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Untersuchungen zur Überprüfung des Luftporenanteils als Verdichtungsanforderung bei feinkörnigen Böden und bindigen Mischböden

BASt-Bericht S 105

Benedikt Lypp, Emanuel Birle, Dirk Heyer, Norbert Vogt, Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau Technische Universität München

136 Seiten
Erscheinungsjahr: 2017
Preis: 20,50 €

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Die bodenmechanischen Eigenschaften von feinkörnigen Böden und gemischtkörnigen Böden mit Feinkornanteilen über 15 M.-% werden maßgeblich von der Konsistenz und der Plastizität des Feinkorns bestimmt. Mittel- und langfristig können an Erdbauwerken, die aus diesen Bodenarten errichtet wurden, Schäden entstehen, wenn Wasserzutritte eine Verringerung der Konsistenz der feinkörnigen Anteile bewirken. Um eine verminderte Scherfestigkeit, Sackungen und Setzungen zu vermeiden, wurden in den ZTV E-StB 09 Verdichtungsanforderungen festgelegt, die neben dem Verdichtungsgrad auch den Luftporenanteil beinhalten.

Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit sollte untersucht werden, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten der oben genannten Böden hat und inwieweit eine Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil eine Verbesserung der dauerhaften Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung eines erhöhten Verdichtungsaufwandes bewirkt. Es wurde zunächst herausgearbeitet, welche Anforderungen hinsichtlich des Luftporenanteils bereits bestehen und inwieweit der Luftporenanteil als Verdichtungsanforderung geeignet ist. Der Luftporenanteil wird hierbei lediglich in Deutschland und Großbritannien als Verdichtungsanforderung genannt. Anhand von fünf Versuchsböden, die nach DIN 18196 den Bodengruppen UL, TM, TA, SU* und GU* zuzuordnen sind, wurde anschließend das Last-Verformungsverhalten bei oedometrischer Belastung und bei Wasserzutritt bei unterschiedlichen Spannungsniveaus untersucht. Die weiteren Laboruntersuchungen umfassten Triaxial- und Wasserdurchlässigkeitsversuche. An einem Probefeld wurden Feldversuche zur Entwicklung des Luftporenanteils bei einer zunehmenden Anzahl an Walzenübergängen durchgeführt.

Eindeutige Aussagen zum Einfluss des Luftporenanteils auf das Verformungsverhalten der untersuchten Böden waren anhand der Laboruntersuchungen nur schwer zu treffen. Die Streuung der Versuchsergebnisse ließ zumeist keine eindeutige Systematik hinsichtlich des Einflusses des Einbauzustandes erkennen. Überwiegend wiesen die Versuche, deren Einbaubedingungen innerhalb der nach ZTV E-StB 09 festgelegten Grenzen an Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil lagen, jedoch nur geringe Verformungen auf. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen belegen somit die Eignung der in den ZTV E-StB enthaltenen Verdichtungsanforderungen für Erdbaumaßnahmen. Die Notwendigkeit einer Anpassung beziehungsweise Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil lässt sich aus den Laboruntersuchungen nicht ableiten.

Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass mit den auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Walzenzügen eine stetige, signifikante Erhöhung der Trockendichte und eine Verringerung der Luftporenanteile nur bis zu einem bestimmten Grad erreicht werden konnte, indem die Verdichtungsarbeit durch eine Erhöhung der Walzenübergänge gesteigert wurde. Teilweise bewirkten zusätzliche Walzenübergänge sogar eine Auflockerung des Bodens.

Investigations to examine the air-void ratio as a compaction requirement for fine-grained soils and cohesive mixed soils

The soil-mechanical properties of fine-grained soils and cohesive mixed soils with more than 15 w% of fines are significantly influenced by consistency and plasticity. In the medium and long term earthworks built from these soils may sustain damage if influx of water leads to a reduction in the consistency of the fines. In order to avoid stability problems due to a reduction of shear strength, collapse and settlements compaction requirements have been defined in the Supplementary Technical Contract Provisions and Guidelines for Earthworks in Road Construction (ZTV E-StB), which include the degree of compaction as well as the air void ratio.

This research aimed at analysing the influence of the air void ratio on the deformation properties of fine-grained soils and cohesive mixed soils with more than 15 w% of fines in order to demonstrate if or to what extent positive effects arise from a decreased air void ratio as a compaction requirement when building earthworks. At first studies on existing requirements regarding the air void ratio and its suitability as a compaction requirement were conducted, which showed that the air void ration is applied as a compaction requirement only in Germany and Great Britain. Five fine-grained and mixed-grained soils were selected, which according to DIN 18196 can be classified as UL, TM, TA, SU* and GU*. Investigations on the deformation properties of the soils were conducted as oedometer tests, with watering of the samples at different stress levels. Further laboratory investigations included triaxial and water permeability tests. In the field the development of the air void ration under increasing com-paction work was examined.

Based on the laboratory test results a clear assessment, to what extent the air void ratio influences the deformation behaviour of the investigated soils, is difficult to make. In most cases spreading of the test results impeded clear conclusions regarding the air void ratio and the identified soil properties. Most samples, whose initial conditions complied with the requirements of ZTV E-StB 09 regarding degree of compaction, water contend and air void ratio, showed no significant collapse or swelling during saturation. The results of the laboratory tests therefore support the compaction requirements for earthworks contained in the ZTV E-StB 09. Thus an adjustment or an increase of the requirements on the air void ratio cannot be deduced from the results of the laboratory investigations.

Field tests showed that an increase in compaction energy accomplished by a higher number of roller passes lead to a reduction of air voids only to a certain degree.

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