S 176: Strömungsmodelle zur Simulation der Durchsickerung von Straßenbauwerken mit Implementierung hydrologischer Parameter
Gabriele Michaelides, Andromachi Koukoulidou, Emanuel Birle, Dirk Heyer, Norbert Vogt
159 S., 121 Abb., 12 Tab., ISBN 978-3-95606-678-8, 2022
Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann unter https://bast.opus.hbz-nrw.de/ heruntergeladen werden.
Bei Verwendung von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (BumI) in Erdbau-werken sind gegebenenfalls technische Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen, um in umweltspezifischer und wasserwirtschaftlicher Hinsicht einen verantwortungsvollen Einsatz dieser Materialienzu gewährleisten. Die technischen Sicherungsmaßnahmen sind dabei so zu gestalten, dass eine Durch-sickerung der Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen und damit ein möglicher Austrag von Schadstoffen auf ein verträgliches Maß minimiert werden. Das Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (MTS E) stellt insgesamt sechs unterschiedliche Bauweisen für Straßen-dämme, die entsprechend auch auf andere Erdbauwerke (z.B. Lärm- und Sichtschutzwälle) über-tragbar sind, vor. Diese können prinzipiell in Bauweisen mit Abdichtungen (Bauweisen A, B, C), Bauweisen mit gering durchlässigem Körper aus Böden oder Baustoffen mit umweltrelevanten In-haltsstoffen (Bauweise E) und Kernbauweisen ohne Abdichtungen (Bauweise D) unterschieden werden. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bau, Verkehr und Stadtentwicklung geförderten Forschungsvorhabens wurden am Zentrum Geotechnik der TU München von SCHWELLER ET AL. (2009) Berechnungen zur Bewertung der Wirksamkeit der Bauweisen durchgeführt. Anhand dieser Berechnungen konnte die prinzipielle Wirksamkeit der Bauweisen A, B und D belegt werden. Für die Bauweise E ergaben sich vergleichsweise große Sickerwassermengen. Die Berechnungen wurden allerdings mit einem Durchschnittswert des Niederschlages, der aus dem Gesamtjahresniederschlag verteilt auf 365 Tage ermittelt wurde, durchgeführt. Dadurch kommt es rechnerisch zu konstanten kleinen Infiltrationsmengen in den Straßendamm ohne Ausbildung eines Oberflächenabflusses. Damit verbunden sind unrealistisch hohe Sickerwassereintritte in die Ersatzbaustoffe. Die Wirksamkeit der Bauweise E konnte deshalb im Rahmen der Untersuchungen von Schweller et al. nicht abschließend bewertet werden. Basierend auf den am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. durchgeführten Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 84.105 Berechnungen zur Durchsickerung der Bauweise E unter Ansatz von Tageswerten des Niederschlages, der Evapotranspiration und des Oberflächenabflusses durchgeführt. Die mit VADOSE/W durchgeführten Berechnungen zeigen, dass die Vergleichmäßigung der Infiltration bei einer Berechnung mit Durchschnittswerten der Infiltration zu ca. 1,7-fach größeren Sickerwassermengen als beim Ansatz von Tageswerten führt. Die mit Tageswerten der Klimadaten für einen Zeitraum von 10 Jahren durchgeführten Berechnungen ergaben für die Bauweise E bei einem Durchlässigkeitsbeiwert des Kerns von k = 1 · 10-8 m/s einemittlere Sickerwassermenge aus dem Kern von ca. 60 mm/a.
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 164: Roberto Cudmani, Dirk Heyer, Emanuel Birle, Paula Möller
Untersuchung der Quellempfindlichkeit veränderlich fester Gesteine bei der Verwendung als Erdbaustoff
209 S., 225 Abb., 59 Tab.,ISBN 978-3-95606-647-4, 2021
Untersuchung der Quellempfindlichkeit veränderlich fester Gesteine bei der Verwendung als Erdbaustoff Der Einsatz veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff soll zukünftig erhöht werden. Da sich allerdings ihre bodenmechanischen Eigenschaften nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband unter Witterungseinflüssen bereits während der Bauzeit unterschiedlich stark verändern können, ist ihr Einsatz bisweilen noch zögerlich. Systematische Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten zeigten bereits auf, dass die bodenmechanischen Eigenschaften nicht nur von ihrer Zusammensetzung und den inneren Bindungskräften, sondern auch vom Einbauzustand und dem Verwitterungszustand abhängen. Zum anderen wurde festgestellt, dass bei veränderlich festen Gesteinen das Quellvermögen sogar erst durch eine Lösung der diagenetischen Verbindungen aktiviert werden kann. Um den Einsatz veränderlich fester Gesteine oberflächennah zu ermöglichen, und das Quellpotential abschätzen zu können, wurden Quellversuche an sechs unterschiedlich stark quellfähigen Böden und Gesteinen abhängig vom Einbau- und Verwitterungszustand durchgeführt. Da ein linearer Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnungen besteht, kann zunächst mit Hilfe des Quelldruckversuches beurteilt werden, ob überhaupt Quelldehnungsversuche erforderlich sind. Bei Bodengruppen mit einem höheren Feinkornanteil (d < 0,06 mm) > 15 M.-% sowie bei Böden, die schnell zu einem feinkörnigen Boden zerfallen können (Id2 < 60%) sollte ein Quelldruckversuch durchgeführt werden. Liegen zu diesen Grenzen der Klassifikationsparameter die maximalen Quelldrücke σ > 100 kPa, sind zusätzlich Quellhebungsversuche und eine Tonmineralanalyse zur Erfassung quellfähiger Tonminerale zu ergänzen. Zusammenfassend können veränderlich feste Gesteine grundsätzlich als Erdbaustoff eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Verwitterungsempfindlichkeit ergeben sich höhere Anforderungen an die Erdbauprozesse. Nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband können diese Gesteine bis zum Einbauen und Verdichten schnell zu einem gemischt- bis feinkörnigen Boden zerfallen. Dieser verwitterungsbedingte Zerfall kann zu einer Verschlechterung der bodenmechanischen Eigenschaften führen. Daher sollte eine Zwischenlagerung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen wegen der Erhöhung des Feinkornanteils vermieden werden. Denn je höher der Feinkornanteil eines Bodens und damit seine spezifische Oberfläche ist, desto mehr Wasser kann an die Oberfläche der zugänglichen Tonminerale angelagert werden. Um das Sackungs- und Quellpotential weiter zu reduzieren, sind beim Einbau Luftporenanteile na ≤ 6 Vol.-% anzustreben. Der Einbau veränderlich fester Gesteine sollte wegen ihrer Witterungsanfälligkeit mindestens 1 m unterhalb der Böschungsoberfläche bzw. dem Planum erfolgen. Aufgrund ihrer Heterogenität sind außerdem Probefelder zur Überprüfung der Einbau- und Verdichtungsvorgaben zwingend erforderlich.
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 158: Roberto Cudmani, Christoph Henzinger, Emanuel Birle, Elissavet Barka
Anforderungen an Baustoffe für schwach durchlässige, dauerhaft tragfähige, ungebundene Bankette
144 S., 98 Abb., 27 Tab., ISBN 978-3-95606-630-6, 2021
Als Bankett wird jener Bereich des Straßenquerschnittes bezeichnet, der an der Außenseite des befestigten Fahrbahnbereiches oder des Standstreifens anschließt. Die Vorgaben der ZTV E-StB 17 in Bezug auf Bankette beziehen sich auf den Zeitpunkt direkt nach Verdichtung. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden Laborversuche an sandreichen GU- und GT-Bankettbaustoffen zur Untersuchung der Durchlässigkeit und potentieller Tragfähigkeitsänderungen durch Bewetterung durchgeführt. Die durch Bewitterung bedingte Änderung der Tragfähigkeit von 4 Bankettmaterialien wurde im Rahmen von Feldversuchen über den Jahreswechsel 2017/2018 untersucht. Da Bankette nach ZTV E-StB 17 eine planmäßige Querneigung zwischen 6 und 12 % aufweisen, wurden außerdem Feldversuche zum Einfluss der Bankettneigung auf die Untersuchungsergebnisse von Plattendruckversuchen durchgeführt. Zusammenfassend bestätigen die Untersuchungen größtenteils die Vorgaben des straßenbautechnischen Regelwerks. Sie weisen darauf hin, dass unter üblichen Bedingungen der Anforderungswert EV2 ≥ 80 MPa bei den Bankettmaterialien eingehalten werden kann, der Anforderungswert EVd ≥ 40 MPa aber überprüft werden sollte. Die direkt nach Verdichtung dokumentierten Tragfähigkeitswerte EV2 und EVd blieben bei den verwendeten Bankettmaterialien über den Winter 2017/2018 erhalten oder stiegen an, allerdings traten oberflächlich witterungsbedingte Auflockerungen auf. Bezüglich des Nachweises des geforderten Plattendruckmoduls auf den geneigten Bankettoberflächen ist grundsätzlich die Prüfung der geneigten Oberfläche vorzuziehen. Dies ist beim dynamischen Plattendruckversuch nur bis zu einer Neigung von 6 % und beim statischen Plattendruckversuch nur bei Anpassung des Lastwiderlagers an die Bankettneigung möglich. Die beiden Ersatzverfahren (Sandkeil oder Abgrabung und Aufbringung einer Sandausgleichsschicht) sind nur unter bestimmten Bedingungen sinnvoll, die erreichbaren Werte liegen im Allgemeinen unter den Tatsächlichen.
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 149: Untersuchungen zur Durchsickerung von RC-Baustoffen und industriellen Nebenprodukten bei Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen
Andromachi Koukoulidou, Emanuel Birle, Roberto Cudmani
60 S., 66 Abb., 6 Tab., ISBN 978-3-95606-565-1, 2021
Mithilfe von Simulationsberechnungen wurde der Wasserhaushalt von Straßendämmen, die mit technischen Sicherungsmaßnahmen gemäß der Bauweise E nach MTSE (2009) und ohne technische Sicherungsmaßnahmen errichtet werden, untersucht. Bei den zu sichernden Baustoffen wurden dabei sowohl Böden als auch Ersatzbaustoffe (RC-Materialien und industrielle Nebenprodukte) betrachtet. Außerdem wurde im Rahmen der Simulationsberechnungen durch gezielte Parametervariationen herausgearbeitet, wie unterschiedliche Materialien für das Bankett den Wasserhaushalt von Straßendämmen beeinflussen. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Verwendung einer Dränschicht oberhalb des Kernmaterials auch bei durchlässigen Kernmaterialien zu einer signifikanten Reduktion des Sickerwassers aus dem Kern führt. So beträgt der Kernabfluss bei den Materialien mit einem gesättigten Durchlässigkeitsbeiwert k ≥ 1 • 10-8 m/s abgesehen von einer Berechnung mit einer Stahlwerksschlacke zwischen 3,6 % und 10,8 % des Niederschlags. Bei den Modellen ohne Dränschicht dagegen wurden rechnerisch Sickerwassermengen zwischen 29 % und 39 % ermittelt, solange der Durchlässigkeitsbeiwert des Kernmaterials k ≥ 1 • 10-8 m/s ist. Erst bei einem Durchlässigkeitsbeiwert k ≤ 1 • 10-8 m/s nimmt die Sickerwassermenge aus dem Kern deutlich ab. Die Berechnung mit dem organischen Ton als Kernmaterial (OT) ergab aufgrund des sehr geringen gesättigten Durchlässigkeitsbeiwertes (ksat = 1 • 10-8 m/s) des Tones erwartungsgemäß eine sehr geringe Durchsickerung des Kerns und bestätigt damit die Eignung der Bauweise E nach MTSE zur Minimierung der Durchsickerung von Böden bzw. Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen. Mit zunehmendem gesättigten Durchlässigkeitsbeiwert des Kernmaterials nimmt die Durchsickerung des Kerns aber nicht in gleicher Weise zu. Die Wirksamkeit der Dränschicht und der sich ergebende Kernabfluss werden dagegen maßgeblich von der hydraulischen Leitfähigkeit des Kernmaterials im ungesättigten Zustand beeinflusst
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 147: Numerische Modellierung der Lysimeteruntersuchungen der BASt
Emanuel Birle, Roberto Cudmani, Manuel Melsbach
91 S., 88 Abb., 12 Tab., ISBN 978-3-95606-560-6, 2021
Die Durchsickerung von Erdbauwerken, wie Straßendämmen und Schutzwällen, ist im Zusammenhang mit dem Einsatz von Ersatzbaustoffen im Erdbau von großer Relevanz. Bei der Bauweise E des „Merkblatts für Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau“ (M TS E) der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) werden Erdbauwerke mit Dammkernen aus Bodenmaterialien mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen, industriellen Nebenprodukten oder Recyclingmaterialien ohne zusätzliches Abdichtungselement errichtet. Zur Reduktion der Durchsickerung zum Schutz des Grundwassers, werden dabei Anforderungen an die Wasserdurchlässigkeit der einzubauenden Böden bzw. Baustoffe gestellt (k ≤ 1 • 10-8 m/s). Zur Beurteilung und rechnerischen Überprüfung der Wirksamkeit dieser Sicherungsmaßnahme ist die Kenntnis des Wasserhaushalts von Straßendämmen erforderlich. Dazu wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Böschungsausschnitte in verschiedenen Bauweisen mit unterschiedlichen Materialien in Lysimetern im Freien, sowie in der Halle unter Laborbedingungen untersucht. Gegenstand des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die numerische Modellierung der Hallenund Freilandlysimeter in instationären zweidimensionalen Finite-Elemente Berechnungen. Erstmals ist damit ein umfassender Vergleich zwischen messtechnisch erfassten und errechneten Sickerwassermengen von Straßendämmen möglich. Die Festlegung hydraulischer Bodenkennwerte erfolgt bei den Bodenmaterialien auf der Grundlage vorhandener Untersuchungsergebnisse bzw. durch Abschätzung anhand von Datenbanken. Mit einer Klimarandbedingung werden unter anderem Niederschlag, Straßenabfluss, Sonneneinstrahlung, relative Luftfeuchtigkeit, Bewuchs etc. angesetzt und daraus Evapotranspiration, Infiltration und Oberflächenabfluss ermittelt. Bei den Hallenlysimetern werden Berechnungen mit tatsächlichem Regenregime mit Berechnungen unter Ansatz von Tagesmittelwerten verglichen. Für die Berechnungen der Freilandlysimeter werden Tagesmittelwerte angesetzt. Die hydraulischen Kennwerte der Schichten an der Oberfläche, wie Rollrasen, Oberboden, Bankettmaterial und Entwässerungsschicht werden zunächst abgeschätzt und in umfangreichen Voruntersuchungen durch inverse Modellierung angepasst bzw. anhand von Datenbankwerten abgeschätzt. Die Entwässerungsschichten, in vielen Fällen der Experimente als Dränmatte ausgeführt, besitzen in der Realität eine Dicke von ein bis zwei Zentimetern, was im Modell aus Gründen der Netzgenerierung nur bedingt abbildbar ist. In umfangreichen Sensitivitätsuntersuchungen wird hinsichtlich Geometrie und hydraulischen Eigenschaften eine Möglichkeit zur Abbildung einer Dränmatte im Modell in Form eines porösen Mediums erarbeitet. Die Sensitivitätsuntersuchungen zeigten, dass die Schichten an der Oberfläche einen großen Einfluss auf den Wasserhaushalt und damit auf die Berechnungsergebnisse haben. Eine weitere Fragestellung ist die Verteilung des Straßenabflusses auf der Dammoberfläche. Dazu wurden zwei Varianten näher untersucht. Die Anwendung einer fiktiven Kiesdeckschicht zur Umverteilung des Wassers an der Modelloberfläche wurde getestet, jedoch aufgrund zu großer Beeinflussung des Wasserhaushalts nicht weiterverfolgt. Zur möglichst realitätsnahen Abbildung des Oberflächenabflusses wurde stattdessen eine zweimalige Durchführung der Berechnung gewählt. Dabei wurde in der ersten Berechnung der Straßenabfluss zunächst vollständig als zusätzlicher Niederschlag im Bereich des Banketts aufgebracht. Der im Bereich des Banketts in der 1. Berechnung auftretende Oberflächenabfluss wurde anschließend auf den Böschungsbereich umverteilt. Mit dieser Methode konnten realistische Ergebnisse erzielt werden. Die Unterschiede zur 1.Berechnung waren jedoch zumeist relativ gering. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass bei den meisten verwendeten Böden und Baustoffen eine recht gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere bei feinkörnigen Dammkernen und Dammaufbauten mit Entwässerungsschichten besteht. Tendenziell werden die Wassermengen, die den Kern durchsickern, in der Modellierung überschätzt. In Lysimeteraufbauten mit einer Dränmatte über grobkörnigem Kernmaterial war zumeist die Ausbildung einer Kapillarsperre zu beobachten, was sich auch bei den Modellberechnungen zeigte. 4 Da die Qualität numerischer Modelle stark von der Güte der Eingangsparameter abhängig ist, erfordern Prognoseberechnungen eine gute Kenntnis der hydraulischen Bodeneigenschaften und der Randbedingungen.
Aktualisiert: 2023-01-16
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S 122: Ermittlung neuer Zuordnungswerte zur Einteilung bindiger Böden in
Fest- und Lockergesteine
P. Möller, M. Bundschuh, E. Birle, D. Heyer
100 S., 137 Abb., 37 Tab., ISBN 978-3-95606-394-7, 2018, EUR 18,50
Im Zuge der Überarbeitung der DIN 18300 soll in Zukunft die bisherige Einstufung von Boden und Fels entsprechend des Zustands beim Lösen in Boden- und Felsklassen durch eine Einteilung entsprechend ihrem Zustand vor dem Lösen in Homogenbereiche ersetzt werden. Demnach müssen zukünftig für Boden andere Eigenschaften und Kennwerte ermittelt werden als für Fels. In der Baupraxis treten jedoch oftmals natürliche Übergangsbereiche zwischen Boden / Lockergestein und Fels / Festgestein auf. Für diese Übergangsbereiche fehlt ein geeignetes Kriterium für eine Zuordnung zu Boden oder Fels.
Bei vorhergehenden Untersuchungen an bindigen Böden wurde einerseits festgestellt, dass der ermittelte Wassergehalt an der Schrumpfgrenze nicht geeignet ist zur Unterscheidung zwischen halbfester und fester Konsistenz. Andererseits war ebenso der einaxiale Druckversuch bedingt geeignet, da die Prüfkörper in vielen Fällen bei der Herstellung zerbrochen sind. Der daraufhin entwickelte Eindringversuch mittels Konusspitze und Proctornadel sollte im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit an weiteren ungestörten Probekörpern am Übergangsbereich Boden / Fels erprobt werden.
An über 25 Probekörpern aus unterschiedlichen geologischen Formationen Deutschlands, die aus Lagerstätten, im Rahmen von Bauprojekten sowie aus Rückstellproben vergangener Projekte gewonnen wurden, wurden neben den bodenmechanischen Parametern, insbesondere die Konsistenz, die einaxiale Druckfestigkeit und die Eindringkraft mittels Konusspitze und / oder Proctornadel ermittelt.
Insgesamt war die Durchführung der Eindringversuche einfach. Im Gegensatz zu den einaxialen Druckversuchen waren auch bei leicht zerbrechlichen Proben, an denen aus diesem Grund keine einaxialen Druckversuche möglich waren, gerade noch Probekörper herstellbar. Damit kann der Eindringversuch als Alternative zum einaxialen Druckversuch Hinweise zur einaxialen Druckfestigkeit eines Boden- oder Gesteinskörpers liefern. Andererseits treten in der Praxis immer wieder Fälle auf, bei denen Böden und Gesteine im Übergangsbereich liegen, aber bereits so stark verwittert oder geschichtet sind, dass keine Prüfkörper hergestellt werden können, weder für Druck- noch für Eindringversuche. Für diese Übergangsbereiche müssten grundsätzlich andere Zuordnungswerte gefunden werden. Außerdem wird bei beiden Versuchsarten die Festigkeit des Einzelprobekörpers und nicht die des Gesteinsverbandes ermittelt.
Aktualisiert: 2023-01-16
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BASt S 107: Baustoffe für standfeste Bankette
A. Koukoulidou, E. Birle, D. Heyer
56 S., 75 Abb., 23 Tab., ISBN 978-3-95606-310-7, 2017, EUR 15,50
Bankettmaterialien müssen zwei Anforderungen erfüllen, die von verschiedenen Bestandteilen der Böden gewährleistet werden. Aus Gründen der Verkehrssicherheit müssen sie eine dauerhaft hohe Tragfähigkeit aufweisen, die hauptsächlich durch den Kiesanteil der Böden erreicht wird. Da im Bereich des Banketts Straßenoberflächenwasser versickert, müssen sie andererseits ein möglichst hohes Schadstoffrückhalte- und -bindevermögen aufweisen. Dies wird durch die Sand- und Feinanteile der Böden erreicht. Bei den bestehenden Bauweisen besteht nach Auffassung einiger Straßenbauverwaltungen der Länder ein Optimierungsbedarf. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit sollten diese Bauweisen überprüft und ggf. weiter entwickelt werden, um noch stärker den bau-, als auch den umwelttechnischen Ansprüchen gerecht zu werden. Dabei werden die Bankette aus einem Gemisch von Gesteinskörnungen bzw. rezyklierten Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit Feinkorn bzw. Oberboden hergestellt. Geeignete Zusammensetzungen waren durch Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab zu ermitteln. 18 Gemische von Gesteinskörnungen und Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit unterschiedlichen Feinkorn- bzw. Oberbodenanteilen wurden in Bezug auf ihre Tragfähigkeit (CBR-Versuche) und Durchlässigkeit im Labor untersucht. Unter Berücksichtigung der Laborergebnisse wurden im Technikumsmaßstab Versuche mit vier Mischungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit und des Verformungsverhaltens mittels statischen und dynamischen Verformungsmoduln durchgeführt. Basierend auf den Versuchsergebnissen sollte der Feinkornanteil der Bankettmaterialien einen Wert von 15 M.-% nicht übersteigen. Mit solchen Materialien sollte ein Verformungsmodul Ev2 ≥ 60 MN/m2 bzw. Evd ≥ 30 MN/m2 bei einem Verdichtungsgrad von DPr = 100 % sicher erreichbar sein. Falls eine höhere Tragfähigkeit für Bankette erforderlich ist, sollte der Feinkornanteil der Materialien ggf. weiter beschränkt werden.
Aktualisiert: 2023-01-16
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BASt S 105: Untersuchungen zur Überprüfung des Luftporenanteils als Verdichtungsanforderung bei feinkörnigen Böden und bindigen Mischböden
B. Lypp, E. Birle, D. Heyer, N. Vogt
136 S., 243 Abb., 12 Tab., ISBN 978-3-95606-294-0, 2017, EUR 20,50
Die bodenmechanischen Eigenschaften von feinkörnigen Böden und gemischtkörnigen Böden mit Feinkornanteilen über 15 M.-% werden maßgeblich von der Konsistenz und der Plastizität des Feinkorns bestimmt. Mittel- und langfristig können an Erdbauwerken, die aus diesen Bodenarten errichtet wurden, Schäden entstehen, wenn Wasserzutritte eine Verringerung der Konsistenz der feinkörnigen Anteile bewirken. Um eine verminderte Scherfestigkeit, Sackungen und Setzungen zu vermeiden, wurden in den ZTV E-StB 09 Verdichtungsanforderungen festgelegt, die neben dem Verdichtungsgrad auch den Luftporenanteil beinhalten.
Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit sollte untersucht werden, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten der o.g. Böden hat und inwieweit eine Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil eine Verbesserung der dauerhaften Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung eines erhöhten Verdichtungsaufwandes bewirkt. Es wurde zunächst herausgearbeitet, welche Anforderungen hinsichtlich des Luftporenanteils bereits bestehen und inwieweit der Luftporenanteil als Verdichtungsanforderung geeignet ist. Der Luftporenanteil wird hierbei lediglich in Deutschland und Großbritannien als Verdichtungsanforderung genannt. Anhand von fünf Versuchsböden, die nach DIN 18196 den Bodengruppen UL, TM, TA, SU* und GU* zuzuordnen sind, wurde anschließend das Last-Verformungsverhalten bei oedometrischer Belastung und bei Wasserzutritt bei unterschiedlichen Spannungsniveaus untersucht. Die weiteren Laboruntersuchungen umfassten Triaxial- und Wasserdurchlässigkeitsversuche. An einem Probefeld wurden Feldversuche zur Entwicklung des Luftporenanteils bei einer zunehmenden Anzahl an Walzenübergängen durchgeführt.
Eindeutige Aussagen zum Einfluss des Luftporenanteils auf das Verformungsverhalten der untersuchten Böden waren anhand der Laboruntersuchungen nur schwer zu treffen. Die Streuung der Versuchsergebnisse ließ zumeist keine eindeutige Systematik hinsichtlich des Einflusses des Einbauzustandes erkennen. Überwiegend wiesen die Versuche, deren Einbaubedingungen innerhalb der nach ZTV E-StB 09 festgelegten Grenzen an Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil lagen, jedoch nur geringe Verformungen auf. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen belegen somit die Eignung der in den ZTV E-StB enthaltenen Verdichtungsanforderungen für Erdbaumaßnahmen. Die Notwendigkeit einer Anpassung bzw. Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil lässt sich aus den Laboruntersuchungen nicht ableiten.
Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass mit den auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Walzenzügen eine stetige, signifikante Erhöhung der Trockendichte und eine Verringerung der Luftporenanteile nur bis zu einem bestimmten Grad erreicht werden konnte, indem die Verdichtungsarbeit durch eine Erhöhung der Walzenübergänge gesteigert wurde. Teilweise bewirkten zusätzliche Walzenübergänge sogar eine Auflockerung des Bodens.
Aktualisiert: 2023-01-16
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BASt S 80
Entwicklung einer neuen Versuchstechnik zur Bestimmung der Grenze zwischen halbfestem und festem Boden
N. Vogt, E. Birle, D. Heyer, A. Etz
92 S., 108 Abb., 29 Tab., ISBN 978-3-95606-010-6, 2013, EUR 17,50
Im Hinblick auf das Lösen werden Boden und Fels nach DIN 18300 beschrieben. Dabei werden bindige Bodenarten in Abhängigkeit von ihrer Konsistenz in unterschiedliche Bodenklassen unterteilt. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität und weicher bis halbfester Konsistenz werden der Bodenklasse 4 zugeordnet. Ausgeprägt plastische Tone von weicher bis halbfester Konsistenz gehören der Bodenklasse 5 an. Bodenarten von fester Konsistenz sind der Bodenklasse 6 zuzuordnen. Die Grenze zwischen halbfester und fester Konsistenz ist dabei über die Schrumpfgrenze definiert, die nach DIN 18122-2 bestimmt wird.
Da vor allem bei leichtplastischen Böden der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze häufig oberhalb des Wassergehaltes an der Ausrollgrenze liegt, kommt es bei der Einordnung bindiger Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 häufig zu Unklarheiten, was zu Streitfällen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber führen kann.
Das Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, ein geeigneteres Kriterium zur Einordnung halbfester und fester Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 zu erarbeiten und dazu eine Versuchstechnik zu entwickeln. In einem ersten Schritt wurde das Schrumpfverhalten bindiger Böden analysiert und die Versuchstechnik zur Bestimmung der Schrumpfgrenze untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei Böden mit einer Plastizitätszahl IP < 18 % der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze in der Regel oberhalb des Wassergehalts an der Ausrollgrenze liegt. Anhand von Untersuchungen zum Schrumpfverhalten an Proben, die bei unterschiedlichen Spannungen vorbelastet worden waren, wurde außerdem festgestellt, dass der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung abnimmt. Diese Untersuchungen haben damit bestätigt, dass anhand der nach DIN 18122-2 ermittelten Schrumpfgrenze keine eindeutige Zuordnung in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 möglich ist.
Deshalb wurden im Folgenden Untersuchungen zu anderen Kriterien zur Unterscheidung zwischen halbfesten und festen Böden durchgeführt. Hierzu wurden zunächst Untersuchungen zur einaxialen Druckfestigkeit durchgeführt. Da das Herausarbeiten von ungestörten Probekörpern im relevanten Konsistenzbereich aber mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, kann die Verwendung der einaxialen Druckfestigkeit zur Einordnung der Bodenklassen nicht empfohlen werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher im weiteren Verlauf Untersuchungen zu einem einfach durchzuführenden Versuch durchgeführt, der eine Unterscheidung von halbfestem und festem Boden auf Grundlage der Festigkeit ermöglicht. Dazu wurden an aufbereiteten Böden Eindringversuche mit einer Proctornadel und einer Konusspitze durchgeführt. Die Versuchsergebnisse belegen, dass ein klarer Zusammenhang zwischen der Konsistenz und dem Eindringwiderstand besteht und dass eine Bewertung der Festigkeit mit Hilfe dieser Versuche prinzipiell möglich ist. Zur Festlegung konkreter Werte für eine Unterscheidung der Bodenklassen 4, 5 und 6 gemäß DIN 18300 sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
Aktualisiert: 2021-08-05
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BASt 1098
Untersuchungen zur Verdichtbarkeit von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Hinblick auf die Erzielung möglichst gering durchlässiger Erdbaukörper
N. Vogt, D. Heyer, E. Birle, St. Stalter
72 S., 95 Abb., 17 Tab., ISBN 978-3-95606-033-5, 2013, EUR 16,50
Werden bei der Herstellung von Erdbauwerken Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen verwendet, sind ab bestimmten Schadstoffbelastungen technische Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen, damit ein möglicher Austrag von Schadstoffen infolge Durchsickerung weitgehend verhindert werden kann. Eine besondere Form der technischen Sicherungsmaßnahme sieht vor, den Erdbaukörper aus diesen Böden und Baustoffen derart herzustellen, dass dieser selbst eine ausreichend geringe Durchlässigkeit aufweist. Bei der Beurteilung der Durchlässigkeitseigenschaften eines Erdbaukörpers ist in der Regel von ungesättigten Verhältnissen auszugehen. Für die numerische Simulation der hydraulischen Vorgänge im Erdbaukörper ist daher die Kenntnis der Bodenzustandsfunktionen der verwendeten Böden erforderlich.
Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wurde zunächst untersucht, welche Anforderungen an Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung einzuhalten sind, damit diese prinzipiell für die Herstellung ausreichend gering durchlässiger Erdbaukörper geeignet sind. Dazu wurden neben einem organogenen Ton gemischtkörnige Kiese und Sande unter Variation des Feinkornanteils systematisch untersucht. Darauf aufbauend wurde das hydraulische Verhalten geeigneter Böden sowohl im gesättigten als auch im ungesättigten Zustand experimentell ermittelt. Schließlich wurden verschiedene gebräuchliche Pedo-Transfer-Funktionen dahingehend bewertet, inwiefern damit die Bodenzustandsfunktionen der untersuchten Böden aus den elementaren Bodeneigenschaften abgeleitet werden können.
Hinsichtlich der Herstellung ausreichend gering durchlässiger Erdbaukörper wurden anhand der Versuchsergebnisse für ausgewählte SU- und GU-Böden Anforderungen an die Einbaubedingungen in Bezug auf den Feinkornanteil in Verbindung mit dem Luftporenanteil formuliert. An verschiedenen verdichtet eingebauten SU- und GU-Böden wurden die Bodenzustandfunktionen experimentell bestimmt. Zur Abschätzung der im Labor aufwändig zu bestimmenden Saugspannungscharakteristik erwies sich für die betrachteten Böden die auf dem Gebiet der Geotechnik entwickelte Pedo-Transfer-Funktion nach Birle (2012) als besonders geeignet.
Aktualisiert: 2023-01-16
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