In dieser Diplomarbeit geht es um die Untersuchung des elastischen und plastischen Verformungsverhaltens von mit Geogittern bewehrten Tragschichten im Erdbau.
Die Problemstellung sieht wie folgt aus:
Verkehrsflächen werden durch die Reifen von Fahrzeugen mit zum Teil hohen Lasten beansprucht. Um die Verkehrsflächen dauerhaft zu befestigen, werden Tragschichten aus Schotter zu Beispiel der Körnung 0/45 mm verwendet. Die Schottertragschicht muss eine gute Lastverteilung sicherstellen, so dass beim Übergang zum gewachsenen Baugrund dessen in der Regel deutlich geringere Scherfestigkeit durch die verbleibenden Beanspruchungen nicht überschritten wird.
Bei Tragschichten auf weichen Böden kann eine ausreichende Tragfähigkeit und die Minimierung von Setzungen häufig nur durch Zusatzmaßnahmen, z.B. die Bewehrung mit Geogittern, sichergestellt werden. Die Geogitter weisen im Gebrauchslastbereich ein ausgeprägt elastisches Materialverhalten auf, d.h. die bei Lastüberfahrten auftretenden Setzungen „federn“ quasi zunächst in die Ausgangslage zurück. Demgegenüber verhalten sich Kalkstabilisierte Böden quasi starr. In den üblicherweise für Kontrolluntersuchungen eingesetzten Plattendruckversuchen führt das starre Verhalten zu höheren EV2-Modulen und damit zu einer günstigeren Bewertung.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird zunächst anhand numerischer
Simulationen des Plattendruckversuches bzw. wiederholter Lastwechsel, wie sie bei Überfahrten von Verkehrsflächen auftreten, untersucht ob das elastische Verhalten der Geogitter zu einer Reduzierung der plastischen Setzung gegenüber unbewehrten Tragschichten führt.
Darüber hinaus wird ein Feldversuch geplant, mit dem die Ergebnisse der numerischen Simulation in der Praxis überprüft werden können.
Das endgültige Ziel ist es, aus den Untersuchungsergebnissen ein optimiertes Dimensionierungsverfahren für die Bewehrung von Tragschichten mit Geogittern abzuleiten.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Aufgabenstellung
3 Grundlagen für Tragschichten im Erdbau
3.1 Straßenaufbau
3.2 Anforderungen an die Tragschichten
3.2.1 Tragschichten auf weichen Böden
3.3 Zusatzmaßnahmen
3.3.1 Erhöhung der Tragschichtdicke
3.3.2 Stabilisierung des Baugrundes durch Kalken
3.3.3 Bewehren der Tragschicht mit Geogittern
4 Konsolidation
4.1 Allgemeines
4.1.1 Unterkonsolidiert
4.1.2 Normalkonsolidiert
4.1.3 Überkonsolidiert
4.2 Abgrenzung und Voraussetzung
4.3 Grundlagen der Theorie
5 Numerische Simulation
5.1 Grundlagen des Rechenmodells
5.1.1 Das Input - Programm
5.1.2 Das Calculations - Programm
5.1.3 Das Output - Programm
5.1.4 Das Curves - Programm
5.2 Aufzählung der Stoffgesetze
5.3 Auswahl der relevanten Stoffgesetze
6 Auswertung und Vergleich der numerisch simulierten Modelle
6.1 Ergebnisse eines früheren Feldversuches
6.2 Numerische Simulation des Plattendruckversuches
6.3 Ergebnisanalyse zur numerischen Berechnung einer LKW-Überfahrt
6.3.1 Einfluss des FE-Netzes auf das Rechenergebnis
6.3.2 Konsolidationsberechnungen mit einem Lastwechselspiel und einer Variation der Bodenkennwerte
6.3.3 Konsolidationsberechnungen mit einem Lastwechselspiel und einer Variation der Belastungsgröße
6.3.4 Weitere Lastabhängige Konsolidationsberechnungen unter Berücksichtigung eines anderen PET Produktes
6.3.5 Spannungen in der Fuge zwischen Schotter und Lehm
6.3.6 Betrachtung der Dehnung und axialen Kraft im Geogitter
7 Feldversuch
7.1 Planung des Feldversuches
7.2 Vorbereitung des Feldversuches
8 Fazit
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Literaturverzeichnis
1 Einleitung
In dieser Diplomarbeit geht es um die Untersuchung des elastischen und plastischen Verformungsverhaltens von mit Geogittern bewehrten Tragschichten im Erdbau.
Die Problemstellung sieht wie folgt aus:
Verkehrsflächen werden durch die Reifen von Fahrzeugen mit zum Teil hohen Lasten beansprucht. Um die Verkehrsflächen dauerhaft zu befestigen, werden Tragschichten aus Schotter zu Beispiel der Körnung 0/45 mm verwendet. Die Schottertragschicht muss eine gute Lastverteilung sicherstellen, so dass beim Übergang zum gewachsenen Baugrund dessen in der Regel deutlich geringere Scherfestigkeit durch die verbleibenden Beanspruchungen nicht überschritten wird.
Bei Tragschichten auf weichen Böden können eine ausreichende Tragfähigkeit und die Minimierung von Setzungen häufig nur durch Zusatzmaßnahmen, z.B. die Bewehrung mit Geogittern, sichergestellt werden. Die Geogitter weisen im Gebrauchslastbereich ein ausgeprägt elastisches Materialverhalten auf, d.h. die bei Lastüberfahrten auftretenden Setzungen „federn“ quasi zunächst in die Ausgangslage zurück. Demgegenüber verhalten sich Kalkstabilisierte Böden quasi starr. In den üblicherweise für Kontrolluntersuchungen eingesetzten Plattendruckversuchen führt das starre Verhalten zu höheren EV2-Modulen und damit zu einer günstigeren Bewertung.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird zunächst anhand numerischer Simulationen des Plattendruckversuches bzw. wiederholter Lastwechsel, wie sie bei Überfahrten von Verkehrsflächen auftreten untersucht ob das elastische Verhalten der Geogitter zu einer Reduzierung der plastischen Setzung gegenüber unbewehrten Tragschichten führt.
Darüber hinaus wird ein Feldversuch geplant, mit dem die Ergebnisse der numerischen Simulation in der Praxis überprüft werden können.
Das endgültige Ziel ist es, aus den Untersuchungsergebnissen ein optimiertes Dimensionierungsverfahren für die Bewehrung von Tragschichten mit Geogittern abzuleiten.
2 Aufgabenstellung
Im Einzelnen sind folgende Aufgaben zu bearbeiten:
1. Mit Hilfe des Programms PLAXIS und des vorhandenen Simulationsmodells für den Plattendruckversuch ist die Wirkung von Geogitterlagen in einer Tragschicht auf weichem bindigen Boden zu untersuchen. Dabei sind insbesondere die plastischen Setzungen der bindigen Schicht bei periodisch wiederkehrender Belastung zu erfassen. Variationen der Randbedingungen sind einzubeziehen.
2. Es ist ein Feldversuch für die Überprüfung bzw. Bestätigung des Rechenmodells zu planen.
3. Die Ergebnisse der Berechnung sind in einer geeigneten Form auszuwerten und hinsichtlich der Tragwirkung der geogitterbewehrten Tragschichten zu bewerten.
3 Grundlagen für Tragschichten im Erdbau
3.1 Straßenaufbau
Der Aufbau einer Verkehrsfläche wird in drei Bereiche unterteilt:
- Oberbau
- Unterbau
- Untergrund
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.1-1: Beispiel für einen Straßenaufbau gemäß ZTVT-StB 95/98
Oberbau:
Der Oberbau umfasst alle Schichten, die zur Gewährleistung der Tragfähigkeit der Verkehrsfläche baulich erforderlich sind, also alle Tragschichten! Normalerweise sieht man vom Oberbau nur die Deckschicht (Asphalt, Beton, Pflaster, Platten). Der gesamte Oberbau besteht aber aus diversen Schichten verschiedener Materialien. Der Oberbau einer Fahrbahn hat normalerweise eine Gesamtdicke von 40 – 90 cm. Für Geh- und Radwege beträgt die Gesamtdicke in der Regel 20 – 40 cm. Die Abfolge und Dicke der einzelnen Schichten des Oberbaus ist in Deutschland durch die RStO oder durch Vorgaben der örtlichen Tiefbauämter geregelt.
Unterbau:
Als Unterbau wird der künstlich erstellte Erdkörper zwischen Oberbau und Untergrund bezeichnet, der vorrangig zur Erreichung der Höhenlage der Straße notwendig ist (z.B. Dammschüttungen). Für den Unterbau gelten die gleichen Anforderungen an die Tragfähigkeit wie für den Untergrund.
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] auf dem Erdplanum.
Untergrund:
Der Untergrund ist der unterhalb des Oberbaus oder des Unterbaus anstehende Boden oder Fels. An den Untergrund gibt es im Straßenbau bestimmte Anforderungen bezüglich der Tragfähigkeit. Normalerweise sollte ein Verformungsmodul (EV2 –Wert) von mindestens 45 MN/m2 auf dem Erdplanum erreicht werden.
Wird dieser Wert nicht erreicht, kann durch Bodenaustausch, Bodenverfestigung durch Kalken oder das Verlegen von Geogittern und Vliesen die Tragfähigkeit erhöht und somit verbessert werden.
3.2 Anforderungen an die Tragschichten
Die Grundfunktion der Tragschicht besteht in ihrer lastverteilenden Wirkung! Um eine ausreichende Tragfähigkeit der Tragschicht zu erreichen, ist es notwendig, den vorhandenen Untergrund und die eventuell nachträglich aufgetragene Tragschicht ausreichend zu verdichten. Diese Verdichtung sollte, wenn möglich mit Walzen oder schweren Rüttelplatten durchgeführt werden. Die Prüfung der erreichten Festigkeit ist besonders wichtig.
Die Tragschicht sollte in einer Stärke von mindestens 15 cm geplant sein. Außerdem ist die Dicke noch abhängig von der Frostempfindlichkeit des Bodens, der Feuchtigkeit des Untergrundes und der Belastung.
Die Praxis zeigt, dass Tragschichten meist in Dicken von 20 bis 25 cm hergestellt werden.
Tragschichten ohne Bindemittel können sein:
- Frostschutzschicht
- Kiestragschicht
- Schottertragschicht
Tragschichten mit Bindemittel können sein:
- Bodenverfestigung als Tragschicht
- Kiestragschichten mit hydraulischen Bindemitteln
- Schottertragschichten mit hydraulischen Bindemitteln
- Betontragschichten
3.2.1 Tragschichten auf weichen Böden
Unter Tragfähigkeit wird die maximal aufnehmbare Kraft des Bodens verstanden, bis zu der es zu keiner bzw. innerhalb der Toleranzgrenzen liegenden Setzung des Untergrundes kommt.
Besonders auf weichen Böden die schnell bei Belastung nachgeben und sich Verformen, ist es wichtig und unvermeidbar zusätzliche Maßnahmen zu treffen um eine ausreichende Tragfähigkeit zu erlangen!
Zusatzmaßnahmen: Erhöhung der Tragschichtdicke
Stabilisierung des Baugrundes durch Kalk Bewehren der Tragschicht mit Geogittern
3.3 Zusatzmaßnahmen
3.3.1 Erhöhung der Tragschichtdicke
Ohne die Zuhilfenahme von Bewehrung oder Bindemitteln zur Verfestigung die gibt es die Möglichkeit die Tragschichtdicke zu erhöhen.
Für die Erhöhung der Tragschicht ist ein zusätzlicher Bodenaushub erforderlich und die neue Tragschicht aus grobkörnigem Material wird dafür aufgetragen. Durch diese Maßnahme entstehen allerdings hohe Kosten für den Transport/Abfuhr des Bodenaushubs und die Deponierungsgebühr.
Häufig verwendete Tragschichten werden aus Schotter mit den Körnungen 0/32 mm, 0/45 mm oder 0/56 mm hergestellt! Die am meisten verwendete ist die 0/45 mm, sie ist zugleich eine meist ausreichend gute Frostschutzschicht.
Wenn auf einem relativ weichen Erdplanum aus bindigen Boden ein nichtbindiger Boden aufgebracht und verdichtet wird, nimmt dieser Untergrund einen großen Teil der aufgebrachten Verdichtungsarbeit ab, ohne wegen des hohen Wassergehaltes seine Dichte ändern zu können. Trotz lang andauernder Einwirkung durch Verdichtungsgeräte ist nur eine verhältnismäßig geringe Verdichtung des nichtbindigen Materials möglich.
Beispiel:
Bei einem niedrigen Verformungsmodul des Erdplanums (zwischen 10 MN/m2 und 30 MN/m2) wird eine dicke der (Frostschutz-) Tragschicht von etwa 60 cm benötigt, um mit den üblichen Verdichtungsgeräten Verdichtungsgerade von 103% zu erreichen.
Bei geringer Dicke der Tragschicht verläuft die Druckausbreitung unter einer Versuchslastplatte verhältnismäßig steil und reicht noch relativ weit in den Untergrund hinein.
Die ungebundene Tragschicht muss eine gute lastverteilende Wirkung und einen hohen Verformungswiderstand aufweisen. Um den Abbau von Spannungen mit der Tiefe zu gewährleisten. Die Schichtdicke und die Materialien sollen so gewählt werden, dass die Beanspruchungen durch Verkehr und Eigenlasten nur elastische Verformungen hervorrufen, damit keine Spurrinnen oder sonstige Verformungen an der Straßenoberfläche auftreten. Die Spannungen werden hauptsächliche durch die Reibung des Korngerüstes und die Verspannung der Einzelkörner des Korngemisches untereinander abgebaut. Vorraussetzung dafür ist ein zusammenhängendes, homogen zusammengesetztes Grobkorngerüst mit geringem Porenanteil. Bei dichterer Lagerung haben die Körner wesentlich mehr Kontaktflächen für Reibung und es entsteht eine bessere Verzahnung. Letztendlich wird Reibung durch geringfügige Verschiebung der Körner untereinander erzeugt.
Die geforderten Verformungsmoduln aus der Zweitbelastung auf der Tragschicht sind abhängig von der Schichtdicke der Tragschicht und dem geforderten Verformungsmodul auf der darunter liegenden Frostschutzschicht. Bei einem geforderten Verformungsmodul auf der Frostschutzschicht von Ev2 = 120 MN/m2 bzw. Ev2 = 100 MN/m2 müssen folgende Ev2-Werte auf der Tragschicht erreicht werden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Sind Kies- oder Schottertragschichten direkt auf dem Planum vorgesehen, so muss bei Straßen der Bauklassen SV und I – IV auf diesen Schichten ein Verformungsmodul von Ev2 = 150 MN/m2 und bei Straßen der Bauklasse V – VI sowie bei Verkehrsflächen, die keiner Bauklasse zugeordnet sind, ein Verformungsmodul von Ev2 = 120 MN/m2 erreicht werden.
Die Frostschutz- bzw. Tragschichten im Straßenbau sind zwischen min. 40 cm und max. 80 cm dick.
3.3.2 Stabilisierung des Baugrundes durch Kalken
Das Hauptanwendungsgebiet für Feinkalke und Kalkhydrate ist die Bodenverbesserung. Das Verfahren der Bodenverbesserung mit Kalkhydrat wird bei feinkörnigen und bei gemischtkörnigen Böden mit hohem Wassergehalt angewendet, nach der DIN 1060.
Will man mit Feinkalk oder Kalkhydrat eine Bodenverfestigung erreichen, so muss der Bindemittelanteil mindestens 4Gew.% betragen. [2]
Die Kalkmenge ist auf die Trockenmasse des Bodens bezogen.
Für eine Bodenverfestigung mit Kalk ist im Rahmen einer Eignungsprüfung (nach ZTVE-StB) der Nachweis der Frostsicherheit zu erbringen.
Um auf lange Sicht Beschädigungen durch den Verkehr und Abwitterungen zu verhindern, müssen auf die verfestigte Tragschichten Deckschichten nach TV-LW unter Beachtung der erforderlichen Mindestdicken aufgebracht werden.
Die Dicke der verfestigten Schicht ist in Abhängigkeit vom Bauzweck und von den Bodenverhältnissen festzulegen. Aus bautechnischen Gründen sind Dicken aber von mindestens 15 cm vorzusehen!
Wirkungsweise
Mit der Kalkzugabe werden im Boden schnell ablaufende chemisch-elektrostatische Vorgänge eingeleitet. Hierbei ändern sich die Oberflächenkräfte der Tonmineralien durch Ionenaustausch mit den zugeführten Ca-Ionen.
Die Folge ist, dass die Bodenstruktur umgewandelt wird. Der Boden wird krümelig. Die Krümelstruktur ist Wasserbeständig, d.h. die Krümel zerfallen nicht im Wasser. Durch diese Strukturänderung werden Fließgrenze, Ausrollgrenze und Schrumpfgrenze erhöht, die Kapillarität und die Proctordichte verringert und der optimale Wassergehalt der Proctordichte erhöht.
Alle diese Änderungen bewirken eine bessere Einbau- und Verdichtungsfähigkeit des Bodens.
Nach längerer Einwirkungszeit tritt als Folge der Gelbildung und von
Kristallisationsvorgängen eine langsame zusätzliche Verfestigung ein.
Die Endfestigkeit wird etwa nach zwei Jahren erreicht. [3]
Abicht, Freudenberg, Hundt (1979) berichten von zwei niedrig belasteten Strecken mit kornverbesserter Kalkbehandlung, an denen das Langzeit-Tragfähigkeitsverhalten überprüft wurde. Es wurde ein Lößlehm (U) mit 4M.-% Karbidkalkhydrat behandelt, der Grundwasserstand war 13 m unter GOK.
Die Ergebnisse der Messungen waren:
- Bei dem Kalk-Lößlehmgemisch wurde in drei Jahren Gebrauchsdauer eine Zunehme der Tragfähigkeit von Ev2 = 65 MN/m2 auf 91 MN/m2 gemessen.[6]
Man unterscheidet zwischen zwei Mischverfahren, dem Baumischverfahren und dem Zentralmischverfahren. Im Folgenden möchte ich das Baumischverfahren, welcher häufiger angewandt wird, näher erläutern.
Baumischverfahren
Vorbereitung
Der Oberboden und pflanzliche Bestandteile müssen entfernt werden, so wie auch Steine mit einem Durchmesser > 63mm. Bei dicht gelagerten, fein- oder gemischtkörnigen Böden ist das aufreißen und zerkleinern des Bodens zu empfehlen.
Ist der Wassergehalt des zu verfestigenden Bodens so viel höher als der günstige Wert, dass eine Angleichung durch natürliches Verdunsten nicht erwartet wird, kann der Boden durch Auflockerung belüftet werden, um das Verdunsten zu beschleunigen. Sollte dies auch nicht ausreichen, ist eine Vorbehandlung mit Feinkalk möglich, dabei ist eine Menge von 1-3M.-%, je nach Wassergehalt zu wählen.
Ist der Boden zu trocken, muss kurz vor dem Verteilen des Bindemittels ausreichend Wasser zugegeben werden, oder das Wasser wird während dem Fräsen durch einen angebauten Sprühbalken zugeführt.
Vor Einbringen des Bindemittels ist eine gleichmäßige Durchfeuchtung der Schicht zu gewährleisten.
Der Boden ist vor dem Verteilen des Bindemittels abzugleichen und zu verdichten.
Bindemittelverteilung
Die Verteilung des Bindemittels geschieht mit eigens hierfür konstruierten Geräten. Die aufgebrachte Bindemittelmenge muss mit Hilfe von ausgelegten Prüfblechen überprüft werden. Die Mengenangabe geschieht im Baumischverfahren in kg/m2, im Zentralmischverfahren in M.-% bezogen auf die Trockendichte des Bodens.
Das Verteilen und Einmischen des Bindemittels sollte zügig hintereinander erfolgen.
Mischen
Bei einer Bodenverfestigung ist ein einwandfreies Boden-Bindemittel-Gemisch herzustellen, dazu ist das geeignete Gerät zu verwenden. Es muss so lange gemischt werden, bis in der gesamten vorgegebenen Schichtdicke, eine gleichmäßige Färbung und ein gleichmäßiger Wassergehalt erreicht ist.
Bei der Bodenverbesserung ist die Durchmischung von Boden und Bindemittel dem jeweiligen Verwendungszweck anzupassen.
Planieren und Verdichten
Vor dem Verdichten ist, soweit erforderlich, das Planum profilgerecht abzugleichen.
Über die gesamte Schichtdicke und das gesamte Profil ist der geforderte Verdichtungsgrad zu gewährleisten. Zu diesem Zweck muss der Auftragnehmer zu Beginn der Verdichtungsarbeiten eine Probeverdichtung durchführen.
Nachbehandeln
Um die vorzeitige Austrocknung einer Bodenverfestigung zu verhindern, ist sie mindestens 3 Tage lang ständig feucht zu halten. [2]
Ist die ständige feucht Haltung aus bestimmten Gründen nicht möglich, sollte bei warmer, trockener und windiger Witterung sofort nach der Verdichtung ein kalt verarbeitbares bituminöses Bindemittel aufgesprüht werden, um die Verdunstung des Wassers zu verhindern.
3.3.3 Bewehren der Tragschicht mit Geogittern
Geogitter sind Geokunststoffprodukte aus hochfesten vollständig verbundenen, zugbeständigen Elementen. Die Elemente werden verbunden durch Extrudieren, Verbinden oder Verflechten. Die Geogitter können eingeteilt werden in:
- Gewebte Geogitter:
Das sind Gewebe mit Öffnungen über 10mm.
- Gestreckte Geogitter:
Diese werden aus Kunststoffbahnen hergestellt. Die Kunststoffbahnen werden gelocht und in einer oder beiden Richtungen gestreckt. Die Knotenpunkte sind unverschieblich miteinander verbunden.
- Gelegte Geogitter:
Gelegte Geogitter werden aus Bändern, Stäben oder stabförmigen Elementen hergestellt. Dafür werden diese kreuzweise gelegt und an den Kreuzungspunkten flexibel oder unverschieblich miteinander verbunden.
Eine weitere Gliederung wird gemacht zwischen:
- einachsiges Geogitter
Die Festigkeit in einer Richtung der Versteifung überwiegt deutlich, im vergleich mit der anderen Richtung.
- zweiachsiges Geogitter
Die Festigkeit in der Quer- und Längsrichtung unterscheiden sich nicht.
Einsatzgebiete und die Wirkung von Geogitter Hohlraumüberbrückungen
Bei Bauvorhaben können Probleme durch nicht bekannte Hohlräume im Untergrund hervorgerufen werden. Diese Probleme können erst mehrere Jahre nach dem Abschluss des Bauprojektes auftreten. Deshalb setzt man Geogitter ein, um dem Boden eine zusätzliche Stabilisierung zu geben und das Absenken von Bodenschichten zu verhindern.
Böschungsbau
Ohne zusätzliche Verankerungen kann die Stabilität der Böschungen nicht gewährleistet werden. Daher setzt man hier Geotextilien ein, die bei einer flacheren Böschung flächig aufgelegt werden und die Böschung stabilisieren. Im Falle der steilen Böschung wird das Geogitter nicht flächig aufgebracht sondern in die Böschung eingearbeitet. Dabei werden mehrere Schichten Geogitter übereinander eingelegt, deren Enden am Böschungsrand umgeschlagen werden. Dadurch wird ein Abbrechen der Erdmassen verhindert und somit die Böschung stabilisiert. [102]
Straßenbau
Geogitter übernehmen die Zugkräfte, die dem Boden zum Erreichen der erforderlichen Tragfähigkeit fehlen.
Durch den Einsatz von Geogitter wird ein kostenaufwendiger Bodenaustausch oder eine Kalkstabilisierung verhindert.
Durch die Geometrie der Geogitter ist eine optimale Verzahnung zwischen der Schüttung und dem Geogitter gewährleistet. Um unzulässige Verformungen im Fahrbahnoberbau zu minimieren ist eine sofortige Kraftaufnahme der Geokunststoffbewehrung bei gleichzeitig niedriger Dehnung und geringem Kriechverhalten erforderlich. Diese Anforderungen werden durch die miteinander knotenfest verschweißten Flachstäbe des Geogitters erfüllt.
Auch beim Bau von temporären Strassen, denen ein gebundener Oberbau fehlt ist der Einsatz von Geogittern hilfreich. Das Verzahnen des Schüttmaterials im Geogitter führt zu einer besseren Lastverteilung und minimiert die Bildung von Spurrinnen deutlich, somit wird ein Durchbruch in den Untergrund verhindert. [4]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.3-1: Verzahnungseffekt
Auswahlkriterien für die erforderliche Bewehrung:
Die Bewehrungswirkung und die Standsicherheit des bewehrten Erdkörpers sind nachzuweisen. Bei der Bewehrung von ungebundenen Tragschichten muss entweder durch eine Probeschüttung gemäß ’Merkblatt für die Ausführung von Probeschüttungen im Erdbau’ nachgewiesen werden, dass die erforderliche Tragfähigkeit nach ZTVT-StB erreicht wird, oder der mit Beginn des Einbaues der zu bewehrenden Tragschicht die Bewehrungswirkung durch Plattendruckversuche bestätigt werden.
Für die Bemessung gehen folgende Parameter mit ein:
- Erforderliche Tragfähigkeit der Schicht nach ZTVE-StB ; ZTVT-StB
- Tragfähigkeit des Untergrundes/Unterbaus
- Veränderung der Tragfähigkeit des Untergrundes/Unterbaus bei Verkehrsbeanspruchung und durch Wassergehaltsänderung (Frostaufgang)
- Eigenschaften des Schüttmaterials und Dicke der Schüttlage
- Kraft-/Dehnungsverhalten der Bewehrung
-Reibung zwischen Bewehrung und Schüttmaterial
- Erwartete Verkehrsbelastung
Vorteile von Geogittern:
- Hohe Zugfestigkeit bei geringer Dehnung
- Geringe Kriechneigung
- Erhöhter Herausziehwiderstand und Verbundwirkung
- Optimale Stabilität der Kreuzungspunkte / Gitterstruktur
- Hohe chemische und biologische Beständigkeit
- Robustheit gegen mechanische Beanspruchungen
- Einfache Verlegung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3.3-2: Einbau des Geogitters
Rohstoffauswahl bei Geotextilien
Natürliche Rohstoffe
Hierbei richtet sich die Rohstoffauswahl nach den spezifischen Anforderungskriterien, die an das Geotextil gestellt werden. In erster Linie werden natürliche Faserstoffe verwendet, wenn vom Produkt eine rückstandsfreie Verrottung während des Gebrauchs gefordert wird. Daneben sind aber auch Widerstandsfähigkeit gegen Einbaubeanspruchungen, ebenso wie gutes Wasseraufnahmevermögen und langsame Wasserabgabe Anforderungen, die ein Geotextil aus natürlichen Fasern erfüllen sollte.
Bei den natürlichen Fasen finden Verwendung:
- Hanffaser
- Jutefaser
synthetische Rohstoffe
Bei den synthetischen Fasern finden Verwendung:
- Polyester
- Polypropylen
- Polyethylen
- High Density Polyethylen
- Glas
- Polyamid
- p-Aramid
Auch hierbei muss wieder, speziell nach dem späteren Anforderungsprofil des Geotextils, der synthetische Faserstoff ausgewählt werden. Synthetische Faserstoffe werden eingesetzt, wenn eine Verrottung des Produktes im späteren Gebrauch ausgeschlossen werden soll. Daher muss die eingesetzte Faser gegen den in Wasser, Boden oder anderen Baustoffen befindlichen pH Wert beständig sein, im sauren als auch neutralen und alkalischen Bereich. Ist diese Beständigkeit in einem dieser Bereiche nicht gegeben, muss im Bezug auf den Einsatz auf eine andere Faser ausgewichen werden. Ebenso darf der Faserstoff des Geotextils nicht von Mikroorganismen geschädigt werden. Auch im Bezug auf etwaige kurz- oder langzeitige Außenlagerung vor dem Einbau, muss der eingesetzte Faserstoff UV-Licht beständig sein. D. h. es darf durch kurz- oder langfristiges Einwirken von UV-Licht nicht zu einem Festigkeitsverlust vor Einbau des Geotextils kommen. Ist die UV-Lichtbeständigkeit wie z. B. bei Polyethylen und Polypropylen nicht von vorneherein gegeben, kann diese Eigenschaft mittels UV-Stabilisatoren verbessert werden.
Neben der geforderten Beständigkeit spielen aber auch mechanische Eigenschaften bei der Auswahl des geeigneten Faserstoffes eine Rolle.
Hierbei sind in erster Linie die Zugfestigkeit und die Dehnung im trockenen Bereich zu nennen. Die hierfür eingesetzten Faserstoffe müssen eine hohe Zugfestigkeit besitzen und sich dabei aber nur in geringstem Maße dehnen. Diese Festigkeit spielt aber nicht nur im trockenen, sondern auch im nassen Medium eine Rolle. Geotextilien kommen mit Sickerwasser im Boden in Berührung. Daher müssen sie auch im Einsatz ihre hohe Festigkeit und ihre geringe Dehnung unter Beweis stellen. Maßgebend für diese Eigenschaft ist das geringe Wasseraufnahmevermögen der synthetischen Faserstoffe. Dadurch werden fast annähernd dieselben Festigkeits- und Dehnungswerte wie im trockenen Bereich erreicht.
Bei den mechanischen Eigenschaften spielt aber ebenso das E-Modul eine wichtige Rolle. Das Modul spielt im Anfangsbereich der Kraft-Dehnungskurve (bis zu einer Ausdehnung von 5 %) eine entscheidende Rolle. Es soll hierbei bei einem hohen E-Modul ein hoher Krafteinsatz nötig sein um eine textile Fläche um 5% zu dehnen. Diese Anforderungen werden speziell an den Faserstoff gestellt. Ebenso notwendig ist die Tatsache, wie sich die Verformung des Faserstoffs bei Dauerbelastung verhält. Hierbei wird an den Faserstoff eine gute bis ausreichende Kriechneigung (= Dehnungsrelaxation) gefordert. [102]
4 Konsolidation
4.1 Allgemeines
Die gesamte Setzung von Bodenschichten unter Belastung lässt sich bei instationärer, senkrechter Bewegung, die monoton abläuft und einen stationären Endwert hat, in drei Teile unterscheiden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der erste Anteil s i stellt die sofortige Setzung dar, die nach MEYERHOF vom seitlichen Abweichen des Bodens herrührt und sich ohne Volumenveränderung abspielt (Volumenänderung nur bei teilgesättigten Lockerböden). Sie wird im Allgemeinen gleich der elastischen Setzung gesetzt, obwohl ihr elastischer Anteil nur dann überwiegt, wenn die Belastung klein ist im Vergleich zur Bruchlast.
Im Gegensatz hierzu ist der zweite Anteil s c, der als Konsolidationssetzung (sc) oder als Primärsetzung (sp) bezeichnet werden kann, mit einer Volumenverminderung verbunden, da der Boden dabei eine dichtere Lagerung annimmt.[5] Die Erläuterung dieses Anteils wird unten weiter ausgeführt.
Das dritte Glied stellt die Sekundärsetzung (s s) dar, eine durch lang andauerndes viskoses Fließen der Kornstruktur entstehende Erscheinung. Die Spannungsänderung im gebundenen Porenwasser bewirkt die örtliche Lageänderung der Bodenteilchen und damit eine Verbesserung der inneren Kraftübertragung.[5]
Die initiale Setzung (Sofortsetzung si) wird durch Störungen verursacht, die primäre Setzung (sp) entspricht der Konsolidierungstheorie (sp = sc), die sekundäre Setzung (ss) entsteht durch Kriecherscheinungen.[5]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.1-1: Zeit-Setzungslinie aus einem Kompressionsversuch mit bindigem Boden
Aus der oben dargestellten Zeit-Setzungslinie ist ersichtlich, dass der größte Anteil der Setzung eine Zeitabhängige Setzung ist, das ist die Konsolidationssetzung.
Konsolidation bezeichnet in der Bodenmechanik die zeitlich verzögerte Zusammendrückung des Bodens infolge einer Lasterhöhung.
Die zeitlich verzögerte Zusammendrückung des Bodens rührt daher, dass das durch die Verdichtung ausgepresste Porenwasser in seiner Fließbewegung behindert wird.
Eine Verdichtung von Böden erfolgt durch das Zusammendrücken der Poren. Sind die Poren mit Wasser gefüllt sind, ist das erreichen einer Verdichtung nur möglich, wenn das in den Poren eingeschlossene Wasser ausgepresst wird, da das Wasser inkompressibel ist.
Geringe Durchlässigkeit und lange Entwässerungspfade behindern die Wasserbewegung. [101]
Zusätzlich ist ein Teil des Porenwassers an den Tonmineralen angehaftet und kann auch unter Last nicht sofort ausgepresst werden. [7]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.1-2: Porenflüssigkeit in bindigen Böden
Das hat zur Folge, dass die Lasterhöhung zunächst vom Porenwasser aufgenommen wird, in welchem sich dadurch ein Überdruck einstellt.
Mit Abfließen des Porenwassers wird dieser Überdruck allmählich abgebaut und die Last wird auf das Korngerüst übertragen, welches sich dann so weit verdichtet, bis es die Lasterhöhung gerade aufnehmen kann. [101]
Die Vorgänge, welche die verzögernde Wirkung eines geringen Durchlässigkeitsgrades auf die Zusammendrückung einer elastischen Schicht unter gleich bleibender Belastung verursachen, sind im Federtopfmodell nach Terzaghi prinzipiell dargestellt. [5]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.1-3: Federtopfmodell nach Terzaghi
Bei Lasterniedrigung wird der umgekehrte Prozess durchlaufen. Das Porenwasser gerät unter Unterdruck, wodurch umgebendes Wasser zeitlich verzögert in die Probe gesaugt wird. Während die Poren sich wieder mit Wasser füllen geht der Unterdruck allmählich zurück und das Korngerüst wird entlastet und lockert sich etwas auf. Dieser Vorgang wird auch als negative Konsolidation bezeichnet.
Die Dauer des Porenwasserdruck-Ausgleichs ist theoretisch unendlich, da dessen Rate asymptotisch gegen Null geht. Praktisch legt man als Konsolidierungszeit denjenigen Zeitraum fest, nach dem gerade 98% des Porenwasserdrucks ausgeglichen sind.
Der Konsolidierungsbeiwert ergibt sich aus dem Quadrat der Entwässerungslänge bezogen auf die Konsolidierungszeit und ist eine Bodenkonstante.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gemäß diesen Festlegungen hat die Höhe des Porenwasserdrucks also keinen Einfluss auf die Konsolidierungszeit.
Da lediglich bei feinkörnigen Böden eine bemerkenswerte Fliessbehinderung des Porenwassers auftritt, ist der Begriff der Konsolidation nur bei bindigen Böden anwendbar. [101]
Es findet eine Unterscheidung der Böden statt in unterkonsolidiert, normalkonsolidiert und überkonsolidiert.
4.1.1 Unterkonsolidiert
Im unterkonsolidierten (UC) Fall hat sich das Korngerüst noch nicht so weit verdichtet wie für die Aufnahme der Lasterhöhung erforderlich, d.h. es muss noch weiteres Porenwasser ausgepresst werden.
Die Scherfestigkeit ist proportional zum Korngerüstdruck und damit zur Dichte, dass heißt der Reibungswinkel ist konstant und der Boden kohäsionslos. [101]
4.1.2 Normalkonsolidiert
Im normalkonsolidierten (NC) Fall ist das Korngerüst gerade so weit verdichtet wie es für die Aufnahme der Lasterhöhung erforderlich ist. In diesem Fall findet keine Wasserbewegung statt.
Auch beim NC Boden ist die Scherfestigkeit proportional zum Korngerüstdruck, wie beim UC Boden.
Bei einem normal konsolidierten Boden ist die maximale Spannung gleich der aktuellen Spannung. [101]
4.1.3 Überkonsolidiert
Im überkonsoliderten (OC) Fall ist das Korngerüst durch eine vormals größere Belastung dichter als für die momentane Belastung erforderlich. Beim Übergang von NC zu OC findet die negative Konsolidation statt.
Überkonsolidierte Böden haben bei gleichem Korngerüstdruck zunächst eine höhere Scherfestigkeit, welche auf der Tendenz zur Auflockerung dichter Korngerüste bei Scherung (Dilatanz = Volumenzunahme) beruht. Die Auflockerung wird durch das fließbehinderte Wasser verzögert, wodurch das Porenwasser unter Unterdruck gerät und damit die Kornspannungen erhöht.
Gebräuchliche Schergesetze beschreiben diesen Sachverhalt entweder durch den Ansatz der (fiktiven) Kohäsion und einen (fiktiven und i.Vgl. zum NC Fall kleineren) Reibungswinkel oder durch den Ansatz eines (ebenfalls fiktiven und i.Vgl. zum NC Fall größeren) Reibungswinkel. Mit zunehmender Scherung geht die Tendenz zur Auflockerung verloren und die OC Scherfestigkeit auf den Wert bei NC zurück.
OCR (over consolidation ratio) stellt das Ausmaß der Überkonsolidierung dar. Es ist das Verhältnis zwischen der maximalen Vertikalspannung in der Vergangenheit und der aktuellen Vertikalspannung. Bei konsolidierten Böden ist OCR=1.
Oft ist die maximale Spannung in der Vergangenheit unbekannt, es gibt aber Laborversuche von Casagrande, die das Kompressionsverhalten normal und überkonsolidierter Böden vergleichen.
Die Überkonsolidation hat großen Einfluss auf die Scherfestigkeit von bindigen Böden. Durch die Vorbelastung erhalten nichtbindige Böden zusätzlich zu den Reibungskräften eine Kohäsion. In der Natur entsteht durch die Überkonsolidation oft eine harte Kruste, wo die Scherfestigkeit größer ist, als im normal konsolidierten Boden unterhalb der Kruste. Der Grund liegt in der abnehmenden aktuellen Vertikalspannung mit zunehmender Tiefe, wodurch der OCR Wert in geringen Tiefen immer größer ist. Überkonsolidierte Böden sind in der Regel auch steifer und setzungsärmer.
Der Erdruhedruckbeiwert, also das Verhältnis von Vertikalspannungen zu Horizontalspannungen ist überdies auch von OCR abhängig. [101]
4.2 Abgrenzung und Voraussetzung
Für die Anwendung der Konsolidationstheorie sind folgende Voraussetzungen zu beachten:
a) Der Boden muss wassergesättigt sein, d.h. die Poren des Bodens sind vollständig mit Wasser gefüllt.
b) Das Wasser und die feste Bodenmasse, d.h. die Einzelelemente, sind inkompressibel.
c) Der Boden kann sich seitlich nicht verformen.
d) Der Steifemodul Es der Bodenschicht ist konstant.
e) Der Porenwasserabfluss erfolgt linear und vertikal.
f) Es gilt das DARCY´sche Filtergesetz.
g) Der Durchlässigkeitsbeiwert k des Bodens ist konstant (Ort und Zeit)
Die Voraussetzungen c) und e) sind nur beim Sonderfall der unbegrenzt gleichförmig belasteten waagerechten Tonschicht mit gleich bleibender Schichtdicke erfüllt.
Im Fall einer begrenzten Belastung findet in der Tonschicht ein räumlicher Porenwasserabfluss statt. Die Schubverformung und Volumenänderung des Tons können ferner bewirken, dass der Porenwasserdruck beim Aufbringen der Last von der nach BOUSSINESQ ermittelten Zusatzspannung abweicht.
Die Voraussetzungen a) und e) sind aber auch bei begrenzter und ungleichmäßiger Belastungsweise erfüllt, wenn die Dicke h der Bodenschicht klein ist im Vergleich zur Breite b der Lastfläche.[5]
Ich möchte einige Beispiele für die Anwendung der Konsolidationstheorie in Skizzen darstellen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4.2-1: Sonderfall nach Abschnitt 1 h/b = 0 linearer Porenwasserabfluß
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Abb. 4.2-2: Straßendamm h/b << 1 vorwiegend linearer Porenwasserabfluss, Konsolidierungstheorie näherungsweise anwendbar
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Abb. 4.2-3: Hochhaus auf mächtiger Tonschicht (h/b >> 1), vorwiegend räumlicher Porenwasserabfluss, Konsolidierungstheorie nicht anwendbar
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