Hellingsstabiliteit en aardverschuivingen

Hellingsstabiliteit verwijst naar het vermogen van een helling of heuvel om weerstand te bieden aan de neerwaartse beweging of het instorten van grond- en gesteentematerialen. Aardverschuivingen zijn een veel voorkomende vorm van hellingfalen, die kan leiden tot aanzienlijke schade aan eigendommen en infrastructuur, verlies van mensenlevens en gevolgen voor het milieu. Hellingsstabiliteit en aardverschuivingen zijn daarbij belangrijke overwegingen technische geologie en geotechnische engineering, met name bij de planning, het ontwerp en de constructie van infrastructuurprojecten zoals wegen, bruggen en gebouwen.

Verschillende factoren kunnen bijdragen aan de instabiliteit van hellingen en aardverschuivingen, waaronder het type geologisch materiaal dat aanwezig is, de hellingsgradiënt en het aspect ervan, de aanwezigheid van grondwater en de effecten van natuurlijke en door de mens veroorzaakte erosie. Enkele veelvoorkomende oorzaken van hellinginstabiliteit zijn onder meer: aardbevingen, zware regenval of smeltende sneeuw, veranderingen in het bodemvochtgehalte en het verwijderen van steun aan de voet van een helling als gevolg van graaf- of bouwactiviteiten.

Om de kans op instabiliteit van hellingen en aardverschuivingen te beoordelen, gebruiken geologen en ingenieurs een verscheidenheid aan technieken, waaronder het in kaart brengen en observeren van terreinen, geofysische onderzoeken, boren en bemonsteren, en in-situ testen zoals de Standard Penetration Test (SPT) en Cone Penetratietest (CPT). Computermodellering en simulatie kunnen ook worden gebruikt om het gedrag van hellingen en potentiële faalmechanismen onder verschillende omstandigheden te voorspellen.

Enkele veelgebruikte methoden om het risico op hellinginstabiliteit en aardverschuivingen te beperken zijn onder meer het verbeteren van de drainage en de vegetatiebedekking, het bouwen van keermuren of stabilisatiestructuren en het veranderen van de hellinggeometrie door middel van nivellering of uitgraving. In sommige gevallen kan het nodig zijn om infrastructuur of woongebieden te verplaatsen uit gebieden met een hoog risico.

Over het geheel genomen is de studie van hellingsstabiliteit en aardverschuivingen een belangrijk aspect van geotechnische engineering en kan het helpen de veiligheid en duurzaamheid van infrastructuurprojecten en menselijke gemeenschappen in gebieden die gevoelig zijn voor natuurlijke gevaren te waarborgen.

Oorzaken van hellingfalen

Het falen van een helling kan optreden als gevolg van verschillende natuurlijke en door de mens veroorzaakte factoren. Enkele veelvoorkomende oorzaken van hellingfalen zijn:

1. Geologie en bodemeigenschappen: Het type en de eigenschappen van de grond en het gesteente dat onder de helling ligt, kunnen bijdragen aan instabiliteit. Hellingen met zwak of verweerd gesteente, kleigronden of bodems met een hoog watergehalte zijn bijvoorbeeld gevoeliger voor falen.
2. Hydrologische omstandigheden: Water is een belangrijke factor bij de instabiliteit van hellingen, en de aanwezigheid ervan kan bijdragen aan het falen van hellingen. Overmatige regenval, overstromingen of veranderingen in het grondwaterpeil kunnen aardverschuivingen en het falen van hellingen veroorzaken.
3. Hellinggeometrie: De hoek van de helling en de hoogte ervan kunnen bijdragen aan instabiliteit. Hoe steiler de helling, hoe groter de kans op falen.
4. Seismische activiteit: Aardbevingen en andere seismische activiteiten kunnen aardverschuivingen veroorzaken door de stabiliteit van hellingen te veranderen.
5. Menselijke activiteiten: Menselijke activiteiten zoals opgravingen, bouwwerkzaamheden, mijnbouw of houtkap kunnen de stabiliteit van hellingen veranderen leiden tot instabiliteit en mislukking.
6. Vegetatie: Het verwijderen van vegetatie kan instabiliteit veroorzaken en bijdragen aan het falen van hellingen door de bodemcohesie te verminderen en de waterstroom te vergroten.
7. Klimaatverandering: Door klimaatverandering veroorzaakte verschijnselen zoals hevige regenval, droogtes en temperatuurveranderingen kunnen bijdragen aan het falen van hellingen.
8. Andere factoren: Andere factoren die kunnen bijdragen aan het falen van hellingen zijn onder meer erosie, vries-dooicycli en natuurlijke hellingbewegingen in de loop van de tijd.

Soorten aardverschuivingen

Er zijn verschillende soorten aardverschuivingen, die worden geclassificeerd op basis van het soort materiaal dat erbij betrokken is en de manier waarop ze bewegen. Enkele veel voorkomende soorten aardverschuivingen zijn:

1. Steenslag: Dit gebeurt wanneer rotsen of rotsblokken komen los van een steile helling en vallen op de grond.
2. Rotsverschuiving: Dit gebeurt wanneer een groot rotsblok bergafwaarts glijdt langs een vlak van zwakte, zoals een fout of gewricht.
3. Puinstroom: Dit gebeurt wanneer een grote hoeveelheid grond, gesteente en water bergafwaarts stroomt, meestal in een kanaal.
4. Modderstroom: Dit is vergelijkbaar met de puinstroom, maar het materiaal bestaat voornamelijk uit fijnkorrelige grond en water.
5. Earthflow: Dit gebeurt wanneer verzadigde grond in een langzame, stroperige stroom bergafwaarts beweegt.
6. Kruip: Dit is een langzame, continue beweging van grond of gesteente bergafwaarts, meestal veroorzaakt door uitzetting en samentrekking van het materiaal als gevolg van seizoensveranderingen in temperatuur en vocht.
7. Inzinking: Dit gebeurt wanneer een massa grond of gesteente langs een gebogen oppervlak bergafwaarts beweegt, waardoor een halvemaanvormig litteken op de helling achterblijft.
8. Complexe aardverschuiving: Dit is een combinatie van twee of meer soorten aardverschuivingen, zoals een aardverschuiving die een puinstroom veroorzaakt.

Analysetechnieken voor hellingstabiliteit

Er zijn verschillende technieken die worden gebruikt voor de analyse van hellingsstabiliteit, waaronder:

1. Limietevenwichtsanalyse: Deze methode gaat ervan uit dat de helling bezwijkt langs een bezwijkvlak, en de veiligheidsfactor is de verhouding tussen de weerstandskrachten en de drijvende krachten langs dat vlak. Voor dit type analyse kunnen verschillende methoden worden gebruikt, zoals de methode van de Bishop, de methode van Janbu en de methode van Spencer.
2. Eindige-elementenanalyse: bij deze methode wordt de helling in een groot aantal kleine elementen verdeeld en het gedrag van elk element geanalyseerd. Dit maakt het mogelijk om rekening te houden met complexere geometrieën, bodemgedrag en belastingsomstandigheden.
3. Analyse van schuifsterktereductie: Deze methode wordt gebruikt om de stabiliteit van een helling onder verschillende belastingsomstandigheden te beoordelen. De schuifsterkte van de grond wordt stapsgewijs verminderd totdat de helling bezwijkt en de veiligheidsfactor wordt berekend.
4. Probabilistische analyse: Deze methode omvat het gebruik van statistische modellen om de waarschijnlijkheid van hellingfalen te beoordelen op basis van de variabiliteit van invoerparameters, zoals bodemeigenschappen en belastingsomstandigheden.
5. Empirische methoden: Deze methoden zijn gebaseerd op ervaring en observatie en worden vaak gebruikt voor voorlopige analyses. Voorbeelden hiervan zijn de stabiliteitsgetalmethode en de Zweedse cirkelmethode.

Elk van deze technieken heeft zijn voordelen en beperkingen en is geschikt voor verschillende soorten hellingen en bodemomstandigheden. De selectie van de juiste techniek hangt af van factoren zoals de aard van de helling, de beschikbare gegevens en het vereiste nauwkeurigheidsniveau.

Limiet evenwichtsanalyse

Limietevenwichtsanalyse is een veelgebruikte techniek die wordt gebruikt om de stabiliteit van hellingen te evalueren. Het is gebaseerd op het evenwichtsprincipe, dat stelt dat een stabiele helling een helling is waarbij de krachten die op de helling inwerken in evenwicht zijn. Bij de analyse wordt de helling in een aantal secties verdeeld en wordt de stabiliteit van elke sectie afzonderlijk bekeken.

Bij limietevenwichtsanalyse wordt de veiligheidsfactor (FS) gebruikt als maatstaf voor de stabiliteit van een helling. De veiligheidsfactor is de verhouding tussen de weerstandskrachten en de drijvende krachten die op de helling inwerken. Als de veiligheidsfactor groter is dan één, wordt de helling als stabiel beschouwd; als deze kleiner is dan één, wordt de helling als onstabiel beschouwd.

Er zijn verschillende methoden voor limietevenwichtsanalyse, waaronder:

1. Bishop's methode: Dit is een veelgebruikte methode voor het analyseren van hellingen. Er wordt aangenomen dat de schuifsterkte van de grond lineair toeneemt met de diepte, en dat de krachten die op de helling werken, in twee loodrechte richtingen kunnen worden opgelost.
2. Janbu's methode: Deze methode is vergelijkbaar met de methode van Bishop, maar houdt rekening met de mogelijkheid van cirkelvormige breukoppervlakken.
3. Spencer's methode: Deze methode wordt gebruikt voor het analyseren van complexe hellingen met onregelmatige geometrieën. Het houdt rekening met de verdeling van krachten langs de helling en gebruikt een grafische benadering om de veiligheidsfactor te bepalen.
4. Morgenstern-Price-methode: Deze methode is gebaseerd op de aanname dat de schuifsterkte van de grond varieert langs het bezwijkoppervlak en maakt gebruik van numerieke technieken om de veiligheidsfactor te berekenen.

Limietevenwichtsanalyse is een veelgebruikte techniek voor het evalueren van de stabiliteit van hellingen, maar kent enkele beperkingen. Er wordt van uitgegaan dat de bodemeigenschappen homogeen en isotroop zijn, wat in sommige situaties niet het geval kan zijn. Er wordt ook geen rekening gehouden met de effecten van poriënwaterdruk, die de stabiliteit van hellingen aanzienlijk kan beïnvloeden. Als zodanig kunnen andere analysetechnieken zoals eindige-elementenanalyse (FEA) of eindige-verschilmethode (FDM) worden gebruikt om de resultaten verkregen uit limietevenwichtsanalyse aan te vullen.

Bisschoppelijke methode

De methode van Bishop is een analysetechniek voor de stabiliteit van hellingen die wordt gebruikt om de veiligheidsfactor (FoS) van hellingen onder verschillende belastingsomstandigheden te bepalen. De methode is in de jaren vijftig ontwikkeld door WW Bishop en wordt veel gebruikt in de geotechnische praktijk.

De methode van Bishop gaat ervan uit dat het bezwijkoppervlak in een helling cirkelvormig of gedeeltelijk cirkelvormig is. Bij de analyse wordt de helling in een aantal segmenten verdeeld, waarvan wordt aangenomen dat elk segment een stijf blok is. De krachten die op elke plak inwerken, worden vervolgens opgelost in hun verticale en horizontale componenten, en de stabiliteit van elke plak wordt geanalyseerd met behulp van een krachtevenwichtsvergelijking. De veiligheidsfactor voor de helling wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de totaal beschikbare weerstandskracht en de totale aandrijfkracht.

De methode van Bishop houdt rekening met de schuifsterkte van de grond, het gewicht van de grond en de poriënwaterdruk in de grond. De analyse kan worden uitgevoerd met behulp van de totale spanningsmethode of de effectieve spanningsmethode, afhankelijk van de omstandigheden van de helling en de bodemeigenschappen. De methode wordt in de praktijk veel gebruikt vanwege de eenvoud en het gebruiksgemak, hoewel er enkele beperkingen en aannames aan verbonden zijn waarmee rekening moet worden gehouden bij de toepassing ervan op reële problemen met de stabiliteit van hellingen.

De methode van Janbu

De methode van Janbu is een analysemethode voor hellingsstabiliteit die veel wordt gebruikt in de geotechniek. Het is een limietevenwichtsmethode die cirkelvormige faaloppervlakken gebruikt om de stabiliteit van hellingen te analyseren. De methode gaat ervan uit dat de schuifsterkte van de grond wordt bepaald door het Mohr-Coulomb faalcriterium.

De methode van Janbu verdeelt de helling in een aantal verticale plakjes, en de krachten die op elke plak inwerken, worden geanalyseerd met behulp van de principes van de statica. De methode houdt rekening met de variatie in de bodemeigenschappen met de diepte en het effect van de poriënwaterdruk op de stabiliteit van het talud.

De analyse omvat de berekening van de veiligheidsfactor, de verhouding tussen de weerstandskrachten en de drijvende krachten. Een veiligheidsfactor groter dan 1 duidt op een stabiele helling, terwijl een veiligheidsfactor kleiner dan 1 duidt op een onstabiele helling.

De methode van Janbu wordt veel gebruikt omdat deze relatief eenvoudig is en kan worden toegepast op een breed scala aan hellingsgeometrieën en bodemomstandigheden. Het heeft echter enkele beperkingen, zoals de aanname van cirkelvormige bezwijkoppervlakken en het verwaarlozen van de effecten van rekverzachting en rekverharding op de schuifsterkte van de grond.

Spencers methode

De methode van Spencer is een soort limietevenwichtsanalyse die wordt gebruikt om de stabiliteit van hellingen te bepalen. Het is vernoemd naar de schepper, Edmund H. Spencer. De methode maakt gebruik van het concept van “wiggen” om de krachten die op een helling werken te evalueren en de stabiliteit ervan te bepalen.

In de methode van Spencer wordt de helling verdeeld in een reeks potentiële breukwiggen, die elk worden beoordeeld op stabiliteit. De methode houdt rekening met zowel het gewicht van de wig als de krachten die erop inwerken, zoals het gewicht van de grond boven de wig, de poriëndruk in de grond en eventuele externe krachten die op de helling inwerken. De stabiliteit van elke wig wordt bepaald met behulp van een reeks vergelijkingen die rekening houden met de krachten die op de wig inwerken, evenals met de schuifsterkte van de grond.

De methode van Spencer is vooral nuttig voor het analyseren van complexe hellingen, waarbij er meerdere bezwijkoppervlakken kunnen zijn. Het kan ook worden gebruikt om de stabiliteit van hellingen met een onregelmatige geometrie of variabele bodemeigenschappen te evalueren. Net als andere limietevenwichtsmethoden heeft het echter enkele beperkingen, zoals de aanname van een tweedimensionaal bezwijkoppervlak en de aanname dat bodemeigenschappen constant zijn langs het bezwijkoppervlak.

Morgenstern-Prijsmethode

De Morgenstern-Price-methode is een analysemethode voor de stabiliteit van het talud, waarbij rekening wordt gehouden met de poriënwaterdruk die in het talud wordt gegenereerd als gevolg van de infiltratie van water. Deze methode werd in de jaren zestig ontwikkeld door de Canadese geotechnische ingenieurs Zdeněk Morgenstern en William Allen Price.

De methode is gebaseerd op de aanname dat een helling kan worden opgedeeld in een reeks segmenten, waarbij elke segment een andere veiligheidsfactor tegen falen heeft. De methode omvat het berekenen van de effectieve spanningen in elke plak. Dit zijn de spanningen die op de gronddeeltjes inwerken na het aftrekken van de poriënwaterdruk van de totale spanning. Vervolgens wordt voor elke plak de veiligheidsfactor tegen bezwijken berekend door de schuifsterkte van de grond te vergelijken met de schuifspanning die op de plak inwerkt.

De Morgenstern-Price-methode kan worden gebruikt om hellingen van elke vorm te analyseren, inclusief hellingen met complexe geometrieën en bodemprofielen. Het wordt in de praktijk veel gebruikt en is in veel softwarepakketten voor de analyse van hellingsstabiliteit opgenomen. De methode heeft echter enkele beperkingen, waaronder het feit dat ervan wordt uitgegaan dat de bodemeigenschappen en de poriënwaterdruk constant zijn over het hele talud, wat in de praktijk niet altijd het geval hoeft te zijn.

Eindige elementen analyse

Eindige elementenanalyse (FEA) is een computationele methode die wordt gebruikt om het gedrag van complexe technische systemen te analyseren en te voorspellen. Het gaat om het opsplitsen van een systeem in kleinere, eenvoudigere delen, eindige elementen genoemd, en vervolgens het toepassen van wiskundige vergelijkingen en numerieke methoden om het gedrag van elk element te modelleren. De vergelijkingen worden voor alle elementen gelijktijdig opgelost om een ​​oplossing voor het hele systeem te verkrijgen.

In de geotechniek wordt FEA vaak gebruikt om het gedrag van bodem- en rotsmassa's te modelleren, vooral in complexe geologische omstandigheden. FEA kan onder meer worden gebruikt voor het analyseren van hellingsstabiliteit, funderingsgedrag, tunnelbouw en graafproblemen.

FEA vereist een gedetailleerd inzicht in de geometrie, randvoorwaarden, materiaaleigenschappen en belastingsomstandigheden van het systeem dat wordt geanalyseerd. De nauwkeurigheid van de resultaten hangt af van de nauwkeurigheid van de invoerparameters en de complexiteit van het model. FEA is een krachtig hulpmiddel, maar vereist ook aanzienlijke computerbronnen en gespecialiseerde software, evenals expertise op het gebied van numerieke methoden en computerprogrammering.

Analyse van schuifsterktereductie

Analyse van schuifsterktereductie (SSRA) is een numerieke methode die wordt gebruikt om de stabiliteit van hellingen en taluds te evalueren. Het is ook bekend als de stabiliteitsreductiemethode, de schuifsterktereductiemethode of de c-methode.

Bij SSRA wordt de veiligheidsfactor (FoS) van een helling berekend door de schuifsterkte van de grond achtereenvolgens te verminderen totdat bezwijken optreedt. De methode is gebaseerd op de aanname dat het bezwijken van een talud optreedt wanneer de maximale schuifspanning op enig punt binnen het talud de schuifsterkte van de grond bereikt.

De SSRA-methode is vooral nuttig wanneer de bodemeigenschappen en/of de geometrie van de helling complex zijn, waardoor het moeilijk is om traditionele methoden zoals limietevenwichtsanalyse te gebruiken. SSRA is echter een rekenintensieve methode, die het gebruik van geavanceerde software en krachtige computers vereist om de noodzakelijke simulaties uit te voeren.

SSRA wordt veel gebruikt in de geotechniek om de hellingsstabiliteit te analyseren in een reeks toepassingen, waaronder dagbouwmijnen, dammen en snelwegen. Het is ook gebruikt om de effecten van omgevingsfactoren zoals regenval, aardbevingen en klimaatverandering op de stabiliteit van hellingen te onderzoeken.

Probabilistische analyse

Probabilistische analyse is een techniek die wordt gebruikt bij de analyse van hellingstabiliteit om de waarschijnlijkheid te beoordelen dat hellingen falen. Het gaat om het toekennen van kansen aan verschillende factoren die de stabiliteit van de helling kunnen beïnvloeden, zoals de sterkte van de grond, de geometrie van de helling en de intensiteit en duur van de belasting.

Bij probabilistische analyse wordt aan elke factor een reeks waarden toegewezen, in plaats van aan één enkele deterministische waarde. Dit maakt een meer realistische beoordeling van de stabiliteit van de helling mogelijk, omdat rekening wordt gehouden met de inherente variabiliteit en onzekerheid die aanwezig is in reële omstandigheden.

Monte Carlo-simulatie is een veelgebruikte techniek in probabilistische analyse. Het omvat het uitvoeren van een groot aantal simulaties, elk met een andere set invoerwaarden die willekeurig worden geselecteerd uit de toegewezen waarschijnlijkheidsverdelingen. De resultaten van de simulaties kunnen vervolgens worden gebruikt om de waarschijnlijkheid te berekenen dat een helling bezwijkt, en om de meest kritische factoren te identificeren die de stabiliteit van de helling beïnvloeden.

Empirische methoden

Empirische methoden zijn analysetechnieken voor de stabiliteit van hellingen die gebaseerd zijn op het waargenomen gedrag van hellingen in het verleden. Ze vereisen geen wiskundige modellen, maar vertrouwen eerder op empirische relaties die zijn afgeleid van casuïstiek van falende hellingen. Deze methoden zijn nuttig in situaties waarin er beperkte gegevens beschikbaar zijn, of waar de geotechnische omstandigheden complex en moeilijk te modelleren zijn.

Een voorbeeld van een empirische methode is de ‘Stability Number’-methode, die wordt gebruikt om hellingen met vlakke bezwijkoppervlakken te analyseren. Het stabiliteitsgetal wordt berekend op basis van de hellingshoek, het gewicht van de grondeenheid, de cohesie en de wrijvingshoek van de grond. De methode is gebaseerd op de waarneming dat hellingen met een stabiliteitsgetal groter dan 1.0 over het algemeen als stabiel worden beschouwd, terwijl hellingen met een stabiliteitsgetal kleiner dan 1.0 als onstabiel worden beschouwd.

Een ander voorbeeld is de ‘Zweedse methode’, een semi-empirische methode die veel wordt gebruikt in Scandinavië. Bij deze methode wordt de waterspanningsverdeling binnen het talud geanalyseerd en vervolgens vergeleken met de schuifsterkte van de grond. Als de waterspanning groter is dan de schuifsterkte, wordt de helling als onstabiel beschouwd.

Empirische methoden worden vaak gebruikt in combinatie met andere analysetechnieken om extra inzicht te geven in de stabiliteit van een helling. Ze worden het meest gebruikt in situaties waarin de geotechnische omstandigheden complex en moeilijk te modelleren zijn, of waar er beperkte gegevens beschikbaar zijn.