Untersuchung der Interaktion von Verbundsystemen aus Geokunststoffen und bindigen Böden als Grundlage von Standsicherheitsuntersuchungen - Gewinnung geringtragfähiger bindiger Böden als vollwertige Füllböden für geokunststoffbewehrte Erdkörper
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben verfolgte das generelle Ziel, das Verbundverhalten von Geokunststoffen in bindigen Lockergesteinen ohne und mit Bindemittelverbesserung genauer zu untersuchen und Grundlagen zu schaffen, gering tragfähiges Lockergestein als vollwertigen Füllboden für geokunststoffbewehrte Erdkörper zu nutzen. Das Verbundverhalten von Geokunststoffen wird mit Verbundparametern erfasst, die das Verhältnis der Scherfestigkeit des ungestörten Lockergesteins sowie des Verbundes Geokunststoff-Lockergestein abbilden. Zur Erfassung des Verbundverhaltens sind neben Scherversuchen am ungestörten Lockergestein zwei Verbundversuche erforderlich. Einerseits wird eine Versagensart in Reibungsversuchen experimentell nachgebildet, dass ein Versagen durch Bewegung des Bodens während des Abgleitens auf einer Geokunststofflage auftritt. Andererseits wird eine Versagensart in Herausziehversuchen modelliert, dass sich ein Versagen durch Bewegung einer Geokunststofflage in einem Bodenverbund ereignet. Beide Versagensarten werden mit einem Verbundbeiwert belegt und in rechnerische Nachweise der Tragfähigkeit und Gesamtstandsicherheit eingeführt. Die versuchstechnische Ermittlung der Verbundbeiwerte ist mit den gewöhnlichen Einstufenversuchen im allgemeinen eine aufwendige und unwirtschaftliche experimentelle Prozedur. In vorbereitenden experimentellen Untersuchungen wurde eine fortgeschrittene Versuchsmethodik entwickelt, indem sowohl Scherversuche an ungestörtem Boden als auch Reibungsversuche und Herausziehversuche am Boden-Geokunststoffverbund in Mehrstufenversuchen mit einem statistisch reproduzierbaren Ergebnis, bei einem erheblich kleineren experimentellen Aufwand und mit einer deutlich höheren Wirtschaftlichkeit durchgeführt werden können. Die entwickelten und verifizierten Mehrstufenversuche bildeten die Grundlage der experimentellen Untersuchungen zum Verbundverhalten diverser Geokunststoffe in diversen bindigen Böden. Die Versuchsreihen bestätigten grundsätzlich, dass die Anwendbarkeit von Mehrstufenversuchen unter weiten versuchstechnischen Bedingungen möglich ist. Nur bei Herausziehversuchen wurde fest gestellt, dass bei gewissen Geokunststoffen eine erheblichen Schädigung bei geringen Herausziehwegen auftreten kann, wodurch der Geokunststoff-Bodenverbund stark in Mitleidenschaft gezogen wird. In diesem Fall werden mehrere Mehrstufenversuche empfohlen, die in unterschiedlichen Spannungsbereichen beginnen. Die Untersuchung des Verbundverhaltens von Geokunststoffen in bindigen Lockergesteinen erfodert grundsätzlich die experimentelle Ermittlung von Verbundbeiwerten, weil von einem vollständigen Bodenverbund keinesfalls ausgegangen werden kann. Die Verbundbeiwerte, die in systematischen experimentellen Untersuchungen an nahezu zwanzig unterschiedlichen Geokunststoffen und diversen bindigen Lockergesteinen durchgeführt wurden, haben diese Aussage weitgehend bestätigt. Bei weiterführenden Untersuchungen mit Bindmittelzugabe hat sich die Verbundeigenschaft infolge der erhöhten Scherfestigkeit im bindigen Boden erheblich weiter verschlechtert. Die Verbundwirkung von Geokunststoffen in bindigen Lockergesteinen wird hauptsächlich durch die geometrische Gestaltung des Flächenverhältnisses der Maschenweite und der Stabflächen beeinflusst. In ergänzenden experimentellen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die mechanische Verzahnungswirkung der Querstäbe der Geokunststoffe und die damit verbundene Knotenfestigkeit der Verbindungspunkte sowie die Rauhigkeit der Oberfläche des Geokunststoffmaterials die ausschaggebenden Effekte für eine Verbundwirkung darstellen. Aus der statistischen Auswertung der systematischen experimentellen Untersuchungen konnte ein empirischer Zusammenhang zwischen den versuchstechnischen Parametern und den ermittelten Verbundbeiwerten als zukunftsweisende Arbeitsrichtung für die Entwicklung allgemeiner Zusammenhänge der rechnerischen Prognose der Verbundwirkung abgeleitet werden. Die Anwendung von Geokunststoffen in bindigen Böden zur Errichtung von geokunststoffbewehrten Erdkörperkonstruktionen (KBE) ist unter der Beachtung von Besonderheiten des Verbundverhaltens grundsätzlich möglich. In der Vorbereitung des geotechnischen Vorhabens muss darauf geachtet werden, dass die mechanischen Eigenschaften des bindigen Bodens durch eine Verdichtung beim optimalen Wassergehalt weitgehend günstig gestaltet werden. Bei den rechnerischen Nachweisen müssen Verbundbeiwerte eingeführt werden, die in experimentellen Untersuchungen gewonnen wurden. Durch die grundsätzlich niedrigen Verbundbeiwerte werden höhere Verankerungslangen in Verbindung mit der Notwendigkeit eines zusätzlichen lokalen Bodenaustausches erforderlich. Für die ingenieurtechnische Bemessung und Erbringen von Nachweisen empfiehlt sich, die moderne mathematische Methode der Random-Set-Theorie zu nutzen, die die Lösung der Bemessungsaufgabe durch eine gleichzeitige kombinatorische Erfassung von Variationen in Designvariablen, Bodenkennwerten und Verbundeigenschaften wirksam unterstützen kann. Für experimentelle Untersuchungen des Verbundverhaltens von Geokunststoffen in der Zukunft werden fortgeschrittene versuchstechnische Einrichtungen empfohlen, in denen ein echter dreidimensionaler Spannungszustand im Boden-Geokunststoffverbund derart eingestellt werden kann, dass die Belastung des Geokunststoffes von der Bodenbelastung eingetragen wird. Als weiterer Vorteil können klar definierte hydraulische Randbedingungen zur Erfassung des Verbundverhaltens von Geokunststoffen in bindigen Lockergesteinenen bei höheren Wassergehalten gesichert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens ist das Prototyp einer Versuchseinrichtung mit diesen experimentellen Randbedingungen entstanden.
Publications
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Nutzung gering tragfähiger Böden fur geokunststoffbewehrten Erdbau; Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, pp. 203, Freiberg, 2015
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