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Luftporenanteil als Verdichtungsanforderung bei feinkörnigen Böden und bindigen Mischböden

Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ließ untersuchen, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten von verdichteten feinkörnigen Böden und bindigen Mischböden auch unter Wasserzutritt besitzt. Weiter sollte beurteilt werden, inwieweit eine Verschärfung bestehender Anforderungen an den Luftporenanteil eine Verbesserung des Verformungsverhaltens von Erdbauwerken bewirkt. Die Untersuchungen ergaben, dass ein höherer Verdichtungsaufwand als im erdbautechnischen Regelwerk vorgegeben nicht zwangsläufig zu geringeren Verformungen führt. Die Notwendigkeit einer Anpassung betreffender Verdichtungsanforderungen lässt sich daher aus den Untersuchungen nicht ableiten.

Das Foto zeigt eine Bodenverdichtung auf einem ProbefeldBodenverdichtung auf einem Probefeld (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Bei Erdbauwerken, die aus feinkörnigen Böden oder gemischtkörnigen Böden mit Feinkornanteilen über 15 Massenprozent errichtet werden, können Wasserzutritte eine Verringerung der Konsistenz der feinkörnigen Anteile bewirken. Die in den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB) festgelegten Verdichtungsanforderungen, die neben dem Verdichtungsgrad auch den Luftporenanteil beinhalten, sollen eine dauerhafte Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit gewährleisten. Im Auftrag der BASt untersuchte die TU München, Zentrum Geotechnik, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten solcher Böden hat und inwieweit eine Verschärfung der Verdichtungsanforderungen eine Verbesserung des Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung eines erhöhten Verdichtungsaufwandes bewirkt. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse sollte der Überarbeitungsbedarf zutreffender Regelwerke geklärt werden.

Untersuchungsmethode

Mittels einer Literaturrecherche wurde zunächst herausgearbeitet, welche Anforderungen hinsichtlich des Luftporenanteils bereits bestehen. In einem Laborprogramm wurde anhand von fünf Versuchsböden, die nach DIN 18196 den Bodengruppen UL (leicht plastische Schluffe), TM (mittelplastische Tone), TA (ausgeprägt plastische Tone), SU* (Sand-Schluff) und GU* (Kies-Schluff) zuzuordnen sind, das Last-Verformungsverhalten bei oedometrischer Belastung und unter Wasserzutritt bei unterschiedlichen Spannungsniveaus untersucht. Bei den Versuchsböden UL, TM, TA und SU* wurde auch die Wasserdurchlässigkeit im Labor ermittelt. Zur Untersuchung des Scherverhaltens wurden an den Böden TM und TA Triaxialversuche unter jeweils zwei verschiedenen Einbaubedingungen vorgenommen. Im Rahmen von Feldversuchen wurde an einem gefrästen Tonsteinmaterial untersucht, wie sich Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil bei Steigerung der Verdichtungsarbeit mittels Walzenzug entwickeln.

Ergebnisse

Die Literaturrecherche ergab, dass der Luftporenanteil lediglich in Deutschland und Großbritannien als Verdichtungsanforderung herangezogen wird. Anhand der Laboruntersuchungen ließen sich nur schwer eindeutige Aussagen zum Einfluss des Luftporenanteils auf das Verformungsverhalten der untersuchten Böden treffen. Aufgrund der Streuung der Versuchsergebnisse ließ sich hinsichtlich des Einbauzustandes zumeist keine eindeutige Systematik erkennen. Überwiegend wiesen die Versuche, deren Einbaubedingungen innerhalb der nach ZTV E-StB 09 festgelegten Grenzen von Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil lagen, jedoch nur geringe Verformungen auf. Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass 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.

Folgerungen

Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen belegen die Eignung der in den ZTV E-StB enthaltenen Verdichtungsanforderungen für Erdbaumaßnahmen. Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass ein höherer Verdichtungsaufwand und somit höhere Kosten nicht zwangsläufig zu besseren Eigenschaften des verdichteten Bodens führte. Der nach Regelwerk geforderte Verdichtungsgrad wurde immer erreicht. Insgesamt lässt sich aus den gewonnenen Erkenntnissen keine Notwendigkeit für eine Verschärfung der Anforderungen an die Verdichtung von Böden nach ZTV E-StB ableiten.

Air-void ratio as a compaction requirement for fine-grained soils and cohesive mixed soils

The influence exercised by the air-void ratio on the deformation behaviour of compacted fine-grained soils and cohesive mixed soils, also when there has been water ingress, was evaluated in the course of research. Research was also to assess the extent to which a tightening of current requirements on the air-void ratio brings about an improvement in the deformation behaviour of earthworks.

The results of the laboratory tests confirm the suitability of the compaction requirements for earthworks contained in the ZTV E-StB. It was shown in field tests that greater compaction effort and thus higher costs did not necessarily lead to better properties of the compacted soil. The degree of compaction demanded under the rules and standards was always achieved. All in all, the findings suggest that there is no need to tighten the requirements placed on the compaction of soils in accordance with ZTV E-StB.

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