Untersuchungen zur Ermittlung des Tragverhaltens von Geogittern bei der Überbrückung von Erdeinbrüchen

Dr.- Ing. S. Schwerdt, Hochschule Magdeburg-Stendal

Zusammenfassung

Bei der Bemessung von Geokunststoffbewehrungen zur Überbrückung von Erdeinbrüchen müssen neben der Zugkraft auch die erforderlichen Verankerungs- und Überlappungslängen bestimmt werden. Bei der Bemessung von Bewehrungen unter Verwendung von biaxial-anisotropen Bewehrungen stellt sich die Frage, wie die Lastabtragung im Randbereich der Bewehrung erfolgt. Mit Hilfe von Berstversuchen wurde diese Fragestellung untersucht.

Dabei zeigte sich, dass im Randbereich die Dehnungen in Querrichtung kleiner und in Längsrichtung größer als in der Mitte der Geokunststoffbahn waren. Auch beim Versagensverhalten und den Aufwölbungen wurden Unterschiede festgestellt. Dies führte zu Schlussfolgerungen, die Konsequenzen auf die künftige Bemessung von biaxial-anisotropen Geokunststoffbewehrungen bei der Überbrückung von Erdeinbrüchen haben.

Einleitung

Unter Erdeinbrüchen versteht man meist kraterförmige Einsenkungen an der Geländeoberfläche. Diese können natürlichen Ursprungs sein, sogenannte Erdfälle, die durch Lösungs- und Subrosionsvorgänge im Untergrund entstehen. Tagesbrüche, Pingen oder Schachtverbrüche entstehen, wenn Altbergbauanlagen unzureichend verwahrt werden. Bei der Anlage von Verkehrswegen oder der Errichtung von Ingenieur- und Hochbauten in erdeinbruchgefährdeten Gebieten müssen Sicherungsmaßnahmen vorgesehen werden, um Gefährdungen auszuschließen.

Hierfür sind prinzipiell verschiedene Sicherungsvarianten möglich. Die wirtschaftlich günstigste Lösung stellt dabei häufig die Verwendung von Geokunststoffbewehrungen dar. Die Bemessung der Geokunststoffbewehrungen erfolgt unter Verwendung von Berechnungsverfahren, die länderspezifisch normativen Charakters sind, z.B. BS 8006 (1) bzw. dem Stand der Technik entsprechen, z.B. EBGEO (2). Neben der erforderlichen Kurzzeitzugfestigkeit des Geokunststoffs müssen dabei auch die Überlappungs- und Verankerungslängen bestimmt werden.

Auf Grund von Herstellungsweise und verwendeten Materialien kann bei der Überbrückung von Erdeinbrüchen ein unterschiedliches Lastabtragungsverhalten bei verschiedenen Geokunststoffen beobachtet werden. Prinzipiell unterscheidet man hierbei zwischen biaxial-isotroper, biaxial-anisotroper und einaxial-extrem anisotroper Lastabtragung (siehe Tabelle 2).

Im Zuge von Untersuchungen zum Lastabtragungsverhalten von biaxial-anisotropen gelegten Secugrid® Geogittern wurde dabei insbesondere das Lastabtragungsverhalten im Verankerungsbereich untersucht.

Sicherheitskonzepte und Bemessungsverfahren

Sicherungskonzepte

Für die Sicherung von Bauwerken in erdeinbruchgefährdeten Bereichen existieren zahlreiche Vorschriften, wie z.B. das Merkblatt zum Straßenbau in Erdfallgebieten (3) oder GSbS 2006 (4).

In den Handlungsempfehlungen für den Einsatz von Geokunststoffen zur Sicherung bruchgefährdeter Straßenbereiche in Altbergbau- und Subrosionsgebieten für den Landesbetrieb Bau Sachsen-Anhalt (GSbS 2006) (4) werden dabei das Konzept der Teilsicherung und das Konzept der Vollsicherung unterschieden. Beide Konzepte unterscheiden sich in der Dauerhaftigkeit der Lösung, dem angestrebten Sicherungszeitraum und letztendlich im erforderlichen Aufwand. Tabelle 1 zeigt die wesentlichen Unterschiede zwischen beiden Konzepten.

Tabelle 1: Vergleich der Sicherungskonzepte Vollsicherung und Teilsicherung; in Anlehnung an GSbS 2006

Häufig kann davon ausgegangen werden, dass ab einem Verhältniswert zwischen Überdeckungshöhe und Erdeinbruchdurchmesser von H/D ≥ 1 die Verwendung von Geokunststoffen und die Bemessung nach dem Teilsicherungskonzept zu wirtschaftlicheren Lösungen führen.

Bemessungsverfahren

Für die Überbrückung von Erdeinbruchüberbrückungen können gemäß EBGEO (2) unterschiedliche Geokunststoffe verwendet werden. Diese werden in isotrope, anisotrope und extrem anisotrope Materialien unterteilt. Aus der Art der Bewehrung ergibt sich ein jeweils anzusetzendes Lastabtragungsmodell (siehe Tabelle 2). Die Bemessung kann dann anhand verschiedener Berechnungsverfahren erfolgen.

Bei der Bemessung von Erdeinbruchüberbrückungen sind verschiedene Bemessungsschritte durchzuführen. Diese beinhalten:

1. Festlegung der geometrischen Randbedingungen
2. Bestimmung der zulässigen Einsenkung des Geokunststoffs
3. Ermittlung der Vertikalspannung auf dem Geokunststoff 4. Berechnung der Zugkraft in Längs- (und Querrichtung)

5. Bestimmung der Überlappung- und Verankerungslängen

Die Festlegung der geometrischen Randbedingungen erfolgt auf der Grundlage externer Vorgaben (z.B. zulässige Einsenkung an der Fahrbahnoberkante). Die Bestimmung der Einsenkung des Geokunststoffs, der Vertikalspannung und die Berechnung der Zugkraft sind in den unterschiedlichen Berechnungsverfahren (siehe Tabelle 2) beschrieben. Für die Bestimmung der Überlappungs- und Verankerungslängen werden in der EBGEO (2) Hinweise gegeben.

Untersuchungen zur Ermittlung des Lastabtragungsverhaltens von biaxial-anisotropen Geokunststoffen im Verankerungsbereich

Problemstellung

Die Abbildung 1 zeigt die Ermittlung der erforderlichen Verankerungslänge in Querrichtung einer Geokunststoffbewehrung. Die erforderliche Verankerungslänge beginnt außerhalb des zu sichernden Bereiches.

Die Verankerungslänge ergibt sich nach Tabelle 11.3 gemäß EBGEO. Bei biaxial-anisotropen Geokunststoffen errechnet sich diese in Querrichtung nach folgenden Formeln:

Mit: Ll – Verankerungslänge in Querrichtung; LA,cmd – Länge der Lastübertragung in Querrichtung; D – Erdeinbruchdurchmesser; E_d – Bemessungswert der Einwirkungen; Ȗ_B – Teilsicherheitsbeiwert; į_vg,k – charakteristische Vertikalspannung; f_sg,k – Reibungsbeiwert Boden/Geokunststoff; Faktor 2 für zweiseitige Lastabtragung

Laut EBGEO braucht bei biaxial-anisotropen Geokunststoffen der Erdeinbruchdurchmesser D nicht zur Verankerungslänge hinzugerechnet werden, „… wenn durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt ist, dass eine Lastabtragung in Querrichtung nicht erfolgt.“ ¹

_______________________

1 (2), 11.3.2.5

In der Praxis bedeutet dies, dass bei der Planung von biaxial-anisotropen Geokunststoffbewehrungen zur Erdeinbruchüberbrückung in vielen Fällen der Erdeinbruchdurchmesser zur Verankerungslänge hinzugerechnet werden muss, da die erforderlichen konstruktiven Maßnahmen nicht näher spezifiziert sind. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass im Verankerungsbereich ein Erdeinbruch unter dem Geokunststoff auftritt und die Querfestigkeit planmäßig zur Lastabtragung herangezogen wird.

Die Aufgabe der nachfolgend vorgestellten Untersuchungen war es daher, zu ermitteln, wie sich biaxial-anisotrope Geokunststoffbewehrungen (Secugrid® R6) am Rand der Bewehrungsbahn verhalten, wenn unmittelbar unter dem Bahnende ein Erdfall auftritt (siehe Abbildung 2).

Abb. 2: Beispiel Geogitter am Bahnende über einem Erdeinbruch

Dabei sollte auf folgende Fragestellungen eingegangen werden:

1. Wie groß sind die Dehnung und Zugkraft am Ende einer Bahn über einem Erdeinbruch in Querrichtung des Geokunststoffs? 2. Gibt es Unterschiede bei der auftretenden Zugkraft in Längsrichtung wenn der Erdeinbruch am Bahnende auftritt, im Ver gleich zu einem Erdeinbruch in der Mitte unter einer Geokunststofflage?

3. Sind Anpassungen an den Vorgaben der EBGEO zur Bemessung erforderlich?

Die Untersuchungen sollten zunächst ausschließlich auf biaxial-anisotrope Geokunststoffe beschränkt werden.

Versuchskonzept

Die Fragestellungen sollten mit Hilfe von Berstversuchen geklärt werden, auf deren Basis in früheren Untersuchungen wesentliche, für die Entwicklung der EBGEO maßgebliche, Forschungsarbeiten erstellt wurden. Dazu wurde ein „Großes Berstdruck-Prüfgerät“ verwendet, mit dem ein Probendurchmesser von 1,0 m untersucht werden kann. Die Belastung wird durch einen stufenweise gesteigerten hydraulischen Druck aufgebracht. Während jeder Laststufe erfolgt die Messung von Dehnung und Aufwölbung. Mit Hilfe von Berstversuchen ist es möglich, Kenntnis über das SpannungsDehnungs-Verhalten, das Berstverhalten, die Grenztragfähigkeit, das Verhalten im Überlappungsbereich und das Verhalten am Ende einer Bahn im Erdeinbruchbereich von Geokunststoffen zu erhalten. Die Abbildung 3 zeigt das verwendete Berstdruck-Prüfgerät.

Abb. 3: Großes Berstdruck-Prüfgerät

Es wurden Berstversuche an biaxial-anisotropen Geogittern durchgeführt. Dazu wurde das Geogitter Secugrid® 120/40 R6 der Firma NAUE GmbH & Co. KG gewählt. Für dieses sind gemäß Datenblatt (7) folgende Kenngrößen bekannt:

• Zugkraft (Nennwert): Längs-/Querrichtung 120/40 kN/m
• Dehnung (Nennwert): Längs-/Querrichtung ≤7/≤7%

Zur Klärung der Aufgabenstellung wurden jeweils zwei Teilproben verlegt, die in Querrichtung ohne Überlappung nur aneinander stoßen und keine Lastübertragung zuließen („Versuche mit Spalt“) (siehe Abbildung 4). Dabei wurden unterschiedliche Probenbreiten realisiert.

• Versuch 1:	25 / 75 cm (Querrichtung oben)
• Versuch 2:	42 / 58 cm (Querrichtung oben)
• Versuch 3:	46,5 / 53,5 cm (Längsrichtung oben)

Zusätzlich wurde ein Referenzversuch durchgeführt, bei dem das Geogitter vollflächig verlegt wurde.

Abb. 4: Zwei Teilproben des Geogitters im Berstdruck-Prüfgerät vor Versuchsbeginn

Versuchsergebnisse

Referenzversuch

Die folgenden Abbildungen enthalten die Ergebnisse des Referenzversuches. Das Versagen trat bei 1,3 bar auf. Es kam zu einem multiplen Versagen der Stäbe in Längs- und Querrichtung.

Abb. 5: Dehnungen im Versuchsverlauf beim Referenzversuch

Abb. 6: Höhenänderung in Abhängigkeit vom Druck [bar] beim Referenzversuch

Versuche mit Spalt

In den Versuchen mit Probenbreiten 75/25 cm (Versuch 1) bzw. 58/42 cm (Versuch 2) waren die Geogitterproben so angeordnet worden, dass die Querrichtung des Geogitters oben war. Beim Versuch mit den Probenbreiten 53,5/46,5 cm (Versuch 3) war die Längsrichtung oben. Bei den Versuchen, bei denen die Stäbe der Querrichtung oben lagen, kam es bei größeren Drücken zu einem teilweisen Versagen der Verbindungsstellen zwischen den Längs- und Querstäben. Dieses Versagen trat in aller Regel nur an den außenliegenden Längsstäben auf. Dies führte beim Versuch 1 dazu, dass wegen der vom Stoß weg verschobenen Längsstäbe die unterlagernde Membran rausgedrückt wurde und keine weitere Lastaufbringung möglich war. Beim Versuch 2 kam es bei 0,8 bar zum Versagen der äußeren Längsstäbe. Beim Versuch 3 wurde keine Beschädigung der Verbindungen festgestellt. Das Versagen trat hier bei 1,15 bar durch Bersten der Stäbe in Längsrichtung auf. In der Realität liegen beim Abrollen der Secugrid® Geogitter die Querstäbe oben, d.h. im Berstversuch würden sich diese dann unter den Längsstäben befinden. In dieser Anordnung ist somit kein Versagen der Verbindungen zu erwarten, insbesondere durch den zusätzlichen Schubwiderstand, der durch die Interaktion des Bodens mit dem Geogitter wirksam wird.

Die folgende Abbildung zeigt die gemessenen Dehnungen der Versuche mit Spalt. Zu Vergleichszwecken sind die Ergebnisse des Referenzversuches eingefügt.

Abb. 7: Dehnungen im Versuchsverlauf der Versuche mit Spalt und des Referenzversuches

Es ist erkennbar, dass die Dehnungen in Längsrichtung (maximal 5,8 % bei 1,2 bar) generell größer sind als im Referenzversuch (4,3 % bei 1,2 bar). Dagegen sind die Dehnungen in Querrichtung mit 0,0 bis 1,5 % deutlich kleiner als im Referenzversuch (5,8 %). Das Versagen erfolgte bei zwei Versuchen durch Bersten der Stäbe in Längsrichtung am Ende der jeweiligen Teilproben. Bei einem Versuch wurde kein Versagen von Stäben festgestellt. Hier war keine weitere Lastaufbringung möglich, da die Längsstäbe auf der Membran verschoben waren.

Zwischen den beiden Teilproben öffnete sich jeweils ein Spalt. Die dabei gemessenen Öffnungsweiten sind im folgenden Diagramm enthalten.

Bis ca. 0,6 bar verhielten sich die Proben nahezu identisch. Danach ist beim 2. Versuch mit den Probenbreiten 58/42 cm eine überproportionale Zunahme der Öffnungsweite erkennbar. Dagegen verläuft bei den übrigen Versuchen die Zunahme nahezu linear.

Beim Vergleich der Aufwölbungen in Abbildung 9 ist erkennbar, dass bei den Versuchen mit Spalt größere Aufwölbungen gemessen wurden als beim Referenzversuch.

Abb. 9: Aufwölbung der Versuche mit Spalt und des Referenzversuches bei 0,8 bar

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

1. Am Bahnenende, außerhalb des zu sichernden Bereiches, ist das Lastabtragungsverhalten von biaxial anisotropen gelegten Secugrid® Geogittern unterschiedlich zu dem im Inneren des zu sichernden Bereiches.
2. Wenn außerhalb des zu sichernden Bereiches die Möglichkeit besteht, dass Erdeinbrüche auftreten, so erfolgt eine Lastumlagerung von der Quer- in die Längsrichtung.
3. Die Dehnungen und somit die Zugkräfte in Querrichtung sind wesentlich kleiner als im Referenzversuch. Die Dehnungen und Zugkräfte in Längsrichtung nehmen dagegen zu.
4. Das Versagen trat in den Versuchen ausschließlich in Längsrichtung auf.
5. Die Aufwölbungen sind unter gleicher Belastung größer als im Referenzversuch.

Dies führt zu folgenden Schlussfolgerungen:

1. Außerhalb des zu sichernden Bereiches ist u.E. ein zusätzlicher Erdeinbruchdurchmesser bei der Ermittlung der Verankerungslänge L_l nach Formel (1) nicht anzusetzen.
2. Bei der Berechnung der Verankerungslänge L_A nach Formel (2) darf der Faktor „2“ für beidseitige Lastabtragung nicht verwendet werden. Da unter dem Lastabtragungsbereich ein Erdeinbruch nicht ausgeschlossen werden kann, muss zukünftig mit einseitiger Lastabtragung gerechnet werden.
3. Für die Längsrichtung ergibt sich eine Erhöhung der Zugfestigkeit. Außerhalb des zu sichernden Bereiches ist

dies unerheblich, da hier ja keine Sicherung erforderlich ist. Problematisch ist aus unserer Sicht jedoch das Verhalten der letzten Bahn am Rand des zu sichernden Bereiches. Hier sind aus unserer Sicht Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob ggf. eine größere Zugfestigkeit in Längsrichtung nachgewiesen werden muss. Dies kann beispielsweise durch Parameterstudien unter Verwendung numerischer Methoden erfolgen.

Danksagung

Die Untersuchungen wurden initiiert und gefördert durch die Firma NAUE GmbH & Co. KG. Die Hochschule Magdeburg-Stendal bedankt sich für die Förderung.

Literaturverzeichnis

1. BS 8006-1. BSI: British Standard Institution: Code of practice for strengthened/reinforced earths and other fills. London: s.n., 2010.
2. DGGT. EBGEO Empfehlungen für Planung und Bemessung von Bewehrungen mit Geokunststoffen. [Hrsg.] Deutsche Gesellschaft für Geotechnik. Berlin: Verlag W.Ernst und Sohn, 2010.
3. FGSV. Hinweise zum Straßenbau in Erdfallgebieten. s.l.: FGSV-Verlag, 2010.
4. LSBB ST. Handlungsempfehlungen für den Einsatz von Geokunststoffen zur Sicherung bruchgefährdeter

Straßenbereiche in Altbergbau- und Subrosionsgebieten für den Landesbetrieb Bau Sachsen-Anhalt. Halle: s.n., 2006.

1. Design of Soil Layer – Geosynthetic systems overlying Voids. Giroud; Bonaparte; Beech. 1, 1990, Geotextiles and Geomembranes, Bd. 9, S. 11-50.
2. Blivet. Design method for geosynthetics as reinforcement for embankments subjected to localized subsidence. [Buchverf.] Delmas, Gourc und Girard (ed). Proc. 7th ICG. s.l.: Sweets & Zeitlinger, 2002.
3. NAUE GmbH & Co. KG. Datenblatt Secugrid® 120/40 R6.