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1 Einleitung
Der Verdichtungsgrad und der Verformungsmodul (nur auf dem Planum) stellen die wichtigsten erdbautechnischen Verdichtungskennwerte im Hinblick auf eine dauerhafte Gebrauchstauglichkeit und ausreichende Standsicherheit eines Erdbauwerkes dar.
In diesem Beitrag werden Neuerungen hinsichtlich der Verdichtungskennwerte und deren Überprüfung in den neuen ZTV E-StB 09 gegenüber der bisher gültigen ZTV E-StB 94/97 herausgearbeitet.
2 Prüfmerkmale im Erdbau nach ZTV E-StB 09
In der ZTV E-StB 09 sind folgende direkte Verdichtungskennwerte (direkte Prüfmerkmale) zugelassen:
- der Verdichtungsgrad DPr,
- der Luftporengehalt na,
- der statische Verformungsmodul Ev2, bestimmt mit dem Statischen Plattendruckgerät nach DIN 18134,
- der dynamische Verformungsmodul Evd, bestimmt mit dem Leichten Fallgewichtsgerät nach den TP BF Teil B 8.3.
Der Luftporengehalt na wird nur bei gemischtkörnigen Böden mit einem Feinkorngehalt von mehr als 15 % und bei feinkörnigen Böden überprüft. Innerhalb Europas ist nur in Deutschland der Luftporengehalt na ein Prüfmerkmal. Durch die Prüfung des Luftporengehaltes wird gewährleistet, dass Böden nicht mit einem Wassergehalt eingebaut werden, der zu weit auf der trockenen Seite der Proctorkurve liegt. Werden Böden mit einem natürlichen Wassergehalt eingebaut, der weit auf der trockenen Seite der Proctorkurve liegt, findet eine Krümelbildung des Bodens statt. Infolgedessen entstehen relativ große Makroporen. Um dies zu vermeiden, wird der Luftporengehalt auf höchstens 12 % (10 %-Höchstquantil) begrenzt. In anderen europäischen Ländern (z. B. Italien oder Spanien) wird bei feinkörnigen Böden anstelle des Luftporengehaltes der Wassergehalt begrenzt, z. B. indem der Wassergehalt um nicht mehr als 2 bis 4 % (absolut) unterhalb des optimalen Proctorwassergehaltes liegen darf. Durch eine solche Forderung kann letztlich auch die Bildung von Makroporen begrenzt werden.
Der dynamische Verformungsmodul Evd ist als Prüfmerkmal neu in die ZTV E-StB 09 nach langer Diskussion aufgenommen worden. Der dynamische Verformungsmodul Evd ist damit ein direktes Prüfmerkmal, allerdings nur auf dem Planum bei einem frostsicheren Untergrund/Unterbau, also bei Schichten mit weniger als 5 % Feinkorngehalt. Die Einschränkung auf Schichten mit einem Feinkorngehalt von weniger als 5 % ist damit begründet, dass bei den grobkörnigen Böden eine relativ gute Korrelation zwischen dem statischen Verformungsmodul Ev2 und dem dynamischen Verformungsmodul Evd vorhanden ist. Aus diesem Grund konnte der dynamische Verformungsmodul Evd als direktes Prüfmerkmal zugelassen werden.
3 Anforderungen an die Verdichtungskennwerte
Gemäß den ZTV E-StB 09 gelten die in der Tabelle 1 genannten Anforderungen an den Verdichtungsgrad und an den Luftporengehalt.
Tabelle 1: Anforderungen an den Verdichtungsgrad DPr und den Luftporengehalt na nach den ZTV E-StB 09 (Auszug)
Auch in der ZTV E-StB 09 sind die Anforderungen an die Verdichtungskennwerte als 10 %-Mindestquantilen (bzw. 10 %-Höchstquantil beim Luftporengehalt) definiert. Das Mindestquantil ist das kleinste zugelassene Quantil, unter dem nicht mehr als ein vorgegebener Anteil von Merkmalswerten (z. B. 10 %) der Verteilung zugelassen ist. Das Bild 1 verdeutlicht dies.
Bild 1: Veranschaulichung Mindestquantil
Die Mindestquantilanforderung bezieht sich immer auf die Grundgesamtheit. Sie steht in keinem Zusammenhang mit den später noch genannten Entscheidungsregeln bei statistischen Abnahmeprüfungen. Die Mindestquantilforderung trägt der Tatsache Rechnung, dass Bodenkennwerte als Zufallsvariablen aufgefasst werden müssen, die einer bestimmten Verteilung unterliegen. Als mathematisches Modell für die Verteilung kann eine Normalverteilung oder eine Lognormalverteilung angenommen werden. Bei den Prüfplänen der ZTV E-StB wird und wurde eine Normalverteilung angenommen.
Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, ist die in den ZTV E-StB 94/97 noch vorhandene Anforderung von DPr = 95 % Verdichtungsgrad in den ZTV E-StB 09 entfallen. Dies ist dadurch begründet, da mit den heutigen, im Erdbau eingesetzten Verdichtungsgeräten in der Regel eine Verdichtung von gemischt- und feinkörnigen Böden auf mehr als 97 % Verdichtungsgrad ohne Schwierigkeiten möglich ist. Zudem sind bei Dämmen, bei denen nur eine Anforderung von 95 % Verdichtungsgrad zugrunde gelegt worden ist, diverse Schadensfälle aufgetreten.
Die in der Tabelle 1 genannten Anforderungen gelten auch für Böden und Baustoffe nach den TL BuB E.
Des Weiteren ist in den ZTV E-StB 09 eine Anforderung von 100 % Verdichtungsgrad für standfeste Bankette und eine Anforderung von 97 % Verdichtungsgrad für Bankette, für die nicht explizit Standfestigkeit gefordert ist, neu aufgenommen.
Für den Verformungsmodul auf dem Planum gelten nach den ZTV E-StB 09 nachfolgend genannte 10 %-Mindestquantilanforderungen:
- bei frostsicherem Untergrund/Unterbau:
Bauklasse SV, I bis IV: Ev2 > 120 MN/m2 bzw. Evd > 65 MN/m2 Bauklasse V und VI: Ev2 > 100 MN/m2 bzw. Evd > 50 MN/m2
- bei frostempfindlichem Untergrund/Unterbau: Ev2 > 45 MN/m2
- nach qualifizierter Bodenverbesserung: Ev2 > 70 MN/m2
Die Anforderungen an den dynamischen Verformungsmodul Evd und die Anforderung an den statischen Verformungsmodul Ev2 nach qualifizierter Bodenverbesserung wurden neu aufgenommen.
4 Prüfmethoden
4.1 Allgemeines
In den ZTV E-StB 09 sind die Prüfmethoden im Abschnitt 14 Prüfung der erzielten Qualität ausführlich erläutert. Bei der Überprüfung der erzielten Qualität ist streng zu unterscheiden zwischen der Prüfmethode, dem Prüfverfahren und dem Prüfmerkmal (siehe Bild 2).
Bild 2: Beispiele für Prüfmethoden, Prüfverfahren und Prüfmerkmale
In der statistischen Qualitätskontrolle wird der Kennwert (z. B. statischer Verformungsmodul Ev2), der mit einem Prüfverfahren (z. B. statischer Plattendruckversuch nach DIN 18134) als
„Prüfmerkmal“ bezeichnet. Unter Prüfmethode wird die Vorgehensweise (z. B. Prüfmethode M1: Vorgehensweise gemäß statistischem Prüfplan) verstanden, mit der systematisch überprüft wird, ob die gestellte Anforderung (z. B. gefordertes Mindestquantil von Ev2 = 120 MN/m2 auf dem Planum bei frostsicherem Unterbau) eingehalten wird. Die Fläche, die hinsichtlich der Einhaltung der Anforderung überprüft werden soll, wird „Prüflos“ genannt. Ein Prüflos muss im weitesten Sinne unter einheitlichen Bedingungen verdichtet worden sein. Im gesamten Prüflos muss eine einheitliche Anforderung gelten.
In den ZTV E-StB 09 werden – wie bereits in den ZTV E-StB 94/97 – folgende Prüfmethoden unterschieden:
- Methode M1: Vorgehensweise gemäß (statistischem) Prüfplan,
- Methode M2: Vorgehensweise bei Anwendung flächendeckender dynamischer Messverfahren (FDVK),
- Methode M3: Vorgehensweise zur Überwachung des Arbeitsverfahrens.
Die Abschnitte 14.2.2 bis 14.2.4 in den ZTV E-StB 09, in denen die Prüfmethoden beschrieben sind, wurden straffer und prägnanter formuliert. Sie wurden wie folgt einheitlich aufgebaut:
- Als erstes erfolgt jeweils ein Hinweis, in welcher Technischen Prüfvorschrift (z. TP BF Teil E 1 für die Methode M1) die entsprechende Prüfmethode im Detail erläutert ist.
- Daran schließt sich eine Kurzbeschreibung der Methode in maximal 3 Sätzen
- Anschließend werden die bodenmechanischen Anwendungsgrenzen der Methode
- Danach folgen die Randbedingungen, wann die Methode vorteilhaft angewendet werden
- Anschließend wird die Vorgehensweise im Detail bei den einzelnen Methoden Diese Beschreibung ist Vertragsbedingung.
4.2 Zur Prüfmethode M1: Vorgehensweise gemäß statistischem Prüfplan
Bei der Methode M1 wird die statistische Verteilung des betrachteten Prüfmerkmals innerhalb eines Prüfloses auf Stichprobenbasis ermittelt. Auf Grundlage des Stichprobenergebnisses wird die Entscheidung getroffen, ob das Prüflos anzunehmen oder zurückzuweisen ist. Die Methode M1 ist bei jeder Bodenart anwendbar.
Am nachfolgenden Beispiel wird die Methode M1 erläutert.
Ausgangssituation: Im Planumsbereich einer Straße der Bauklasse II ist eine Fläche von 1.900 m2 unter einheitlichen Bedingungen verdichtet worden. Die verdichtete Fläche stellt das Prüflos dar. Ein Boden der Bodengruppe GW/GI steht an.
Ablauf der Prüfung bei Methode M1:
- Aus Abschnitt 5.2 der ZTV E-StB 09 kann entnommen werden, dass die Anforderung (10 % Mindestquantil) TM = Ev2 = 120 MN/m2 beträgt.
- Aus der Tabelle 7 der ZTV E-StB 09 wird der notwendige Stichprobenumfang n = 5 und der Annahmefaktor k = 0,88 in Abhängigkeit der Prüflosgröße (hier 900 m2) entnommen.
- Im Prüflos werden 5 statische Plattendruckversuche ausgeführt, wobei die Prüfstellen zufällig ausgewählt werden.
- Aus den n = 5 Prüfergebnissen wird der Mittelwert x̄ und die Standardabweichung s
- Danach wird die Prüfgröße z berechnet: z = x̄ – k s
- Die Entscheidungsregel lautet dann wie folgt:
- Prüflos annehmen, wenn z ≥ TM
- Prüflos ablehnen, wenn z < TM.
Gegenüber den ZTV E-StB 94/97 wurde in den ZTV E-StB 09 der Stichprobenumfang bei der Methode M1 reduziert. Dadurch soll der Anwendung der Prüfmethode M1 Vorschub geleistet werden. Mit einer Reduzierung des Stichprobenumfangs ist zwangsläufig auch eine Erhöhung des Auftragnehmerrisikos α und des Auftraggeberrisikos β (siehe TP BF Teil E 1) für Fehlentscheidungen verbunden. Dies wird jedoch in Kauf genommen.
Die Auswahl der Prüfpunkte muss bei der Methode M1 zufällig erfolgen. Dies ist Grundlage jedes statistischen Prüfplanes. Bei der zufälligen Auswahl der Prüfpunkte müssen jedoch nicht zwangsläufig die in den Teil TP BF Teil E 1 angegebenen Zufallsauswahlverfahren verwendet werden.
Auch bei der Prüfmethode M1 können einzelne Prüfpunkte, die aufgrund ihrer Lage auf Grund ingenieurmäßiger Kenntnis als potenzielle Schwachstellen identifiziert werden, separat geprüft werden. Solche potenziellen Schwachstellen hinsichtlich der Verdichtung sind beispielsweise Ecken bei Widerlagerhinterfüllungen oder Böschungsrandbereiche. Solche potenziellen Schwachstellen sind dann aus einem großflächigen Prüflos auszusparen.
In den ZTV E-StB 09 ist bei der Prüfmethode M1 der vorgeschriebene Prüfumfang gemäß der Tabelle 7 der ZTV E-StB 09 zu verdoppeln, sofern dynamische Plattendruckversuche mit dem Leichten Fallgewichtsgerät nach den TP BF Teil B 8.3 ausgeführt werden. Durch die Verdoppelung des Prüfumfanges wird eine größere Aussagesicherheit erhalten. Statistisch betrachtet wird durch die Verdoppelung des Prüfumfanges das Auftragnehmerrisiko α und das Auftraggeberrisikos β des Prüfplanes reduziert. Da der dynamische Plattendruckversuch nach den TP BF Teil B 8.3 in relativ kurzer Zeit (etwa 2 bis 5 min) auszuführen ist, ist bei einer Verdoppelung des Prüfumfanges der Aufwand immer noch begrenzt. Der zeitliche Aufwand für zwei dynamische Plattendruckversuche ist immer noch erheblich kleiner als der Aufwand für einen einzigen statischen Plattendruckversuch.
4.3 Zur Prüfmethode M2: Vorgehensweise bei Anwendung flächendeckender dynamischer Messverfahren (FDVK)
Bei der Methode M2 wird mit Hilfe eines an der Walze installierten Messgerätes aus der Wechselwirkung zwischen Walze und Boden flächendeckend ein dynamischer Messwert ermittelt, der mit der Steifigkeit (Ev2-Modul) und der Verdichtung (Verdichtungsgrad DPr) korreliert ist bzw. korreliert sein kann.
Der mit der Prüfwalze festgestellte dynamische Messwert ist ein indirektes Prüfmerkmal. Das indirekte Prüfmerkmal muss mit dem direkten Prüfmerkmal (z. B. Ev2-Modul) in einem Probefeld (Kalibrierfeld) korreliert werden.
Bei der Methode M2 erfolgt statistisch eine Vollprüfung, da flächendeckend geprüft wird. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber allen anderen Prüfmethoden, bei denen nur stichprobenartig das Prüfmerkmal festgestellt wird.
Die Methode M2 ist nur dann sinnvoll anwendbar, wenn der Korrelationskoeffizient zwischen dem indirekten Prüfmerkmal und dem direkten Prüfmerkmal größer als r = 0,7 ist. Ob ein Korrelationskoeffizient größer 0,7 erreicht wird, ist vor allem bodenartabhängig. Insbesondere bei Böden mit einem Feinkornanteil von weniger als 15 % kann ein Korrelationskoeffizient größer 0,7 zwischen dem Ev2-Modul und dem dynamischen Messwert erwartet werden. Je höher der Feinkornanteil ist, umso größer muss die Differenz zwischen Wassergehalt beim Proctoroptimum und natürlichem Wassergehalt sein, damit ein hoher Korrelationskoeffizient zu erwarten ist. Ein hoher Korrelationskoeffizient ist deshalb dann zu erwarten, wenn bei hohem Feinkornanteil der Boden stark auf der trockenen Seite des Proctorastes verdichtet wird.
Auch bei der Methode M2 ist in den ZTV E-StB 09 nun eine klare Entscheidungsregel auf statistischer Grundlage aufgenommen worden. Der Ablauf der Methode M2 ergibt sich damit wie folgt:
- Es wird ein Probefeld angelegt, in dem das indirekte Prüfmerkmal am direkten Prüfmerkmal kalibriert
- Anhand der Kalibrierfunktion wird ein Mindestquantil TM für die dynamischen Messwerte (FDVK-Werte)
- Das Prüflos wird abgewalzt und die dynamischen Messwerte festgestellt (Vollprüfung).
- Mittelwert μ und die Standardabweichung σ werden aus den N Prüfergebnissen des indirekten Prüfmerkmals berechnet (durch das Computerprogramm des Walzenherstellers).
- Die Prüfgröße z wird wie folgt errechnet z = μ – 1,28 • σ.
- Die Entscheidungsregel lautet:
- Prüflos annehmen, wenn z ≥ TM. Zusätzlich werden die dynamischen Messwerte in einem Flächenplot dargestellt. Anhand des Flächenplotes wird festgestellt, ob in der geprüften Fläche die Stellen, an denen das Mindestquantil unterschritten wird, gleichmäßig über das Prüflos verteilt sind. Wenn diese nicht gleichmäßig verteilt sind, müssen die Stellen durch Auftraggeber und Auftragnehmer gemeinsam beurteilt werden und dann im Einzelfall entschieden werden, ob das Prüflos angenommen wird oder
- Prüflos ablehnen, wenn z < TM. Eine Beurteilung des Flächenplotes ist in diesem Fall nicht mehr notwendig.
4.4 Zur Prüfmethode M3: Überwachung des Arbeitsverfahrens
Bei Methode M3 wird mittels einer Probeverdichtung der Nachweis der Eignung des eingesetzten Verdichtungsverfahrens erbracht. Auf Grundlage der Probeverdichtung wird eine Arbeitsanweisung aufgestellt. Die Einhaltung der Arbeitsanweisung muss bei den Verdichtungsarbeiten in einem Tagesprotokollheft dokumentiert werden. Zusätzlich wird eine Mindestanzahl an Eigenüberwachungsprüfungen ausgeführt.
In der Arbeitsanweisung sind für das Arbeitsverfahren festzulegen:
- das geeignete Verdichtungsgerät,
- die Arbeitsweise beim Einbau (Amplitude, Frequenz und Geschwindigkeit des Verdichtungsgerätes),
- die Anzahl der erforderlichen Verdichtungsübergänge,
- die Bodenart,
- die maximale Dicke der unverdichteten Schüttlage,
- die für das Verdichten zulässigen Einbauwassergehalte.
Bei der Verdichtung des Erdbauwerkes sind folgende Parameter in einem Tagesprotokollheft nachzuweisen:
- Stationierung (z. Baukilometrierung) nach Lage und Höhe,
- Schüttlagennummer, -breite, Dicke der unverdichteten Schüttlage,
- Anzahl der Übergänge je Schüttlage,
- Verdichtungsgerät mit Arbeitsparametern (Frequenz, Amplitude, Geschwindigkeit) je Schüttlage,
- die zugehörige Probeverdichtung,
- die Witterungsverhältnisse beim Einbau,
- eingebaute Bodenart und der Wassergehalt.
Schwierigkeiten bereitet oft die Feststellung der Anzahl der Übergänge je Schüttlage, da die Anzahl der Verdichtungsübergänge nicht durch unabhängige Personen durch Zählen festgestellt wird. Die Anzahl der Übergänge je Schüttlage soll deshalb mittels eines auf der Walze installierten GPS-Empfängers festgestellt werden (siehe Bilder 4 und 5).
Bild 4: GPS-Empfänger auf Messwalze
Bild 5: Dokumentation der Walzenübergänge in einem Prüflos (z. B. rot: weniger als 2 Übergänge) (Bild zur Verfügung gestellt von Firma Bomag)
Erst durch die Dokumentation mittels GPS-Empfänger wird eine unabhängige und wirtschaftliche Dokumentation der Anzahl der Übergänge mit der Messwalze je Schüttlage erreicht.
Zusätzlich zur Dokumentation zur Verdichtung im Tagesprotokollheft müssen die in der Tabelle 8 der ZTV E-StB 09 angegebene Anzahl von Eigenüberwachungsprüfungen mindestens ausgeführt werden. Die Auswertung dieser Prüfungen hat mit Hilfe der im Abschnitt 14.2.4 angegebenen statistischen Entscheidungsregeln zu erfolgen.
5 Dokumentation der Qualitätssicherung
In den ZTV E-StB 09 wurde neu der Abschnitt 15 Dokumentation der Qualitätssicherung aufgenommen. Danach sind sämtliche Maßnahmen zur Qualitätssicherung umfassend (tabellarisch, grafisch usw.) zu dokumentieren, sofern dies in der Leistungsbeschreibung ausgeschrieben ist. Für jedes Erdbauwerk ist damit ein Bestandsplan anzufertigen. Die Anfertigung von Bestandsplänen gehört in anderen Bereichen (z. B. bei Entwässerungsleitungen oder im Tunnelbau) schon lange zum Stand der Technik. Durch Bestandspläne für Erdbauwerke wird einerseits die erbrachte Leistung dokumentiert. Andererseits steht ein Hilfsmittel bei eingetretenen Schäden zur Verfügung, das bei der Suche nach der Schadensursache sehr hilfreich sein kann.
Folgende Informationen sollen – sofern zutreffend – in einem Bestandsplan für ein Erdbauwerk vorhanden sein:
- Geometrie des geschütteten Erdkörpers nach Lage (z. B. Koordinaten nach Gauß-Krüger, Stationierung ) und Höhe.
- Böden und Fels sowie sonstige Baustoffe nach ihrer Art und Herkunft. Die geschütteten Materialien sind räumlich gegeneinander abzugrenzen.
- Die Bereiche, in denen eine Bodenverbesserung/Bodenverfestigung durchgeführt wurde. Das verwendete Bindemittel ist nach Art und Menge (z. B. in kg/m3 oder in M.-%, usw.) anzugeben.
- Die Art der Verdichtung der Böschungsbereiche im Dammbereich (z. B. Böschungsüberschüttung mit nachfolgendem Abtrag, Böschungsverdichtung durch seilgeführte Walzen usw.).
- Die Ansatzpunkte aller Probenahmestellen für bodenmechanische Laborversuche und die Prüfpunkte aller bodenmechanischen Feldversuche (z. Plattendruckversuche, Dichtemessungen, Verdichtungsgrad usw.). Die Ergebnisse aller Versuche sind übersichtlich tabellarisch zusammengestellt zu übergeben.
- Die Messstellen und die Ergebnisse von Setzungsmessungen (und eventuell weiteren Verschiebungsmessungen).
- Die Ergebnisse der Ebenheitsmessungen auf dem Planum.
- Die Ansatzpunkte aller Probenahmestellen für chemische Untersuchungen. Die Ergebnisse aller chemischen Untersuchungen sind zusätzlich übersichtlich tabellarisch zusammengestellt zu übergeben.
- Ergebnisse von Sondierungen (Ramm- und Drucksondierungen), z. B. bei Brückenwiderlagern und Leitungsgräben sind maßstäblich in die Quer- und Längsschnitte des Erdbauwerkes einzutragen.
- Sämtliche erdbautechnischen und konstruktiven Maßnahmen zur Gewährleistung der Standsicherheit bei Einschnittsböschungen.
- Abdichtungen, gegebenenfalls mit Verlegeplan.
- Die Fläche und die Dicke des Auftrages von Oberboden auf der Böschung.
- Besondere Vorkommnisse (z. B. Böschungs- oder Grundbrüche, Austauschbereiche von bereits geschüttetem, nicht geeignetem und wieder ausgebautem Material) während der Herstellung.
- Alle Eignungsprüfungen.
- Andere Gewerke.
- Andere Messungen und Prüfungen.
6 Schlussbemerkung
In den neuen ZTV E-StB 09 wurden die bewährten Regelungen der ZTV E-StB 94/97 sinnvoll ergänzt und maßvoll erweitert. Es bleibt zu hoffen, dass diese Regelungen deutschlandweit in möglichst allen Bundesländern angewandt werden und sich der zusätzliche Regelungs-bedarf einiger Bundesländer in Grenzen hält, insbesondere dann, wenn zusätzliche Regelungen der Bundesländer von Personen aufgestellt werden, die im Entstehungsprozess der ZTV E-StB 09 nicht an den fachlichen Diskussionen teilgenommen haben.
Trotz ausgefeilter Regelungen in den ZTV E-StB 09 bleibt jedoch nach wie vor vernünftiger ingenieurmäßiger Sachverstand bei der Lösung von nicht geregelten Fällen die wichtigste Voraussetzung. Der weitergebildete, Neuem gegenüber aufgeschlossene Ingenieurverstand ist durch nichts zu ersetzen.
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