Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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Arbeitsanleitung für den Einsatz des Georadars zur Gewinnung von Bestandsdaten des Fahrbahnaufbaues
(2003)
Das Georadarverfahren (auch Ground Penetration Radar (GPR)) ist ein Verfahren zur Unter-suchung des Aufbaues und zur Detektion von Objekten im Ober- und Unterbau sowie dem Untergrund. Das Verfahren beruht auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und er-möglicht so eine kontinuierliche und zerstörungsfreie Aufnahme des Straßenoberbaues bzw. des Untergrundes/Unterbaues. Das Georadarmesssystem bieten eine Reihe von Möglichkeiten auf verschiedenen Anwendungsgebieten. Diese Anwendungsgebiete lassen sich in die Bereiche Netzebene und Projektebene unterscheiden. In Forschungsvorhaben konnte gezeigt werden, dass sich das Messsystem auf Netzebene zur Erfassung von Bestandsdaten im Straßenoberbau eignet. Aufbauend auf den Forschungsergebnissen, den durchgeführten Messreihen und dem Erfahrungsaustausch mit Georadarbetreibern ist eine Arbeitsanleitung für den Einsatz des Georadars zur Gewinnung von Bestandsdaten des Fahrbahnaufbaues erstellt worden. Sie beschränkt sich auf den Einsatz auf Netzebene, stellt Anforderungen an die Gerätetechnik, Messkonfiguration sowie an die Durchführung, Auswertung und Dokumentation der Messungen. Ziel der Arbeitsanleitung ist es, den Einsatz des Messverfahrens zur Bestimmung von Aufbaudaten zu erleichtern und unsachgemäße Handhabung zu vermeiden. Sie dient einer einheitlichen Grundlage zur Durchführung und Auswertung von Georadarmessungen. Bei der Projektbearbeitung hat sich gezeigt, dass das Georadarmesssystem Potential für andere Anwendungsfälle insbesondere auf Projektebene im Bereich der Schadensanalyse und der Entwicklung von Erhaltungsstrategien besitzt. Für den Einsatz des Georadarverfahrens im Asphaltstraßenbau auf Projektebene gibt es noch keinen ausreichenden Bewer-tungshintergrund, um allgemeine Anforderungen an die Durchführung und Auswertung von Georadarmessungen für diese Anwendungsfälle in einer Arbeitsanleitung festzuschreiben. Hier besteht aktueller Forschungsbedarf. Zur Sicherstellung qualitativ hochwertiger Auswertungen von Georadarmessungen ist weiterhin eine Zertifizierung der Messgeräte und des Messpersonals wünschenswert, da Erfahrungen aus dem Bereich Straßenbau sind für die Auswertung der Messdaten und der Dateninterpretation unerlässlich sind.
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Die erste Anwendung von EPS-Hartschaum als Leichtbaustoff in Deutschland erfolgte im März 1995. Nach den Untersuchungen in der Modellstraße der BASt mit EPS-Unterbau, die wesentliche Grundlage für das "Merkblatt für die Verwendung von EPS-Hartschaumstoffen beim Bau von Straßendämmen" waren, galt es, diese neue, aus dem Skandinavischen bekannte Bauweise in der Praxis zu erproben und Erfahrungen damit zu sammeln. Dazu wurde im Zuge der BAB A 31 bei Emden zwischen einem Schlafdeich und der Brücke über das "Larrelter Tief" eine Versuchsstrecke eingerichtet. Diese Stelle bot sich dafür an, weil trotz erfolgter Überschüttung des wenig tragfähigen Untergrundes im Laufe der Jahre mit einer Setzungsmulde zwischen den Bauwerken zu rechnen war. Durch den Einbau von EPS-Hartschaumblöcken in einer Dicke von 2,5 m wurde der Untergrund noch weiter entlastet und damit die Tiefe der Setzungsmulde verringert. Im vorliegenden Bericht wird die Baumaßnahme von den ursprünglichen Planungen bis zur Entscheidung für den EPS-Einbau beschrieben. Dabei wird detailliert auf die umfangreichen Baugrunduntersuchungen vor und während der Bauausführung eingegangen. Durch die Überschüttung wurde eine deutliche Zunahme der undränierten Scherfestigkeit der holozänen Weichschichten erreicht. Die Ergebnisse der baubegleitenden Messungen (Setzungen, horizontale Verformungen und Porenwasserdruck) und die daraus abgeleiteten Folgerungen für die Gebrauchstauglichkeit der Straße werden beschrieben. Die stofflichen Eigenschaften von EPS-Hartschaum sind ebenfalls in dem Bericht zusammengestellt. Die rd. 1000 m-³ EPS-Blöcke wurden innerhalb einer Woche im März 1995 auf dem vorbereiteten Feinplanum verlegt und mit Feinsand überschüttet. Die vielfältigen Einbauerfahrungen und die Ergebnisse der Verdichtungs- und Tragfähigkeitsprüfungen an der Schüttung werden mitgeteilt. Vor der Verkehrsfreigabe wurde ein statischer Belastungsversuch mit einem Schwerfahrzeug der Bundeswehr auf der Binderschicht durchgeführt. Um eventuelle Veränderungen der Tragfähigkeit des Oberbaues aufzuzeigen, wurde zwischen 1995 und 1999 jährlich mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessen. Die letztmalig im Jahr 2003 durchgeführten Verformungsmessungen zeigen, dass die erwartete Setzungsverminderung im Bereich der Versuchsstrecke eingetreten ist. Der Bericht enthält außerdem die Beschreibung der EPS-Anwendung im Zuge der Geh- und Radwegüberführung über die BAB A 31 bei Emden sowie ein Beispiel für ein Leistungsverzeichnis für die Ausschreibung dieser Bauweise.
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Der vorliegende Bericht über Bodenersatzverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund vervollständigt eine dreiteilige Untersuchung zu dieser Thematik. Die Teile "Konsolidationsverfahren" und "Aufgeständerte Gründungspolster" wurden bereits als Hefte S 24 und S 26 in der Schriftenreihe der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe Straßenbau, veröffentlicht. Bodenersatzverfahren lassen sich unterscheiden in Bodenaustauschverfahren und Bodenverdrängungsverfahren. Bei den Bodenaustauschverfahren sind die Teilleistungen Aushub der Weichschichten und Einbau des Ersatzmaterials zu erbringen. Hiermit ist ein relativ aufwendiger Einsatz von Maschinen und Personal verbunden, dem jedoch der Vorteil einer genaueren Steuerung der Qualität des Ersatzkörpers und im Zusammenhang mit Sicherungsmaßnahmen in Form eines Verbaues die Anpassungsfähigkeit an besondere Randbedingungen (zum Beispiel benachbarte bestehende Bauwerke) gegenübersteht. Hingegen erfordern die Bodenverdrängungsverfahren einen wesentlich weniger aufwendigen Maschinen- und Personaleinsatz, da hierbei im wesentlichen lediglich die Teilleistung Einbau zu erbringen ist. Dies drückt sich auch in den resultierenden Kosten aus , im Vergleich zu den klassischen Austauschverfahren sind die Kosten der Verdrängungsverfahren bei gleicher Ersatzkörperkubatur geringer. Nachteilig bei der Bodenverdrängung ist jedoch, dass eine ausreichende Qualität des Ersatzkörpers, auch bei Einsatz entsprechender Hilfsmittel (zum Beispiel Sprengung), wesentlich schwieriger und weniger zuverlässig zu erreichen ist als bei den Bodenaustauschverfahren. Durchgeführte Standsicherheits- und Verformungsberechnungen an Fallbeispielen zeigen, dass eine Vielfalt an Alternativen und Variationen innerhalb der Gruppe der Bodenaustauschverfahren vorhanden ist, um einen beliebigen Straßendamm auf wenig tragfähigem Untergrund standsicher und verformungsarm zu gründen. Bei einem Teilbodenaustausch sind unter ungünstigen Baugrundverhältnissen mit tief reichenden Weichschichten nennenswerte Restsetzungen nach Fertigstellung eines Straßendammes hinzunehmen. Neben der Setzungsverminderung führt der Teilbodenaustausch jedoch insbesondere bei geringen Dammkörperhöhen, ggf. in Verbindung mit der Verwendung von Geotextilien, auch zu einer Vergleichmäßigung der Setzungen bzw. Verringerung von Setzungsdifferenzen. Eine Serie von durchgeführten Setzungsberechnungen zeigt, dass ein Teilbodenaustausch nicht immer notwendigerweise eine Verminderung der resultierenden Setzungen zur Folge hat. Aufgrund der Wichteerhöhung im Austauschbereich können bei zu geringen Austauschtiefen größere Setzungen eintreten als ohne Bodenaustausch. Bei ungünstigen Bodenverhältnissen muss der Verhältniswert zwischen der in den Untergrund eingeleiteten Zusatzlast aus der Damm- sowie der Ersatzkörperschüttung und der Mächtigkeit der im Untergrund verbleibenden Weichschicht einen ungünstigsten Betrag überschreiten, damit die Setzungen mit zunehmender Austauschtiefe abnehmen. Der wichtigste Anwendungsbereich eines Teilbodenaustausches besteht darin, lediglich eine besonders weiche oberflächennahe Bodenschicht auszutauschen und die in der Natur vorgegebene Inhomogenität der Bodenschichtung mit der Folge von ungleichmäßigen Setzungen auf kurzen Distanzen deutlich zu vermindern.
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Eine schadstoffverdächtige Auffüllung in einem ehemaligen Steinbruch für Dolomit und Kalkstein wurde mit geophysikalischen Verfahren der Gleichstromelektrik, Magnetik, Gesamtintensität mit Gradientenmessung und Refraktionsseismik auf Umgrenzung und Tiefe der Deponie untersucht, um die Eignung dieser Verfahren zur Erkundung von Altlasten zu erproben. Die elektrischen Tiefensondierungen haben einen deutlichen Kontrast zwischen der Auffüllung ergeben, der in der geoelektrischen Kartierung die Umrisse der Deponie deutlich macht. Der magnetische Kontrast zeigt die Deponie ebenfalls sehr deutlich, lässt aber keine Aussage über die Mächtigkeit zu. Die Deponiefläche fällt durch die zahlreichen magnetischen Extremwerte gegenüber der magnetisch relativ gleichbleibenden Umgebung auf. Refraktionsseismisch wurde der feste Fels gut erfasst. Die eingesetzten Verfahren sind somit bei verträglich wirtschaftlichem Aufwand und ohne Freisetzen von Schadstoffen gut geeignet, unbekannte Deponien aufzuspüren und ihren Umriss festzustellen.
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Zur Vermeidung von Setzungen beim Bau von Straßen auf wenig tragfähigem Untergrund werden seit längerem im Ausland Bauweisen mit einer Schicht aus Expandiertem Polystyrol (EPS) im Unterbau verwendet, wobei das geringe Eigengewicht dieses Baustoffes ausgenutzt wird. Um eigene Erkenntnisse und Erfahrungen mit diesen Bauweisen zu gewinnen, wurden an einer Modellstraße im Maßstab 1:1 vergleichende Untersuchungen an insgesamt sechs Varianten durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten eine intensive Materialprüfung sowie zahlreiche Messungen während des Einbaus und auf den Gesamtkonstruktionen. Wesentlicher Bestandteil waren dabei Überfahrtmessungen mit realer Belastung und Dauerbelastungsversuche mit Impulsgebern. Ergebnis der Untersuchungen sind zunächst der Nachweis für die Eignung des Baustoffs EPS, Erkenntnisse über die erforderliche Einbautechnik für die verschiedenen Baustoffe und über die Befahrbarkeit im Bauzustand. Dies wird ergänzt durch Erkenntnisse über die eingesetzte Versuchstechnik und die Auswerteansätze. Die Untersuchungen kommen zu dem Ergebnis, dass die Bauweise mit einer ungebundenen ersten Tragschicht nur für Straßen der Bauklassen V und VI geeignet ist. Bei einer Betonplatte als erster Tragschicht konnte hingegen die Eignung dieser Bauweise für Straßen der Bauklasse III aufgezeigt werden.
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Der östliche Streckenabschnitt der Querspange B 73n (langgezogener Rampendamm von 2 m bis 8 m Höhe) wurde auf rund 700 m Länge aus Gründen umweltschonender Reduzierung von Absetzflächen und zur Kosteneinsparung ohne Bodenaustausch gegründet. Die im Untergrund anstehenden Weichböden und der rasche Dammauftrag im Spülverfahren erforderten eine laufende Kontrolle der Standsicherheit durch Porenwasserdruck- und Setzungsmessungen. Unter ständiger Auswertung und Beurteilung der Messergebnisse konnte der Dammauftrag derart gesteuert werden, dass Geländebrucherscheinungen nicht auftraten. Bereits drei Monate nach dem Aufspülen der Hauptmassen konnte mit dem Restauftrag begonnen werden. Die baubegleitenden Messungen bedeuteten einen mitentscheidenden Faktor bei der Einhaltung der gesetzten Bautermine (Bauzeit: Juli 1984 bis September 1985). Wegen der großen Zusammendrückbarkeit und der stark zeitverzögerten Konsolidierung der organischen tonigen Kleiböden waren auch nach dem Deckenbau noch große Nachsetzungen und Setzungsunterschiede zu erwarten. Aus diesem Grunde wurde eine provisorische Fahrbahndecke aufgebracht. Durch Setzungsmessungen sollte kontrolliert werden, ab welchem Termin die endgültige Decke aufgebracht werden kann, ohne dass anschließend noch schädliche Setzungsdifferenzen entstehen. Zum Ende der Messzeit ab Deckenbau (3 Jahre und 9 Monate) war ein deutliches Abklingen der Setzungen und Setzungsdifferenzen in großen Teilen der Messstrecke noch nicht erkennbar. Mittels eines besonderen Auswerteverfahrens, welches die Messwerte als Grundlage hat, wurde das künftige Setzungsverhalten bis 25 Jahre ab Fertigstellung der provisorischen Fahrbahndecke vorausberechnet (1985 bis 2010). Als wesentlichstes Ergebnis dieser Untersuchungen zeigte sich, dass ab einem Zeitbereich der Jahre 1995 bis 1997 nur noch mit geringen Zunahmen der Setzungsdifferenzen zu rechnen ist (delta s gleich 0,5 cm bis 1,5 cm). Als frühester Termin für das Aufbringen der endgültigen Deckschicht wurde der Herbst 1995 empfohlen.
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Das Säulenkurzverfahren nach DIN 19528 kann im Rahmen der Güteüberwachung zur Prüfung der Umweltverträglichkeit eines Baustoffs durchgeführt werden. Da feinkörnige Materialien z. T. sehr schlecht perkolierbar sind, ist in diesen Fällen eine Quarzsandzumischung von 80 % in DIN 19528 vorgesehen. Hier wird davon ausgegangen, dass sich Gleichgewichtskonzentrationen einstellen und somit die Zumischung für das Eluat irrelevant ist. Die Sandzumischung hat u.a. den Vorteil, dass eine Verkürzung der Versuchslaufzeit entsteht. Zielsetzung dieses Projekts war es, den Einfluss einer Quarzsandzumischung für unterschiedliche Baustoffe zu überprüfen und die Versuchsdurchführung zu konkretisieren und zu optimieren. Falls die Sandbeimischung die Ergebnisse nicht beeinflusst, wäre es möglich, auch gröbere Materialien unter Sandbeimischung zu untersuchen und so bei der Güteüberwachung Zeit einzusparen. Eine Versuchsreihe zur Optimierung der Prüfbedingungen mit einem bindigen Boden (Ton) sowie einem grobkörnigen RC-Material (Größtkorn 16 mm) zeigte, dass ein Sandanteil von 50 % einen guten Kompromiss darstellt, da das Wasser gleichmäßig durch das bindige Material (Ton) perkolieren konnte und beim groben Material (RC) keine Verdünnung auftrat. Die Sättigungsphase sollte von 2 h auf 5 h verlängert werden, weil sonst zu Versuchsbeginn für einige Parameter noch keine Gleichgewichtskonzentration erreicht ist. Mit dem optimierten Verfahren wurden 8-fach-Bestimmungen und Laborvergleichstests an zwei RC-Materialien mit und ohne Sandzumischung (50 %) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden statistisch ausgewertet. Die Unterschiede aufgrund der Sandzumischung waren deutlich geringer als die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der unterschiedlichen Labore. Wird die statistische Verteilung der Konzentrationen umweltrelevanter Parameter betrachtet, besteht kein Unterschied ob der Säulenversuch mit oder ohne Sandzumischung durchgeführt wurde. Eine Prüfserie an 16 unterschiedlichen mineralischen Abfällen und Nebenprodukten zeigte, dass der optimierte Säulenschnelltest mit einer Sandzumischung von 50 % keine statistisch signifikanten Abweichungen zum Säulenschnelltest am reinen Material aufweist und somit als Standard für den Säulenversuch eingeführt werden kann.