Bodenbehandlung im Straßenbau

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1 Fachtagung Bodenbehandlungen im Verkehrswegebau Bodenbehandlung im Straßenbau Beispiel für qualifizierte Bodenverbesserung Stefan Zodet LBM Kaiserslautern - Fachteam Geotechnik / (Fax -225) Stefan.Zodet@lbm-kaiserslautern.rlp.de GBB-Fachtagung am

2 Inhalt: 1. Grundsätze zur Ertüchtigung von Erdbaustoffen 2. Sonderbauweise Stabilisierung im LBM K lautern 3. Qualifizierte Bodenverbesserung nach ZTVE-StB 07(?) 4. Anwendungsbeispiel stabilisierter Erdbau GBB-Fachtagung am

3 Grundsätze im Erdbau des Straßenbaues im Straßenkörper: Zunahme der Steifigkeiten von unten nach oben! frostsicherer Aufbau in Abhängigkeit von Frostempfindlichkeitsklasse (Planum) und Verkehrsbelastung (RStO 01) Ableitung des Wassers von der Konstruktion (Vermeidung von Staunässe!) Erhalt der Funktionsfähigkeit (der Straße) durch dauerhaft tragfähiges Planum Anforderungen an die Verdichtung (D Pr ) und die Tragfähigkeit (E V2 ) gemäß den Regelwerken für den Straßenbau (ZTVE, ZTV SoB, usw.) usw. GBB-Fachtagung am

4 Grundsätze des Verdichtungsprozesses Erfolg einer Verdichtungsmaßnahme ist abhängig von: - dem Verdichtungsgerät (Walzentyp) - der Beschaffenheit der zu verdichtenden Böden (bodenphysikalische Eigenschaften) - der eingebrachten Verdichtungsenergie GBB-Fachtagung am

5 Grundsätze bei der Bindemittelauswahl Auswahl der Bindemittel* nach der Korngröße des Bodens: abgeleitet aus der Wirksamkeit der Boden-Bindemittelreaktionen abgeleitet aus der Verdichtbarkeit Mischbarkeit von Boden u. Bindemittel * ) - bestimmte chemische Verbindungen im Boden (z.b. Sulfate) können mit Kalk quellfähige Substanzen bilden und deshalb den Einsatz von Bindemitteln einschränken - ausgeprägt plastische Tone (TA-Böden) aufgrund der plastischen Eigenschaften gerätetechnisch nur schwer ausführbar (Verschmieren der Werkzeuge / Fräsköpfe) - nass lagernder Boden Verfahren zu unwirtschaftlich (1 % Kalk 1 % H 2 O-Reduktion) - Außentemperatur < 5 C Verzögerungen der chem.-physikalischen Reaktionen GBB-Fachtagung am

6 Grundsätze bei der Bindemittelauswahl Bild 1: Abgrenzung der Kornverteilungsbereiche [Faustregel: Festigkeitszunahme bei Zement etwa um Faktor 10 höher als bei Kalk] GBB-Fachtagung am

7 Grundsätze bei der Einarbeitung des Bindemittel ausreichende Steifigkeit der zu bearbeitenden Oberfläche (Befahrbarkeit) einwandfreie Homogenisierung des Boden-Bindemittelgemisches (Frästiefe beachten!) bei zu niedrigen Außentemperaturen kommt es zu bestimmten energetischen und kinetischen Abweichungen bei der Hydratation des Bindemittels (Beeinträchtigungen durch verzögerte Hydratation sind i.d.r. nicht zu erwarten) Absinken der Temperatur bewirkt die Verzögerung der Reaktion von Zement mit dem Wasser im Boden usw. GBB-Fachtagung am

8 Grundsätze aus ökonomischer/ökologischer Sicht kein Bodenaustausch und damit geringere Transportaufwendungen 95 % (Schonung von Ressourcen und des Straßennetzes, weniger CO 2!) Entfall von Deponierungsgebühren Einsparung von Arbeitsgängen und Wartezeiten häufig höhere Sicherheit und Dauerhaftigkeit usw. GBB-Fachtagung am

9 Bodenstabilisierung im LBM KL Stabilisierung ist auf ein Bindemittelgemisch (Mischbinder) abgestimmt Bodenstabilisierung Bindemittelzugabe i. M. ca. 3 5 M.-% [keine Frostsicherheit, da bislang keine Anrechnung auf Oberbau möglich war!] Ziel (Mischbinder): Nutzung der Vorteile der jeweiligen Bindemittelanteile - wassergehaltsreduzierende Komponenten (z.b. Kalk) Einbaubedingungen! - hydraulich wirkende Stoffe (z.b. Zement) Aggregate werden verstärkt Kornstruktur wird stabilisiert Dosierung (Zugabemenge) nach entsprechender Eignungsprüfung Tragfähigkeitskriterium dauerhaft tragfähiges Planum (E V2 45 MN/m²) GBB-Fachtagung am

10 Bodenstabilisierung im LBM KL Prognose der Zielgröße Tragfähigkeit (Festigkeitsverhalten): Bild 2: Korrelation verschiedener Baugrundparameter* bei Eignungsprüfung: CBR-Versuch 1 (CBR 10 %) einaxialer Druckversuch (q u,3tage 300 kn/m²) 1) Kalifornischer Tragfähigkeitswert (California-Bearing-Ratio) ) empirisch gewonnene Korrelation streng genommen besteht kein direkter physik. Zusammenhang! * GBB-Fachtagung am

11 Bodenstabilisierung im LBM KL Weitere Vorgaben: Optimierung des Bindemittels (Menge und Zusammensetzung), wenn die Leistung als Tonnen-Position ausgeschrieben wird Nachweis der Festigkeitsentwicklung auf der Oberfläche der fertigen Schicht [LP-Versuche etwa im 5-Stundenabstand bis zum Ende der Festigkeitsentwicklung] Bodenverfestigung: bei Verfestigungen des Planums entfällt nach neuer ZTVE der Nachweis des Verformungsmoduls auf dem Planum GBB-Fachtagung am

12 Qualifizierte Bodenverbesserung: Kap. 2.3: Begriff Qualifizierte Bodenverbesserung ZTVE-StB 07 (?) Kap (Entwurf) Anwendungsfälle 1) Verringerung der Frostempfindlichkeit (Bereich der Planumszone) 2) Andere Anwendungen Kriterien für die Bestimmung der Bindemittelmenge durch erdstat. Berechnungen GBB-Fachtagung am

13 Qualifizierte Bodenverbesserung: Anwendung der qualifizierten Bodenverbesserung bisher: keine Anrechnung der stabilisierten Böden auf die Dicke der Frostschutzschicht möglich (Bindemittelverbesserte Schicht ist keine kapillarbrechende Schicht) Ziel: - teilweise Anrechnung von Bodenverbesserungen mit erhöhten Anforderungen hinsichtlich des Frost- und Tragfähigkeitsverhaltens - Überführung F 3-Böden in F 2-Böden (10 cm Einsparung bei Dicke des frostsicheren Oberbaues nach RStO 01) - Mindestbindemittelgehalt 3 M.-%* (Anforderungen bei Planumsverbesserungen: einaxiale Druckfestigkeit qu 500 kn/m² oder: CBR-Wert 40 % ) *) andere Anwendungen Kriterien für die Dosierung nach Vorgaben der erdstatischen Berechnung! GBB-Fachtagung am

14 Qualifizierte Bodenverbesserung: Wirkungsweise: erhöht die Kohäsion der Böden (Boden-Bindemittelgemisch) Reibungswinkel (φ ) wird kaum beeinflusst trägt zur Standsicherheit bei Zementstabilisierter Erdbau Herstellung eines Bodenbetons (monolithischer Erdkörper) GBB-Fachtagung am

15 Anwendungsbeispiel: Eisenberg GBB-Fachtagung am

16 Projektdaten: Neubau einer Bundesstraße / Gesamtlänge 3,3 km (Weiterführung B 47 Dreisen Kerzenheim 1976 dem Verkehr übergeben!) Erdmassenbewegungen: ca m³ etwa 1/3 der Baustrecke liegt im Wasserschutzgebiet schwierige Untergrundverhältnisse im Baubereich (bis zu 5 m Tertiärtone) Überschussmassen ca m³ Zementstabilisierte Dämme: ca m³ Groberdbau Ende der 70er-Jahre kurz danach treten erste Schäden auf! Einteilung der Strecke in insgesamt zwei Erdlose (Los 1: stablisierter Erdbau Los 2: Spezialtiefbauarbeiten) GBB-Fachtagung am

17 Situation nach dem Groberdbau : GBB-Fachtagung am

18 Längsschnitt (Höhenplan) Umlagerung Bahlenberg BW 2 (Rodenbachtalbrücke) Einbaustelle (Haupt-)Abtragsbereich 3,3 km GBB-Fachtagung am

19 Erdbautechnische Maßnahmen: Anwendung neues Erdbaukonzept (vgl. DB) im Straßenbau Stabilisierter Erdbau ( qualifizierte Bodenverbesserung ) Ziele: - Linienbauwerk: einheitlicher Fahrweg (homogener Erdbau) - Erhöhung der Eigensteifigkeit und damit der Tragfähigkeit - Verwendung fast aller Schüttstoffe (Schonung von Ressourcen) - Homogenisierung der Erdbaustoffe - Beständigkeit gegen Baubetrieb und Witterung GBB-Fachtagung am

20 Schematischer Überblick: Einbaustelle Abtragsbereich vorh. Bachvorrohrung WSG Grenze WSG GBB-Fachtagung am

21 Schematischer Überblick: Einbaustelle: - Ökologisch sensibler Bereich - 1 m Bodenabtrag (bestehende Dämme) - Neues Erdbaukonzept ( zementstabilisierte Dämme) Abtrag (Wingertsbergeinschnitt): - 2 m Terrassenablagerungen (Sand/Kies) - Tertiäre Tone (bis 5 m Mächtigkeit) - mächtige Sandablagerungen (z. T. Klebsande, örtlich Schleichsande) - ab m Buntsandsteinfels GBB-Fachtagung am

22 Schematischer Überblick: Einbaustelle: - Ökologisch sensibler Bereich - 1 m Bodenabtrag (bestehende Dämme) - Neues Erdbaukonzept ( zementstabilisierte Dämme) Abtrag (Wingertsbergeinschnitt): - 2 m Terrassenablagerungen (Sand/Kies) - Tertiäre Tone (bis 5 m Mächtigkeit) - mächtige Sandablagerungen (z. T. Klebsande, örtlich Schleichsande) - ab m Buntsandsteinfels GBB-Fachtagung am

23 Ausführung Dammschüttung: Damm km bis m (Bodenabtrag) Bestandsdamm 7 m GBB-Fachtagung am

24 Ausführung Dammschüttung: Damm km bis zementstabilisierte Sande Sande Bestandsdamm Reibungsfuß Reibungsfuß km beidseitig km nur Westseite GBB-Fachtagung am

25 Zementstabilisierter Erdbau: sog. Konservierungsmethode (Spezialbindemittel) - Ökologisch sensibles Gebiet (WSG) - Vermeidung von Bindemittelverwehungen - Erdstatischer Nachweis monolithischer Erdkörper (homogener Damm) - Erreichen eines relativ schwachen Bodenbetons (q u 1 * MN/m²) - Ziel (im Beispiel): Spezialbindemittel mit Wasserabstoßeffekt * ) bei 3 5 % Bindemittelzugabe bei sehr vielen Böden erreichbar! Erfahrungswerte: q u = 0,5 MN/m² für einen nass lagernden Boden (ZTVE-neu) q u = 1,0 MN/m² für einen trockenen Boden GBB-Fachtagung am

26 Zementstabilisierter Erdbau: Bodenkonditionierung (Bindemittel mit hydrophoben* Eigenschaften) Grundsätze: - Ausmerzung allzu kritischer Weichaggregate - Erzeugung härterer Kernreste - Erzielung fein verteilter Mikrostrukturen - gewisse Wasserresistenz mittels Überzug von hydrophoben Zementsteinhäutchen - Reduzierung des Bindemittelgehaltes bei gleichem Qualitätsniveau im Boden durch die hydrophobe Wirkung * ) Hydrophobierung: Kapillarität von oben oder von unten wird unterbunden und somit dauerhaft eine Konservierung des Boden-Bindemittelgemisches erzielt! GBB-Fachtagung am

27 Zementstabilisierter Erdbau: Bodenkonditionierung (Bindemittel mit hydrophoben Eigenschaften) Eigenschaften: - Erhöhung der Kohäsion - kaum Bewegungen in horizontaler Richtung (Moblisierung der Kohäsion bis 15 m hohe Wand theoretisch drucklos!) - Steifigkeit und Tragfähigkeit wird erhöht - Vergleichmäßigung der Setzungen - Verbesserung der Frostbeständigkeit GBB-Fachtagung am

28 Amtsentwurf: m³ Terrassenböden (UM-SU*) + tertiäre Sande (SE- SU) stabilisieren 1 m Bodenabtrag an den bestehenden Dämmen Zementstabilisierte Dammschüttungen (Dammhöhe max. 14 m) Einarbeiten des Bindemittels an der Ausbaustelle (wegen WSG!) Bindemittel mit hydrophoben Eigenschaften Mittlerer Bindemittelbedarf (gemäß Ausschreibung): 3,5 M.-% TA-Boden (Tertiärtone) nicht stabilisierbar Verkleben der Werkzeuge teilweise noch Fußsicherung (Reibungsfuß) wegen bis zu 5 m Weichschichten! GBB-Fachtagung am

29 Ausführung: GBB-Fachtagung am

30 Problempunkte: Homogenisieren des Boden-Bindemittelgemisches z. T. nicht ausreichend Ergebnisse von Kontrollprüfungen (Verdichtung, Verformbarkeit) unzureichend UM-SU*-Böden: Bindemittel nach Eignungsprüfung 2 M.-% (erhöht auf 3 M.-%) Umstellung des Baubetriebes (Einmischen des Bindemittels an Einbaustelle) Wasserbedarf von ca l/m² Einbauleistung und Wasserzugabe z. T. nicht aufeinander abgestimmt Arbeitstiefe der Raupe erreicht z. T. auch nicht bindemittelverbesserten Boden Preis für Bindemittel sehr niedrig GBB-Fachtagung am

31 Kritikpunkte: GBB-Fachtagung am

32 Kritikpunkte: Kap. 7.3: Prüfungen während der Bauausführung Die Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit an Bohrkernen oder Ausbaustücken aus der fertigen Schicht lässt keinen Rückschluss auf die Einhaltung der Anforderungen n. ZTVE zu! Daher ist die Prüfung der Druckfestigkeit der fertigen Bodenverfestigung nicht vorgesehen. Formulierung lässt m. E. zu viel Interpretationsspielraum zu GBB-Fachtagung am

33 Kritikpunkte: Vorschlag: Baustellenversuch zur Abschätzung der erreichten Festigkeit (zumindest bei qualifizierten Bodenverbesserungen ) 1. Schlauchkernbohrung (DIN 4021) Bohrkerne mittels Kunststoffhülsen (Liner) GBB-Fachtagung am

34 möglicher Lösungsansatz: Vorschlag: Baustellenversuch zur Abschätzung der erreichten Festigkeit (zumindest bei qualifizierten Bodenverbesserungen ) 1. Schlauchkernbohrung (DIN 4021) Bohrkerne mittels Kunststoffhülsen (Liner) 2. Gewinnung von Probekörpern aus Schürfgruben ( Aussägen oder Einschlagen von Hülsen) Materialproben für Druckversuche o.triaxialversuche GBB-Fachtagung am

37 Ausblick: Böschungssicherung mit Bohrpfählen - nordöstliche Böschung (Länge: ca. 90 m) - ca. 60 Bohrpfähle (Ø 120 cm) - 2 Pfahlreihen (1,5 m versetzt /Abstand 8 m) - Kopfpolster aus MGH Körnung 0/100 Bahlenberg GBB-Fachtagung am

38 Ausblick: GBB-Fachtagung am

39 Ausblick: GBB-Fachtagung am

40 Besten Dank für f r die Aufmerksamkeit Für Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung GBB-Fachtagung am