51 Erdarbeiten
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Die Qualität und Gleichmäßigkeit der ungebundenen Schichten beeinflusst die Dauerhaftigkeit des gesamten Oberbaus einer Straße deutlich. Eine mangelnde Tragfähigkeit dieser Schichten und die daraus entstehenden Verformungen aufgrund von zyklischer Beanspruchung führen allmählich zu Schäden an der Straßenoberfläche. Die Tragfähigkeit ungebundener Schichten wird bisher ausschließlich punktuell durch statische oder dynamische Plattendruckversuche ermittelt und kann somit nicht als maßgebend für die gesamte untersuchte Schicht angenommen werden. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, Ideen für ein innovatives Messsystem zur möglichst flächendeckenden und zerstörungsfreien Erfassung der Gebrauchseigenschaften ungebundener Schichten im Straßenbau zu erarbeiten, um damit eine nachhaltige Steigerung der Nutzungsdauer einer Straßenbefestigung zu erreichen. Eine interdisziplinäre Literaturreche, die Auswertung und die theoretische Übertragung auf den ungebundenen Straßenbau führten zu zwei technisch sinnvollen Messmethoden, mit denen genaue Angaben über die tatsächliche Struktur und die relevanten Materialeigenschaften für die ungebundene Schicht erlangt und somit die ganzheitliche Qualität der ungebundenen Schicht beschrieben werden können. Beide Prüfmethoden, harmonische Deflektometrie und Reflexionsmessung, sind vergleichsweise einfach durchzuführende dynamische Messverfahren, bei denen die Messungen an sich jedoch stationär aber zerstörungsfrei stattfinden. Durch wiederholte Messungen in definierten Abständen können die Gebrauchseigenschaften ansatzweise flächendeckend abgeleitet werden. Um eine annährend flächendeckende Aussage zu bekommen, ließen sich beide Messmethoden theoretisch mit Georardarmessungen verknüpfen. Nach bisherigen Erfahrungen können moderne Georadarsysteme zur Überprüfung der Schichtdicken und bedingt zur Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der zu prüfenden Schicht (Dichte) angewendet werden.
Bei Gabionen handelt es sich um verfüllte Drahtbehälter. Die Festigkeit und Steifigkeit beziehen Gabionen aus der Interaktion des Verfüllmaterials und der Drahtbehälter. Die äußere Standsicherheit von Gabionen wird mit etablierten und in der Praxis bewährten Verfahren nach DIN EN 1997-1 nachgewiesen. Im Einzelnen sind die Nachweise der Sicherheit gegen Kippen, Gleiten in der Sohlfuge, Gleiten in den Lagerfugen, Grundbruch und Geländebruch zu erbringen. Gemäß dem "Merkblatt über Stützkonstruktionen aus Betonelementen, Blockschichtungen und Gabionen" der FGSV (Merkblatt 555) ist die innere Standsicherheit rechnerisch oder über Belastungsversuche nachzuweisen. Belastungsversuche zur Bestimmung der inneren Tragfähigkeit wurden in der Vergangenheit kaum durchgeführt, weil sie nicht ohne weiteres von einem spezifischen Anwendungsfall auf einen anderen Anwendungsfall übertragbar sind. Bei den Versuchen wurden stets nur die Druckfestigkeiten des untersuchten Systems messtechnisch erfasst, nicht jedoch die Kraftverläufe in der Gabione nachvollzogen. Zur Abschätzung der inneren Tragfähigkeit von Gabionen existieren theoretische Modelle, deren Repräsentativität für die in-situ Bedingungen nicht nachgewiesen sind. Mit diesem Hintergrund wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Konzept zur Durchführung von grundlegenden Belastungsversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen entwickelt. Ziel der Belastungsversuche ist die phänomenologische Beschreibung der Spannungstrajektorien innerhalb der Gabione, um die vorhandenen Rechenmodelle zu bestätigen, weiterzuentwickeln oder zu verwerfen. Grundsätzlich wird dabei zwischen Belastungsversuchen an Einzelgabionen zur Beschreibung des Tragverhaltens einer Gabione und Belastungsversuchen an Stützbauwerken aus mehreren gestapelten Gabionen zur Erfassung des Systemtragverhaltens mehrerer Gabionen unterschieden. Die Empfehlungen zur Versuchsdurchführung umfassen das jeweilige Versuchsprogramm einschließlich der Versuchsanordnung, der Abmessungen und Füllungen der Gabionen sowie die Belastungsprozedur und die messtechnische Ausrüstung.
Im Gegensatz zu anderen Bereichen des Straßenbaus fehlen für den Unterbau/Untergrund (Erdbau) von Straßen zz. noch eigene Technische Lieferbedingungen sowie die zugehörige Güteüberwachung. Diese Lücke soll durch die derzeit in Erarbeitung befindlichen "Technischen Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe für den Erdbau im Straßenbau" (TL BuB E-StB) geschlossen werden. Diese werden stoffspezifische, erdbautechnische und umweltrelevante Anforderungen an Böden und Baustoffe, die zur Herstellung von Erdbauwerken verwendet werden, enthalten. In den TL BuB E-StB werden die Anforderungen an industrielle Nebenprodukte und RC-Baustoffe, die derzeit im Wesentlichen auf der Ebene von Merkblättern bzw. Hinweisen geregelt sind, zusammengefasst.
Die bodenmechanischen Eigenschaften von feinkörnigen Böden und gemischtkörnigen Böden mit Feinkornanteilen über 15 M.-% werden maßgeblich von der Konsistenz und der Plastizität des Feinkorns bestimmt. Mittel- und langfristig können an Erdbauwerken, die aus diesen Bodenarten errichtet wurden, Schäden entstehen, wenn Wasserzutritte eine Verringerung der Konsistenz der feinkörnigen Anteile bewirken. Um eine verminderte Scherfestigkeit, Sackungen und Setzungen zu vermeiden, wurden in den ZTV E-StB 09 Verdichtungsanforderungen festgelegt, die neben dem Verdichtungsgrad auch den Luftporenanteil beinhalten. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit sollte untersucht werden, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten der o.g. Böden hat und inwieweit eine Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil eine Verbesserung der dauerhaften Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung eines erhöhten Verdichtungsaufwandes bewirkt. Es wurde zunächst herausgearbeitet, welche Anforderungen hinsichtlich des Luftporenanteils bereits bestehen und inwieweit der Luftporenanteil als Verdichtungsanforderung geeignet ist. Der Luftporenanteil wird hierbei lediglich in Deutschland und Großbritannien als Verdichtungsanforderung genannt. Anhand von fünf Versuchsböden, die nach DIN 18196 den Bodengruppen UL, TM, TA, SU* und GU* zuzuordnen sind, wurde anschließend das Last-Verformungsverhalten bei oedometrischer Belastung und bei Wasserzutritt bei unterschiedlichen Spannungsniveaus untersucht. Die weiteren Laboruntersuchungen umfassten Triaxial- und Wasserdurchlässigkeitsversuche. An einem Probefeld wurden Feldversuche zur Entwicklung des Luftporenanteils bei einer zunehmenden Anzahl an Walzenübergängen durchgeführt. Eindeutige Aussagen zum Einfluss des Luftporenanteils auf das Verformungsverhalten der untersuchten Böden waren anhand der Laboruntersuchungen nur schwer zu treffen. Die Streuung der Versuchsergebnisse ließ zumeist keine eindeutige Systematik hinsichtlich des Einflusses des Einbauzustandes erkennen. Überwiegend wiesen die Versuche, deren Einbaubedingungen innerhalb der nach ZTV E-StB 09 festgelegten Grenzen an Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil lagen, jedoch nur geringe Verformungen auf. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen belegen somit die Eignung der in den ZTV E-StB enthaltenen Verdichtungsanforderungen für Erdbaumaßnahmen. Die Notwendigkeit einer Anpassung bzw. Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil lässt sich aus den Laboruntersuchungen nicht ableiten. Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass mit den auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Walzenzügen eine stetige, signifikante Erhöhung der Trockendichte und eine Verringerung der Luftporenanteile nur bis zu einem bestimmten Grad erreicht werden konnte, indem die Verdichtungsarbeit durch eine Erhöhung der Walzenübergaenge gesteigert wurde. Teilweise bewirkten zusätzliche Walzenübergänge sogar eine Auflockerung des Bodens.
Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, sodass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können. Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie "Die postfossile Gesellschaft: Verbesserte Nutzung endlicher Ressourcen im Straßenwesen". Das übergeordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren, und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten. Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung? Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden im Erdbau mit Ersatzbaustoffen technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Mit diesen Bauweisen kann die Menge des Sickerwassereintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden. Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zur Sickerwassermenge zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Durch die ökonomisch und ökologisch optimierten Bauweisen soll das Potenzial für den Einsatz von Ersatzbaustoffe im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden. In diesem Projekt "Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau " Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen" wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter entwickelt und eine zugehörige Beregnungseinheit. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, wird die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, sodass Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt werden können. Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehört, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar. In dieser ersten Versuchsserie wurden ein bindiger und ein kiesiger Boden untersucht. Als TSM wurden eine Dränmatte, eine wasserabweisende Anspritzung mit Bitumen und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, sodass sich aus der Kombination von zwei Böden und drei Bauweisen insgesamt sechs Versuchsreihen ergeben. Die Lysimeterversuche wurden von September 2011 bis Dezember 2012 durchgeführt. Während der 15-wöchigen Versuchsreihe wurde jeden Tag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabflusses ermittelt. Das Sickerwasser wurde gemessen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse durchgeführt. Die wesentlichen Erkenntnisse zur Wirksamkeit der TSM sind: 1. trotz mehrfacher Bitumenanspritzung konnte für beide Böden die Sickerwassermenge nicht wesentlich reduziert werden und 2. die beste Wirkung hat die Bauweise kiesiger Boden mit Dränmatte erzielt. Dies ist erstaunlich, da diese Bauweise eigentlich nur für Baustoff mit geringer Durchlässigkeit vorgesehen ist. Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.
In den ZTVT-StB 95 (Ausgabe 98) wird verlangt, dass Frostschutzschichten auch im verdichteten Zustand ausreichend wasserdurchlässig sein müssen. Diese Eigenschaft ist weder definiert, noch ist angegeben, mit welchem Prüfverfahren diese Anforderung kontrolliert werden kann. Die Zielsetzung des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, nach Erprobung und Bewertung von Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit in situ ein geeignetes Prüfverfahren auszuwählen und zugehörige Anforderungen festzulegen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen an die Durchlässigkeitsbestimmung nach DIN 18130 angebunden werden, um im Rahmen von Eignungsprüfungen der für den Einbau vorgesehenen Materialien Prognosen zur Wasserdurchlässigkeit in situ machen zu können. Die experimentellen Versuche werden in der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt. Die Anwendbarkeit verschiedener als geeignet angesehener Prüfverfahren wird für unterschiedliche Gesteinsproben untersucht. Die Untersuchungen werden beschrieben. Sie sind noch nicht abgeschlossen.
Seit etwa 20 Jahren gibt es in Deutschland Erfahrungen mit Strecken, die in offenporiger Asphaltbauweise ausgeführt sind. Die Entwicklung des offenporigen Asphalts (OPA) erfolgte in 5 Schritten. In der ersten OPA-Generation der Jahre 1986 bis 1993 fand Bitumen der Sorte 50/70 (B 80) mit einem Anteil von 5,2 bis 5,8 M.-% Verwendung. Das aufgrund der Bitumen-Verhärtung auftretende Problem des Kornausbruchs führte dazu, dass heute ausschließlich höhere Gehalte an modifizierten Bindemitteln zur Herstellung verwendet werden. Durch Optimierung der Sieblinie der Gesteinskörnung wurde der Hohlraumgehalt erhöht und dadurch eine Verbesserung der lärmtechnischen Eigenschaften erreicht. Verbesserungsbedarf besteht nach wie vor hinsichtlich der Dauerhaftigkeit. In Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen hatte die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Gelegenheit, im Auftrag des niederländischen Instituts für Dienst Weg en Waterbouwkunde (DWW) etwa 200 Bohrkernproben zu studieren, die aus zwölf Streckenabschnitten niederländischer Autobahnen stammten. Die Strecken besaßen ein Alter von 3 bis 16 Jahren. Da in allen untersuchten Streckenabschnitten der OPA auf gleiche Weise konzipiert war, ergab sich die Möglichkeit, die zeitliche Veränderung zu untersuchen. Von der BASt wurde insbesondere das Bitumen und dessen Wechselwirkung mit dem verwendeten Füller und Gestein untersucht. Die rückgewonnenen Bitumen wurden mit Hilfe moderner instrumenteller Methoden untersucht. Zusätzlich wurde der Asphaltenstatus nach Zenke bestimmt, um die Asphaltene in leicht-, mittel- und schwerlösliche Anteile zu differenzieren. Als besonders wertvoll hat sich die mikroskopische Untersuchung von Bohrkernproben in Kombination mit einfachen mikroanalytischen Tests erwiesen. Anhand der Ergebnisse konnte der Schadensmechanismus für den Kornausbruch geklärt werden. Für die Haltbarkeit von OPA ist die Oxidation des Bitumens durch Luftsauerstoff von zentraler Bedeutung. Möglichkeiten zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von offenporigen Asphalten sind deshalb in einer Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der verwendeten Bindemittel zu suchen.
Die Europäischen Normen für Erdarbeiten werden im CEN/TC 396 "Earthworks" erarbeitet. Das Sekretariat des CEN/TC 396 wird vom französischen Normungsinstitut AFNOR gehalten. Die Normungsarbeit wird im DIN-Ausschuss NA 005-05-22 AA "Erdarbeiten (SpA zu CEN/TC 396), Gemeinschaftsausschuss mit FGSV GA 5.01" gespiegelt. Vertreter des Spiegelausschusses arbeiten in den verschiedenen Arbeitsgruppen (Working Groups (WG)) des CEN/TC 396 mit. In den Jahren 2009 und 2010 wurden die Gremien konstituiert und mit der Normungsarbeit begonnen, zunächst überwiegend durch die Zusammenstellung der vorhandenen Regelungen in den Mitgliedsstaaten (siehe auch Beitrag Vogel/Leister/Heyer zur Erd- und Grundbautagung 2013). Im November 2014 wurden vom CEN/TC 396 die Arbeitsaufträge ("work items") offiziell gestartet.
Die Europäischen Normen für Erdarbeiten werden im CEN/TC 396 "Earthworks" erarbeitet. Das Sekretariat des CEN/TC 396 wird vom französischen Normungsinstitut AFNOR gehalten. Die Normungsarbeit wird im DIN-Ausschuss NA 005-05-22 AA "Erdarbeiten (SpA zu CEN/TC 396), Gemeinschaftsausschuss mit FGSV GA 5.01" gespiegelt. Vertreter des Spiegelausschussesarbeiten in den verschiedenen Arbeitsgruppen (working groups (WG)) des CEN/TC 396 mit. In den Jahren 2009 und 2010 wurden die Gremien konstituiert und mit der Normungsarbeit begonnen, zunächst überwiegend durch die Zusammenstellung der vorhandenen Regelungen in den Mitgliedsstaaten (siehe auch Beitrag Vogel/Leister/Heyer zur Erd- und Grundbautagung 2013). Im November 2014 wurden vom CEN/TC 396 die Arbeitsaufträge("work items") offiziell gestartet.
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.