0

publicatie: Ontwerprichtlijn Geotextielen onder steenbekleding

1 Inleiding

1 Inleiding

1.1 Ontwerprichtlijn geotextielen onder een steenbekleding

Tijdens de revisie van CUR-rapport 174 “Geokunststoffen in de waterbouw” bleek dat er geen effectieve ontwerpfilosofie en daarop gebaseerde ontwerpregels zijn, die het schadevrij installeren van geokunststoffen onder gezette en los gestorte steen in waterbouwkundige constructies verzekeren. Vooral het voorkomen van schade aan het geokunststof tijdens het bestorten met stenen vroeg nader onderzoek en een ontwerprichtlijn daarvoor.
De huidige ontwerpmethoden zijn gericht op de functionele eisen die aan het geokunststof gesteld worden als onderdeel van de constructie.
Als eerste stap om schade tijdens inbouw te vermijden is CUR-Aanbeveling 115: 2011 “Uitvoering van geokunststoffen in de waterbouw” gemaakt.
Rijkswaterstaat heeft twee workshops met experts georganiseerd om het probleem nader te analyseren en mogelijke oplossingen te bespreken (op 27 mei 2011 en 25 november 2011). Hieruit bleek dat het gebruik van dikke, robuuste vliezen met een grote vervormingscapaciteit een oplossing zou kunnen bieden voor toepassing van geotextielen op minder compacte of samendrukbare ondergronden. Deze vervormingscapaciteit kan nodig zijn om schade te vermijden als een steen op het geokunststof valt en de ondergrond veel kan vervormen.
Een minder rekbaar weefsel kan dan minder goed mee vervormen en zal dan meer kracht moeten opnemen.
In deze richtlijn is de ontwerpmethodiek voor het bepalen van de benodigde vervormingscapaciteit van een geotextiel om de valenergie van de stenen op te nemen, verder uitgewerkt.

Verder bleek dat het belangrijk is onderscheid te maken tussen installatie boven en onder water. De methode van storten en de storthoogte tijdens de installatie kunnen op een droog talud veel beter gecontroleerd worden dan tijdens het storten van steen als eerste ballastlaag bijvoorbeeld op een zinkstuk.

In Nederland is echter veel ervaring met het toepassen van weefsels in onder meer zinkstukken. Ook is er ervaring met composietmateriaal, bestaande uit een weefsel met een vlies erop vastgemaakt. De huidige gehanteerde regels in Nederland zijn veelal gebaseerd op deze ervaring; dit maakt het lastig om in het ontwerp met de specifieke eigenschappen van vliezen rekening te houden. In Duitsland is jarenlang ervaring opgedaan met de toepassing van dikke, robuuste vliezen. In de UK worden zelfs zware stenen direct op dikke vliezen zonder uitvullaag met succes toegepast. In dit rapport is de goede ervaring in het buitenland met robuuste vliezen in bepaalde toepassingen verwerkt door de introductie van het Energy Absorption Level en door de minimale rek-eis bij droge taluds.

Naast de aan een geotextiel te stellen eisen (afhankelijk van de gekozen installatiemethode), is ook de internationale ervaring geëvalueerd met testen om het effect van het vallen van de steen op het geokunststof na te bootsen. Dit heeft mede geleid tot het eisen van een minimaal Energy Absorption Level bij toepassing van een geotextiel in een zinkstuk.

Ook is tijdens de revisie van CUR 174: “Geokunststoffen in de waterbouw” geconstateerd dat het bepalen van de levensduur van geotextielen een belangrijk aspect van het ontwerp is. In SBRCURnet-publicatie “Durability of geosynthetics” is een overzicht gegeven van alle aspecten die de levensduur van een geotextiel kunnen beïnvloeden en wordt de methodiek aangegeven voor het bepalen van de levensduur en de wijze waarop deze in het ontwerp verwerkt kan worden. Deze methode is verwerkt in deze richtlijn. Ook wordt behandeld wanneer het nodig is om de duurzaamheid geavanceerd te onderzoeken dan wel te testen.

Ontwerpen kunnen op drie niveaus gemaakt worden. Hiervoor zijn in dit rapport twee methoden aangegeven: de eenvoudige methode en de gedetailleerde methode. Het kan nodig zijn daarnaast nog onderzoek uit te voeren op bepaalde aspecten van het geotextiel. Wanneer dit nodig is en wat er dan aan testen nodig is, is beschreven in de geavanceerde methode.
Alle functionele eisen, vertaald in minimale of maximale waarden voor de belangrijkste materiaaleigenschappen, zijn in de eenvoudige methode van deze richtlijn vastgelegd in een standaard classificatieschema, met als variabelen de ondergrond, het steengewicht, de soort bekleding etc.
Bij de gedetailleerde methode worden voor alle ontwerponderdelen de rekenregels en formules gegeven en bij de geavanceerde ontwerpmethode wordt beschreven welke performance testen en/of modelproeven gebruikt kunnen worden.

Een richtlijn, waarbij de waarden van de vereiste materiaaleigenschappen afgelezen kunnen worden, zal veel tijd besparen tijdens het ontwerp en kan daardoor een belangrijke financiële besparing opleveren. Ook leidt dit tot uniformiteit binnen de ontwerpen.

Deze ontwerprichtlijn is gebaseerd op het rapport (CUR174, 2009): Geokunststoffen in de waterbouw. In deze richtlijn is de in CUR 174 aangegeven ontwerpmethode verder uitgewerkt. Bij afwijkingen t.o.v. elkaar is deze Ontwerprichtlijn voor geotextielen onder steenbekleding, vigerend.

Voor gedetailleerde informatie over de levensduur van geokunststoffen wordt verwezen naar Durability of Geosynthetics (voorheen CUR243, 2012).

Wat betreft de uitvoering wordt verwezen naar (CUR-Aanbeveling 115:2011); Uitvoering van geokunststoffen in de waterbouw. Deze twee documenten gelden als brondocumenten voor de relevante secties in deze ontwerprichtlijn. De erin aangegeven informatie is vigerend t.o.v. de verwerking ervan in deze ontwerprichtlijn.

1.2 Toepassingsgebied

De ontwerprichtlijn is van toepassing op het ontwerp van geotextielen in filterconstructies in een dijk, dam of andere waterkering en voor het ontwerp van geotextielen in een bodembescherming om erosie van de onderliggende lagen tegen te gaan.
De steenbekleding of bodembescherming kan toegepast worden in de glooiing, de kreukelberm, de vooroever of in een bodembescherming.
Daarnaast bestrijkt deze richtlijn uitvoeringsmethoden boven en onder water. De ontwerprichtlijn is dus zowel van toepassing op een geotextiel in een zink- of kraagstuk als ook op een los gelegd geotextiel.
Het geotextiel kan een vlies, weefsel of een composiet van weefsel met vlies zijn.

Figuur 1-1 Namen van de onderdelen van een steenbekleding
Bron: (http://www.zeeweringen.nl/dbupload/_p17_500_dwarsdoorsnede.jpg , 2015)

Centraal in de ontwerprichtlijn staan de ondergrond, de steenbekleding en het geotextiel; deze drie onderdelen hebben een onderlinge relatie. De openingsgrootte van het geotextiel moet afgestemd zijn op de korrelgrootte van de ondergrond. De waterdoorlatendheid of permittiviteit moet afgestemd zijn op de doorlatendheid van de ondergrond en de steenzetting. Het geotextiel moet ook voldoende robuust zijn om de belastingen tijdens de installatiefase en gebruiksfase zonder beschadigingen op te kunnen nemen. Beschadigingen tijdens de installatiefase hebben gevolgen voor de functionaliteit tijdens de gebruiksduur. Bij scheuren of gaten in het geotextiel zal de ondergrond uitspoelen, wat leidt tot een vergrote kans op bezwijken van de dijk of dam. Het geotextiel dient daarom zowel te voldoen aan eisen van functionaliteit als ook aan eisen op basis van robuustheid.

1.3 Filterconstructie

Een kust- en vooroeververdediging is meestal opgebouwd uit een toplaag (de steenbekleding), een filterconstructie (granulair materiaal en/of geotextiel) en een basismateriaal (bij de kustverdediging is dit vaak een waterremmende kleilaag). Deze ontwerprichtlijn omvat de ontwerpmethode en de eisen die gesteld moeten worden aan het geotextiel als onderdeel van de filterconstructie, in relatie tot de toplaag en onderlaag. Een filterconstructie heeft als primair doel het vasthouden van de korreldeeltjes van het basismateriaal terwijl een waterstroming door het basismateriaal en de filterconstructie wel mogelijk blijft. Het gedrag van een filterconstructie wordt bepaald door de openingsgroottes, de samenstelling van de basislaag, de toplaag en de optredende belastingen.

Figuur 1-2 Filterconstructie

1.4 Eisen aan het geotextiel

Om goed te kunnen functioneren als filterlaag moet het geotextiel aan een aantal eisen voldoen.

Dit zijn:

  • Functionaliteitseisen zoals: gronddichtheid of openingsgrootte, waterdoorlatendheid en bestendigheid.
  • Robuustheidseisen zoals: minimale treksterkte en eisen m.b.t. de rek.
  • Of in geval van een zinkstuk: maximale rek bij een bepaalde trekbelasting en de naadsterkte. Ook zal het zinkstuk in staat moeten zijn de valenergie van de stenen tijdens het afzinken op te nemen.

In deze ontwerprichtlijn is met name de bepaling van de minimale en maximale rek op een nieuwe ontwerpfilosofie gebaseerd. Onderscheid wordt hierbij gemaakt voor het vallen van stenen op het geotextiel als het op de bodem of talud ligt en in het geval dat het afgezonken wordt.
In het geval dat het geotextiel op het talud of op de bodem ligt moet het makkelijk mee kunnen vervormen met de indrukking van de steen in de bodem, zonder grote krachten te mobiliseren. Dit leidt tot de eis van een minimale breukrek in het geotextiel.
Tijdens het afzinken en bestorten van een zinkstuk, voordat het zinkstuk op de bodem ligt, moet het geotextiel de valenergie van de stenen opnemen door vervorming. De op te nemen valenergie is in dit geval gelijk aan de arbeid die het geotextiel kan opnemen tijdens het vervormen. Dit kan in de vorm van een minimale “Energy Absorption Level”-waarde gespecificeerd worden.
Deze nieuwe eisen zullen leiden tot minder schade tijdens de uitvoering en zodoende tot een veiligere constructie. In praktijk zal dit veelal resulteren in het gebruik van robuuste vliezen op droge hellingen en van robuuste, vaak composiet-geotextielen in zinkstukken. Het gebruik van het “Energy Absorption Level” is het resultaat van een literatuurstudie die uitgevoerd is naar de ervaringen in andere landen en proeven die daar uitgevoerd zijn.

De eisen die aan een geotextiel in de uitvoeringsfase en in de gebruiksfase gesteld worden, zijn aangegeven in tabel 1.1. waarin ook de paragrafen aangegeven zijn waar de gegevens voor een bepaalde eigenschap te vinden zijn.
Er zijn twee eigenschappen die kenmerkend zijn voor de functionaliteit van het geotextiel, namelijk de gronddichtheid en waterdoorlatendheid.

Eisen gesteld aan de robuustheid van het geotextiel komen voort uit de belastingen die optreden in de uitvoeringsfase. Tijdens het prefabriceren, transporteren en verwerken van het geotextiel treden verschillende belastingen op. Dit leidt tot eisen voor rek, treksterkte, Energy Absorption Level en naadsterkte.

Tabel 1.1 Belangrijke eigenschappen van het geotextiel

Eisen Eigenschappen geotextiel Eenheid Eis/reden Norm Paragraaf
Functionaliteit Openingsgrootte mm Voorkomen van uitspoeling van de basislaag EN ISO 12956 2.2.1, tabel 2.4
Waterdoorlatendheid m/s Zorg dragen voor goede waterdoorlatendheid i.v.m. voorkomen van wateroverdrukken en -onderdrukken EN ISO 11058 2.2.2, tabel 2.5
Levensduur jaar Als ontwerpeis geldt een levensduur > 50 jaar, om zo bezwijken tijdens gebruiksfase te voorkomen EN ISO 13438 2.2.3
Robuustheid Treksterkte, bij breuk kN/m¹ Opnemen van krachten tijdens de uitvoeringsfase EN ISO 10319 Minimale breuksterkte: 2.3.1, tabel 2.6
Minimale rek % Vervorming om de indrukking in de ondergrond te kunnen volgen bij belasting EN ISO 10319 Minimale breukrek: 2.3.2, tabel 2.7
Additionele eisen bij installatie m.b.v. een zinkstuk Maximale rek bij vereiste treksterkte ε Bij toepassing van een zinkstuk mag bij de optredende trekkracht de rek niet meer zijn dan een bepaalde waarde EN ISO 10319 Maximale rek bij vereiste trekkracht: 2.4.1, tabel 2.8
Energy Absorption Level kJ/m² Waarde van de mate waarin energie opgenomen kan worden door het geotextiel. Het is de relatie tussen treksterkte en rek bij breuk, die met elkaar vermenigvuldigd een indicatie van de vervormingscapaciteit is EN ISO 10321 2.4.2, tabel 2.10
Naadsterkte kN/m Sterkte over een naainaad, indien van toepassing 2.4.3, tabel 2.9

De CBR proef en de Cone Drop proef zijn ook testen die gebruikt worden voor het bepalen van de robuustheid van een geotextiel. Zij worden in deze richtlijn niet gebruikt omdat zij minder geschikt zijn om de effecten van een vallende steen op een geotextiel te bepalen.

1.5 Ontwerprichtlijn

De ontwerpmethodiek is onderverdeeld in een drietal niveaus, vergelijkbaar met de veiligheidstoetsing van de waterkeringen (VTV toetsingen):

  • Eenvoudige methode.
  • Gedetailleerde methode.
  • Geavanceerde methode.

Niveau 1: Eenvoudige methode
De eenvoudige methode mag gebruikt worden voor het ontwerp van geotextielen in filterconstructies mits aan de genoemde randvoorwaarden is voldaan. De randvoorwaarden dekken een groot deel van de standaard ontwerp situaties.
Op basis van deze randvoorwaarden zijn in hoofdstuk 3 met de gedetailleerde methode voorbeeldberekeningen uitgevoerd. Dit levert de waarden op voor de eisen die aan geotextielen in die omstandigheden gesteld moeten worden. Deze eisen zijn verzameld in de tabellen in hoofdstuk 2 en kunnen gebruikt worden als de, te specificeren, waarden voor de relevante eigenschappen bij gebruik van de eenvoudige methode.
De waarden voor de eigenschappen zijn bepaald met de ontwerpmethodes zoals vastgelegd in CUR 174. De tabellen zijn opgesteld voor standaard gebruiksomstandigheden en voor de in Nederland gebruikelijke classificatie van grondsoorten en steenklassen.
De eenvoudige methode kan worden gebruikt als de standaard methode voor het bepalen van de eigenschappen van het geotextiel. De eenvoudige methode is gebaseerd op de rekenregels zoals vastgelegd in de gedetailleerde methode. De uitkomsten zijn geldig voor de meeste constructies, zolang het ontwerp binnen de aangegeven randvoorwaarden blijft.
De eenvoudige methode gaat uit van tabellen voor functionaliteit en robuustheid. Op basis van onderzoek of schattingen van de zeefkromme van de ondergrond wordt de gronddichtheid en de waterdoorlatendheid bepaald. Daarnaast moet bekend zijn welke stenen als steenbekleding worden gebruikt en of de uitvoering in den droge of in den natte geschiedt. Op basis hiervan worden de minimale en maximale rek en treksterkte bepaald. Bij gebruik van zinkstukken wordt een Energy Absorption Level-eis gesteld.

Niveau 2: Gedetailleerde methode
Bij de gedetailleerde methode worden voor alle ontwerponderdelen de rekenregels en formules gegeven. Deze methode kan gebruikt worden indien er (van de eenvoudige methode) afwijkende ontwerpcondities zijn. Dit kan voor één of meer eigenschappen het geval zijn. Een veiligheidsanalyse zal voor de afwijkende ontwerponderdelen gemaakt moeten worden.
Met behulp van de gedetailleerde methode kunnen dan de eisen aan het geotextiel bepaald worden.

Deze methode kan toegepast worden indien de randvoorwaarden afwijken van die welke zijn gebruikt om de tabellen te maken voor de eenvoudige methode.
De gedetailleerde methode geeft een overzicht van de bezwijkmechanismen en van de formules die gebruikt worden om de eisen aan het geotextiel te bepalen. Voor de gedetailleerde methode dient er meer onderzoek te worden uitgevoerd naar de eigenschappen van de ondergrond en de hydraulische ontwerprandvoorwaarden.

Daarnaast moet er ook meer bekend zijn over:

  • De aan te brengen steenbekleding.
  • Uitvoeringsmethode.
    • Eventueel berijden van de steenbekleding.
    • Gewicht en afmetingen zinkstuk als dat toegepast wordt.
    • Eventuele plaats en details van prefabricage.
  • Toekomstig gebruik, beheer en onderhoud.

Niveau 3: Geavanceerde methode
Bij de geavanceerde ontwerpmethode wordt gebruik gemaakt van performance testen en/of modelproeven. In dit rapport wordt geen beschrijving gegeven van deze methode omdat die voor elke situatie verschillend is. Wel worden mogelijke performance testen en modelproeven beschreven. Deze ontwerpmethode wordt bijvoorbeeld toegepast indien de risico's op bezwijken van de (dijk)constructie extreem hoog zijn of indien een speciaal ontwerp geanalyseerd moet worden.

1.6 Opzet van de richtlijn

In het volgende hoofdstuk, Hoofdstuk 2, wordt de eenvoudige methode gegeven.
Dit hoofdstuk geeft de randvoorwaarden en de uitgangspunten waaronder de eenvoudige methode toegepast mag worden. De resultaten worden in de vorm van tabellen gegeven, waarin de waarde voor de betreffende eigenschap gevonden kan worden. Aan het einde van het hoofdstuk wordt een tabel gegeven van een standaardspecificatie, waarin de gevonden waarden opgenomen kunnen worden.

1.7 Stappenplan bij het kiezen van de te gebruiken methode

Hieronder worden een stappenplan in 3 delen gegeven waarmee men kan bepalen welke methode gevolgd moet worden. Het eerste schema geeft aan of met de eenvoudige of gedetailleerde methode gewerkt moet worden of dat de geavanceerde methode gevolgd moet worden.

Het 2e schema geeft weer welke stappen genomen moeten worden bij het bepalen van de methode waarmee de functionaliteitseigenschappen openingsgrootte (O90) en waterdoorlatendheid (k-waarde) bepaald worden.

Het 3e schema doet dit voor het bepalen van de robuustheid eigenschappen: sterkte (P), rek (ε) en Energy Absorption Level (EAL) (EAL in geval van zinkstuk).

Schema 1 Stappenplan bij het bepalen volgens welke methode de eigenschappen bepaald worden - volgens de geavanceerde methode of volgens de eenvoudige en gedetailleerde methode

Schema 2 Bepaling functionaliteitseigenschappen openingsgrootte (O90) en waterdoorlatendheid (k-waarde) voor de eenvoudige en gedetailleerde methode

Schema 3 Bepaling robuustheid eigenschappen: sterkte (P), rek (ε) en Energy Absorption Level (EAL) (EAL in geval van zinkstuk) voor de eenvoudige en gedetailleerde methode