Wat is verticale drainage?

Wanneer op een of meer goed samen te drukken, met water verzadigde en slecht waterdoorlatende grondlagen (klei en/of veen) een bovenbelasting wordt aangebracht (bijvoorbeeld een grondlichaam voor een weg, een dijk of een bouwrijp gemaakt terrein), zal in eerste instantie deze bovenbelasting worden opgenomen door het in de poriën van de grondlagen opgesloten water. Er zal geen zetting kunnen optreden en de waterspanningen in deze grondlagen zullen sterk toenemen, terwijl de korrelspanningen nagenoeg ongewijzigd blijven. Het verschil tussen de optredende verhoogde waterspanning en de hydrostatische waterspanning wordt de wateroverspanning genoemd (figuur 1).

Doordat de korrelspanningen aanvankelijk hetzelfde blijven, ondergaat in het begin ook de schuifsterkte in de grondlagen nog geen verandering. Afhankelijk van de mate waarin de bovenbelasting en de daardoor geïntroduceerde schuifspanningen toenemen, neemt de stabiliteit af. Bij overschrijding van de heersende schuifsterkte leidt dat met name aan de randen van een ophoging tot instabiliteit. Daarnaast heeft de toename van de waterspanning tot gevolg dat een grondwaterstroming ontstaat,waardoor het overspannen poriënwater uit deze grondlagen stroomt in de richting van de gebieden met een lagere wateroverspanning of naar gebieden waar zelfs alleen de hydrostatische waterspanning heerst. Dit afstromingsproces wordt consolidatie genoemd. Door het wegstromen van het overspannen water uit de poriën worden de lagen samengedrukt. Enerzijds ondergaan hierdoor het oorspronkelijke maaiveld en de daarop aangebrachte constructie een zetting, anderzijds wordt de bovenbelasting geleidelijk overgenomen door de korrelstructuur. Met andere woorden: de korrelspanning neemt nu langzaam toe in de mate waarin de wateroverspanning als gevolg van de consolidatie afneemt. Door toename van de korrelspanning neemt ook de schuifsterkte en daarmee de stabiliteit toe.
Afhankelijk van de waterdoorlatendheid van de grondlagen kan de periode waarover dit proces zich uitstrekt, per laag variëren van enkele tot enige tientallen jaren. Deze periode wordt consolidatie- of hydrodynamische periode genoemd.

Een verticale-drainagesysteem heeft tot doel het watertransport in de grond te bevorderen en daardoor het consolidatieproces te versnellen. Er wordt sneller een stabiele situatie bereikt waardoor de ophoogtijd sterk kan worden bekort, terwijl door het versnelde zettingsproces eerder kan worden begonnen met het afwerken van het ophooglichaam. Dit resulteert in een kortere bouwtijd, wat van zowel economisch als maatschappelijk belang kan zijn. De werking van verticale drainage berust op het principe dat op regelmatige onderlinge afstanden drains verticaal in de grond worden aangebracht, die het toestromende water zonder noemenswaardige weerstand moeten opnemen en verticaal afvoeren. Bij toepassing van drains wordt de weg die waterdeeltjes door de slecht waterdoorlatende grond moeten afleggen, veranderd. Van een in hoofdzaak verticale richting wordt bij toepassing van verticale drains de afstroomrichting gewijzigd in een in hoofdzaak horizontale richting. Al naargelang de diepte stroomt het water over de halve drainafstand in horizontale richting om vervolgens de hele of halve laagdikte zonder veel weerstand via de drain verticaal af te stromen (figuur 2).

Overigens kan een verticale-drainagesysteem ook worden gebruikt voor het verticale transport van vrij water. In die gevallen zou gesproken dienen te worden van ontwateringsdrainage.