Einleitung

Geotextilien als Filter müssen so bemessen werden, dass der zu filternde Boden vor Erosion geschützt wird, das tragende Korngerüst somit stabil gehalten wird, das Passieren von Feinkorn nur in nicht kritischem Ausmaß so gestattet wird, dass eine Kolmation – der Aufstau von feinem Material am Filter – vermieden wird oder im unschädlichen Rahmen bleibt und das Grundwasser durch den Filter strömen kann.

Zu diesem Zweck müssen die mechanische Filterwirksamkeit (Bodenrückhalt), die hydraulische Filterwirksamkeit (Verhinderung eines Anstiegs der Sickerlinie) und die Robustheit nachgewiesen werden.

Für den Bereich des Straßenbaus werden gemäß „Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau“, ZTV E-StB, Hinweise zur Bemessung von geotextilen Filtern mit Bezug auf das „Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaus“, M Geok E, gegeben.

Im August 2017 erschien die überarbeitete Fassung des Merkblatts DWA-M 511 „Filtern mit Geokunststoffen“, die das Merkblatt „Anwendung von Geotextilien im Wasserbau“, DVWK 221/1992, ersetzt. Hierin wird aus dem Vergleich von nationalen und international gängigen Empfehlungen ein neues Bemessungsverfahren für die mechanische Filterstabilität entwickelt, ebenso werden Anforderungen an die hydraulische Filterwirksamkeit, die Filterdicken und die Robustheit formuliert.

Im Bereich Wasserstraßen – Böschungs- und Sohlsicherungen – wird die Bemessung von geotextilen Filtern im „Merkblatt Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen“ (MAG) behandelt.

Die MAG stammt aus dem Jahr 1993. Nach Auskunft der BAW Karlsruhe wird im Zuge von Überarbeitungen empfohlen, einen Teilnachweis der Filterwirksamkeit durch den entsprechenden Nachweis gemäß DWA-M 511 zu ersetzen. Hierauf wird im vorliegenden Beitrag an gegebener Stelle eingegangen.

Die technischen Lieferbedingungen für Geotextilien und geotextilverwandte Produkte an Wasserstraßen (TLG) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, Abteilung Wasserstraßen, Schifffahrt sind im Jahre 2018 neu erschienen und haben die TLG aus dem Jahr 2008 somit abgelöst. In der Anlage 2 der neuen TLG wird die Bodenart des Baugrundes in die drei Klassen A, B und C eingeteilt, in der TLG aus 2008 waren es die Klassen 1 bis 4. Das zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Handbuchs gültige Merkblatt MAG (1993) und die Richtlinie Prüfung von Geotextilien im Verkehrswasserbau (RPG, 1994) beinhaltet analog zur TLG 2008 die Bodentypen 1 bis 4. Der Bodentyp A in der TLG 2018 ist praktisch eine Zusammenführung der Bodentypen 1 und 2, der Bodentyp B entspricht dem Bodentyp 3 und der Bodentyp C dem Bodentyp 4. Da das Merkblatt MAG und die Richtlinie RPG nach wie vor Gültigkeit besitzen, wird in diesem Handbuch weiterhin mit den Bodentypen 1 bis 4 gearbeitet.

Der vorliegende Beitrag stellt die Nachweisverfahren dieser Merkblätter und Empfehlungen dar und versucht die Anwendung zu verdeutlichen. Zu diesem Zweck wurden Flussdiagramme zur Nachweisführung geotextiler Filter gemäß DWA-M 511 und MAG 1993 erarbeitet. Im nachfolgenden Text werden in Anlehnung an die Flussdiagramme für durchzuführende Nachweise entsprechende Kapitel des Anwendungshandbuchs angegeben.

Beispiele zu notwendigen Teilnachweisen finden sich im „Anwendungshandbuch zu den Merkblättern DWA-M 511 Filtern mit Geokunststoffen und BAW-Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen (MAG)“, das durch NAUE GmbH & Co. KG überreicht wird. Die Programmausdrucke zu den Nachweisen wurden mit den Programmen GGU Sieve und GGU Filter Stability erstellt.

Planungsgrundlagen für geotextile Filter

Folgende Planungsgrundlagen müssen bekannt sein, um die geotechnischen Filter auf ihre jeweilige Einsatzsituation hinsichtlich ihrer Filtereigenschaften und weiterer Festigkeitseigenschaften bemessen zu können.

1.1 Baugrund:

• Schichtenaufbau,
• Wasserstände,
• Korngrößenverteilungslinien von an den Filter anliegenden Böden,
• plastische Eigenschaften von an den Filter anliegenden Böden, undrainierte Scherfestigkeit, c_u, Plastizitätszahl I_p
• evtl. innerer Reibungswinkel (Standsicherheit von Böschungen, Reibungsbeiwert des Geotextils)
• Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte,
• Filterbauweise (MAG),
• Deckschichtwahl (MAG)

1.2 Einwirkungen

• hydraulische Beanspruchungen,
• mechanische Beanspruchungen aus Bauausführung – Durchschlagbeanspruchungen etc.,
• mechanische Beanspruchung aus Überdeckung,
• chemische Einwirkungen, Versinterung / Verockerung

1.3 Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts k_f aus der Kornverteilungslinie

Die Wasserdurchlässigkeit als Grundlage zur Untersuchung der hydraulischen Filterstabilität kann anhand der Korngrößenverteilungslinien nach in der Literatur genannten Verfahren abgeschätzt werden. Das Merkblatt „Anwendung von Kornfiltern an Bundeswasserstraßen (MAK)“ stellt Verfahren und deren Anwendungsbereiche für unterschiedliche Böden zusammen. Eingangsgrößen sind die undrainierte Scherfestigkeit c_u und die wirksamen Korndurchmesser bei 10, 20 bzw. 25 Massen-%, d₁₀, d₂₀ bzw. d₂₅.

2. Flussdiagramm zur Filterbemessung gemäß Merkblatt „Filtern mit Geokunststoffen“, DWA-M 511

Die Vorgehensweise einer Filterbemessung nach dem Merkblatt „Filtern mit Geokunststoffen“, DWA-M 511, wird im folgenden Flussdiagramm zur einfachen Handhabung gezeigt. Für die zu führenden Nachweise werden im Diagramm die jeweils zu beachtenden Kapitel der DWA-M 511 und des Anwendungshandbuchs zu den Merkblättern DWA-M 511 Filtern mit Geokunststoffen und BAW-Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen (MAG) gegeben.

Abb. 1: Flussdiagramm zur Bemessung eines geotextilen Filters nach DWA-M 511

Nach einer grundlegenden Unterscheidung in kohäsive – mindestens mittelplastische fein- und gemischtkörnige – und nicht kohäsive – grobkörnige und leichtplastische gemischt- und feinkörnige Böden – (Kapitel 3.2) folgt die Ermittlung der Filternotwendigkeit (Kapitel 3.3.1 und 3.3.2). Die verwendeten Nachweisverfahren nach Cistin/Ziems bzw. nach MMB 2013 sind bekannt und haben sich hierfür bewährt.

Für den Nachweis der Suffosionssicherheit (Kapitel 3.4.2) wird ebenfalls auf die MMB 2013 verwiesen, dort finden Kriterien von Ziems, Kenney/Lau und Burenkova Anwendung.

Der Nachweis der mechanischen Filterwirksamkeit für nicht suffosionsgefährdete Böden und statische hydraulische Belastungen (Kapitel 3.4.1.1) wird mit einem neuen Ansatz in der DWA-M 511 vorgestellt. Mit Hilfe der Ungleichförmigkeitszahl C_U und dem wirksamen Korndurchmesser d₅₀ des zu filternden Bodens wird die erforderliche Öffnungsweite des geotextilen Filters O₉₀ bestimmt. Die Gleichung der Lognormalverteilung lautet:

Mit dem Ansatz wurde versucht, die Gemeinsamkeiten der bekannten Ansätze der kanadischen geotechnischen Gesellschaft (CFEM, 2006), Giroud, Luettich et al. (1982) und des DVWK-Merkblatts 221 (1992) zu berücksichtigen, aber gleichzeitig eine kontinuierliche Abhängigkeit von Öffnungsweite und Ungleichförmigkeitskoeffizient zu erreichen und damit Unstetigkeiten zu vermeiden. Um wie beim Ansatz nach Giroud auch die Lagerungsdichte zu berücksichtigen, wird eine Bandbreite von ±10% eingeführt.

Abb. 2: Abstandsverhältnis O₉₀ /d₅₀ abhängig von der Ungleichförmigkeitszahl C_U des Bodens

Für dynamische hydraulische Belastungen wie z.B. turbulente Strömungen, Wellenschlag kann gemäß DWA-M 511 der Nachweis in Anlehnung an EAK 1993 für Fein- und Mittelsande mit 0,1 mm < d₅₀ < 0,3 mm wie folgt geführt werden (Kapitel 3.4.1.2):

O₉₀ ≈ d₅₀

Bei suffosiven Böden (Kapitel 3.4.3) sollte der Filter nicht auf den Rückhalt aller infolge von Suffosion umlagerbaren Feinteile ausgelegt werden, um ein kolmationsbedingtes Ansteigen des Wasserdrucks zu verhindern. Die Bemessung des Filters kann nach Lafleur (1993) mit

O₉₀ ≤ d₃₀

erfolgen.

Der Feinanteil, der als erodierbar erachtet werden kann, ist im Einzelfall festzulegen. Zur Abschätzung des größten Korndurchmessers des suffosiven Anteils kann gem. DWA-M 511 der Ansatz nach Ziems verwendet werden.

Für kohäsive Böden werden in Abhängigkeit von Plastizitätseigenschaften und der undrainierten Scherfestigkeit eines Bodens in DWA-M 511 die Anforderungen an die Öffnungsweiten der geotextilen Filter formuliert (Kapitel 3.4.4):

Tabelle 1: Kriterien für mechanische Filterwirksamkeit, kohäsive Böden

Zum Nachweis der hydraulischen Filterstabilität (Kapitel 3.5) muss nach DWA-M 511 7.5 die Forderung

erfüllt sein. Liegen ein sehr durchlässiger Boden und nur geringe Gradienten vor, so kann die Durchlässigkeit des Geotextils bestimmt werden zu:

Gemäß DWA-M 511 7.7 ist bei geotextilen Filtern eine ausreichende Filtrationslänge durch die Gewährleistung einer Mindestdicke von

sicherzustellen (Kapitel 3.6).

Für geotextile Filter gelten nach DWA-M 511 folgende Anforderungen an das minimale Flächengewicht in Abhängigkeit der Überschüttung (Kapitel 3.7):

Tabelle 2: Notwendiges Flächengewicht in Abhängigkeit der Überschüttung

3. Flussdiagramm zu Filterbemessung nach Merkblatt „Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen“, MAG

Das Merkblatt „Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen“, MAG (1993) gilt für Geotextilien, die bei Böschungs- und Sohlsicherungen von Wasserstraßen und zugehörigen Bauwerken wie Dämmen und Gräben als Filter zum Einsatz kommen.

Die „Technischen Lieferbedingungen für Geotextilien und geotextilverwandte Produkte an Wasserstraßen“, TLG, benennen Anforderungen zu Eigenschaften und Prüfungen der verwendeten Materialien.

3.1 Flussdiagramm

Die Vorgehensweise einer Filterbemessung nach dem Merkblatt „Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen“ MAG (1993) wird im folgenden Flussdiagramm zur einfachen Handhabung gezeigt. Für die zu führenden Nachweise werden im Diagramm sowohl die jeweils zu beachtenden Kapitel des vorliegenden Handbuchs als auch die Kapitel der MAG zur einfachen Handhabung genannt.

Abb. 3: Flussdiagramm zur Bemessung eines geotextilen Filters nach DWA-M 511

Im Vorfeld zu weiteren Untersuchungen wird der zu filternde Boden gemäß MAG 1993 in nichtbindige und bindige Böden unterschieden.

Für nichtbindige Böden mit einer Ausfallkörnung und für nichtbindige Böden mit einer Ungleichförmigkeitszahl von C_u ≥ 8 ist nach MAG 1993 die Suffosionssicherheit nachzuweisen.

Laut Auskunft der BAW zum Zeitpunkt der Erstellung des Handbuchs befindet sich das Merkblatt MAG 1993 in Überarbeitung, so dass die Beurteilung der Suffosionsgefahr bereits aktuell gemäß Flussdiagramm der MMB 2013 bewertet wird (Kapitel 3.4.2).

Gemäß Abbildung 4 ist das Geotextil in Abhängigkeit der gewählten Bauweise für die angrenzenden Materialien – Baugrund, Deckschicht, Ausgleichsschicht, Kornfilter – hinsichtlich seiner Filtereigenschaften zu bemessen (Kapitel 4.3).

Abb. 4: Filterbauweisen aus MAG 1993

Die Notwendigkeit eines geotextilen Filters zwischen den je nach Filterbauweise verwendeten Mineralkornlagen wird gemäß MAG 1993 mit dem Diagramm nach Cistin/Ziems durchgeführt (Kapitel 4.4).

Für die Bemessung des Geotextils müssen die in MAG 1993 genannten Anforderungen bzgl. der Filterwirksamkeit und der Materialeigenschaften gem. TLG 2018 erfüllt werden. In MAG 1993 wird das Bodentypverfahren der BAW empfohlen (Kapitel 4.5.1.1), in dem die Anforderungen mit der Zuordnung des Baugrunds und mit der Wahl einer Filter- und Deckschichtbauweise festgelegt wird.

Die Filterregel nach AK 14 findet sowohl beim Nachweis für dynamische als auch statische hydraulische Belastungen keine Anwendung mehr und wird durch den Nachweis der mechanischen Filterwirksamkeit nach DWA-M 511 ersetzt (Kapitel 4.5.1.2).

Die technischen Lieferbedingungen für Geotextilien und geotextilverwandte Produkte an Wasserstraßen sind im Jahre 2018 neu erschienen und haben die TLG aus dem Jahr 2008 somit abgelöst. Es wird die Bodenart des Baugrundes in die drei Klassen A, B und C eingeteilt, in der TLG aus 2008 waren es die Klassen 1 bis 4. Der Bodentyp A in der TLG 2018 ist eine Zusammenführung der Bodentypen 1 und 2, der Bodentyp B entspricht dem Bodentyp 3 und der Bodentyp C dem Bodentyp 4.

Abb. 5: Bodentypen 1 und 2 nach TLG 2008, Bodentyp A nach TLG 2018

Da das Merkblatt MAG und die Richtlinie RPG nach wie vor Gültigkeit besitzen, wird in dem Handbuch weiterhin mit den Bodentypen 1 bis 4 gearbeitet.

Wenn der Bodentyp bzw. für Körnungsbänder die Bodentypen wie oben gezeigt ermittelt wurden, schließt die Bemessung nach dem Bodentyp-Verfahren an. Hierzu wird die nachfolgende Tabelle aus TLG 2008 verwendet (Kapitel 4.5.1.1).

Tabelle 3: Regelanforderungen an die Filterwirksamkeit eines Geotextils aus TLG 2008

Zukünftig wird nach den Regelanforderungen aus der TLG 2018 zu verfahren sein. Abbildung 10 zeigt die neuen Anforderungen.

Tabelle 4: Regelanforderungen an die Filterwirksamkeit eines Geotextils aus TLG 2008

Ein Geotextil besitzt nach MAG 1993 gegenüber allen Böden eines Bodentyps eine ausreichende Filterwirksamkeit, wenn es in einer für jedes Fabrikat vorgeschriebenen Grundprüfung

• für die Bodentypen 1 – 3 mit dem Durchströmungsverfahren
• für den Bodentyp 4 mit dem Turbulenzverfahren

die in der nachfolgenden Tabelle genannten Werte für die Schichtdicke, den Bodendurchgang und die Durchlässigkeit bei Bodenauflast von 25 cm einhält.

Für Böden, deren Körnungsband über die Grenzen von Gültigkeitsbereichen eines Bodentyps hinaus reicht, ist der geotextile Filter auf alle Bodentypen auszulegen, die von dem Körnungsband mit den Kornanteilen d₅ bis d₆₀ erfasst werden.

Allgemeine Materialanforderungen wie die Zugfestigkeit und Abriebbeständigkeit werden in der TLG genannt (Kapitel 4.5.2). Der erforderliche Durchschlagwiderstand ist abhängig von den gewählten Filterbausteinen und wird in Zeile 3 genannt. Die Dicke der Filterschicht wird grundsätzlich durch das Bodentyp-Verfahren vorgegeben.

Tabelle 5: Materialanforderungen an ein Geotextil aus TLG 2008

Die neuen Anforderungen gem. TLG 2018 sind in Tabelle 6 dargestellt.

Tabelle 6: Materialanforderungen an ein Geotextil aus TLG 2018

Die Wasserdurchlässigkeit des zum Einsatz kommenden Geotextils ist gem. MAG 1993 zu wählen mit:

• schluffige Böden: k_v ≥ 50 ⋅ k_Boden
• schwach schluffige Böden: k_v ≥ 10 ⋅ k_Boden

Jedoch ist nach Auskunft der BAW der gemäß dem Bodentyp-Verfahren genannte Wert für die Durchlässigkeit des bodenbesetzten Geotextils zur Verhinderung von Bodeneinlagerungen völlig ausreichend und braucht mit oben stehenden Bedingungen nicht weiter kontrolliert zu werden.

Filterbemessung nach M Geok E

Für Geokunststoffe, die im Erdbau und in Entwässerungsanlagen des Straßenbaus eingesetzt werden, gibt das Merkblatt M Geok E Angaben zu Anwendungsmöglichkeiten und notwendigen Nachweisführungen.

Im Zuge des Nachweises der mechanischen Filterwirksamkeit unterscheidet M Geok E bzgl. hydraulischer Einwirkungen nach sogenannten hydraulischen Sicherheitsfällen. Für drei Sicherheitsfälle werden Hinweise zur Nachweisführung der mechanischen Filterwirkung gegeben (Kapitel 5.1).

Nach M Geok E wird der Nachweis der hydraulischen Filterwirksamkeit erbracht, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist (Kapitel 5.2):

Für den Ausschluss einer Kolmation sind die folgenden Bedingungen einzuhalten. Um den Boden gegen Erosion zu schützen und um somit das tragende Korngerüst stabil zu halten, wird eine Öffnungsweite gewählt mit

gew. O₉₀ ≤ 1,0 ⋅ zul O₉₀

Um eine Kolmation im unschädlichen Rahmen zu gewährleisten, ist eine Öffnungsweite zu wählen:

gew. O₉₀ ≥ 0,2 ⋅ zul O₉₀

Für geotextile Filter werden die Geotextilrobustheitsklassen GRK 3 bis GRK 5 gefordert werden (Kapitel 5.3).

Tabelle 7: Ermittlung der erforderlichen Geotextilrobustheitsklasse nach TL Geok

Tabelle 8: Geotextilrobustheitsklassen nach TL Geok

Literatur

/1/ Anwendung von Geotextilien im Wasserbau, Merkblätter 221 / 1992, Herausgeber Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau (DVWK), Bonn, 1992

/2/ Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzwerken, EAK 2002, korrigierte Ausgabe 2007, Herausgeber: Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen /3/ Grundbautaschenbuch, 7. Auflage, Teil 2, Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Josef Witt

/4/ BAW Merkblatt Anwendung von Kornfiltern an Bundeswasserstraßen (MAK), Herausgeber: Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 2013

/5/ Änderung zu A1:2015 zu BAW Merkblatt Anwendung von Kornfiltern an Bundeswasserstraßen (MAK), Herausgeber: Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 2013

/6/ Merkblatt Anwendung von Regelbauweisen für Böschungs- und Sohlensicherungen an Binnenwasserstraßen (MAR), Herausgeber: Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 2008

/7/ Merkblatt DWA-M 511, Filtern mit Geokunststoffen, Herausgeber: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., 2017

/8/ Merkblatt Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen (MAG), Herausgeber: BAW Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 1993

/9/ Merkblatt Materialtransport im Boden (MMB), Herausgeber: Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 2013

/10/ Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E), Herausgeber: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln, 2016

/11/ Richtlinie für die Zulassung von Geotextilien zum Filtern und Trennen für Deponieabdichtungen, Herausgeber: Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung, 2016

/12/ Technische Lieferbedingungen für Geokunststoffe im Erdbau des Straßenbaus, (TL Geok E-StB 05),Herausgeber: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau, 2005

/13/ Technische Lieferbedingungen für Geotextilien und geotextilverwandte Produkte an Wasserstraßen (TLG), Herausgeber: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtent wicklung Abteilung Wasserstraßen, Schifffahrt, 2008

/14/ Technische Lieferbedingungen für Geotextilien und geotextilverwandte Produkte an Wasserstraßen (TLG), Herausgeber: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtent wicklung Abteilung Wasserstraßen, Schifffahrt, 2018

/15/ Technische Lieferbedingungen für Wasserbausteine (TLW), 2003

/16/ Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau, ZTV E-StB , 2009