Im „Merkblatt über flächendeckende dynamische Verfahren zur Prüfung der Verdichtung im Erdbau“ (Ausgabe 1993) sind die bodenspezifischen Anwendungsgrenzen in Abhängigkeit vom Wassergehalt grob umrissen. Ziel der aktuellen Forschungsarbeit war es, diese aus Erfahrungswerten gewonnenen Anwendungsgrenzen der flächendeckenden dynamischen Verdichtungskontrolle (FDVK) zu konkretisieren und durch geeignete Versuche zu belegen. Hierzu wurde das Verhalten von vier für den Erdbau repräsentativen Böden unter dynamischer Beanspruchung im Hinblick auf den Einsatz der FDVK im Erdbau mit Laborversuchen untersucht. Um die Ergebnisse der Laborversuche auf die Bedingungen, welche beim Einsatz der FDVK auf Erdbaustellen realistisch sind, übertragen zu können, wurden ergänzend zwei Versuchsstrecken im Feld untersucht. Ferner wurde ein früherer Feldversuch im Hinblick auf die Fragestellung dieser Forschungsarbeit neu ausgewertet.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Seit der Einführung der ZTV E-StB 94/97 stehen für die Qualitätssicherung im Erdbau drei Prüfmethoden zur Verfügung: Neben der Methode M1, welche eine nach einem statistischen Prüfplan zu führende Vorgehensweise beschreibt, und der Methode M3, die eine Überwachung des Arbeitsverfahrens vorschreibt, werden vor allem aufgrund der hohen Einbauleistung bei großen Erdbaumaßnahmen flächendeckende und arbeitsintegrierte dynamische Messverfahren (Methode M2) eingesetzt. Bei den dynamischen Messverfahren der flächendeckenden dynamischen Verdichtungskontrolle (FDVK) werden die mit einer geeigneten Messtechnik aufgezeichneten Schwingungscharakteristiken während der Fahrt einer Vibrationswalze analysiert. Die sich einstellenden Schwingungen der Bandage einer Vibrationswalze hängen direkt von der Steifigkeit und Dämpfung des befahrenen Bodens ab.

Die Qualitätskontrolle der Verdichtungsleistung im Erdbau mittels der FDVK und einer direkten Kalibrierung der FDVK-Messwerte zu einer Prüfgröße ist für grobkörnige Böden der Gruppe GE, GW, GI, SE, SW und SI (DIN 18196) anerkannt. Es bestehen nahezu unabhängig vom Wassergehalt sehr gut korrelierende Zusammenhänge zwischen dem Messwert der FDVK und dem Verdichtungsgrad bzw. dem Verformungsmodul der zu prüfenden Bodenschicht. Bei gemischtkörnigen Böden mit einem Feinkornanteil ≤ 15 M.-% der Bodengruppen GU, SU, GT und ST ist nach dem Merkblatt über flächendeckende dynamische Verfahren zur Prüfung der Verdichtung im Erdbau (FDVK-Merkblatt, 1993; Anmerkung: Merkblatt zum Zeitpunkt der Forschungsarbeiten Mitte 2008 in Überarbeitung) für Einbauwassergehalte unter dem Proctorwassergehalt ebenfalls eine gute Kalibrierung zwischen dem FDVK-Messwert und der Prüfgröße möglich. Liegt der Wassergehalt über dem optimalen Wassergehalt, ist eine eindeutige Zuordnung des FDVK-Messwertes zum Verdichtungsgrad und Verformungsmodul nicht mehr möglich. Liegt bei gemischtkörnigen Böden der Feinkornanteil 15 M.-%, sind nach Angaben des FDVK-Merkblattes die Einflüsse des Porenwassers bereits knapp über dem optimalen Wassergehalt sehr groß. Nur bei Wassergehalten, welche deutlich unter dem optimalen Wassergehalt liegen, sind nach der zitierten Quelle Korrelationen möglich und eine Aussagekraft des FDVK-Messwertes gegeben. Bei feinkörnigen Böden ist ebenfalls nur für Einbauwassergehalte deutlich unter dem optimalen Wassergehalt ein abgesicherter Zusammenhang zwischen dem FDVK-Messwert und dem Verformungsmodul der zu prüfenden Bodenschicht möglich. Die aus den Aussagen des FDVK-Merkblattes abgeleiteten Anwendungsgrenzen beziehen sich nur auf die Anwendung der FDVK mit einer direkten Kalibrierung des FDVK-Messwertes auf eine Prüfgröße (z. B. E_v2-Wert) und nicht auf das Vorgehen beim Einsatz der FDVK zur Feststellung einer homogenen Prüffläche. In dieser Forschungsarbeit ist die Methodik der Problemlösung und Systematik der durchgeführten Versuche darauf ausgelegt, eine Konkretisierung der Anwendungsgrenzen der FDVK mit Kalibrierung zur Prüfgröße erreichen zu können.

Im Zuge der Überarbeitung der ZTV E-StB 94/97 werden die oben genannten drei Prüfmethoden bezüglich ihrer Aussagekraft neu bewertet. Es ist geplant, den besonderen Informationsgehalt der FDVK gegenüber den anderen Prüfmethoden herauszuarbeiten. Hierfür ist es notwendig, die bisher aus Erfahrungswerten stammenden bodenspezifischen Anwendungsgrenzen mit systematischen Untersuchungen zu belegen. Wie oben gezeigt, ist eine Reproduzierbarkeit der Messungen mittels FDVK und eine Korrelation von FDVK-Messwerten zu Verformungsmodul und Verdichtungsgrad für grobkörnige Böden gut möglich. Für gemischtkörnige Böden mit einem Feinkornanteil ≤ 15 M.-% ist diese Beurteilung für Wassergehalte unter dem optimalen Wassergehalt möglich. Bei Verwendung von anderen Bodengruppen ist es nur bei Wassergehalten deutlich unter dem optimalen Wassergehalt w_Pr möglich, einen erfolgreichen Einsatz der FDVK vorherzusagen.

Hauptziel der durchgeführten Versuche war eine möglichst genaue Festlegung der Anwendungsgrenzen bezogen auf die Bodenart und den Wassergehalt. Neben der Betrachtung vorhandener Literatur und der Erstellung eines eigenen Modells für theoretische Überlegungen, wurden vor allem durch versuchstechnische Arbeiten Zusammenhänge deutlich gemacht, um eine möglichst eindeutige Interpretation der Ergebnisse zu sichern.

2 Arbeitsmethoden und Forschungsergebnisse

2.1 Versuchsböden

Hauptziel der Forschungsarbeit ist die Konkretisierung von Anwendungsgrenzen der flächendeckenden dynamischen Verdichtungskontrolle im Bezug auf bodenspezifische Einflussgrößen. Hierfür wurden Reihen von Versuchen im Labor durchgeführt, die durch Versuche unter Verwendung einer Vibrationswalze im Feld stichprobenartig bestätigt werden sollten. Aufgrund der Vielzahl von Einflüssen mussten zur serienmäßigen Untersuchung von möglichst vielen für den Erdbau repräsentativen Böden Vereinfachungen getroffen werden.

Zur Durchführung der Labor- und Feldversuche wurden insgesamt sechs Versuchsböden ausgewählt. Die Versuchsböden repräsentieren eine große Bandbreite an Sanden, gemischtkörnigen und feinkörnigen Böden (vergleiche Kornverteilungskurven im Bild 1, sowie in der Tabelle 1). Das Größtkorn wurde aufgrund der begrenzten Probenhöhe in den Ödometerversuchen (siehe Abschnitt 2.2) auf 4 mm begrenzt.

Bild 1: Kornverteilungen der untersuchten Böden

Tabelle 1: Klassifizierung der untersuchten Böden

2.2 Laborversuche

Aufgrund der Vielzahl an Einflussparametern und den sehr komplexen Vorgängen während einer dynamischen Verdichtung des Bodens müssen für die versuchstechnischen Durchführungen klare Randbedingungen herrschen. Dies umfasst sowohl die Herstellung der Probe als auch deren Belastung und Verformungsmöglichkeit. Ziel der Versuche war, mit einem möglichst einfachen Versuch den Einfluss des Wassergehaltes auf das Bodenverhalten der auf eine bestimmte Trockendichte eingepressten Bodenproben zu ermitteln. So wurde festgelegt, dass Effekte, welche allein aus der Dichte des Bodens herrühren, nicht weiter betrachtet werden, da die gegebene Problematik vor allem im Hinblick auf feinkörnige Böden überwiegend vom Wassergehalt beeinflusst wird. Es wurde daher bei allen Untersuchungen versucht, die Ausgangstrockendichte möglichst konstant einzustellen und den Wassergehalt zu variieren.

Aufgrund der Komplexität des Verhaltens teilgesättigter Böden unter zyklisch dynamischer Beanspruchung und der daraus resultierenden aufwändigen messtechnischen Erfassung im Labor wurde zur Annäherung an die Problematik der Verformungsmechanismus der eindimensionalen (ödometrischen) Kompression in einer zylindrischen Bodenprobe (D = 100 mm, H = 20 mm) gewählt. Der verwendete Versuchsapparat ist im Bild 2 schematisch dargestellt.

In den Ödometerversuchen wurde das Verhalten von vier Versuchsböden (Böden A bis D) unter einer zyklisch dynamischen Belastung untersucht. Die zyklisch dynamischen Versuche wurden mit einer definierten Belastungsabfolge kraftgesteuert durchgeführt. Ergänzend zu den zyklisch dynamischen Versuchen wurden statische Versuche mit konstanter Dehnungsrate durchgeführt, um Aussagen zum Einfluss der raschen dynamischen Belastung auf die Steifigkeit der Böden tätigen zu können.

Bild 2: Versuchsapparat der Laborversuche

Das Verhalten der vier Versuchsböden (Böden A bis D) wurde in Abhängigkeit vom Wassergehalt untersucht. Sowohl die dynamische Belastung als auch die Beanspruchung in der statischen Versuchsreihe wurden nicht variiert. Die beiden verschiedenen Beanspruchungen der statischen und der zyklisch dynamischen Versuchsdurchführung sind vergleichend im Bild 3 gezeigt. Die statischen Versuche mit langsamer Lastaufbringung wurden weggesteuert durch die Vorgabe einer Dehnungsrate von 2,5 %/s durchgeführt. Die im Weiteren ausgewertet Steifigkeit E_s wurde als Sekantenmodul im Bereich der Wiederbelastung zwischen 175 kPa und 275 kPa ermittelt. Die zyklisch dynamischen Versuche wurden kraftgesteuert durchgeführt. Dabei wurde die vertikale Spannung sinusförmig bei 10 Hz zwischen 175 kPa und 275 kPa variiert. Auch in den dynamischen Versuchen wurde die Steifigkeit E_s aus den Dehnungen zwischen dieser Lastspanne ermittelt.

Bild 3: Weggesteuerter „statischer“ Ödometerversuch (links), kraftgesteuerte zyklisch dynamische Versuchsdurchführung

Durch das Einpressen der Proben in die Ödometerzelle, mit dem Ziel eine fest definierte Ausgangstrockendichte zu erreichen, war eine sorgfältige Herstellung der Bodenproben gewährleistet. Damit waren vor Versuchsbeginn der Wassergehalt und die Dichte bekannt. Während der Versuchsdurchführung ändern sich diese Bodenzustände durch die eingebrachte Energie wesentlich (Verdichtungsarbeit). Um aussagekräftige Ergebnisse erhalten zu können, war die möglichst kontinuierliche Überwachung der relevanten Parameter während des Versuches ein wesentliches Ziel. Dazu wurden Änderungen der Trockendichte durch die gemessenen Setzungen der Probe im Ödometerring berechnet und die Entwicklung von Porendrücken registriert.

Nach jeweils einer bestimmten Anzahl von Zyklen wurde ferner die ödometrische Steifigkeit (Steifemodul E_s) der Bodenprobe ausgewertet, welche in Abhängigkeit des Einbauwassergehaltes w₁ mit der Steifigkeit verglichen wurde, die sich aus einer langsamen „statischen“ Belastung ergab. Die Steifigkeit E_s wurde dabei sowohl in den dynamischen Versuchen als auch in den Versuchen mit langsamer statischer Lastaufbringung in einem Spannungsbereich zwischen 175 kPa und 275 kPa einheitlich ausgewertet. Hierzu sind in den Bildern 4 und 5 exemplarisch Versuchsergebnisse gegeben. Die Diagramme zeigen die vom Einbauwassergehalt w₁ abhängigen Steifigkeiten E_s für die Böden B (TL) und C (TA). Die Steifigkeiten unter der dynamischen Beanspruchung wurden aus der Hysteresensteigung der spannungsabhängigen vertikalen Dehnung der Bodenprobe nach N = 10, 100 und 1000 Zyklen ermittelt.

Zunächst ist ersichtlich, dass die Steifigkeit bei beiden Böden unter dynamischer Belastung mit steigender Zyklenzahl zunimmt. Der Boden verdichtet sich während der zyklischen Belastung und gewinnt folglich an Steifigkeit. Dabei zeigt das Diagramm für den Boden C (TA) drei nahezu parallele Kurven, welche eine vom Wassergehalt unabhängige Zunahme der Steifigkeit unter dynamischer Beanspruchung andeuten. Die Kurven verlaufen ferner mehr oder weniger horizontal, was eine vom Wassergehalt unabhängige dynamische Steifigkeit E_s andeutet. Im Gegensatz dazu reduziert sich der unter einer langsamen Belastung gemessene Steifemodul E_s mit zunehmendem Wassergehalt deutlich. Boden C (TA) konsolidiert unter der langsamen Laststeigerung, was in einem Abfall der Steifigkeit wegen der zunehmenden zeitabhängigen Setzung der Probe resultiert. Dagegen verläuft auch die Kurve der statischen Steifigkeit im Bild 4 (Boden B, TL) nahezu parallel zu den drei Kurven der dynamischen Steifigkeit. Dies bedeutet, dass sich die Steifigkeit des Boden B (TL), obwohl sie entsprechend einem zunehmenden Wassergehalt abnimmt, unabhängig von der Geschwindigkeit der Beanspruchung im Trendverlauf auch durch eine dynamische Belastung bestimmen lässt.

Bild 4: Im Ödometer gemessene Steifigkeiten des Boden B (TL) bezogen auf den Wassergehalt vor der Belastung w₁ (zyklisch dynamische und statische Versuche)

Bild 5: Im Ödometer gemessene Steifigkeiten des Boden C (TA) bezogen auf den Wassergehalt vor der Belastung w₁ (zyklisch dynamische und statische Versuche)

Mit den durchgeführten Laborversuchen lassen sich die verschiedenen bodenspezifischen Anwendungsgrenzen der FDVK erkennen. Bei Sanden und gemischtkörnigen Böden lassen sich für weite Bereiche der Sättigung, die dynamische mit einer statischen Steifigkeit gut korrelieren (parallellaufende Kurven). Bei diesen Böden besteht jedoch in Abhängigkeit der Dichte, des Feinkornanteils und der Ungleichförmigkeit der Kornverteilungskurve die Gefahr einer Bodenverflüssigung unter der zyklisch dynamischen Belastung einer Vibrationswalze. Der Wassergehalt selbst beeinflusst für weite Bereiche möglicher Einbauwassergehalte nur relativ eingeschränkt die Steifigkeit des Bodens aufgrund der kapillaren Spannungen im Korngerüst. Dies ist nicht für Tone und Schluffe der Fall. Hier ändert sich die messbare statische Steifigkeit sehr deutlich mit sich ändernden Wassergehalten. Dynamische Steifigkeiten liegen deutlich über statischen Steifigkeiten, da die geringe Durchlässigkeit des Bodens eine Drainage von Wasser und Luft verhindert.

Mit Feldversuchen sollten die aus den Laborversuchen gewonnenen Ergebnisse auf realistischere Bedingungen mit Bezug auf den Einsatz der FDVK auf einer Vibrationswalze übertragen und bestätigt werden.

2.3 Feldversuche

Mit dem Ziel die Ergebnisse der Laborversuche auf die Bedingungen, welche beim Einsatz der FDVK auf Erdbaustellen realistisch sind, zu übertragen, wurden zwei Versuchsstrecken im Feld angelegt und untersucht (Böden E und F). Dabei sollen die Aussagen der Versuche im Labor bestätigt und Ergebnisse auf die Maßstäbe, welche von bautechnischer Relevanz sind, übertragen werden. Ferner wurde ein früherer Feldversuch im Hinblick auf die Fragestellung dieser Forschungsarbeit neu ausgewertet (Boden G).

Der auswählte Untergrund, auf welchem das Versuchsfeld (siehe Bild 6) erstellt wurde, wurde vorab mittels der zur Verfügung stehenden 12 Tonnen Vibrationswalze mit zehn Walzenüberfahrten verdichtet und die Steifigkeit des Untergrundes mittels FDVK aufgezeichnet. Damit konnte eine relativ homogene Steifigkeit des Untergrundes nachgewiesen werden. Der jeweilige Versuchsboden wurde aus einer möglichst homogenen Bodenschicht mittels Radlader gewonnen und klumpig auf eine Länge von 25 m aufgebracht. Das zu erstellende Versuchsfeld besaß eine Fahrspur von etwa 4,5 m Breite. Die Höhe der Schüttlage betrug etwa 0,4 m. Zunächst wurde der locker geschüttete und im Wassergehalt relativ homogene Versuchsboden durch zehn Überfahrten der Vibrationswalze auf eine möglichst gleichmäßige Trockendichte verdichtet. Danach wurde dem Versuchsboden über die Fahrspurlänge unterschiedlich viel Wasser zugegeben. Die Wasserzugabe erfolgte stufenweise über einen Zeitraum von etwa drei Stunden, um eine Wasseraufnahme zu ermöglichen. Nach der Wässerung wurde am darauffolgenden Tag mit den Messüberfahrten begonnen. Die Messüberfahrten führten in Abhängigkeit vom Wassergehalt zu einer leichten Erhöhung der Trockendichte gegenüber dem zuvor bereits intensiv verdichteten Boden. Es wurde direkt die Beschleunigung der Bandage [m/s²] über die gesamte Fahrspurlänge aufgezeichnet, ohne das Auswertesystem des Walzenherstellers zu benutzen. Dazu wurde das Rohsignal des Beschleunigungsaufnehmers mittels eigenem, vom Walzenhersteller unabhängigem Messequipment aufgezeichnet. Später erfolgten die Auswertung und die Berechnung der FDVK-Messwerte durch eine spezielle Software. Es fanden insgesamt acht Messüberfahrten bei einer Fahrgeschwindigkeit von 2 km/h statt. Dabei wurde die Amplitude der Beschleunigung (0,9 mm/s²) und Frequenz (30 Hz) der Vibrationswalze stets konstant gehalten. Die Auswertung der Bandagenschwingung zur Berechnung der ortsabhängigen (Rückrechnung über die Fahrtgeschwindigkeit) FDVK-Messwerte erfolgte analog zweier in der Praxis weit verbreiteten Messverfahren. Nach den acht Messüberfahrten wurden entlang der Fahrspur in Abständen von 1 m mittels Ausstechzylinder die Dichten und Wassergehalte ermittelt. Ferner erfolgte die Prüfung der Tragfähigkeit des Versuchsbodens mit der dynamischen (E_vd-Wert, TP BF-StB Teil B 8.3, 2003) und statischen Lastplatte (E_v2-Wert DIN 18134, 2001).

Bild 6: Probefeld und Beprüfung der Versuchsstrecke

Im Folgenden wird beispielhaft die Auswertung einer Versuchsstrecke gezeigt. Als Versuchsboden wurde ein Lößlehm (Boden E, TM) ausgesucht. Nach der Verdichtung der Schüttung, der Wässerung und der Prüfung mittels FDVK (acht Messüberfahrten) des Versuchsbodens ergaben sich entlang der Fahrspur Trockendichten r_d und Wassergehalte w, die an Proben gewonnen, in Ausstechzylindern bestimmt wurden und im Bild 7 dargestellt sind. Dichte- und Wassergehaltsbestimmungen erfolgten in Abständen von 1,0 m. Das Bild 7 zeigt die beiden bezüglich des Wassergehalts unterschiedlichen Bereiche. Im Bereich bis etwa 10 m liegt der Wassergehalt bei 15 % bis 17 %. Danach steigt er auf 20 % bis 22 % an. Der Proctorwassergehalt liegt für Boden E (TM) bei etwa w_Pr = 16 %. Die Trockendichten betragen für den Bereich bis 10 m etwa r_d = 1,77 g/cm³ bis 1,83 g/cm³ (D_Pr = 99 % bis 102 %). Es ist davon auszugehen, dass durch die acht Messüberfahrten eine weitere Verdichtung des Bodens stattfand, welche für die beiden unterschiedlich nassen Bereiche verschieden stark war.

Bild 7: Auswertung der Messergebnisse einer Fahrspur (Boden E)

Bild 8: Auswertung der Messergebnisse einer Fahrspur (Boden E)

Der Anstieg der Trockendichte durch die Messüberfahrten lässt sich auch in der Veränderung des FDVK-Messwertes (Bild 8) mit zunehmender Anzahl an Überfahrten feststellen. Das Bild 8 zeigt für die erste, zweite, vierte und achte Messüberfahrt den berechneten FDVK-Messwert über die Länge der Fahrspur. Es zeigt sich deutlich, dass sich die FDVK-Messwerte im „trockenen“ Bereich (0 m bis 10 m) stärker erhöhten als im nassen Bereich. Weiter sind im Bild 8 die aus den statischen bzw. dynamischen Plattendruckversuchen gewonnenen Steifigkeiten E_v2 bzw. E_vd eingetragen. Diese zeigen ebenso wie der FDVK-Messwert eine deutliche Abnahme im „nassen“ Bereich ab 10 m.

Vergleicht man nun die abschnittsweise ermittelten Steifigkeiten E_v2, E_vd sowie den FDVK-Messwert mit den jeweiligen Wassergehalten bzw. Sättigungsgraden, so lässt sich das Bild 9 zeichnen. Zu den jeweiligen Werten wurden exponentielle Regressionsfunktionen der Form y = a · x^b eingezeichnet und der entsprechende Korrelationskoeffizient R² nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate berechnet. In der genannten exponentiellen Gleichung bedeuten x bzw. y jeweils die Werte der an der Rechts- bzw. Hochachse im Diagramm aufgetragenen Messgrößen. Die Werte a und b sind Konstanten die aus der Regression bestimmt werden.

Wie für den bindigen Versuchsboden E (TM) zu erwarten war, hängen sowohl die Steifigkeiten, ermittelt aus den Plattendruckversuchen (statisch und dynamisch), als auch der FDVK-Messwert stark vom Wassergehalt des Bodens ab. Relativ betrachtet ist die Abhängigkeit des FDVK-Messwertes deutlich geringer (verringert sich von w = 15,4 % bzw. S_r = 74 % auf w = 22,1 % bzw. S_r = 100 % um ca. 36 %) als die der Steifigkeiten E_v2 und E_vd (relative Verringerung um ca. 73 % bzw. 79 %).

Bild 9: Korrelation der Verformungsmoduln E_v2 und E_vd sowie des FDVK-Messwertes gegenüber dem Wassergehalt w (Boden E, TM)

Durch den Effekt der unterschiedlich starken Nachverdichtung des Versuchsbodens in Abhängigkeit vom Wassergehalt ergab sich im „trockenen Bereich“ ein etwas höheres Niveau der Trockendichte r_d (siehe Bild 7). Daher lässt sich analog zu dem Bild 9 eine noch viel stärker ausgeprägte Abhängigkeit der Steifigkeiten E_v2 und E_vd sowie des FDVK-Messwertes von der Trockendichte r_d vermuten, da diese relativ betrachtet von r_d = 1,72 g/cm² auf r_d = 1,82 g/cm² nur um etwa 6 % ansteigt. Analog zu den Ergebnissen der Laborversuche und theoretischen Überlegungen ist eine mögliche starke Abhängigkeit des FDVK-Messwertes und der Steifigkeiten E_v2 und E_vd bei einem Anstieg der Trockendichte r_d um 6 % nicht anzunehmen. Das unterschiedliche Bodenverhalten rührt aus den unterschiedlich hohen Sättigungsgraden und den durch die höheren Wassergehalte reduzierten Steifigkeiten.

Zu den durchgeführten Feldversuchen wurde ein weiterer Anfang der neunziger Jahre unternommener Feldversuch im Hinblick auf die aktuelle Fragestellung neu ausgewertet. In einer damals neuartigen Anwendung wurde das Messprinzip der FDVK benutzt, um die Homogenität einer mineralischen Basisabdichtung einer Deponie zu prüfen. Zu diesem Vorhaben liegen detaillierte Messergebnisse vor, welche nun neu ausgewertet wurden. Die Daten enthalten unter anderem umfangreiche Korrelationen von FDVK-Messwerten zu Trockendichten und Verdichtungsgraden. Zur Herstellung der Probestrecken wurden der Wassergehalt und die Struktur des verwendeten Einbaumaterials (Boden G) in speziellen Aufbereitungsverfahren in sehr homogener Weise eingestellt. Innerhalb einer Probestrecke wurde der Wassergehalt des Einbaumaterials planmäßig variiert. Die Dokumentation der Trockendichte, des Wassergehaltes, die Ermittlung der statischen Tragfähigkeit sowie die Aufzeichnung des FDVK-Messwertes erfolgten weitestgehend analog zu den im Rahmen der Forschungsarbeit durchgeführten Feldversuche. Die Ergebnisse waren somit gut in die bestehenden Erkenntnisse einzuordnen. Für weitere praxisrelevante und dem Anwendungsfall der Qualitätssicherung einer mineralischen Tondichtung bezogene Ergebnisse der Versuchsdurchführung wird hier auf Floss, Winter und Bräu (1997) sowie weiter auf Hemker (1994) verwiesen.

Nachfolgend werden die ausgewerteten Feldversuche vergleichend betrachtet, um bodenspezifische Unterschiede darstellen zu können. Grundlage der Auswertung ist die Annahme, dass die geringfügigen Schwankungen der Trockendichte innerhalb eines Versuchsfeldes das Bodenverhalten nicht grundlegend beeinflusst. Klammert man sonstige Einflussgrößen, etwa aus variierender Untergrundsteifigkeit aus, so folgt entsprechend, dass sich Veränderungen des FDVK-Messwertes, der Steifigkeiten E_v2 bzw. E_vd und des Eindringwiderstandes einer sogenannte Proctornadel nur aus Unterschieden im Wassergehalt des Versuchsbodens ergeben. Die Proctornadel wurde zur Prüfung der Tragfähigkeit der mineralischen Basisabdichtung (Boden G, TA) verwendet. Die Proctornadel mit einer konischen Form der Spitze wird mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s in den Boden gedrückt. Der Eindringwiderstand wird dabei durch einen Federmechanismus gemessen. Die Eindringwiderstände geben entsprechend der Plastizitätstheorie (bei bindigem Boden undrainierte Analyse) Rückschlüsse auf die Scherfestigkeit und damit die Tragfähigkeit des Bodens.

In der Tabelle 2 werden die Schwankungen der Trockendichte und des Wassergehaltes für die drei Versuchsböden den Änderungen des FDVK-Messwertes, der Steifigkeiten E_v2 und E_vd bzw. der Eindringwiderstände der Proctornadel gegenübergestellt. Wie genannt, variiert die Trockendichte im Vergleich zum Wassergehalt für jeweils eine Versuchsstrecke nur untergeordnet. Die Wassergehalte variieren je nach Testfeld zwischen 34 % und 91 %. Bereits in dieser Tabelle ist ersichtlich, dass die Änderungen der Größen FDVK-Messwert, Steifigkeiten E_v2, E_vd und Widerstand der Proctornadel in Abhängigkeit von den Böden stark unterschiedlich sind. So ändert sich der E_v2-Wert beim Boden F (SU*) bei einer Wassergehaltsänderung von 91 % nur um 47 %, wohingegen die Steifigkeit E_v2 beim Boden E (TM) bei einer Wassergehaltsänderung von 44 % um 258 % zu- bzw. abnimmt.

Tabelle 2: Gegenüberstellung der maximalen Schwankungsbreite verschiedener Bodenzustände und Messwerte

Deutlicher werden diese bodenspezifischen Unterschiede, wenn man die Messwertänderungen bezogen auf die Wassergehaltsänderung berechnet. Die Tabelle 3 zeigt dies (%-Messwertänderung je %-Wassergehaltsänderung):

Tabelle 3: Messwertveränderung pro % Wassergehaltsänderung

Es zeigt sich klar, dass mit zunehmendem Feinkornanteil die Empfindlichkeit der FDVK-Messwerte und Steifigkeiten E_v2 und E_vd bzw. Widerstand der Proctornadel gegenüber Änderungen im Wassergehalt sehr stark zunehmen. So ändert sich pro Prozent Wassergehalt der FDVK-Messwert beim Versuchsboden F (SU*) nur um 0,79 %, wohingegen er beim ausgeprägt plastischen Ton um 10,70 % zunimmt. Offen bleibt, warum beim Versuchsboden E (TM) der Wassergehalt einen relativ geringen Einfluss auf den FDVK-Messwert hat (nur 1,70 % pro Prozent Wassergehaltsänderung). Betrachtet man den E_v2-Wert bzw. E_vd-Wert, so ist auch beim Boden E (TM) mit 5,86 % bzw. 11,50 % Messwertänderung pro Prozent Wassergehaltsänderung eine hohe Abhängigkeit zum Wassergehalt zu erkennen. Der untersuchte Sand (Boden F, SU*) zeigt hingegen eine weitaus geringere Abhängigkeit von Wassergehaltsänderungen (bezogen auf den E_v2-Wert 0,52 % und auf den E_vd-Wert 0,36 %).

Beim Einsatz der FDVK zur Beurteilung des Verdichtungserfolges von Tragschichten oder der Homogenität von mineralischen Dichtungen ist das Aufstellen von Korrelationen zwischen der nachzuweisenden Prüfgröße und dem FDVK-Messwert notwendig. Die Qualität einer Korrelation kann mit dem Korrelationskoeffizienten R² ausgedrückt werden. Zur Vervollständigung der Zusammenfassung werden in Tabelle 4 die errechneten Korrelationskoeffizienten der einzelnen Versuchsböden direkt verglichen.

Tabelle 4: Vergleichende Zusammenfassung der Korrelationskoeffizienten

Zunächst ist zu erkennen, dass der Zusammenhang zwischen dem FDVK-Messwert und der Trockendichte bei allen Versuchsböden verglichen zu den anderen Messgrößen E_v2 bzw. E_vd stets geringer ist. Dies rührt, wie bereits genannt, aus der über die Länge des Versuchsfelds relativ konstanten Trockendichte. Einflüsse, welche sich aus einer variierenden Trockendichte ergeben, wurden im Rahmen dieser Forschungsarbeit nicht untersucht.

Sehr hohe Korrelationskoeffizienten konnten für einen Vergleich des FDVK-Messwertes mit dem E_v2-Wert (R² = 0,97) und E_vd-Wert (R² = 0,89) bei der Auswertung der Versuche auf dem Versuchsboden E (TM) erreicht werden. Ebenfalls sehr gut ist mit R² = 0,91 beim dokumentierten Feldversuch unter Verwendung des ausgeprägt plastischen Tones eine Korrelation zwischen dem FDVK-Messwert und dem Spitzenwiderstand der Proctornadel möglich. Niedriger fällt R² beim Sand (Boden F, SU*) in einer Gegenüberstellung der E_v2-Werte zum FDVK-Messwert aus. Da die Steifigkeit E_vd bei dieser Versuchsspur nahezu unabhängig vom Wassergehalt konstant bleibt, ist eine gute Korrelation des FDVK-Messwertes mit dem E_vd-Wert hier nicht möglich (R² = 0,38).

Zusammenfassend kann für die Feldversuche festgestellt werden, dass der Einfluss des Wassergehaltes auf den FDVK-Messwert sowie auf die Steifigkeiten E_v2 und E_vd mit zunehmendem Feinkornanteil sehr stark zunimmt. Trotzdem wurde mit der Auswertung der Versuche klar, dass für alle untersuchten Wassergehaltsbereiche für den Boden F (SU*) bis w = 80 % w_Pr (S_r = 70 %) und Boden E (TM) bis w = 140 % w_Pr (S_r = 100 %) sehr gute Korrelationen zwischen der statischen Steifigkeit E_v2 und dem FDVK-Messwert gefunden werden können. Wie die Auswertungen weiter zeigen, ist beim Boden G (TA) sogar bis zur Vollsättigung (S_r = 100 %, w = 110 % w_Pr) eine gute Korrelation zwischen dem FDVK-Messwert und einem Indexwert der Tragfähigkeit unter Vorraussetzung eines homogenen Niveaus der Trockendichte und der Bodenstruktur möglich. Für die untersuchten Bodenzustände (r_d und w) konnten bei keinem der Versuchsböden eine die Messfahrt störende Aufweichung (Tendenz zur Bodenverflüssigung) festgestellt werden. Dennoch kann durch die dynamische Anregung die Tragfähigkeit bei sehr nassen bindigen Böden leicht abfallen, was die FDVK-Messwerte mit zunehmender Zahl von Überfahrten reduziert.

3 Folgerungen für die Baupraxis

Sowohl aus den Ergebnissen der Labor- als auch der Feldversuche konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

• Sowohl bindige Böden als auch Sande neigen vor allem bei geringer Dichte bzw. lockerer Lagerung und hohen Sättigungsgraden zum Aufweichen unter der dynamischen Belastung einer Vibrationswalze. Dann können Messfahrten mit einer Prüfwalze keine zuverlässigen Messdaten erzeugen. Der Nachweis einer ausreichenden Tragfähigkeit kann dann ohnehin in der Regel nicht erbracht werden. Die Erhöhung der Tragfähigkeit zur Sicherstellung der Befahrbarkeit mit einer Vibrationswalze ist nach einer Reduzierung des Wassergehaltes etwa durch Trockenlegung der Prüfspur oder der Zugabe von bodenverbessernden Stoffen möglich.
• Sobald eine zu prüfende Fläche befahrbar ist und ein reproduzierbarer FDVK-Messwert erhalten wird, kann die FDVK zum Nachweis einer homogenen Verteilung von Prüfgrößen (z. B. Dichte, Tragfähigkeit, Wassergehalt) das heißt zum Auffinden von Unregelmäßigkeiten (besonders „gute“ oder „schlechte“ Bereiche) in Prüflosen angewendet Dies ist prinzipiell für alle Bodenarten möglich. Die Eingrenzung der Aussage auf nur eine Prüfgröße wie z. B. die Dichte gelingt dann, wenn die anderen Prüfgrößen z. B. der Wassergehalt und die Struktur von bindigen Böden über die zu prüfende Fläche nur in sehr engen Grenzen schwanken. Diese Homogenität der Prüffläche ist im Allgemeinen nur mit hohem gerätetechnischem Aufwand (Mischanlage zum Bau von mineralischen Tonabdichtungen) zu erreichen.

Ist es notwendig direkte Korrelationen zwischen einem Tragfähigkeitsindex (z. B. E_v2 und E_vd oder CBR) und dem FDVK-Messwert zu schaffen, sind in Abhängigkeit von der Bodenart bezüglich des Wassergehalts Grenzen zu setzen. Da in den Versuchen nur einige für den Erdbau repräsentative Böden untersucht werden konnten und somit die Datenbasis vergleichsweise klein ist, wurden die Anwendungsgrenzen der FDVK auf der sicheren Seite liegend festgelegt. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere bei den Feldversuchen die Anwendungsgrenze der FDVK nicht überschritten wurde. Bei grobkörnigen Böden können bis zur vollen Wassersättigung (S_r = 100 %) stets eindeutige Korrelationen gefunden werden. Bei gemischtkörnigen Böden mit einem Feinkornanteil von ≤ 15 M.-% wird eine Grenze der Sättigung von S_r = 90 % (w = 1,2 · w_Pr) für Verdichtungsgrade D_Pr > 95 % (Ausschluss der Bodenverflüssigung) abgeschätzt, bis zu welcher gute Korrelationen zwischen einem Tragfähigkeitsindex und dem FDVK-Messwert möglich sind. Bei gemischtkörnigen Böden mit einem Feinkornanteil von > 15 M.-% und bei feinkörnigen Böden ist zumindest bis zum Proctorwassergehalt w_Pr, was etwa einer Sättigung S_r = 80 % (w = 1,0 · w_Pr) entspricht, der Nachweis einer ausreichenden Tragfähigkeit mittels FDVK möglich. Grundsätzlich sollte dabei die Trockendichte nur in einer untergeordneten Größenordnung variieren. Die getätigten Vorschläge sind im Bild 10 schematisch dargestellt.

Bild 10: Aussagekraft der FDVK-Messwerte in Abhängigkeit von der Bodengruppe nach DIN 18196 und der Sättigung bzw. dem Wassergehalt

Literaturverzeichnis

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Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über flächendeckende dynamische Verfahren zur Prüfung der Verdichtung im Erdbau, Ausgabe 1993, Köln, FGSV 547

Floss, R.; Winter K.; Bräu G. (1997): Qualitätssicherung von Tonabdichtungen mit der Flächendeckenden Verdichtungskontrolle (FDVK); Abfallwirtschafts Journal, Nr. 10

Hemker, O. (1994): Zerstörungsfreie Messverfahren zur Qualitätssicherung mineralischer Dichtungen; Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik Technische Universität Braunschweig, Heft 46

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