~ u [kPa]---
2,0
1,8
t 1,6
1,4hoogte
[m] 1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
00 2 4 6 8
1
q [kPa]
ç::······~·i:;~~:
\, 10
1
S 10 lSschuifvervorming r [%] ---
O+----r---.,------.,.....---.----.---..-o
20
10
-1,0 -0,6 -0,2 0 0,2 0,6
___ volumeverkleining [%]
q [kPa]30 2
........
Figuur 4.10 Figuur 4.11
Naberekening aanvang zettingsvloeÜDg cuttergootproef
In de derde voordracht van vanmiddag zijn achtergronden en omstandigheden bij de proeven in de
cuttergoot uit de doeken gedaan. Kenmerkende meetresultaten van proef P5 zijn daarbij al door Henk
Verwoert getoond. De meetgegevens van wateroverspanning en dichtheden tijdens deze zettingsvloeüng
bieden uitstekende veriflkatiemogelijkheden voor MSLIQ.
In figuur 4.8 is de situatie in de goot weergegeven vlak voor de vloeüng (T = 6680 sec) en vlak na de
vloeÜDg (T + 3 sec). Met de streepjeslijn is de geschatte omvang van het verweekte zand aangegeven, dit
op basis van een aantal waterspanningsmeters op de bodem van de goot.
Vlak voor de vloeÜDg ligt het talud onder 1:4,66 ter plaatse van de waterspanningsmeters (aangegeven
met dikke punten) en de wanddichtheidsmeters (aangegeven met kruisjes).
In figuur 4.9 zijn de meetresultaten van de 2 omcirkelde instrumenten op de 1,1 m boven de bodem
weergegeven: boven de porositeit en onder de waterspanning. Tijdens de zettingsvloeÜDg neemt de
porositeit af van 49% tot 46,5%. De wateroverspanning Ä. u loopt in zeer korte tijd op tot 5,6 kPa en dis
sipeert daarna binnen 2 minuten.
Uiteraard zijn er op het hier gebruikte Haiingvlietzand droge kritieke dichtheidsproeven uitgevoerd.
In figuur 4.10 staan de volumeverkIeining en de schuifvervorming weergegeven als funktie van de q voor
de 2 meest losse pakkingen die in het lab beproefd zijn. (n1 = 47,96%; Il:! = 46,23%)
Met een streepje en een cijfer 1 en 2 staan deze porositeiten ook bovenin figuur 4.9 weergegeven.
Met de grondeigenschappen behorend bij een porositeit van 47,96% is nu een berekening gemaakt voor
het nivo van 1,1 m boven de bodem van de cuttergoot met het ongedraineerde MSLIQ programma voor
één punt.
Uit deze berekening bleek dat afhankelijk van de gekozen initiële spanningstoestand in het talud
instabiliteit moest optreden bij een taludhelling tussen 1:4 en 1:4,5.
Bij de proef trad de zettingsvloeÜDg op bij een flauwere taludhelling van 1:4,66, maar daar was de porosi
teit dan ook groter (49%) dan bij de meest losse pakking van 47,96% waar de grondeigenschappen in het
rekenmodel op gebaseerd zijn. De voorspelling van het rekenmodel is dan ook goed te noemen.
Met MSLIQ is na het instabiliteitspunt doorgerekend om een indruk te krijgen van de sprong in het
spanningspad. De berekende wateroverspanning 11 u bedraagt maar 2,5 kPa op 1,1 m boven de bodem
goot. Dat is duidelijk minder dan de gemeten waarde (zie figuur 4.11). Maar u moet bedenken dat het
rekenmodel door rekent tot een nieuwe evenwichtssituatie zonder rekening te houden met dynamikaver
schijnselen of viskeus gedrag van het verweekte zandwatermengsel.
De waarde van het rekenmodel MSLIQ ligt dus vooral in de korrekte voorspelling van het instabiliteits
punt. Voor de adviespraktijk is het voorkomen van het bereiken van dat instabiliteitspunt van cruciaal
belang.
29
quasi 2-dimensionale effekten
Figuur 4.12
1:4 -- 1:3 in 60 sec
I = 1:3,53II=1:3,16
Figuur 4.13
40diepte 9,7m
tbezwijklijn
37
q 34[kPa]
31
28
60 70 80 90
P [kPa] --
Figuur 4.14
4.3 Toekomstige aktiviteiten
Tot nu toe zijn telkens I-dimensionale berekeningen met MSLIQ gepresenteerd. Dus eigenlijk voor de
situatie van een oneindig lang talud.
Het betrekken van een 28 dimensie (variaties mogelijk langs het talud) heeft uiteraard de nodige konse
kwenties. Uitgangspunt blijft het I-dimensionale MSLIQ programma. De invloeden van twee dimensiona
le effekten willen we op schematische wijze in de vorm van aanpassings- en korrektiefaktoren in de I-di
mensionale berekening invoeren.
De volgende effekten zijn van belang:
I De initiële spanningstoestand bij talud met een eindige lengte.
Deze wijkt op twee punten af van die bij een oneindig lang talud.
In de eerste plaats variëert de Kc (quotiënt van korrelspanning evenwijdig aan het talud en
loodrecht daarop) langs het talud (zie figuur 4.12). In punt A wordt de horizontale steun van de
bodem gevoeld (Kc > Kc .,). In punt B, dicht onder het talud, zal de beginspanningstoestand die
van het oneindige talud benaderen (Kc = Kc..,). In punt C geldt Kc < Kc..,·In de tweede plaats voelt de grond dieper in het talud steeds minder de taludhelling en steeds
meer de horizontale begrenzing aan weerszijden daarvan.
11 Spanningsspreiding van een verstoring met eindige afmetingen. Door spanningsspreiding wordt
dieper in het talud het effekt van de verstoring minder gevoeld.
III Instabiliteit dieper in het talud bij een verstoring aan de taludrand met eindige afmetingen.
Zojuist zijn we begonnen met het aanbrengen van één van deze effekten.
Stelt u zich eens voor dat een talud 1:4 met een hoogte van 10 m in 60 sec. wordt versteild naar 1:3. Vlak
onder het talud zal de grond de volledige versteiling voelen, maar op 20 m diepte niet meer.
Uitgaande van in beide gevallen de begintoestand van een oneindig lang talud (hetgeen volgens I dus niet
korrekt is) is met het I-dimensionale model deze berekening uitgevoerd. Het resultaat ziet u in figuur
4.13 en 4.14. Hierbij zijn 3 lagen met verschillende doorlatendheidskoëfficiënten k beschouwd. Het
spanningspad (figuur 4.14) geeft aan dat bij een taludhelling 1:3,16 op een nivo van 9,7 m onder het
maaiveld bezwijken optreedt: de gemobiliseerde hoek van inwendige wrijving bereikt hier de opgegeven
sterkte een <I> van 35°. Door toestroming van water uit de diepste laag, waarin de volledige versteiling is
aangebracht, blijkt de bezwijklijn bereikt te worden. Overigens is in figuur 4.13 voor de taludhelling 1:3,53
en 1:3,16 het wateroverspanningsbeeld met de diepte geschetst.
Dezelfde som is - uitgaande van een gelijke beginspanningstoestand met een 2-dimensionale variant
doorgerekend waarbij de invloed van versteiling als gevolg van de beperkte taludhoogte minder gevoeld
wordt in de diepere lagen. (Op 10 m diepte 50%, op 20 m diepte diepte 33% van de versteiling aan het
oppervlak).
30
1:4 --1:3 in 60 sec
I = 1:3,53II = 1:3,16
Figuur 4.15
baggeren taluds
welke taludhelling IJtoelaatbaar
Figuur 4.17
opbouwen zandlichamenonder water
.................... :.::'::::::::::::' ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
steilheid taluds
Figuur 4.19
40
t 37
q 34[kPa]
31 1-dim.
28
60 70 80 90P [kPa] ---
Figuur 4.16
.:::::::. "·':;::f·'::::::::::iiiiiiiiii~o:~~i;;;;n;;;;;;;;;;;;;1;""... ,... . ::::.. . ~ ~ ~ ~ ~:;;i ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~; 1h ~ji i ~ ~::::::::: :::
wanneer verdedigen ontgrondingskuil
Figuur 4.18
beter aangeven wanneerbestorting noodzakelijk is
Figuur 4.20
Op het nivo 9,7 m onder maaiveld treedt nu zeker geen bezwijken op. Het spanningspad is veel korter,
door de veel kleinere wateroverspanning die nu ontstaan (zie figuur 4.16). In de diepste laag reduceren
de wateroverspanningen zelfs tot 25 à 30% van die van de 1-dimensionale berekening (zie figuur 4.15 en
4.16).
4.4 Toepassingsgebieden en slot
Dan wil ik nu mijn voordracht gaan afronden. In enkele hoofdlijnen heb ik de huidige stand van MSLIQ
aan u uitgelegd.
Uitgaande van een veel voorkomende praktijksituatie: "Bestaat het gevaar dat een zandige onderwa
teroever bezwijkt?" heb ik u laten zien welke gegevens nodig zijn voor een berekening met MSLIQ.
Dat zijn:- geometrie, laagindeling en porositeit
- sterkte en doorlatendheid van het zand
- grondeigenschappen uit de kritieke dichtheidsproef
- en de soort belasting
Samen vormt dit de invoer.
Als uitvoer krijgt u bijvoorbeeld het verloop van de wateroverspanning met de diepte. En de p,q-plaatjes.
Dit zijn de zogenaamde spanningspaden met daarbij - in geval van instabiliteit - aangegeven de ligging
van het instabiliteitspunt. Het punt dat het begin van verweking aankondigt. Voor de adviespraktijk is het
voorkomen van het bereiken van dit instabiliteitspunt van cruciaal belang.
Met het rekenmodel MSLIQ kunnen we nu al betere adviezen geven.
Zoals bijvoorbeeld welke taludhelling bij baggeren toelaatbaar is (figuur 4.17).
Wanneer we ontgrondingskuilen moeten gaan bestorten (figuur 4.18).
Welke taludhellingen voor de verschillende zandsoorten bij het opbouwen van zandlichamen onder water
mogelijk zijn (figuur 4.19).
En we kunnen nu op basis van de eigenschappen van zand beter aangeven wanneer bestorting noodzake
lijk is (figuur 4.20).
Ik dank u voor uw aandacht.
31
DIENST WEG- EN WATERBOUWKUNDE
van der Burghweg 1
Postbus 5044, 2600 GA Delft
Tel. 015-699111
Fax 015-699361
32
GRONDMECHANICA DELFT
Stieltjesweg 2
Postbus 69, 2600 AB Delft
Tel. 015-693500
Fax 015-610821