Tragverhalten mineralischer Tragschichten im Straßenbau mit und ohne Stabilisierungsmaßnahmen

N. Meyer, A. Emersleben, I. Hartmann, D. Straussberger

Zusammenfassung Die Aufgabe mineralischer Tragschichten im Straßenbau besteht im Wesentlichen darin, die aus den Verkehrsbelastungen resultierenden Vertikal- und Horizontalbeanspruchungen so weit abzumindern, dass das Erdplanum nicht mehr unzulässig belastet und verformt wird. Die Tragschicht selbst darf sich dabei ebenfalls nicht unzulässig verformen. Mineralische Tragschichten werden je nach Anforderung mit und ohne hydraulische Bindemittel ausgeführt. Alternativ dazu können innerhalb der mineralischen Tragschicht eingebaute Geozellen eine Stabilisierung bewirken. Geozellen sind dreidimensionale Kunststoffzellen, die mit dem Boden ein räumliches Verbundtragsystem bilden und so die Tragfähigkeit des Bodens erhöhen und die Verformungen reduzieren. Der wesentliche Stabilisierungseffekt der Geozellen besteht darin, dass die Zellenwände den von ihnen eingeschlossenen Boden horizontal zusammenhalten und dadurch die seitlichen Verformungen des Bodens unter Belastung einschränken, wodurch das Kraft-Verformungsverhalten des Bodens verbessert wird. Die positive Wirkung einer Geozellenlage konnte sowohl in statischen Modellversuchen als auch im Zuge einer ausgeführten Straßensanierung nachgewiesen werden. Durch Vertikalspannungsmessungen und FWD (Falling Weight Deflectometer) Messungen konnte sowohl eine Reduzierung der auftretenden Vertikalspannungen als auch eine Tragfähigkeitserhöhung innerhalb des mit Geozellen stabilisierten Straßenabschnittes nachgewiesen werden.

Bearing capacity of gravel base layers with and without improvement systems

Abstract The main task of mineral bases in road constructions is the reduction of vertical and horizontal stresses on the subgrade which are resulting from the volume of traffic. Due to stress reduction the subgrade level should no longer inadmissibly loaded and deformed. Depending upon requirement mineral base courses are carried out with and without hydraulic bonding aggregates. Alternatively geocells can be used to stabilize the mineral base. Geocells are honeycomb interconnected cells that completely encase the soil and provide all-around confinement, thus preventing the lateral spreading of the infill material. Due to the soil confinement the geocells increase the stiffness and the load-deformation behavior of gravel base layers and thereby reduce the deformation of the soil. Besides the soil-geocell layers acts as a stiff mat, thus distributing the vertical traffic loads over a much larger area of the subgrade soil. The positive effect of geocell mattresses installed in gravel base layers could be evaluated in static load tests and in in-situ test fields. By means of vertical stress measurements beneath the geocell layers and by means of falling weight deflectometer (FWD) measurements in the geocell reinforced test fields the positive influence of the geocells could be evaluated.

1. Einleitung Geozellen sind einzelne, dreidimensionale Kunststoffzellen, die durch unterschiedliche Produktionsprozesse miteinander verbunden werden und so ein zusammenhängendes Netz einzelner Zellen bilden. Das so hergestellte, wabenförmige Zellensystem wird am Einsatzort aufgespannt, fixiert und anschließend mit einem Füllmaterial verfüllt (Bild 1).

Abb. 1: Beispiel eines aufgespannten Zellensystems Fig. 1: example of an expanded geocell-system Die Zellenwände umschließen dabei das Füllmaterial und verhindern bei vertikaler Belastung ein seitliches Ausdehnen des Bodens, wodurch insbesondere das Kraft-Verformungs-verhalten und somit auch die Tragfähigkeit des Bodens verbessert werden. Die Entwicklung der Geozellen geht im Wesentlichen auf das US Militär zurück. Bereits Anfang der 70er Jahre wurden an der „Waterways Experiment Station (WES)“ Versuche mit Sand gefüllten Plastik- und Aluminiumrohren zur Stabilisierung von Sanden und anderen Böden durchgeführt. Dabei zeigten sich im Rahmen von Überfahrversuchen gegenüber einem nicht stabilisierten Boden erhebliche Verbesserungen der Tragfähigkeit bei einer gleichzeitigen Reduzierung der auftretenden Spurrillen. Mit fortschreitender technischer Entwicklung wurden die Geozellen aus polymeren Kunststoffen, in der Regel Polyethylen (HDPE), gefertigt, was die Geozellen sowohl wirtschaftlicher als auch einfacher in der Handhabung werden ließ [17]. Die Geozellen dienten dem Militär im Wesentlichen dazu, Küsten- und Wüstensande mit schwerem militärischen Gerät befahr zu machen und ein Einsinken der schweren Fahrzeuge in den weichen Sandboden zu verhindern. Ende der 90er Jahre wurden die Geozellen auch für den öffentlichen Markt freigegeben. Mit zunehmender Akzeptanz und weitergehender Entwicklung erweiterte sich auch das Anwendungsgebiet der Geozellen. Während die Geozellen zunächst entsprechend ihrer Entwicklung hauptsächlich zur Stabilisierung von ungebundenen Tragschichten unter Fahrbahnen und Eisenbahnlinien eingesetzt wurden, ergeben sich heute als wesentliche Einsatzgebiete der Geozellen:

• Stabilisierung wenig tragfähiger Böden • Bewehrung von Dammaufstandsflächen • Bewehrung von Bankettbereichen im Straßenbau • Verwendung als Facing

• Stützkonstruktionen (Schwergewichtswände) • Erosionsschutz von Böschungen • Schutz von Kanal- und Uferböschungen

Vor allem die Anwendung der Geozellen zur Stabilisierung wenig tragfähiger Böden in schwer zugänglichen Gebieten wie z.B. Alaska und Sibirien ist heute weit verbreitet. Hier nutzen insbesondere Explorationsunternehmen die Möglichkeiten der Geozellen, um in schwer zugängliche und klimatisch stark veränderliche Gebiete vorzustoßen. Der Einsatz von Geozellen zur Stabilisierung mineralischer Tragschichten im gebundenen Straßenbau ist hingegen noch weitestgehend unüblich und wurde bisher weltweit nur wenige Male untersucht [1]. In Deutschland wurden erstmalig im Jahr 2005 und 2006 zwei bituminöse Straßenbauabschnitte mit Geozellen stabilisiert und messtechnisch instrumentiert [10] [11]. 2. Tragmechanismus der Geozellen Der wesentliche Tragmechanismus der Zellen besteht darin, dass das Füllmaterial innerhalb der Geozellen durch die Geozellenwände horizontal zusammengehalten und dadurch bei vertikaler Belastung an seiner seitlichen Ausdehnung gehindert wird, wodurch das Kraft-Verformungsverhalten des Bodens erheblich verbessert wird. [3] und [9] konnten in Modellversuchen durch den Einsatz von Geozellen eine Tragfähigkeitsverbesserung gegenüber einer unstabilisierten Sandschicht um den Faktor 2 bis 4 feststellen. Untersuchungen von [2] ergaben, dass ein mit Geozellen stabilisierter Boden ähnliche Tragfähigkeiten aufweist, wie eine doppelt so mächtige Bodenschicht ohne Stabilisierungsmaßnahmen. Versuche von [7] zeigen, dass zum Erreichen eines ähnlichen Last-Verformungsverhaltens gegenüber einem mit Geozellen stabilisierten Boden eine 4-fache Schichtmächtigkeit ohne Geozellen notwendig ist. Im Gegensatz zu horizontalen Geogittereinlagen, deren Bewehrungsmechanismus im wesentlichen auf dem Interlock-Effekt, dem Erdwiderstand vor den Querstreben und der Reibung auf der Gitteroberfläche mobilisiert wird [13], handelt es sich bei den Geozellen um eine dreidimensionale Verbundstruktur, deren Tragmechanismus im Wesentlichen auf den Ringzugkräften innerhalb der Geozellenwände, der seitlichen Bettung durch die angrenzenden Zellen und der Reibung zwischen dem Füllmaterial und der Geozellenwand basiert (Bild 2).

Abb. 2: Tragmechanismus der Geozellen, Fig. 2: load-transfer-mechanism of geocell structures

Bei vertikaler Belastung der Geozellen werden sowohl Ringzugkräfte innerhalb der Geozellenwände als auch eine seitliche Bettung in den angrenzenden Geozellen mobilisiert, welche dem eingeschlossenen Füllmaterial eine zusätzliche Festigkeit verleihen. Diese zusätzliche Festigkeit wurde [14] in Triaxialversuchen mit einzelnen Geozellen untersucht. Die dabei ermittelten Ergebnisse zeigten, dass die Geozellen im Füllmaterial eine Art scheinbare Kohäsion mobilisieren. Durch die Mobilisierung der scheinbaren Kohäsion und das seitliche Zusammenhalten des Füllmaterial sowie der damit verbundenen Festigkeitserhöhung weist das Verbundsystem Geozelle-Boden im Vergleich zum nicht stabilisierten Boden eine größere Steifigkeit und ein verbessertes Last-Verformungsverhalten auf. Insbesondere die gegenüber einem nicht stabilisierten Boden erhöhte Steifigkeit des Verbundsystems Geozelle-Boden bewirkt, dass die Geozellen ähnlich einer steifen Platte wirken, die Vertikalspannungen über eine größere Fläche verteilen und die auftretenden Verformungen reduzieren [3] [8 [12]. Die Geozellenwände unterbrechen zusätzlich die sich bei Erreichen der Grenzlast ausbildenden Scherflächen im Boden. Diese werden tiefer in den Boden verlagert, wodurch die Grundbruchlast des Bodens erheblich erhöht wird [5]. Während bei horizontalen Geogittereinlagen die Verankerungslänge und der damit verbundene Widerstand gegen das Herausziehen hinsichtlich des Bewehrungseffektes ein wesentlicher Einflussfaktor ist, wird der positive Einfluss einer Geozellenlage auf das Last-Verformungsverhalten des Bodens aufgrund des dreidimensionalen Lastabtragsverhaltens nur unwesentlich durch die Geozellenmattenbreite und die damit verbundene Verankerungs-länge beeinflusst. Untersuchungen von [7] ergaben, dass bereits um ein bis zwei Geozellen breitere Geozellenmatten als die Breite der Belastungsfläche zu einer erheblichen Tragfähig-keitserhöhung führen. Geozellen bieten daher insbesondere dort eine Alternative zu einlagig verlegten Geogitterlagen, wo aus Gründen beengter Platzverhältnisse keine ausreichende Verankerungslänge der Gitterlagen gewährleistet werden kann. Oftmals ist dies bei der Sanierung und Verbreiterung vorhandener Straßen der Fall. Hier konnte der positive Einfluss von Geozellen bereits erfolgreich nachgewiesen werden [12]. 3. Statische Modellversuche 3.1. Modellversuchsstand Zur Ermittlung des Einflusses von Geozellen auf das Tragverhalten des Bodens wurden statische Belastungsversuche in einem großmaßstäblichen Versuchsstand mit einer Breite und Länge von 2 und einer Höhe von 2 m durchgeführt (Bild 3).

Abb. 3: Versuchsstand Fig. 3: test device

Die Abmessungen des Versuchsstandes erlauben den Einbau und die Simulation verschiedener Aufbauten und Bodenschichtungen. Der bei den durchgeführten Untersuchungen gewählte Untergrund bestand aus einem feuchten Sand mit einem maximalen Korndurchmesser von 2 mm. Derzeit werden ergänzende Untersuchungen mit einem bindigen Untergrundmaterial geringer Tragfähigkeit durchgeführt. Als Belastungseinrichtung dient ein hydraulischer Stempel, der eine statische und zyklische Belastung von bis zu 150 kN erlaubt. Die Lastübertragung auf den Boden erfolgt mittels einer starren Lastplatte aus Stahl mit einem Durchmesser von 30 cm (Bild 4). Die sich daraus ergebende Belastungsfläche von 0,07 m² entspricht in etwa der in der DIN 1072 vorgegebenen Radaufstandsfläche eines SLW 30. Zur Ermittlung der aus den Belastungen resultierenden Setzungen der Lastplatte sowie der Verformungen auf der Sandoberfläche in einem Bereich außerhalb der Lastplatte wurden insgesamt 5 induktive Wegaufnehmer in unterschiedlichem Abstand zur Lasteinleitung installiert (Bild 4). Zur Ermittlung der Spannungsverteilung unterhalb der Geozellen wurden insgesamt 8 Erddruckmessdosen mit einem maximalen Nenndruck von 500 kN/m² in einer Tiefe von 35 cm unterhalb der Sandoberfläche eingebaut (Bild 4).

Abb. 4: Installation der Belastungseinrichtung mit Wegaufnehmern (l) und Einbau der Erd- druckmessdosen (r) Fig. 4: installation of inductive displacement transducers (l) and earth pressure cells (r) 3.2. Versuchseinbau Der verwendete Sand (0-2 mm) unterhalb der Geozellen wurde lagenweise in den Versuchsbehälter eingebaut und verdichtet. Auf diesem Untergrund wurden Geozellen aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Geometrie eingebaut. Die Erddruck-messdosen wurden jeweils 35 cm unterhalb des Belastungsniveaus verlegt. Die Geozellen wurden auf der Sandoberfläche zur Separierung des Untergrundmaterials und des Füllmaterials auf einem Vlies aufgespannt und anschließend verfüllt. Die Zellen wurden ca. 2 cm überschüttet und anschließend mit einem Vibrationsverdichter verdichtet. Danach erfolgten die Installation der Lastplatte auf der Sandoberfläche sowie der Einbau der Wegaufnehmer zur Messung der Verformungen. Der Versuchsaufbau ist schematisch für eine 20 cm hohe Geozellenlage dem Bild 5 zu entnehmen.

Abb. 5: Schematischer Versuchsaufbau Fig. 5: geometry and setup of model tests 3.3. Statische Belastungsversuche In den statischen Versuchen erfolgte eine schrittweise Belastung in insgesamt 11 Laststufen bis entweder ein Bruchzustand im Boden eingetreten ist oder eine maximale Belastung von ca. 950 kN/m² erreicht wurde. Während der Lastaufbringung erfolgte die kontinuierliche Messung der Verformungen an der Oberfläche sowie der Vertikalspannungen unterhalb des mit Geozellen stabilisierten Bodens. Es kamen zum einen Geozellen aus einem thermisch verfestigten Vlies und zum anderen Geozellen aus HDPE zum Einsatz. Die Vlieszellen haben eine maximale Zugfestigkeit von 20,7 kN/m und eine Ablösefestigkeit der Verbindungsstellen der Zellenwände von 10 kN/m. Die Geozellen aus HDPE haben perforierte Zellwände und einer Zellenfläche von 255 cm². Die Nahtfestigkeit der Verbindungsstellen beträgt 2,3 kN. In den durchgeführten Versuchen wurden neben unterschiedlichen Geozellenprodukten auch der Einfluss der Geozellenhöhe (h) und des Geozellendurchmessers (d) auf das Last-Verformungs-Verhalten des Bodens untersucht. Die statischen Belastungsversuche zeigten, dass durch eine Stabilisierung mit Geozellen unabhängig der gewählten Geozellenhöhe oder des gewählten Geozellendurchmesser eine erhebliche Verbesserung des Last-Verformungs-Verhaltens des Bodens erreicht werden kann. Während sich im nicht stabilisierten Sand bei einer Auflast von ca. 400 kN/m², die der rechnerischen Grundbruchlast entsprach, ein Bruchzustand im Boden ausbildete, konnte der mit Geozellen stabilisierte Boden mit bis zu 900 kN/m² belastet werden, ohne das sich ein Bruchzustand im Boden ausbildete (Bild 6). Der durch Geozellen verstärkte Boden hatte somit eine ca. 2-fach größere Tragfähigkeit als der nicht stabilisierte Boden. Ähnliche Ergebnisse konnten u. a. auch von [3] ermittelt werden.

Abb. 6: Bruchzustand in unstabilisierten Boden (l), kein Versagen im stabilisierten Boden (r) Fig. 6: shear failure in unreinforced soil (l), reinforced soil (r) Die durchgeführten Modellversuche zeigten auch, dass das Last-Verformungs-Verhalten des mit Geozellen stabilisierten Bodens bei gleicher Geozellenhöhe mit abnehmendem Geozellendurchmesser verbessert wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das verwendete Füllmaterial ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die Versuchsergebnisse hatte und daher auf den entsprechenden Geozellendurchmesser abgestimmt werden sollte. Neben dem Geozellendurchmesser wird das Last-Verformungs-Verhalten des Bodens im Wesentlichen von der Geozellenhöhe beeinflusst. In den durchgeführten Versuchen konnte mit zunehmender Geozellenhöhe eine erhöhte Tragfähigkeit des Bodens ermittelt werden. Diese Ergebnisse werden durch ähnliche Untersuchungen von [6] bestätigt. Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche zeigen, dass das Geometrieverhältnis h/d der verwendeten Geozellen einen wesentlichen Einfluss auf die Versuchsergebnisse hat. Der Einfluss einer Geozellenbewehrung in Abhängigkeit der gewählten Zellengeometrie h/d auf das Last-Verformungsverhalten eines Bodens kann durch einen Tragfähigkeitsfaktor TF(s) ausgedrückt werden. Der Tragfähigkeitsfaktor ergibt sich aus dem Quotienten der Auflast σ(s) des stabilisierten Bodens und der Auflast σ(s) des nicht stabilisierten Bodens bei gleicher Setzung s (1):

[ ]s,stabilisiertF(s)

s,nicht stabilisiert

Tσ

= −σ

(1)

Es ergaben sich für den mit Geozellen stabilisierten Boden in Abhängigkeit des Geozellendurchmessers, der Geozellenhöhe und der Steifigkeit des Zellenmaterials Tragfähigkeitserhöhungen um den Faktor 1,4 bis 2,5. Eine Berechnung der aus den Versuchsergebnissen resultierenden Verformungsmoduli Ev1 nach DIN 18134 zeigt, dass die Steifigkeit des mit Geozellen stabilisierten Bodens in Abhängigkeit der Geozellenhöhe und des Geozellendurchmessers um den Faktor 2 bis 4 zunehmen. Ähnliche Ergebnisse konnten auch von [3] ermittelt werden. Die durchgeführten Versuche zeigen eine deutliche Verbesserung des Last-Verformungs-Verhaltens des Bodens mit zunehmender Steifigkeit des Geozellenmaterials. Ein Vergleich der während der Belastungsversuche ermittelten Vertikalspannungen unterhalb des nicht stabilisierten und des mit Geozellen stabilisierten Bodens zeigt, dass sich die Vertikalspannungen im Boden vorwiegend in einem Bereich unterhalb des Zentrums der Belastungsfläche konzentrieren (Bild 7). Der mit Geozellen stabilisierte Boden hingegen verteilt die aufgebrachten Lasten gleichmäßiger über eine größere Fläche und reduziert somit die Vertikalspannungen direkt unterhalb der Lasteinleitung.

Abb. 7: Spannungsverteilung unterhalb eines nicht stabilisierten Bodens (l) und eines mit Geozellen stabilisierten Bodens (r) Fig. 7: stress distribution beneath an unreinforced and geocell reinforced sand Eine mit Geozellen stabilisierte Sandschicht verteilt die aufgebrachten Lasten somit ähnlich einer steifen Platte über eine größere Fläche, wodurch die Vertikalspannungen in der Kontaktfläche zwischen der Tragschicht und dem Untergrund erheblich reduziert werden. Dieser Effekt ist umso größer, je höher die Belastung ist.

4. Versuchsstrecken Zur Verifizierung der Versuchsergebnisse der Modellversuche, insbesondere der Vertikalspannungsverteilung im Untergrund, wurden zwei unterschiedliche Versuchsstrecken ausgeführt und mit entsprechenden Messinstrumenten instrumentiert. Dabei wurden Geozellen direkt unterhalb der Asphaltschichten innerhalb der mineralischen Schottertragschicht eingebaut. Anschließend wurden kontrollierte Überfahrversuche durchgeführt während gleichzeitig die Vertikalspannungen im Untergrund gemessen wurden. 4.1. Straßensanierung K 23 Die Kreisstraße K 23 in Niedersachsen liegt im Landkreis Peine und musste aufgrund von großen Verformungen im Straßenkörper sowie Fahrbahnabplatzungen in den Rand-bereichen der Straße saniert werden. Die Verformungen in den Randbereichen konnten dabei im Wesentlichen auf eine mangelnde seitliche Stützung zurückgeführt werden, da direkt neben der Fahrbahn auf gesamter Länge ein Entwässerungsgraben verlief. Das Sanierungskonzept sah vor, die äußeren Randbereiche der Fahrbahn durch eine Verstärkung der vorhandenen 40 cm mächtigen mineralischen Tragschicht um 30 cm zu ertüchtigen. Der mittlere ca. 1 m breite Fahrbahnbereich sollte unverändert belassen werden. Anschließend sollte die Fahrbahn auf der gesamten Breite im Hocheinbau mit einer neuen insgesamt 17,5 cm mächtigen Asphaltschicht überbaut werden, so dass sich ein Gesamtaufbau von 87,5 cm ergab. Alternativ zu der 70 cm starken Schottertragschicht ergab sich die Möglichkeit, auf einem ca. 500 m langen Teilstück 20 cm hohe Geozellen innerhalb der mineralischen Tragschicht einzubauen. In diesen Bereichen wurde nach dem Entfernen der alten, ca. 20 cm dicken Asphaltfahrbahn, die darunter liegende ca. 40 cm mächtige Tragschicht bis auf das Erdplanum entfernt. Ausgeführte Plattendruckversuche auf dem Erdplanum haben im Untersuchungsbereich Ev2- Werte von ca. 20 MN/m² ergeben, was die Verformungen des Straßenkörpers bei dem früheren Aufbau und der gestiegenen Verkehrsbelastung erklärt. Nach dem Verdichten des Planums, welches aus einem schluffigen Sand bestand, wurden

Erddruckmessdosen auf dem Erdplanum eingebaut. Nach dem Einbau der Erddruckmess-dosen wurde eine ca. 15 cm mächtige Schottertragschicht 0/22 mm auf den Erddruck-messdosen eingebaut. Nach der anschließenden Verdichtung der unteren Schotterlage wurden im stabilisierten Probefeld Geozellen eingebaut. In einem kleinen Teilbereich wurden die Geozellen bei sonst gleichem Aufbau weggelassen. Zur Anwendung kamen perforierte Geozellen aus HDPE mit einer Höhe von 20 cm und einem Durchmesser von ca. 23 cm. Diese wurden auf einem mechanisch verfestigten Vlies GRK 4 aufgespannt, mit Schottermaterial verfüllt und ca. 5 cm überschüttet bis die Oberkante der mineralischen Tragschicht höhengleich mit der alten Asphaltfahrbahn im mittleren Bereich der Straße war (Bild 8).

Abb. 8: Einbau und Verfüllung der Geozellen Fig. 8: installation of geocells

Auf dem hergestellten Tragschichtaufbau wurde die neue Asphaltschicht hergestellt. Der Gesamtaufbau betrug somit in diesem Bereich ca. 57,5 cm. Insgesamt wurden drei unterschiedliche Tragschichtaufbauten hergestellt, wobei jedoch nur zwei dieser Aufbauten mit Erddruckmessdosen instrumentiert werden konnten (Bild 9).

Abb. 9: Unterschiedliche Versuchsfelder Fig. 9: different test sections

Nach der Fertigstellung der mineralischen Tragschicht wurden oberhalb der Druckmess-dosen erste Belastungsversuche mit dem Plattendruckgerät durchgeführt. Die dabei gemessenen Vertikalspannungen im Untergrund waren in dem mit Geozellen stabilisierten Bereich um ca. 50 % geringer als die im nicht stabilisierten Bereich ermittelten Spannungen. Neben den Belastungsversuchen wurden auch erste Überfahrversuche mit einem Grader auf der mineralischen Tragschicht durchgeführt. Dabei wurden bei einer Überdeckung der Druckmessdosen von ca. 25 cm in der Schottertragschicht Spannungen von ca. 120 kN/m² gemessen. In dem mit Geozellen stabilisierten Bereich betrugen die Spannungen nur noch 75 kN/m², was einer Spannungsreduzierung von ca. 40 % durch die Geozellen entspricht.

4.4.1 Belastungsversuche und Vertikalspannungsmessung

Nachdem die Asphaltschichten hergestellt waren, wurden weitere kontrollierte Überfahr-versuche mit einem beladenen 5-Achs-LKW mit einem Gesamtgewicht von 41,8 Tonnen durchgeführt. Dieser befuhr mit verschiedenen Geschwindigkeiten die instrumentierten Bereiche der Probestrecke. Die bei einer Überfahrgeschwindigkeit von 40 km/h gemessenen Vertikalspannungen sind dem Bild 10 zu entnehmen. Die zu erkennenden Doppel-ausschläge bei der Spannungsmessung resultieren aus dem 3-Achs-Aggregat des Aufliegers, während es sich bei den anderen Spannungsspitzen um die Überfahrten der Einzelachsen handelt.

Abb. 10: Ergebnisse der Belastungsversuche an der Kreisstrasse K 23

Fig. 10: results of truck crossing tests

Die Ergebnisse bestätigen eindeutig die bereits zuvor festgestellten Spannungs-reduzierungen im Bereich des mit Geozellen stabilisierten Versuchsabschnittes. Auch bei den Überfahrversuchen auf der Asphaltdecke konnten Spannungsreduzierung durch die Geozellen von 30 bis 35 % gemessen werden. Gleiche Tendenzen konnten auch bei anderen Überfahrgeschwindigkeiten festgestellt werden. Dabei zeigte sich mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit des Lkw eine Abnahme der Vertikalspannungen und mit abnehmender Überfahrgeschwindigkeit eine Zunahme der Vertikalspannungen. Die Spannungsmessungen bestätigen die Ergebnisse der durchgeführten Modellversuche. Durch eine Geozellenstabilisierung werden erheblich geringere Spannungen auf den Untergrund übertragen.

4.4.2 FWD Messungen Nach längerer Liegezeit der Fahrbahn und der damit verbundenen Verkehrsbelastung wurden zur weiteren messtechnischen Überwachung der Probestrecke FWD Messungen durchgeführt. Das so genannte „Falling Weight Deflectometer“ (FWD) ist ein dynamisches Messgerät, welches punktuell die Reaktion der Straßenbefestigung bei einem definierten Kraftstoß aufzeichnet. Bei der Messung wird ein Fallgewicht aus definierter Höhe auf ein Gummipuffersystem fallen gelassen. Der dadurch erzeugte dynamische Kraftstoß von 50 kN wird über eine Lastplatte mit einem Durchmesser von 30 cm in die zu untersuchende Straßenbefestigung eingeleitet. Die Größe der Belastung und die Dauer des Belastungsimpulses von 20 - 30 ms entsprechen der Größe und Dauer der Belastung einer Überfahrt mit einem Lastkraftwagen. Die Reaktion des Schichtensystems auf den Kraftstoß wird an der Straßenoberfläche mit insgesamt neun Geophonen in Form von Einsenkungen (Deflexionen) in unterschiedlichen Abständen von der Lasteinleitungsfläche gemessen und bildet die Grundlage für die Bewertung der Tragfähigkeit (Bild 11). Die gemessenen Einsenkungen und die Form der Einsekungsmulde ermöglichen eine Beurteilung der Steifigkeit einzelner Schichten sowie des Gesamtaufbaus [4].

Abb. 11: FWD-Messungen Fig. 11: Falling-Weight-Deflector Zur Ermittlung des Einflusses der Geozellen innerhalb der mineralischen Tragschicht auf die Tragfähigkeit der Probestrecke wurden insgesamt 17 FWD-Messungen durchgeführt. Je 5 Messungen wurden in dem mit Geozellen stabilisierten Streckenabschnitt (Bereich 1, Bild 9) und dem nicht stabilisierten Referenzabschnitt (Bereich 2, Bild 9) durchgeführt. Zusätzlich wurden sieben Messungen auf der gegenüberliegenden Straßenseite innerhalb eines nach dem Standardsanierungsverfahren erneuerten Streckenabschnittes durchgeführt (Bereich 3, Bild 11). Die gemittelten Messwerte der aufgezeichneten Einsenkungen sowie die daraus auf Grundlage der Mehrschichtentheorie berechneten Schichtmoduli der stabilisierten bzw. unstabilisierten mineralischen Tragschicht sind dem Bild 12 zu entnehmen.

Abb. 12: Gemessenen Verformungen und berechnete Schichtmoduli während der FWD- Messungen Fig. 12: deformation on asphalt surface measured by FWD and layer modules Die rechnergestützte Berechnung der dargestellten Steifigkeiten bzw. der Schichtmoduli erfolgen auf Grundlage der Theorie des elastischen Halbraumes und eines Mehrschichtenmodells [15] [16]. Die Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten werden dabei iterativ mittels Rückrechnung aus den gemessenen Einsenkungsmulden der Fahrbahn berechnet. Dabei gehen die Schichtdicken der gebundenen sowie der ungebundenen Tragschicht in die Berechnung ein. Die Ergebnisse zeigen, dass die gemessenen Verformungen der 40 cm mächtigen mit Geozellen stabilisierten Schotterschicht in etwa gleich sind wie die des mit einer 70 cm starken mineralischen Tragschicht verstärkten Streckenabschnittes. Im Gegensatz dazu wurden deutlich größere Verformungen im Versuchsabschnitt gemessen, der mit einer 40 cm Tragschicht ohne Geozellen aufgebaut wurde. Die aus den Messdaten der durchgeführten FWD Messungen auf Grundlage der Mehrschichtentheorie berechneten Schichtmodule zeigen ähnliche Tendenzen. Während sich die berechneten Schichtmoduli der mit Geozellen stabilisierten und der mit 70 cm Schotter aufgebauten Tragschichten kaum unterscheiden, ist der berechnete Schichtmodul der mit 40 cm Schotter aufgebauten Tragschicht deutlich kleiner. Die durchgeführten FWD Messungen bestätigen somit die Ergebnisse der durchgeführten Vertikalspannungsmessungen. Demnach hat für die vorhandene Probestrecke mit den entsprechenden Randbedingungen eine Stabilisierung der 40 cm mächtigen mineralischen Tragschicht mit Geozellen eine vergleichbare Wirkung wie eine 70 cm starke Schottertragschicht. 4.2. Straßenausbau K 637 Während des Ausbaus der Kreisstrasse K 637 im Landkreis Wolfenbüttel wurden ebenfalls verschiedene Probefelder angelegt, um die Ergebnisse der Modellversuche sowie die Ergebnisse aus den Messungen an der Kreisstrasse K 23 zusätzlich zu verifizieren. Der Ausbau der vorhandenen Kreisstraße war notwendig, da sie während des Ausbaus der nah gelegenen Autobahn A 39 als Baustellenzufahrt für den Schwerlastverkehr dienen sollte. Der Standardausbau sah eine Verbreiterung der Fahrbahn um ca. 2 m vor. Hierzu wurde einseitig im Randbereich der Straße das Erdreich bis in eine Tiefe von ca. 45 cm unterhalb der vorhandenen Asphaltfahrbahn ausgekoffert. Anschließend erfolgte planmäßig der Einbau

einer 40 cm starken hydraulisch gebundenen Tragschicht (HGT) bis zur Oberkante der alten Asphaltfahrbahn (Bild 13, Probefeld 4). Anschließend wurde die Fahrbahn auf der gesamten Breite mit einer neuen 18 cm dicken Asphaltschicht überbaut. Alternativ zum Standardausbau wurden insgesamt 3 verschiedene Probeabschnitte hergestellt. In einem Bereich wurden ähnlich dem Aufbau der K 23 im Landkreis Peine 20 cm hohe Geozellen innerhalb der mineralischen Tragschicht eingebaut (Probefeld 1). In einem weiteren Abschnitt wurde die HGT gegenüber dem Standardausbau um die Hälfte reduziert (Probefeld 3) und ein weiterer Abschnitt blieb unstabilisiert (Probefeld 2). Unterhalb der mineralischen Tragschichten wurden in den Probefeldern 1 bis 3 dynamische Erddruckmessdosen auf dem Erdplanum installiert.

Abb. 13: Probefelder K 637 Fig. 13: test sections road K 637

Während und nach der Fertigstellung der Fahrbahn wurden ebenfalls Überfahrversuche mit vor Ort vorhandenen Baustellengeräten und einem beladenen 40 Tonnen Lkw durchgeführt. Die durchgeführten Messungen bestätigen die Ergebnisse der Spannungsmessungen im Zuge der Sanierung der K 23. Die ermittelten Vertikalspannungen waren unterhalb des mit Geozellen stabilisierten Feldes um ca. 30 % geringer als die unterhalb des nicht stabilisierten Bereiches gemessenen Spannungen. Die Vertikalspannungen unterhalb des mit einer 20 cm mächtigen hydraulisch gebundenen Tragschicht verstärkten Probefeldes waren gegenüber dem mit Geozellen stabilisierten Abschnitt noch einmal um ca. 22 % geringer, was auf die größere Steifigkeit zurückzuführen ist. Zusätzlich zu den Vertikalspannungsmessungen wurden auch bei dieser Probestrecke FWD-Messungen durchgeführt. Die dabei gemessenen Verformungen waren im mit Geozellen stabilisierten Bereich bei gleicher Schichtmächtigkeit geringer als in dem nicht stabilisierten Bereich. Im Bereich der 20 cm mächtigen HGT waren die Verformungen nochmals deutlich kleiner und konnten durch den Einbau einer 40 cm starken HGT noch zusätzlich reduziert werden (Bild 14).

Abb. 14: Ergebnisse der FWD-Messungen K 637 Fig. 14: results of FWD measurements K 637 Entsprechend den gemessenen Verformungen sind die mit der Mehrschichtentheorie berechneten Schichtmodule der Tragschicht in den Bereichen der HGT am größten, während der nicht stabilisierte Abschnitt den geringsten Schichtmodul aufweist. Der Schichtmodul der mit Geozellen stabilisiert Tragschicht liegt unterhalb des Schichtmoduls der HGT, ist jedoch deutlich größer als der der nicht stabilisierten Tragschicht (Bild 14). Werden sowohl die Vertikalspannungsmessungen als auch die FWD-Messungen zusammengefasst, so ergibt sich für die Probefelder eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Vertikalspannungs- und Verformungsreduzierung der Asphaltoberfläche bei größer werdendem Schichtmodul (Bild 14). Die durchgeführten Untersuchungen im Zuge des Ausbaus der Kreisstrasse K 637 bestätigen die Ergebnisse der durchgeführten Modellversuche sowie die Untersuchungs-ergebnisse im Zuge der Sanierung der Kreisstrasse K 23 im Landkreis Peine.

5. Zusammenfassung Geozellen sind dreidimensionale Kunststoffzellen, die zusammen mit dem Boden ein Verbundsystem ausbilden. Durchgeführte Modellversuche haben gezeigt, dass Geozellen das Last-Verformungsverhalten eines Bodens um ca. den Faktor 2 verbessern können, die auftretenden Setzungen reduzieren und die Steifigkeit des Bodens erhöhen. Die Größenordnung der Tragfähigkeitsverbesserung ist dabei von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren abhängig, wird jedoch im Wesentlichen von der Geozellen-geometrie bestimmt. Aufgrund der Steifigkeitserhöhung des Verbundsystems Geozelle-Boden gegenüber einem nicht stabilisierten Boden werden die aufgebrachten Lasten über eine größere Fläche verteilt und die Vertikalspannungen direkt unterhalb der Lasteinwirkungsfläche um ca. 30 % reduziert. Zur Verifizierung der Ergebnisse der Modell-versuche wurden Geozellen im Zuge zweier Straßenbauprojekte in der mineralischen Tragschicht eingebaut. Unterhalb der Geozellen wurden Erddruckmessdosen zur Messung der Vertikalspannungen eingebaut. Überfahrversuche mit einem beladenen LKW ergaben eine Spannungsreduzierung unterhalb des mit Geozellen stabilisierten Abschnittes von ca. 30 % gegenüber einer unstabilisierten Tragschicht gleicher Mächtigkeit. Zusätzlich ausgeführte FWD Messungen zeigten eine deutliche Verformungsreduzierung und Steifigkeitserhöhung im mit Geozellen stabilisierten Versuchsabschnitt. Die Messungen ergaben, dass eine 40 cm starke, mit Geozellen stabilisierte Tragschicht mit einer 70 cm

mächtigen nicht stabilisierten Tragschicht vergleichbar ist. Weitere Untersuchungen werden derzeit hinsichtlich des Einflusses verschiedener Füllmaterialien, Untergrundsteifigkeiten, und Materialsteifigkeiten durchgeführt, um einen Dimensionierungsansatz für Geozellen zu entwickeln und die vorhandenen Untersuchungsergebnisse zu verifizieren. 6. Literatur [1] Al-Quadi I.L.; Hughes J.J.: Field evaluation of geocell use in flexible pavements.

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[9] Meyer, N.; Emersleben A.: Mechanisches Verhalten von bewehrten Böden mit Geozellen. Symposium Geotechnik – Verkehrswegebau und Tiefgründungen, Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel Heft 18 (2005) S. 93 – 112

[10] Meyer, N.; Emersleben A.: Einsatz von Geozellen im Verkehrswegebau. Tiefbau – Ingenieurbau – Straßenbau (TIS) Heft 11 (2005) S. 32 – 37

[11] Meyer, N.; Emersleben A.: Bodenstabilisierung mit Geozellen im Straßenbau. 21. Christian Veder Kolloquium (CVK) – Neue Entwicklungen der Baugrundverbesserung Heft 28 S. 85-101 Technische Universität Graz (TUG) 20-21. April 2006

[12] Meyer, N.; Emersleben A.: Stabilisierung von mineralischen Tragschichten mit Geozellen. Tiefbau Heft 11 (2006) S. 634 – 640

[13] Nernheim, A. Interaktionsverhalten von Geokunststoffen und Erdstoff bei statischen und zyklischen Beanspruchungen. Schriftenreihe des Institutes für Geotechnik und Markscheidewesen, Technische Universität Clausthal Heft 11

[14] Rajagopal K.; Krishnaswamy N.R.; Madhavi Latha G.: Behaviour of sand reinforced with single and multiple geocells. Geotextiles and Geomembranes Vol. 17 (1999) S. 171 - 184

[15] Ullidtz, Per: Pavement Analysis. Elsevier, Amsterdam, 1987

[16] Ullidtz, Per: Modelling Flexible Pavement Response and Performance. Polyteknisk Forlag, Lyngby, 1998

[17] Webster S.L.: Investigation of Beach Sand Trafficability Enhacement using Sand-Grid confinement and membrane reinforcement concepts. Report GL.-79-20(1) (1979), Geotechnical Laboratory, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg