Archiefexpertinhoud en ernstig risico: het artikel behoudt het historische verslag van hellingsstabiliteit, symbolen, formules en diagrammen uit de originele tekst. Het is geen geotechnisch onderzoek, graaf- of ophogingsproject, stabiliteitsberekening, drainageplan, aardverschuivingsonderzoek of werkinstructie. Een onstabiele helling kan plotseling mensen, gebouwen en wegen begraven; waargenomen scheuren, uitstulpingen, troebel water, plotselinge verzakking of verplaatsing moeten worden behandeld als reden om de gevarenzone te verlaten en een dringende professionele beoordeling te vereisen.
Savo Kusić richt zich vandaag op houten ramen, hout-aluminium ramen, op maat gemaakte ramen, deuren en offerteaanvragen. Dit artikel blijft een technisch archief en vormt geen aanbod voor geotechnisch ontwerp, toezicht of uitvoering van grondwerken.
Bij aangelegde grondwerken, zoals uitgravingen, dijken en kanalen, storten de laatste hellingen soms in. En een natuurlijke helling, zonder kunstmatige werken, kan plotseling en met grote kracht of heel langzaam bewegen. Deze verschijnselen zijn lange tijd het onderwerp geweest van geologische en geomechanische studies, met als doel de stabiliteit te evalueren op basis van de fysieke kenmerken van de bodem en de omstandigheden van elk individueel geval.
Oorzaken van beweging van aardmassa’s
De voorwaarde voor de stabiliteit van elke bodem, of het nu een kunstmatig aarden voorwerp of een natuurlijke bodem is, is dat er een evenwicht is tussen externe krachten en interne weerstand van de bodem. Externe krachten zijn in de eerste plaats het eigen gewicht van de grond, dat meestal de enige externe kracht is, gevolgd door eventuele andere externe belastingen die op de helling inwerken, permanent of bewegend. De interne weerstand bestaat uit cohesie en wrijving in gebonden grond, en alleen wrijving in ongebonden grond.
Afb. 1. Helling van losse gronddijk
Als we een dijk met een hoogte h waarnemen die bestaat uit volledig losse grond, bijvoorbeeld droog verdicht zand, zullen we vaststellen dat de helling van die dijk een hoek β maakt met de horizontaal (fig. 1). De grootte van de hoek β is afhankelijk van verschillende factoren, zoals korrelgrootte, korrelvorm en verdichting. Als we de hoogte van de dijk h verhogen naar h1, h2, etc. met hetzelfde ongebonden materiaal van dezelfde verdichting, zal de hoek β niet veranderen, de helling van de dijk zal op hetzelfde talud blijven tot een onbeperkte hoogte h. Voor een gegeven losse grond is de natuurlijke hellingshoek β onafhankelijk van de hellingshoogte h. De grootte van de hoek β voor ongebonden grond hangt af van de hoek van de interne bodemwrijving φ en wordt verondersteld iets kleiner dan deze te zijn, of gelijk daaraan, β ≤ φ.
Afb. 2. Snijhelling in gebonden grond
Als we een snede in gebonden grond waarnemen, zullen we ontdekken dat de helling van de snede onder een sterkere helling 1:m wordt gehouden, d.w.z. onder een grotere hoek β vanwege het feit dat de interne weerstand van de gebonden grond wordt vergroot door cohesie, die niet bestaat in droog zand (fig. 2). In bepaalde grondsoorten, zoals droge löss, kan cohesie de interne weerstand zodanig vergroten dat de grond met een verticaal afgesneden zijde, dat wil zeggen onder een hoek β = 90°, kan worden vastgehouden. Als we echter de maaihoogte h in gebonden grond verhogen naar h1, h2, enz., moet de hellingshoek van de snede β worden verkleind om de helling stabiel te houden. Voor elke hellingshoek β van de helling van de snede in een gegeven begrensde grond is er één kritische hoogte hc. Als we deze hoogte overschrijden, wordt de helling AB niet in evenwicht gehouden en schuift deze over een glijvlak CD (fig. 3). Het glijden vond plaats als gevolg van een verstoring van het evenwicht tussen de externe kracht, het eigen gewicht van de aardmassa en de interne weerstand, die niet langer voldoende was om de toegenomen externe kracht tegen te gaan, dat wil zeggen het toegenomen gewicht van de bodemmassa veroorzaakt door de toename van de hoogte van de helling h.
Afb. 3. Hellingshelling die in samenhangende grond glijdt
Uit het bovenstaande volgt dat de hoek van de natuurlijke helling van de grond niet kan worden aangenomen als een constante waarde voor de gegeven grond, aangezien de waarde ervan onder alle andere omstandigheden afhangt van de hoogte van de helling en afneemt met de toename van deze hoogte. Voor hellingen met een kleine hoogte wordt deze echter vaak als een constante waarde aangenomen, afhankelijk van de hoek van de interne bodemwrijving φ.
Evenwichtsverstoring kan ook optreden zonder de maaihoogte h te vergroten, bijvoorbeeld wanneer de interne bodemweerstand afneemt. De elementen van interne weerstand van gebonden grond, cohesie en wrijving, zijn zeer variabel en afhankelijk van de hoeveelheid water in de grond. De oorzaak van het glijden is dan ook in veel gevallen de oververzadiging van de watergebonden grond, die zo groot kan zijn dat de grond zich onder geen enkele helling meer kan ondersteunen, maar door zijn eigen gewicht verschuift.
Afb. 4. Bodemverschuiving door vorming van glijvlakken
Er zijn verschillende gevallen van bodemverschuiving als gevolg van de vermindering van de interne weerstand, waarvan we hier enkele kenmerkende zullen noemen.
Educatie van glijoppervlakken
Als er op een helling onder de oppervlaktelaag van doorlatende grond een ondoordringbare kleilaag ligt (fig. 4a), of als er een hellende zandlaag in de kleilaag zit (fig. 4b), waarin atmosferisch of oppervlaktewater kan terechtkomen (bijvoorbeeld vanuit een verwaarloosde afvoersloot), kunnen aardverschuivingen optreden. Een grotere hoeveelheid water stroomt door de doorlatende laag naar de kleilaag, die deze sterk bevochtigt, waardoor de weerstand op het oppervlak, waar de bovenste laag wegglijdt, afneemt.
Verstoring van het evenwicht door een snee te snijden
Het snijden van sneden tijdens de aanleg van spoorwegen en wegen verstoort de vroegere evenwichtstoestand, omdat in het zaagprofiel de grond zonder steun blijft en door de zwaartekracht de neiging heeft naar beneden te bewegen. Een evenwichtstoestand kan worden gehandhaafd als de interne weerstand van de grond groot genoeg is om deze neiging tegen te gaan, wat ook mogelijk is wanneer de afgesneden grond bestaat uit sterk hellende lagen ten opzichte van de snede.
Afb. 5. Verschuiven van terrein door snijden in gelaagde grond
Als lagen van ondoordringbare en doorlatende grond echter afwisselend worden doorgesneden (Fig. 5), bestaat de mogelijkheid van uitspoeling van de doorlatende grond en bevochtiging van de ondoordringbare grond, waarop slippen kan optreden.
Bodeminhomogeniteit
Dunne lagen ondoordringbaar materiaal in een talud van doorlatende grond, de zogenaamde kleilenzen (fig. 6), kunnen ook slip veroorzaken als er een grote hoeveelheid water op komt en een glijvlak vormt.
Afb. 6. Geval van dijkverschuiving als gevolg van inhomogene samenstelling
Effect van vorst
Onder invloed van vorst hoopt water zich op in de oppervlaktelaag in de vorm van ijslenzen. Tijdens het ontdooien veranderen de ijslenzen in water, waardoor de bodem oververzadigd raakt tot de diepte van de vorst, waardoor deze een vloeibare massa wordt en zijn stabiliteit verliest.
Dit geval doet zich alleen voor in vorstgevaarlijke grond en bij een langere vorstduur, omdat het veel tijd kost voor de vorming van ijslenzen.
Grondwaterpeilverlaging
Wanneer het grondwaterpeil permanent wordt verlaagd, bijvoorbeeld door werkzaamheden in de grond, droogt de grond uit en als het klei is met een grote zwelling, ontstaan er scheuren. Er komen grotere hoeveelheden oppervlaktewater en atmosferisch water binnen, waardoor de bodem nat wordt en de interne weerstand afneemt, wat ook tot aardverschuivingen kan leiden.
Er zijn ook veel andere gevallen van terreinverschuiving, dus kan worden aangenomen dat elke samenhangende bodem onder bepaalde omstandigheden zijn interne weerstand in meer of mindere mate kan verliezen en, onder invloed van externe krachten, in beweging kan worden gebracht.
Incoherente grond is stabiel zolang de hellingshoek van de helling kleiner is dan de hoek van interne wrijving van de grond. Bij dit type grond treedt glijden alleen op als de hellingshoek groter is dan de hoek van interne wrijving. Als een dijk echter is gemaakt van ongebonden materiaal op kleigrond, kan de kleigrond verschuiven en de dijk instorten, en is het noodzakelijk om de stabiliteit te controleren.
Testen van de stabiliteit van aardhellingen
Vorm van glijoppervlak
De voorwaarde voor evenwicht tussen externe krachten en interne bodemweerstand werd door Coulomb vastgesteld met zijn vergelijking
τ ≤ c + σ tgϕ
waarbij τ de schuifspanning van de grond is, c de cohesie is, σ de normale spanning op het glijoppervlak is, ϕ de hoek van interne wrijving is.
Als de interne weerstand, cohesie c en wrijving σ tgϕ van de grond niet voldoende zijn om de schuifspanning van de grond tegen te gaan, vindt glijden plaats op een glijoppervlak in de grond. Er zijn verschillende vormen van glijoppervlakken, die afhankelijk zijn van de fysieke eigenschappen van de bodem, gelaagdheid, vochtigheid, externe belasting en andere factoren.
De volgende typische schuifkasten verschillen afhankelijk van de positie:
Afb. 7. Typische gevallen van aardverschuivingen
a) Verschuiven van de verticale zijden van de snede. In het geval van kanalen voor watervoorziening, riolering etc., die met verticale zijden zijn gegraven (fig. 7a), treedt er, als de kritische hoogte hc, die afhankelijk is van de fysische eigenschappen van de grond, wordt overschreden, over het oppervlak ADC af. Deze slips bevinden zich meestal niet over de gehele lengte van het kanaal, maar zijn gelokaliseerd, wat wordt verklaard door de ongelijkmatige schuifsterkte van de grond.
b) Gedeeltelijke hellingsverschuivingen (fig. 7b). Deze uitglijders verschijnen vaak in het voorjaar op spoorweg- en wegenbouw en zijn het gevolg van oververzadiging van de grond met water.
c) Helling die ’s nachts glijdt (fig. 7c). Het is het verschuiven van de gehele helling van de snede of dijk naar het been C.
d) Helling die onder de voet glijdt (Fig. 7d). Het is het verschuiven van de gehele helling van de snede of dijk en de grond onder de fundering. Deze glijbaan wordt ook wel subgrade breuk of Zweedse breuk genoemd, naar de Zweden die het voor het eerst beschreven.
Wat betreft de vorm van het glijoppervlak kan alleen worden beweerd dat het glijoppervlak in gebonden grond niet recht is, maar dat het een gebogen oppervlak is. Bepaalde auteurs nemen een cirkelboog (Fellenius), een logaritmische spiraal (Rendulić) of een combinatie van deze gebogen lijnen (Brinch Hansen) over als de vorm van het glijoppervlak.
Effect van waterfiltratie op hellingsstabiliteit
Als er extern water met niveau N1 (fig. 8) vóór het talud aanwezig is, ontstaat er waterstroming in de grond achter het talud, waardoor de interne waterdruk in de poriën ontstaat, waardoor de wrijving tussen vaste deeltjes afneemt en de schuifspanning in de grond toeneemt.
Als het waterpeil N1 vóór het talud constant is, veroorzaakt de waterkolom H*γW waterdruk in de bodemporiën waardoor de wrijving tussen vaste deeltjes afneemt, waardoor het gevaar voor taludverschuiving toeneemt. Wanneer het niveau N1 echter constant is, duwt de druk van de waterkolom H*γW de vaste deeltjes naar het binnenste van de grond, waardoor het gevaar van hellingsverschuivingen enigszins wordt verminderd. In dit geval bestaat er bij een constant waterpeil N1 vóór het talud het gevaar dat het stroomafwaartse talud verschuift, omdat de werking van waterfiltratie in de bodem ervoor zorgt dat vaste deeltjes naar de buitenkant van het stroomafwaartse talud worden geduwd.
Afb. 8. Het effect van filtratie op de stabiliteit van de bodemhelling
Als het externe waterpeil scherp daalt van het niveau van N1 naar N2, wordt de stabiliteit van het stroomopwaartse talud bedreigd. In dat geval stroomt het interne water in de poriën naar de buitenzijde van het stroomopwaartse talud, waardoor de vaste deeltjes naar die kant worden geduwd.
Vanwege dit alles moet, als de bodemhelling in water wordt ondergedompeld, ook rekening worden gehouden met het effect van waterfiltratie bij het testen van de stabiliteit van de helling.
Het effect van waterfiltratie in de bodem hangt af van verschillende factoren, waarvan de belangrijkste de doorlaatbaarheid van de bodem, hydrostatische druk van extern water, snelheid van daling van het niveau van extern water en homogeniteit van de bodem zijn.
Als we aannemen dat de dijk in Fig. 8 met een homogeen isotrope massa zal, onder invloed van de hydrostatische druk van extern water van niveau N1, water in de poriën van de dijk stromen in de richting van het stroomafwaartse talud, waardoor het grondwaterniveau in de dijk zal afnemen met de lengte van de afgelegde weg. Als we piëzometerbuizen AA’, BB’ en CC’ in de dijk plaatsen (fig. 9), zal het poriënwater onder invloed van hydrostatische druk deze leidingen binnendringen en stijgen naar het niveau N1, wat in alle leidingen hetzelfde kan zijn, als de punten A, B en C zo worden gekozen dat de hoogten van de waterkolom in de leidingen gelijk zijn. h1, h2 en h3.
Afb. 9. Equipotentiaal- en stroomlijnen
Als we met h de hoogte van het waterniveau N1 aangeven ten opzichte van een willekeurig gekozen vlak O-O, dan is de potentiële h voor alle 3 punten, A, B en C hetzelfde. De lijn die deze drie punten verbindt is de equipotentiale lijn. Grondwater in de bodem kan niet langs die lijn stromen, maar alleen in de richting van punten met een lager potentieel.
Op een vergelijkbare manier kunnen we in dezelfde massa de punten D, E en F selecteren met een lager potentieel h ― Δh. De lijn die deze drie punten met elkaar verbindt is de equipotentiaallijn van potentiaal h ― _Δh. De waterstroom van punt A van de equipotentiaallijn ABC naar een oneindig dichtbij gelegen punt D van de equipotentiaallijn DEF zal bestaan in de richting van de grootste hydraulische daling imax, d.w.z. in de richting van de kleinste afstand Δlmin = AD. Dit betekent dat de lijn AD waarlangs water stroomt loodrecht staat op beide equipotentiaallijnen, omdat
imax = Δh / Δlmin
waarbij Δlmin normaal is voor beide equipotentiaallijnen. Deze loodlijnen op de equipotentiaallijnen zijn de richtingen van de waterstroom in de doorlaatbare massa en worden stroomlijnen genoemd. De gemeenschap van equipotentiaal- en stroomlijnen, onderling loodrecht op elkaar, vormt een stroomnetwerk.
Stroomnetwerken hebben verschillende vormen, afhankelijk van de massapermeabiliteit. Het meest voorkomende geval is een ophoging van doorlatende massa op ondoordringbare grond, dat wil zeggen op grond die ondoordringbaar gemaakt kan worden (fig. 10). In dit geval bevinden de stroomlijnen zich in het middelste deel van de parabool als het externe waterniveau constant is.
Afb. 10. Stroomnetwerk in een doorlatende talud op ondoordringbare grond
Op de stroomopwaartse helling verbinden de parabolen zich met de lijnen loodrecht op de helling, die de equipotentiaallijn vertegenwoordigt, omdat op een constant niveau N1 water niet langs de helling stroomt. Bij de stroomafwaartse helling eindigen de parabolen tangentiaal op de helling, die noch een equipotentiaallijn, noch een stroomlijn is. Het oppervlak van de ondoordringbare grond onder de dijk is een stroomlijn, omdat het water onder aan de dijk evenwijdig aan dit oppervlak stroomt. In het bovenste gedeelte eindigt het stromingsnetwerk met een basisparabool, de zogenaamde kwellijn, die de grens van de grond onder invloed van filtratie voorstelt. Beneden deze grens is de bodem onderhevig aan filtratie als gevolg van de hydrostatische druk van het externe water H*γW, terwijl er geen filtratie plaatsvindt in de bodem erboven. De kwellijn wordt ook wel de verzadigingslijn genoemd, omdat wordt aangenomen dat de grond eronder volledig verzadigd is met water, terwijl deze daarboven gedeeltelijk verzadigd is.
De feitelijke hellingsbeoordeling moet onderzoek, gelaagdheid, sterkteparameters, grond- en oppervlaktewater, niveauveranderingen, drainage, seismische, uitgravings- of opvulfasen, aangrenzende constructies en tijdelijke omstandigheden omvatten. Opgravingen zonder de juiste bescherming en het betreden van de zone van mogelijke aardverschuivingen zijn niet veilig op basis van de algemene tekst of de vorm van de helling zelf.