Die Baupraxis hat gezeigt, dass durch den Einsatz von Geokunststoffen die Befahrbarkeit von ungebundenen Tragschichten auf weichen Böden verbessert werden kann. Weiter kann durch den richtigen Einsatz von Geokunststoffen Tragschichtmaterial eingespart werden. Bisher wird bei der Bemessung meist empirisch vorgegangen. Die Schüttdicke wird so lange erhöht, bis sie ausreicht oder es wird konservativ eine auf der sicheren Seite liegende Dicke gewählt. Es gibt eine Reihe von Bemessungsverfahren, die aber nicht allgemeingültig für verschiedene Geokunststoffe eingesetzt werden können. Ferner existiert eine Fülle von Untersuchungen in der Literatur, die bestimmte Modellvorstellungen bestätigen, aber jeweils nur einzelne Aspekte berücksichtigen. Diese Verfahren sind daher nur sehr eingeschränkt geeignet, um auf unterschiedliche Baustellensituationen übertragbar zu sein. Eine umfassende Betrachtung und die Analyse aller Einflussfaktoren liegen bisher nicht vor. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden daher eine Reihe von Belastungsversuchen durchgeführt, welche das Ziel haben, Empfehlungen für den Einsatz von Geokunststoffen und die erforderlichen Schichtdicken in unbewehrten Tragschichten für unterschiedliche Anforderungen in der Praxis zu geben.

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

1 Einleitung

Die Tragfähigkeit von Wirtschaftswegen und Baustraßen ohne gebundene Tragschichten wird durch die Wahl des Tragschichtmaterials, der Tragschichthöhe, der Verdichtung des Tragschichtmaterials sowie der Tragfähigkeit des Untergrundbodens und dem Zusammenspiel der Bewehrung zwischen Untergrund und Tragschicht bestimmt. In der Literatur werden viele Untersuchungen mit unterschiedlichsten Randbedingungen berichtet, aus denen aber keine produktunabhängige Bemessungsansätze abgeleitet werden können.

In einer noch nicht abgeschlossenen Forschungsarbeit werden einige maßgebende Randbedingungen und Einflussfaktoren gewählt und im Detail untersucht. Mit eingehenden FEM Berechnungen konnten die Einflussgrößen und ihr Anteil an der Tragfähigkeitserhöhung untersucht und gewichtet werden und daraus die Vorgaben für die anschließenden kleinmaßstäblichen Modellversuche (Innendurchmesser des Versuchstopfes = 500 mm) mit statischer und zyklischer Belastung abgeleitet werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden großmaßstäbliche Modellversuche in einer Versuchgrube mit Abmessungen von 3,3 m auf 5,0 m und wirklichkeitsnahen Einbaubedingungen ebenfalls mit statischen und zyklischen Belastungen durchgeführt. Feldversuche unter Baustellenbedingungen sind noch geplant.

In dieser Veröffentlichung werden einzelne Ergebnisse der klein- und großmaßstäblichen Modellversuche vorgestellt.

2 Kleinmaßstäbliche Modellversuche

2.1 Versuchseinrichtung

Um die wesentlichen Einflussgrößen eines geokunststoffbewehrten Zwei-Schichten-Systems bzw. einer bewehrten, unbefestigten Straße ermitteln zu können, wurde aufbauend auf vorhergehenden ausführlichen FEM Berechnungen ein Versuch im Modellmaßstab konzipiert (siehe Bild 1).

Bild 1: Schematischer Aufbau der Modellversuche

In einem zylindrischen Versuchsbehälter mit einem Innendurchmesser von 500 mm wurde dazu eine weiche Bodenschicht zur Simulation des Untergrundes eingebaut. Darauf wurde eine Geokunststofflage gelegt und das Tragschichtmaterial statisch verdichtet. Über einen Laststempel (D = 50 mm) konnte eine statische bzw. zyklische Last aufgebracht werden. Dabei wurde die Verformung des Laststempels und der Oberfläche der Tragschicht gemessen. Zusätzlich wurde in einigen Versuchsreihen die Änderung des Porenwasserdruckes in der weichen Bodenschicht gemessen.

2.2 Einbau des weichen Untergrundes

Für jeden Versuch wurde der weiche Untergrund (siehe Bild 2) neu aufbereitet und homogen und ohne Lufteinschlüsse in einer Mächtigkeit von mindestens h_ss = 20 cm eingebaut. Dazu wurde der Boden zunächst bei einem Wassergehalt von 80 M.-% gemischt und in den Behälter eingefüllt.

Danach wurde der Boden unter einem vollflächigen Stempel statisch über einen Zeitraum von 2 Tagen konsolidiert. Über die Größe der statischen Auflast konnte die gewünschte Scherfestigkeit c_u gezielt hergestellt werden. Durch diese Art des Bodeneinbaus konnten sehr homogene Dichten, Wassergehalte und Festigkeiten im Versuchsbehälter erzeugt wer- den. Dies wurde vorab durch Sondierungen mit einer Handflügelsonde zur Ermittlung der undrainierten Scherfestigkeit c_u und durch die Bestimmung des Wassergehaltes w und der Dichte ρ nachgewiesen.

Bild 2: Verwendete Böden im kleinmaßstäblichen Modellversuch

 2.3 Geokunststoffe und Tragschichtmaterial

Um den Modellmaßstäben des Versuchsaufbaus gerecht zu werden, wurden ein gitterartiger Geokunststoff (GT-1) und ein Vliesstoff (GT-2) verwendet, deren mechanische Kenngrößen nicht im praxisüblichen Bereich, sondern in allen Werten deutlich darunter liegen.

Tabelle 1: Parameter der „Geokunststoffe“ für die kleinmaßstäblichen Modellversuche

Nach der Konsolidation des Untergrundes wurde die Geokunststofflage straff auf die glatte Oberfläche des Untergrundes eingelegt.

Darauf wurde das Tragschichtmaterial (siehe Bild 2) mit einem konstanten Wassergehalt von w = 5 M.-% eingebaut. Die Verdichtung auf ρ_d = 1,85 g/cm³ erfolgt analog der Konsolidierung des weichen Untergrundes durch einen vollflächigen Stempel durch statische Belastung über einen Zeitraum von 2 Minuten, so dass eine Veränderung der Scherfestigkeit des weichen Untergrundes verhindert wurde. Die Tragschichthöhen h_bc wurden in Abhängigkeit vom Durchmesser des Belastungsstempels festgelegt und variierten von 0,5 × D bis 1,5 × D.

2.4 Versuchsdurchführung

Als Ausgangsgröße für die Bewertung der Versuchsaufbauten wurde zunächst die Tragfähigkeit des weichen Untergrundbodens alleine und anschließend die des unbewehrten und die des bewehrten Systems im statischen Belastungsversuch ermittelt. Hierfür wurde die mögliche Belastung des Laststempels bei einer Eindringung von s = 20 mm (s / D = 0,4) zugrunde gelegt.

Bild 3: Modellversuch mit Laststempel und Sensoren zur Verformungsmessung

Nach der Versuchsreihe mit statischen Versuchen wurden Belastungsversuche mit zyklischen Belastungen durchgeführt. Die mittlere Spannung unter dem Laststempels wurde sinusförmig zwischen 5 kPa und 105 kPa mit einer Frequenz von 1 Hz eingestellt. Für die Auswertung wurde die Setzung des Laststempels nach 100.000 Lastwechseln zugrunde gelegt, soweit diese erreicht werden konnten.

2.5 Statische Belastungsversuche

Exemplarisch werden hier für das Produkt GT-2 die statischen Tragfähigkeiten q_s, welche bei Tragschichthöhen von 0,5 × D, 0,75 × D, 1,0 × D und 1,5 × D erreicht wurden, dargestellt. Die undrainierte Scherfestigkeit des Untergrundbodens lag in einem Bereich zwischen c_u = 5 kPa und 35 kPa.

Bild 4: Ergebnisse der statischen Belastungsversuche im Modellversuch für den Geokunststoff GT-2

Die Versuche zeigen, dass bei einer geringen Tragschichthöhe (0,5 × D) unabhängig von der Untergrundscherfestigkeit eine Geokunststofflage kaum zu einer Verbesserung der Tragfähigkeit führt. Bei größeren Tragschichtdicken (ab 0,75 × D) und geringen Untergrundtragfähigkeiten bewirkt die Einlage eine deutliche Erhöhung der Tragfähigkeit des Systems, während diese bei höheren Untergrundtragfähigkeiten (hier ab c_u = 30 kPa) nur noch gering ausfällt. Eine Vergrößerung der Tragschichtdicke über 1,0 × D hinaus bringt bei den bewehrten Systemen keine zusätzliche Erhöhung der Tragfähigkeit. In der Tabelle 2 ist das Verhältnis der Tragfähigkeit q_s des unbewehrten und des mit Vliesstoff (GT-2) dargestellt.

Tabelle 2: Statische Belastungsversuche, Tragfähigkeiten q_s bei c_u = 20 kPa

2.6 Zyklische Belastungsversuche

Zyklische Belastungsversuche wurden im Modellversuch unter denselben Randbedingungen wie bei den statischen Versuchen durchgeführt. Das heißt, Tragschichthöhen, Untergrundfestigkeit und Bewehrung waren in beiden Versuchsreihen identisch.

Für eine vergleichende Auswertung werden die Verformungen bezogen auf den Durchmesser des Laststempels s/D nach 100.000 Lastzyklen dargestellt. Im Bild 2.5 sind die Ergebnisse der unbewehrten Tragschichtaufbauten dargestellt.

Bei den unbewehrten Systemen zeigt sich auch in den zyklischen Versuchen, dass erst bei Tragschichtdicken von mehr als 0,75 × D eine deutliche Reduzierung der Verformungen erzielt wird.

Bild 5: Verformungen nach 100.000 zyklischen Belastungen im Modellversuch, unbewehrte Systeme

Mit einer Tragschichtdicke von 0,5 × D wird gegenüber der Tragfähigkeit des Untergrundes alleine keine Verbesserung der Tragfähigkeit erreicht. Hier konnte durch die Einlage der Geokunststoffe eine erhebliche Reduzierung der Verformungen nach zyklischer Belastung erreicht werden (Bild 6). Bei Verwendung des steiferen „Geogitters“ (GT-1) sind kleinere Verformungen als bei dem dehnweicheren Vliesstoff (GT-2) zu beobachten. Der Einfluss der Bewehrung auf die Setzungen verringert sich bis zu einer Scherfestigkeit des weichen Untergrundes von c_u = 30 kPa kontinuierlich.

Bild 6: Verformungen nach 100.000 zyklischen Belastungen im Modellversuch für Tragschichtdicke 0,5 × D

Tabelle 3: Zyklische Belastungsversuche bei c_u = 20 kPa, h_bc = 0,5 × D

In der Tabelle 3 sind die relativen Setzungen für eine Tragschichthöhe von h_bc = 0,5 × D und einer Festigkeit des Untergrundes von c_u = 20 kPa zusammengefasst. Bei dieser Tragschichthöhe und Untergrundfestigkeit wurde die maximale Effektivität einer Geokunststoffzwischenlage erreicht. Es zeigt sich, dass bereits mit dem gering zugfesten Vliesstoff GT-2 eine Reduzierung der Setzung um 57 % im Vergleich zum unbewehrten Tragschichtsystem erreicht wird. Das steifere und festere Gitter GT-2 bewirkte sogar eine Setzungsreduktion von 75 %.

Bei Scherfestigkeiten des Untergrundes von mehr als c_u = 30 kPa nehmen sowohl die Auswirkungen der Tragschichtdicke als auch die der Bewehrungseinlagen auf die Tragfähigkeit stark ab (D(s/D) < 0,1). Dies spiegelt sich in kleinen Faktoren der relativen Setzung s/D wieder (Tabelle 4).

Tabelle 4: Exemplarische Ergebnisse der zyklischen Belastungsversuche mit Bewehrung aus Vliesstoff (GT-2)

3 Großmaßstäbliche Modellversuche

3.1 Versuchseinrichtung

Die in dieser Forschungsarbeit untersuchten geokunststoffbewehrten ungebundenen Tragschichten haben die Aufgabe, Lasten aus temporärem Baustellenverkehr oder den Verkehr untergeordneter Wirtschaftswege der Land- und Forstwirtschaft aufzunehmen. Diese Situation wurde in einem großmaßstäblichen Versuchsaufbau nachgebildet. Der Aufbau des Untergrundes, des Geokunststoffes und der Tragschicht wurde in einer Grube mit einer Grundfläche von 3,3 m × 5,0 m realisiert (Bild 7).

Bild 7: Versuchsanordnung großmaßstäbliche Belastungsversuche

Durch eine kreisrunde starre Lastplatte mit dem Durchmesser D = 300 mm wurde mittels Ölhydraulik eine statische bzw. zyklische Last an der Oberfläche der Tragschicht aufgebracht. Die sich dabei einstellenden zeit- bzw. zyklenabhängigen Setzungen der Lastplatte, die Verformung der Tragschichtoberfläche sowie sich verändernde Porendrücke im weichen Untergrund wurden aufgezeichnet.

Der Versuchsaufbau und die Lage der Sensoren sind im Bild 7 dargestellt.

3.2 Untergrundboden, Aufbereitung, Einbau

Als Material für den weichen Untergrund wurde ein leicht plastischer Ton aus einer externen Aufbereitung mit gering schwankendem Wassergehalt verwendet. Plastizität und Kornverteilung des Bodens sind im Bild 8 dargestellt. Der Ton wurde bei einem Wassergehalt von 18 M.-% mittels 1.500 kg schwerer Grabenwalze (Schaffußbandage) in 3 Lagen statisch verdichtet (siehe Bild 8). Die Gesamtmächtigkeit des weichen Untergrundes betrug 0,90 m.

Nach der Verdichtung wurden die Dichte r, der Wassergehalt w und die undrainierte Scherfestigkeit c_u des weichen Untergrundes mittels Handflügelsonde in einem Raster von etwa 1,0 m × 1,0 m bestimmt. Die Ergebnisse zeigten eine im engen Bereich schwankende Scherfestigkeit c_u sowie einen in der Fläche homogenen Wassergehalt.

Bild 8: Verwendete Böden im großmaßstäblichen Modellversuch

Bild 9: Bodeneinbau großmaßstäbliche Modellversuche

3.3 Geokunststoffe und Tragschichtmaterial

Als Bewehrung kamen jeweils ein Vliesstoff (GT-3), ein Geogitter (GT-4) sowie ein Verbundstoff (GT-5), bestehend aus dem Geogitter (GT-4) und dem Vliesstoff (GT-3), zum Einsatz (siehe Tabelle 5).

Tabelle 5: Parameter der Geokunststoffe für die großmaßstäblichen Modellversuche

Als Tragschichtmaterial wurde ein rundkörniger weitgestufter Kies in unterschiedlichen Mächtigkeiten von 0,5 × D (= 150 mm) bis 1,5 × D eingebaut (siehe Bild 8). Die Tragschicht wurde bei einem Wassergehalt von 5 M.-% für jeden Versuchsaufbau in 4 Übergängen mit einer 140 kg schweren Rüttelplatte dynamisch verdichtet.

3.4 Zyklische Belastungsversuche

In der Tabelle 6 sind die Parameter der durchgeführten Versuchsreihen dargestellt. Variiert wurden sowohl die Bewehrung und die Höhe der Tragschicht als auch die Festigkeit des Untergrundes in einer Versuchsreihe.

Tabelle 6: Parameter der zyklischen Belastungsversuche im großmaßstäblichen Modellversuch

Die zyklische Belastung s_c,max wurde je nach System bei 350 kPa, 450 kPa und 550 kPa mit einer Frequenz von 0,3 Hz eingestellt. Die Charakteristik der zyklischen Belastung ist im Bild 10 gegeben. Es wurden Versuche mit bis zu 100.000 Lastzyklen durchgeführt. Ergänzend wurden statische Belastungsversuche durchgeführt, die jedoch hier nicht gezeigt werden.

Bild 10: Zyklische Belastung

Im Rahmen dieses Beitrages werden 4 Versuchsreihen vergleichend diskutiert. Diese umfassen jeweils das jeweils unbewehrte und die mit den Geokunststoffen GT-3, GT-4 und GT-5 bewehrten Systeme. Die Tragschichtdicken betrugen 0,5 × D und 1,0 × D. Die zyklische Belastung σ_c,max variiert zwischen 350 kPa und 550 kPa. Die Bilder 11 bis 14 zeigen die zyklenabhängigen Verläufe der bezogenen Setzungen s/D der Lastplatte.

Exemplarisch sind in den Bildern 11 bis 14 die auf den Durchmesser der Belastungsplatte bezogenen Setzungen in Abhängigkeit von der Zyklenzahl aufgetragen. Bei geringer Tragschichtdicke (h_bc = 0,5 × D = 150 mm) und vergleichsweise moderater Belastung (σ_c,max = 350 kPa; Bild 11) ist zwischen den Produkten GT-3 und GT-4 ein Unterschied zum unbewehrten System, jedoch kaum ein Unterschied zwischen den beiden Produkten zu erkennen. Eine deutliche Verbesserung bringt hier der Verbundstoff GT-5.

Bei Erhöhung der Last (σ_c,max = 450 kPa; Bild 12) und sonst gleichen Randbedingungen nehmen auch die Verformungen für den Verbundstoff zu. Es ist kein entscheidender Unterschied zwischen den 3 Produkten festzustellen. Bei gleicher Last (450 kPa) aber größerer Tragschichtdicke (h_bc = 1,0 × D = 300 mm; Bild 13), tritt die positive Wirkung des Verbundstoffes wieder auf. Die Unterschiede im Verhalten von GT-3 und GT-4 sind vernachlässigbar.

Bild 11: Zyklische Belastung σ_c,max = 350 kPa, c_u = 30 kPa, h_bc = 0,5 × D

Bild 12: Zyklische Belastung σ_c,max = 450 kPa, c_u = 30 kPa, h_bc = 0,5 × D

Bild 13: Zyklische Belastung σ_c,max = 450 kPa, c_u = 30 kPa, h_bc = 1,0 × D

Bild 14: Zyklische Belastung σ_c,max = 550 kPa, c_u = 30 kPa, h_bc = 1,0 × D

Erst bei deutlich höherer Belastung (σ_c,max = 550 kPa; Bild 14), unter sonst gleichen Randbedingungen, ist ein Versagen des Vliesstoffes zu erkennen, während zwischen den dehnsteifen Produkten GT-4 und GT-5 zu Beginn der zyklischen Belastungen kein Unterschied in der Wirkung mehr zu beobachten ist. Erst bei höheren Zyklenzahlen zeigt der Verbundstoff wieder Vorteile. Eine zusammenfassende Auswertung der Versuche bei einer Zyklenzahl von n = 1.000 zeigt das Bild 15.

Bild 15: Zusammenfassung der Setzungen nach n = 1.000 Zyklen der Versuche mit einer Festigkeit des Untergrundes von c_u = 30 kPa

4 Zusammenfassung

Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden ca. 60 klein- und ca. 40 großmaßstäbliche statische sowie zyklische Belastungsversuche unter definierten Randbedingungen hinsichtlich Bodenaufbereitung und Belastung durchgeführt. Die Untersuchungen haben mitunter die Erfahrungen aus der Baupraxis bestätigt und können durch Rückbindung an aktuelle Feldversuche (u. a. Cuelho et al.; Perkins et al.; Christopher, et al.) im Weiteren zum Abgleich von Bemessungsansätzen, insbesondere von numerischen Simulationsrechnungen mittels Finite-Elemente-Verfahren, dienen. Die weitergehende Auswertung der Versuche ist noch im Gange und wird im Abschlussbericht der Forschungsarbeit mitgeteilt.

5 Literaturverzeichnis

BASt FA 5.140 Einsparung von hochwertigen Dammbaustoffen durch die Erhöhung der Tragfähigkeit von direkt befahrenen Schüttungen mit Geokunststoffen Research report in preparation

Cuelho, E.; Perkins, S.: Field investigation of Geosynthetics used for subgrade stabilization, Final report, FHMA/MT-09-003/8193, July 2009

Perkins, S., Christopher, B., Lacina, B.: Mechanistic-empirical design method for unpaved roads using geosynthetics, Proceedings of EuroGeo4, Edinburgh, 2008

Christopher, B.; Perkins, S.: Full Scale testing of geogrids to evaluate junction strength requirements for reinforced roadway base design, Proceedings of EuroGeo4, Edinburgh, 2008