Bei Verwendung von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (BumI) in Erdbauwerken sind gegebenenfalls technische Sicherungsmaßnahmen zu ergreifen, um in umweltspezifischer und wasserwirtschaftlicher Hinsicht einen verantwortungsvollen Einsatz dieser Materialien zu gewährleisten. Die technischen Sicherungsmaßnahmen sind dabei so zu gestalten, dass eine Durchsickerung der Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen und damit ein möglicher Austrag von Schadstoffen auf ein verträgliches Maß minimiert werden. Das Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (MTS E) stellt insgesamt sechs unterschiedliche Bauweisen für Straßendämme, die entsprechend auch auf andere Erdbauwerke (z.B. Lärm- und Sichtschutzwälle) übertragbar sind, vor. Diese können prinzipiell in Bauweisen mit Abdichtungen (Bauweisen A, B, C), Bauweisen mit gering durchlässigem Körper aus Böden oder Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (Bauweise E) und Kernbauweisen ohne Abdichtungen (Bauweise D) unterschieden werden. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bau, Verkehr und Stadtentwicklung geförderten Forschungsvorhabens wurden am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. (2009) Berechnungen zur Bewertung der Wirksamkeit der Bauweisen durchgeführt. Anhand dieser Berechnungen konnte die prinzipielle Wirksamkeit der Bauweisen A, B und D belegt werden. Für die Bauweise E ergaben sich vergleichsweise große Sickerwassermengen. Die Berechnungen wurden allerdings mit einem Durchschnittswert des Niederschlages, der aus dem Gesamtjahresniederschlag verteilt auf 365 Tage ermittelt wurde, durchgeführt. Dadurch kommt es rechnerisch zu konstanten kleinen Infiltrationsmengen in den Straßendamm ohne Ausbildung eines Oberflächenabflusses. Damit verbunden sind unrealistisch hohe Sickerwassereintritte in die Ersatzbaustoffe. Die Wirksamkeit der Bauweise E konnte deshalb im Rahmen der Untersuchungen von Schweller et al. nicht abschließend bewertet werden. Basierend auf den am Zentrum Geotechnik der TU München von Schweller et al. durchgeführten Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 84.105 Berechnungen zur Durchsickerung der Bauweise E unter Ansatz von Tageswerten des Niederschlages, der Evapotranspiration und des Oberflächenabflusses durchgeführt. Die mit VADOSE/W durchgeführten Berechnungen zeigen, dass die Vergleichmäßigung der Infiltration bei einer Berechnung mit Durchschnittswerten der Infiltration zu ca. 1,7-fach größeren Sickerwassermengen als beim Ansatz von Tageswerten führt. Die mit Tageswerten der Klimadaten für einen Zeitraum von 10 Jahren durchgeführten Berechnungen ergaben für die Bauweise E bei einem Durchlässigkeitsbeiwert des Kerns von k = 1 · 10-8 m/s eine mittlere Sickerwassermenge aus dem Kern von ca. 60 mm/a.

Als Bankett wird jener Bereich des Straßenquerschnittes bezeichnet, der an der Außenseite des befestigten Fahrbahnbereiches oder des Standstreifens anschließt. Die Vorgaben der ZTV E-StB 17 in Bezug auf Bankette beziehen sich auf den Zeitpunkt direkt nach Verdichtung. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden Laborversuche an sandreichen GU- und GT-Bankettbaustoffen zur Untersuchung der Durchlässigkeit und potentieller Tragfähigkeitsänderungen durch Bewetterung durchgeführt. Die durch Bewitterung bedingte Änderung der Tragfähigkeit von 4 Bankettmaterialien wurde im Rahmen von Feldversuchen über den Jahreswechsel 2017/2018 untersucht. Da Bankette nach ZTV E-StB 17 eine planmäßige Querneigung zwischen 6 und 12 % aufweisen, wurden außerdem Feldversuche zum Einfluss der Bankettneigung auf die Untersuchungsergebnisse von Plattendruckversuchen durchgeführt. Zusammenfassend bestätigen die Untersuchungen großteils die Vorgaben des straßenbautechnischen Regelwerks. Sie weisen darauf hin, dass unter üblichen Bedingungen der Anforderungswert EV2 ≥ 80 MPa bei den Bankettmaterialien eingehalten werden kann, der Anforderungswert EVd ≥ 40 MPa aber überprüft werden sollte. Die direkt nach Verdichtung dokumentierten Tragfähigkeitswerte EV2 und EVd blieben bei den verwendeten Bankettmaterialien über den Winter 2017/2018 erhalten oder stiegen an, allerdings traten oberflächlich witterungsbedingte Auflockerungen auf. Bezüglich des Nachweises des geforderten Plattendruckmoduls auf den geneigten Bankettoberflächen ist grundsätzlich die Prüfung der geneigten Oberfläche vorzuziehen. Dies ist beim dynamischen Plattendruckversuch nur bis zu einer Neigung von 6 % und beim statischen Plattendruckversuch nur bei Anpassung des Lastwiderlagers an die Bankettneigung möglich. Die beiden Ersatzverfahren (Sandkeil oder Abgrabung und Aufbringung einer Sandausgleichsschicht) sind nur unter bestimmten Bedingungen sinnvoll, die erreichbaren Werte liegen im Allgemeinen unter den Tatsächlichen

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.

Bankettmaterialien müssen zwei Anforderungen erfüllen, die von verschiedenen Bestandteilen der Böden gewährleistet werden. Aufgrund der Verkehrssicherheit müssen sie eine dauerhaft hohe Tragfähigkeit aufweisen, damit von der Fahrbahn abkommende Fahrzeuge nicht einsinken und verunfallen. Die Tragfähigkeit und Standfestigkeit der Böden wird hauptsächlich durch den Kiesanteil der Böden erreicht. Da im Bereich des Banketts Straßenoberflächenwasser versickert, müssen sie andererseits ein möglichst hohes Schadstoffrückhalte- und -bindevermögen aufweisen, um den Untergrund und das Grundwasser zu schützen. Dies wird durch die Sand- und Feinanteile der Böden erreicht. Bei den bestehenden Bauweisen besteht nach Auffassung einiger Straßenbauverwaltungen der Länder ein Optimierungsbedarf. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit sollten diese Bauweisen überprüft und ggf. weiter entwickelt werden, um noch stärker den bau-, als auch den umwelttechnischen Ansprüchen gerecht zu werden. Dabei werden die Bankette aus einem Gemisch von Gesteinskörnungen bzw. rezyklierten Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit Feinkorn bzw. Oberboden hergestellt. Geeignete Zusammensetzungen waren durch Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab zu ermitteln. 18 Gemische von Gesteinskörnungen und Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit unterschiedlichen Feinkorn- bzw. Oberbodenanteilen wurden in Bezug auf ihre Tragfähigkeit (CBR-Versuche) und Durchlässigkeit im Labor untersucht. Unter Berücksichtigung der Laborergebnisse wurden im Technikumsmaßstab Versuche mit vier Mischungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit und des Verformungsverhaltens mittels statischen und dynamischen Verformungsmoduln durchgeführt. Basierend auf den Versuchsergebnissen sollte der Feinkornanteil der Bankettmaterialien einen Wert von 15 M.-% nicht übersteigen. Mit solchen Materialien sollte ein Verformungsmodul Ev2 ≥ 60 MN/m2 bzw. Evd ≥ 30 MN/m2 bei einem Verdichtungsgrad von DPr = 100 % sicher erreichbar sein. Falls eine höhere Tragfähigkeit für Bankette erforderlich ist, sollte der Feinkornanteil der Materialien ggf. weiter beschränkt werden.

Im Hinblick auf das Lösen werden Boden und Fels nach DIN 18300 beschrieben. Dabei werden bindige Bodenarten in Abhängigkeit von ihrer Konsistenz in unterschiedliche Bodenklassen unterteilt. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität und weicher bis halbfester Konsistenz werden der Bodenklasse 4 zugeordnet. Ausgeprägt plastische Tone von weicher bis halbfester Konsistenz gehören der Bodenklasse 5 an. Bodenarten von fester Konsistenz sind der Bodenklasse 6 zuzuordnen. Die Grenze zwischen halbfester und fester Konsistenz ist dabei über die Schrumpfgrenze definiert, die nach DIN 18122-2 bestimmt wird. Da vor allem bei leichtplastischen Böden der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze häufig oberhalb des Wassergehaltes an der Ausrollgrenze liegt, kommt es bei der Einordnung bindiger Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 häufig zu Unklarheiten, was zu Streitfällen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber führen kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, ein geeigneteres Kriterium zur Einordnung halbfester und fester Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 zu erarbeiten und dazu eine Versuchstechnik zu entwickeln. In einem ersten Schritt wurde das Schrumpfverhalten bindiger Böden analysiert und die Versuchstechnik zur Bestimmung der Schrumpfgrenze untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei Böden mit einer Plastizitätszahl IP < 18 % der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze in der Regel oberhalb des Wassergehalts an der Ausrollgrenze liegt. Anhand von Untersuchungen zum Schrumpfverhalten an Proben, die bei unterschiedlichen Spannungen vorbelastet worden waren, wurde ausserdem festgestellt, dass der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung abnimmt. Diese Untersuchungen haben damit bestätigt, dass anhand der nach DIN 18122-2 ermittelten Schrumpfgrenze keine eindeutige Zuordnung in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 möglich ist. Deshalb wurden im Folgenden Untersuchungen zu anderen Kriterien zur Unterscheidung zwischen halbfesten und festen Böden durchgeführt. Hierzu wurden zunächst Untersuchungen zur einaxialen Druckfestigkeit durchgeführt. Da das Herausarbeiten von ungestörten Probekörpern im relevanten Konsistenzbereich aber mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, kann die Verwendung der einaxialen Druckfestigkeit zur Einordnung der Bodenklassen nicht empfohlen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher im weiteren Verlauf Untersuchungen zu einem einfach durchzuführenden Versuch durchgeführt, der eine Unterscheidung von halbfestem und festem Boden auf Grundlage der Festigkeit ermöglicht. Dazu wurden an aufbereiteten Böden Eindringversuche mit einer Proctornadel und einer Konusspitze durchgeführt. Die Versuchsergebnisse belegen, dass ein klarer Zusammenhang zwischen der Konsistenz und dem Eindringwiderstand besteht und dass eine Bewertung der Festigkeit mit Hilfe dieser Versuche prinzipiell möglich ist. Zur Festlegung konkreter Werte für eine Unterscheidung der Bodenklassen 4, 5 und 6 gemäß DIN 18300 sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.