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Mehr Standfestigkeit durch Wabenverbund

06.04.2006

Die Funktionen von Geotextilien sind vielfältig und reichen von Bewehren und Trennen über Drainieren bis hin zum Schützen. Im Straßen- und Landschaftsbau hat sich der Einsatz von Geokunststoffen aufgrund der technisch einfachen Verarbeitung als wirtschaftlich attraktive Bauweise etabliert. Das Einsatzgebiet von Geokunststoffen im Straßenbau reicht dabei von einfachen Verkehrswegen bis hinzu hochrangigen Straßenverbindungen mit gebundenem Überbau aus Asphalt oder Beton. Hochzugfeste Geokunststoffe werden im Straßenbau hauptsächlich als ein- oder mehrlagige Bewehrung des Erdkörpers eingesetzt. Vor allem aufgrund des einfachen Einbaus und der im Vergleich zu anderen Bauweisen geringen Kosten haben sich Geotextilien als attraktive Alternative zur Bewehrung nicht oder nur unzureichend tragfähiger oder stabiler Bodenschichten etabliert. Die Bewehrung erfolgt durch die Aufnahme der auftretenden Zugspannungen und die damit verbundene Verfestigung des anstehenden Bodens durch mechanische Verzahnung mit den eingebauten Geokunststoffen. Die Standfestigkeit der Konstruktion wird durch das mechanische Verbundsystem von Boden und Geokunststoffen dauerhaft gewährleistet. Durch den Einbau von Geokunststoffen als Bewehrung wird ein ungleichmäßiges Absinken des Schüttmaterials verhindert und die Konsolidierungsdauer des Bodens maßgeblich reduziert. Mit Geokunststoffen kann darüber hinaus eine punktuelle Überbelastung von wenig tragfähigen Bereichen im Untergrund überbrückt werden. Die Bewehrung mit Geokunststoffen erhöht die Steifigkeit des Straßenaufbaus und ermöglicht darüber hinaus die Ausführung einer kleiner dimensionierten Tragschicht. Besonders bei Geokunststoffen, die zur Bewehrung eingesetzt werden, ist das Kriech- und Zeitstandverhalten unter Zugbelastung von entscheidender Bedeutung für den stabilisierenden Verbund zwischen Geokunststoffschicht und Erdreich. Dauerhaft belastende Zug- und Druckkräfte verursachen ein Kriechen des Geokunststoffs. Unter Kriechen wird die zeitabhängige Verformungszunahme unter Spannung mit bleibend elastischer Verformung verstanden. Dieser Vorgang kann zum Reißen oder Brechen der Materialstruktur führen. Je geringer das Kriechverhalten von Geokunststofflagen, desto optimaler sind die statisch-konstruktiven Eigenschaften des Lagenverbunds. Das Kriech- und Zeitstandverhalten ist daher insbesondere beim Einsatz von Geokunststoffen zur Bewehrung von entscheidender Bedeutung für die statische Funktionsfähigkeit der Konstruktion. In Lagen eingebrachte Geokunststoffe dehnen sich unter Belastung aus. Neigen eingebaute Geokunststoffe dazu, bei Dehnung nicht mehr in den Ausgangszustand zurückzukehren, nimmt die bewehrende Wirkung deutlich ab und die Standfestigkeit des Aufbaus ist nicht mehr gegeben. Zum einen nimmt die Langzeitzugsfestigkeit Einfluss auf die dauerhafte Bewehrung des Bodenmaterials mit Geokunststoffen. Zum anderen muss bei einwirkender Dauerlast auf das Verbundsystem von Boden und Geokunststoff die Kriechdehnung begrenzt werden. Neben dieser Lasteinwirkung werden Geokunststoffe im Verbund mit Erdreich durch die Einzelkörner des Schüttmaterials mechanisch intensiv beansprucht. Ist das Schüttmaterial zu groß dimensioniert oder zu scharfkantig ausgeprägt, werden geotextile Bewehrungsschichten auf Durchdrücken und Durchstoßen massiv belastet. Insbesondere in der Einbauphase ist die mechanische Belastung auf Geokunststoffe durch das Schüttmaterial in Verbindung mit den einwirkenden dynamischen Kräften bei der Verdichtung besonders hoch. In der Einbauphase muss daher auf die Durchdrückbeanspruchung besonderes Augenmerk gelegt werden. Für die dauerhafte Funktionsfähigkeit geotextiler Bewehrungen ist ein fachgerechter Einbau und eine auf das verwendete Produkt abgestimmte Auswahl des Schüttmaterials von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich zur bewehrenden Aufgabe übernehmen Geokunststoffe im Straßenbau eine hydraulische Funktion. Um eine effiziente Filterschicht zu erhalten, muss die Beschaffenheit der eingebauten Geokunststoffe in Abstimmung auf die Kornzusammensetzung des Untergrunds gewählt werden. Nur so kann eine Verunreinigung des Tragschichtmaterials mit Feinteilen aus dem anstehenden Boden ausgeschlossen werden. Übernehmen Geokunststoffe eine bewehrende Funktion, werden somit höchste Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften gestellt. Auch nach Ende der verlangten Gebrauchsdauer eines geokunststoffbewehrten Bauwerks muss eine Restsicherheit gegenüber dem Versagen der Bewehrung gegeben sein.

Die Kraft der Zelle
Eine Möglichkeit, das für die bewehrende Funktion ungünstige Kriechverhalten von Geokunststoffen in den Griff zu bekommen, ist der Einsatz von Geozellen. „Das Kriechen ist bei Geozellen nicht relevant, weil es sich bei dieser Konstruktionsweise um einen alternativen Tragmechanismus handelt. Die Belastung auf Zug ist auf ein Minimum reduziert“, erläutert Norbert Meyer, Professor für Geotechnik an der Technischen Universität Clausenthal. Geozellen sind dreidimensionale Geokunststoffprodukte, die mittels Schweißen oder Kleben zu einer wabenähnlichen Struktur verbunden werden. Auf der Suche nach einer einfachen und Zeit sparend anzuwendenden Möglichkeit, wenig tragfähige Untergründe für schwere Militärfahrzeuge befahrbar zu machen, experimentierten Wissenschafter bereits in den 19070er-Jahren im Auftrag der US Army mit Zellenmatten aus unterschiedlichen Materialen. Der Aufbau von Bienenwaben wurde dabei als Vorbild herangezogen. In weiterer Folge wurden Geozellen hauptsächlich im Eisenbahnbau eingesetzt. Heute kommen Geozellen beinahe in allen Bereichen der Stabilisierung und Bewehrung im Straßen- und Erdbau zum Einsatz. Die Funktionsweise von Geozellen ist einfach wie genial: Die Geozellen werden mit Schüttmaterial befüllt und ausreichend verdichtet. Die Zellwände umschließen dabei den eingebrachten Boden und gewährleisten dadurch einen horizontalen Zusammenhalt des Füllmaterials. Die horizontale Verformung des Bodens unter Spannungsbelastung wird durch die vertikale Begrenzung der Zellenwände maßgeblich verringert und das Kraftverformungsverhalten des Bodens optimiert. Darüberhinaus werden durch die Belastung des Bodens so genannte Ringzugkräfte freigesetzt, die dem eingeschlossenen Bodenmaterial zusätzliche Festigkeit verleihen. Ergänzend zu den Ringzugkräften begrenzt der passive Erdwiderstand der benachbarten Geozellen die horizontale Ausbreitung der bewehrten Bodenschicht. „Im Grunde kann man eine mit Geozellen bewehrte Tragschicht mit einer hydraulisch gebundenen Tragschicht vergleichen“, erklärt Meyer die Eigenschaften eines Geozellenverbunds. Durch die wabenförmige Anordnung der einzelnen Geozellen kommt ein dritter stabilisierender Effekt zum Tragen: Je höher der Verformungsgrad des Bodens ausfällt, desto mehr steigert sich der passive Erdwiderstand und damit die stabilisierende Wirkung der benachbarter Geozellen. Ergebnisse von Teststrecken, die von Mitarbeitern des Instituts für Geotechnik der Technischen Universität Clausthal mit Geozellen bewehrt wurden, zeigen eine fast doppelt so hohe Tragfähigkeit und Standfestigkeit unter statischer Belastung von mit Geozellen bewehrten Tragschichten im Vergleich zu unbewehrtem Boden. Im Umkehrschluss bedeuten diese auch in der Praxis gültigen Erfahrungswerte, dass zur Realisierung der gleichen Tragfähigkeit eine unbewehrte Tragschicht fast die doppelte Bauteildicke aufweisen muss, als ein mit Geozellen bewehrter Unterbau. Im Rahmen breit angelegter Modellversuche wurden Geozellen aus HDPE mit einer Zellwandhöhe von 20 Zentimeter und einer Zellenfläche von 225 Quadratzentimeter auf ihr Verhalten unter statischer und dynamischer Belastung untersucht. Die wissenschaftlichen Versuche bestätigen eindrucksvoll die hohe Tragfähigkeit von mit Geozellen bewehrten Tragschichten gegenüber unbewehrten Unterbauten. Die Geozellen konnten bis zu einem Belastungswert von 900 Kilonewton pro Quadratmeter beansprucht werden. Im Falle der unbewehrten Tragschichten wurde bereits bei einer Belastung mit 350 Kilonewton pro Quadratmeter die maximale Tragfähigkeit übertroffen. Durch den Einbau von Geozellen kann das Last-Verformungsverhalten des Bodens um rund das Doppelte gesteigert werden. Die Tragfähigkeit nimmt sogar um bis das Zweieinhalbfache zu. Im Bereich der dynamischen Belastung bestätigen sich die Vorteile einer Geozellenbewehrung gegenüber einer unbewehrten Bauweise. Durch den Einbau eines Geozellenverbundes wird die Setzung der Tragschicht sowie die Spannung an der Kontaktfläche zwischen Tragschicht und Untergrund deutlich reduziert. Hauptverantwortlich für diesen positiven Effekt ist eine optimierte Verteilung der einwirkenden Spannungen im Unterbau. Die Wabenstruktur ermöglicht eine großflächige Verteilung der einwirkenden Lasten. Während bei unbewehrten Tragschichten Spannungen zum überwiegenden Teil unmittelbar unterhalb des Belastungszentrums auftreten, erfolgt bei einer Geozellenbewehrung eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen im Boden. Zusätzlich ist die auftretende Spannungsbelastung deutlich reduziert.
Dadurch, dass geringere Spannungen auf den Untergrund wirken, treten deutlich weniger Verformungen auf. Grund für das günstige Spannungsverhalten von Geozellen ist die durch die Verdichtung hervorgerufene Verbundwirkung zwischen Geozellen und Boden. Die dadurch erzielte Steifigkeit der Konstruktion reduziert darüber hinaus Spannungen zwischen der bewehrten Tragschicht und dem Untergrund. Versuche an mineralischen Tragschichten zeigen eine Spannungsreduzierung von 40 bis 50 Prozent durch den Einsatz von Geozellen. Selbst nach dem Aufbringen der Asphaltschicht auf den mineralischen Unterbau ist unter massiver Belastung eine Reduktion der Spannung in der Tragschicht um rund 30 Prozent messbar als in unbewehrtem Zustand. Untersuchungen der Technischen Universität Clausthal an einer Landstraße unterstreichen die damit verbundenen Vorteile. Bei gleicher Verformung konnte durch den Einbau eines Geozellenverbundes die Dicke der mineralischen Tragschicht von 70 Zentimeter auf 35 Zentimeter verringert werden. Ausschlaggebend für das positive Last-Verformungsverhalten von Geozellen sind neben der Einbautiefe, der Zusammensetzung und Verdichtung des Füllmaterials sowie der Tragfähigkeit des Untergrundes vor allem die Materialsteifigkeit und die Höhe von Geozellen. Letztgenannte hat sich in der Praxis mit einer Größenordnung zwischen 15 und 20 Zentimetern als optimal erwiesen. Neben der bewehrenden Aufgabe eignen sich Geozellen auch als Filter zwischen verdichtetem Füllmaterial und dem meist weicheren Untergrund. Durch die Aktivierung von horizontalen Spannungen im Zellenverbund unter Belastung und durch die Reibung des Füllmaterials an den Zellenwänden, wird das Füllmaterial in der Wabenstruktur fixiert und am Durchbrechen gehindert.

Einfach und wirtschaftlich
Geozellen werden auf dem Markt als Mattenverbund angeboten und lassen sich ohne großen technischen Aufwand einbauen. Die wabenähnlichen Matten werden aufgelegt, mit geeignetem Füllmaterial befüllt und verdichtet. „Beim Einbau gelten dieselben Verdichtungsanforderungen wie bei einer mineralischen Tragschicht ohne Geozellenbewehrung – also 100 Prozent Proctordichte“, so Meyer. Werden Straßenunterbauten mit Geozellen saniert, so kann der vorhandene Boden, sofern eine Verdichtungsfähigkeit gegeben ist, als Füllmaterial wieder verwendet werden. Geozellen eignen sich zudem für die Sanierung von Tragschichten bei bituminös gebundenen Fahrbahnen. Dabei werden die Matten unmittelbar in die an die Asphaltdecke anschließende Schotterschicht eingebaut. Der sonst notwendige Bodenaustausch ist nicht erforderlich. Damit erweisen sich Geozellen als wirtschaftlich attraktive Alternative zu konventionellen Sanierungsmaßnahmen im Straßenbau. Langjährige Erfahrungswerte aus den Vereinigten Staaten verdeutlichen die wirtschaftlichen Vorteile von Geozellen in der mineralischen Unterbausanierung: Zum einen konnte nachgewiesen werden, dass durch den Einbau von Geozellen als Bewehrung in die Tragschicht von Asphaltsstraßen die Belagstärke um rund ein Fünftel und die Dicke der mineralischen Tragschicht selbst um bis zu 40 Prozent reduziert werden konnte. Unter optimalen Rahmenbedingungen kann zusätzlich von einer Verlängerung der Lebensdauer der Asphaltfahrbahn um 20 Prozent ausgegangen werden. Ein weiteres Einsatzgebiet von Geozellen stellt die Bankettsanierung dar. Insbesondere aufgrund der hohen Flexibilität eignen sich Geomatten auch optimal für die nachträgliche Bewehrung von Banketten in Kurvenbereichen.

Autor/in:
Redaktion Bauzeitung
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