Christian Moormann, Jana Liebl, Moritz Schleeh

• Die Filterregeln für Geokunststoffe werden in dem Merkblatt über die Anwendung von Geokunstoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E, 2016) durch Einteilung der Anwendung in drei hydraulische Sicherheitsfälle unterschieden. Die drei hydraulischen Sicherheitsfälle werden durch die Angabe von Bereichen der zulässigen charakteristischen Öffnungsweite O90 beschrieben. Zum Zeitpunkt der Erarbeitung des M Geok E wurde die Obergrenze der Öffnungsweite als technisch sinnvoll angesehen, während die Untergrenze ein Zugeständnis an die verfügbaren Produkte war. Die im Rahmen des Forschungsprojekts durchgeführte Marktstudie zeigt, dass zwischenzeitlich fast ausschließlich Produkte mit Öffnungsweiten zwischen 0,06 mm und 0,08 mm, also an der unteren Grenze, am Markt verfügbar sind. Beim Einsatz dieser Produkte für geotextile Filter können in der Praxis Durchlässigkeitsprobleme auftreten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst die national und international für die Bemessung von geotextilen Filtern gebräuchlichen Filterregeln zusammengestellt. In welchen Fällen in der Praxis aus der Anwendung der gängigen Filterregeln bei der Bemessung geotextiler Filter derzeit tatsächlich systematische Probleme im Hinblick auf die Kolmationsgefahr erwachsen, sollte durch eine bundesweite Erhebung zum Einsatz von Trenn- und Filterkunststoffen im Erdbau des Straßenbaus bei den zuständigen Fachbehörden eruiert werden. Aufgrund der geringen Anzahl an Rückmeldungen konnte anhand der Erhebung nur eine Tendenz ermittelt werden. Es werden hauptsächlich geotextile Filter mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze mit geringen Filterdicken eingesetzt. Ein Filterversagen war nur in einem Fall bekannt. Das Hauptaugenmerk des Forschungsprojekts lag in der Überprüfung der bestehenden Filterkriterien des M Geok E durch experimentelle Untersuchungen unter Laborbedingungen in Form von Versuchen am System Boden/Geokunststoff. Dazu wurden sowohl erosions- und suffosionsgefährdete Böden (SW und UL nach DIN 18196), als auch solche Böden, die als verhältnismäßig wenig suffosionsempfindlich gelten (SE und ST* nach DIN 18196), ausgewählt. Die Geotextilien wurden anhand der Marktstudie gewählt. Zum Einsatz kamen insgesamt sieben Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen und unteren Grenze (mit Filterdicken von 1 mm/ 3 mm). Die Öffnungsweite wurde im Rahmen des Forschungsprojekts nach dem Verfahren gemäß DIN EN ISO 12956 nachgewiesen. Als Systemversuche wurden Langzeitversuche, zyklische Versuche und Versuche mit Suspensionsbeaufschlagung durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsstand, ähnlich einem GR-Test (Gradient Ratio Test), entwickelt. Bei den Langzeitversuchen sollte die zeitliche Entwicklung des Durchlässigkeitsbeiwertes des Systems Boden/Geokunststoff unter konstanten Randbedingungen untersucht werden (hydraulisches Gefälle i = 12, Dauer = 200 Stunden). Gemessen wurde der Durchfluss, die Masse des ins Geotextil eingelagerten Bodens, die Drücke innerhalb der Bodenprobe, sowie der Materialdurchgang. Diese Parameter liefern Aufschluss über das Clogging-Potenzial bzw. zeigen Kolmationsprozesse im Boden/Geotextil. Insgesamt wurden 14 Langzeitversuche durchgeführt. Bei den zyklischen Versuchen sollten Regenereignisse mit Trockenfallen des geotextilen Filters simuliert werden. Dazu wurde das hydraulische Gefälle am Versuchsstand zwischen 0 < i < 12 variiert (Versuchsdauer = 13 Std.). Erfasst wurden die gleichen Parameter wie bei den Langzeitdurchlässigkeitsversuchen. Insgesamt wurden acht zyklische Versuche durchgeführt. Zur Untersuchung des Materialtransports wurden vier Versuche mit einer Suspensionsbeaufschlagung unter konstanten Randbedingungen (i = 12, Versuchsdauer = 5 Std.) durchgeführt. Dazu wurde intervallweise Kaolin dem Versuch zugeführt und neben den üblichen Parametern die Veränderung der Kornverteilung des Prüfbodens erfasst. Zusammenfassend zeigen die Versuche, dass ein Clogging-Potenzial bei der Verwendung von Geotextilien mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze besteht. Besonders Geotextilien mit einer Filterdicke von 1 mm sind davon betroffen. Aus diesem Grund ist auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse eine Fortentwicklung des M Geok E hinsichtlich der folgenden Punkte empfehlenswert: • Die untere Grenze der Öffnungsweite gemäß M Geok E (hydraulischer Sicherheitsfall II) sollte angehoben werden. Ein Einsatz von Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen Grenze sollte bevorzugt werden. • Die bestehende obere Grenze der Öffnungsweite sollte überprüft und gegebenenfalls angehoben werden. • Es wird empfohlen, ein Kriterium zur Berücksichtigung der Filterdicke mit aufzunehmen (vgl. Ansatz nach BAW MAG 1993, STOEWAHSE 2017). • Es sollte ein Kriterium zur hydraulischen Filterwirksamkeit entwickelt werden. • Kriterien zur Berücksichtigung weiterer Parameter wie beispielsweise die Lagerungsdichte des Bodens und die Ungleichförmigkeitszahl sollten in die Geotextilfilterbemessung mit einbezogen werden (vgl. Ansätze nach DWA-M 511, GIROUD & LUETTICH).
• The filter rules for geosynthetics are characterised in the German recommendation M Geok E by classifying based on upon three hydraulic safety cases. The three safety cases are described by specifying ranges of permissible characteristic opening size, O90. At the time of development of the M Geok E, the upper limit of the opening sizes were considered technically reasonable, while the lower limit was a concession based on the available products in the market. Our market study within the scope of this research project showed that most of the products available on the market are with opening sizes between 0.06 mm and 0.08 mm, i.e. at the lower limit. When using these products for geotextile filters, problems with respect to permeability can occur in practice. As part of this research project, the filter rules commonly used locally and internationally for the design of geotextile filters were determined. In practice, the application of the common filter rules used in the design of geotextile filters gives rise to systematic problems with regard to the risk of colmation. This risk was to be determined by means of a nationwide survey on the use of separating and filtering geosynthetics in earthworks for road construction among the authorities at the regional councils. Due to the low number of responses, only a tendency could be determined on the basis of the survey. Geotextile filters with opening sizes at the lower limit with low filter thickness were mainly used. A filter failure occurred in only one case. The main focus of the research project was to verify the existing filter criteria of the M Geok E by experimental investigations under laboratory conditions in the form of tests on the soil-geotextile system. To this end, soil types susceptible to erosion and suffosion (SW and UL according to DIN 18196), as well as soil types considered to be relatively less susceptible to erosion (SE and ST* according to DIN 18196) were selected. The geotextiles were selected on the basis of the market study. A total of seven geotextiles with opening sizes at the upper and lower limits (with filter thicknesses of 1 mm/3 mm) were used. The opening size was verified within the scope of this research project according to DIN EN ISO 12956 procedure. Long-term tests, cyclic tests and tests with suspension loading were carried out as system tests. A test rig similar to a GR test (Gradient-Ratio-Test) was developed for this purpose. In the long-term tests, the time-dependent development of the permeability coefficient of the soil-geosynthetic system was investigated under constant boundary conditions (hydraulic gradient, i = 12, test duration = 200 hours). The flow rate, the mass of the embedded soil into the geotextile, the pressures within the soil sample and the material transport were measured. These parameters provide information about the clogging potential or show colmation processes in the soil-geotextile system. A total of 14 long-term tests were carried out. In the cyclic tests, rain events with dry fall of the geotextile filter were simulated. For this purpose, the hydraulic gradient, i at the test rig was varied between (0 and 12) with a test duration of 13 h. The same parameters were recorded as in the long-term permeability tests. A total of eight cyclic tests were performed. To investigate the material transport, four tests were carried out with a suspension loading under constant boundary conditions (i = 12, test duration = 5 h). For this purpose, Kaolin was added to the test at regular intervals. In addition to the usual parameters, the change in the particle size distribution of the test soil was also recorded. In summary, the tests show that a clogging potential exists when using geotextiles with an opening size at the lower limit. Geotextiles with a filter thickness of 1 mm are particularly affected. For this reason and based on the results obtained, enhancement of the German recommendation M Geok E is recommended as shown below: • Lower limit of the opening size according to M Geok E (hydraulic safety case II) should be raised. The use of geotextiles with opening sizes at the upper limit should be recommended. • The existing upper limit of the opening size should be reviewed and raised, if necessary. • It is recommended to include a criterion to consider the filter thickness (see. approach according to BAW MAG 1993, STOEWAHSE 2017). • A criterion for hydraulic filter effectiveness should be developed. • Criteria for the consideration of further parameters such as the bearing density of the soil and the non-uniformity number should be included in the geotextile filter design (cf. approaches according to DWA-M 511, GIROUD & LUETTICH). Further tests on the soil-geosynthetic system are recommended.