Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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Am 38. Erfahrungsaustausch über Erdarbeiten im Straßenbau am 7. und 8. Mai 2002 nahmen neben Vertretern des Bundesministeriums fuer Verkehr, Bau- und Wohnungswesen und der Straßenbaubehörden der Länder auch Vertreter der Bundesanstalt für Wasserbau, der DEGES, des Bundesrechnungshofes und der Deutschen Bahn AG teil. Der Erfahrungsaustausch dient dazu, Erfahrungen mit neuen Bauweisen und der Anwendung neuer Regelwerke und Prüfverfahren mitzuteilen und zu diskutieren. Schwerpunkte waren diesmal der Boden- und Grundwasserschutz im Straßenbau und Straßenbetrieb, die Vorstellung von Neuerungen im Regelwerk und Erfahrungen mit deren Anwendung sowie neue Baustoffe und Bauverfahren. Nach Informationen aus dem BMVBW und über Aktivitäten in der BASt und der FGSV wurden die gesetzlichen Grundlagen des Boden- und Grundwasserschutzes vorgestellt und eine Übersicht über den aktuellen Stand des zugehörigen Regelwerkes des Straßenbaus gegeben. Im Detail wurden die Richtlinien über die umweltverträgliche Anwendung von industriellen Nebenprodukten und RC-Baustoffen (RuA-StB 01) mit den Mitteilungen 20 der LAGA verglichen. Des Weiteren befasste man sich mit neuen Forschungsergebnissen über Bodenbelastungen an Verkehrswegen und stellte die neuen Richtlinien über bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wasserschutzgebieten (RiStWag) vor. Zum Themenbereich Regelwerke wurden aus der Sicht des Erdbaus Betrachtungen zu den Neuerungen der RStO 01 angestellt und über die neuen Richtlinien über geotechnische Untersuchungen und geotechnische Berechnungen berichtet. Um baustoffbezogene Themen ging es bei den Erfahrungen aus dem Wasserbau über das Verhalten von geosynthetischen Tondichtungsbahnen im gequollenen Zustand, den Erkenntnissen über den Einsatz von Geokunststoffen zur Sicherung bruchgefährdeter Straßenbereiche in Altbergbau- und Subrosionsgebieten und den Einsatz von Blähton als Leichtbaustoff beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund. Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen ueber Bauweisen zur tiefgründigen Bodenstabilisierung im Verdrängungs- und Mischverfahren wurden in einem Überblick einschließlich der Kosten der verschiedenen Verfahren aufgezeigt. An Beispielen wurde über die Sicherung von steilen Böschungen mit Pflanzen (Lebend bewehrte Erde) und über die Sanierung einer Rutschung berichtet. Die Fachexkursion am 8. Mai führte zur Baustelle eines Abschnittes der BAB A 17 von Dresden nach Prag, die in ihrem stadtnahen Streckenabschnitt 4 Brücken und 3 Tunnel aufweist, um Wohngebiete und Kleingartenanlagen zu schützen. Der bei den Tunnelvortrieben gewonnene Syenit wird aufbereitet und auf den Baustellen wiederverwendet.
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Die Durchsickerung von Erdbauwerken, wie Straßendämmen und Schutzwällen, ist im Zusammenhang mit dem Einsatz von Ersatzbaustoffen im Erdbau von großer Relevanz. Bei der Bauweise E des „Merkblatts für Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau“ (M TS E) der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) werden Erdbauwerke mit Dammkernen aus Bodenmaterialien mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen, industriellen Nebenprodukten oder Recyclingmaterialien ohne zusätzliches Abdichtungselement errichtet. Zur Reduktion der Durchsickerung zum Schutz des Grundwassers, werden dabei Anforderungen an die Wasserdurchlässigkeit der einzubauenden Böden bzw. Baustoffe gestellt (k ≤ 1 • 10-8 m/s). Zur Beurteilung und rechnerischen Überprüfung der Wirksamkeit dieser Sicherungsmaßnahme ist die Kenntnis des Wasserhaushalts von Straßendämmen erforderlich. Dazu wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Böschungsausschnitte in verschiedenen Bauweisen mit unterschiedlichen Materialien in Lysimetern im Freien, sowie in der Halle unter Laborbedingungen untersucht.
Gegenstand des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die numerische Modellierung der Hallen-und Freilandlysimeter in instationären zweidimensionalen Finite-Elemente Berechnungen. Erstmals ist damit ein umfassender Vergleich zwischen messtechnisch erfassten und errechneten Sickerwassermengen von Straßendämmen möglich.
Die Festlegung hydraulischer Bodenkennwerte erfolgt bei den Bodenmaterialien auf der Grundlage vorhandener Untersuchungsergebnisse bzw. durch Abschätzung anhand von Datenbanken. Mit einer Klimarandbedingung werden unter anderem Niederschlag Straßenabfluss, Sonneneinstrahlung, relative Luftfeuchtigkeit, Bewuchs etc. angesetzt und daraus Evapotranspiration, Infiltration und Oberflächenabfluss ermittelt. Bei den Hallenlysimetern werden Berechnungen mit tatsächlichem Regenregime mit Berechnungen unter Ansatz von Tagesmittelwerten verglichen. Für die Berechnungen der Freilandlysimeter werden Tagesmittelwerte angesetzt.
Die hydraulischen Kennwerte der Schichten an der Oberfläche, wie Rollrasen, Oberboden, Bankettmaterial und Entwässerungsschicht werden zunächst abgeschätzt und in umfangreichen Voruntersuchungen durch inverse Modellierung angepasst bzw. anhand von Datenbankwerten abgeschätzt. Die Entwässerungsschichten, in vielen Fällen der Experimente als Dränmatte ausgeführt, besitzen in der Realität eine Dicke von ein bis zwei Zentimetern, was im Modell aus Gründen der Netzgenerierung nur bedingt abbildbar ist. In umfangreichen Sensitivitätsuntersuchungen wird hinsichtlich Geometrie und hydraulischen Eigenschaften eine Möglichkeit zur Abbildung einer Dränmatte im Modell in Form eines porösen Mediums erarbeitet. Die Sensitivitätsuntersuchungen zeigten, dass die Schichten an der Oberfläche einen großen Einfluss auf den Wasserhaushalt und damit auf die Berechnungsergebnisse haben.
Eine weitere Fragestellung ist die Verteilung des Straßenabflusses auf der Dammoberfläche. Dazu wurden zwei Varianten näher untersucht. Die Anwendung einer fiktiven Kiesdeckschicht zur Umverteilung des Wassers an der Modelloberfläche wurde getestet, jedoch aufgrund zu großer Beeinflussung des Wasserhaushalts nicht weiterverfolgt. Zur möglichst realitätsnahen Abbildung des Oberflächenabflusses wurde stattdessen eine zweimalige Durchführung
der Berechnung gewählt. Dabei wurde in der ersten Berechnung der Straßenabfluss zunächst vollständig als zusätzlicher Niederschlag im Bereich des Banketts aufgebracht. Der im Bereich des Banketts in der 1. Berechnung auftretende Oberflächenabfluss wurde anschließend auf den Böschungsbereich umverteilt. Mit dieser Methode konnten realistische Ergebnisse erzielt werden. Die Unterschiede zur 1.Berechnung waren jedoch zumeist relativ gering.
Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass bei den meisten verwendeten Böden und Baustoffen eine recht gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere bei feinkörnigen Dammkernen und Dammaufbauten mit Entwässerungsschichten besteht. Tendenziell werden die Wassermengen, die den Kern durchsickern, in der Modellierung überschätzt.
In Lysimeteraufbauten mit einer Dränmatte über grobkörnigem Kernmaterial war zumeist die Ausbildung einer Kapillarsperre zu beobachten, was sich auch bei den Modellberechnungen zeigte.
Da die Qualität numerischer Modelle stark von der Güte der Eingangsparameter abhängig ist, erfordern Prognoseberechnungen eine gute Kenntnis der hydraulischen Bodeneigenschaften und der Randbedingungen.