Im Zuge der Überarbeitung der DIN 18300 soll in Zukunft die bisherige Einstufung von Boden und Fels entsprechend des Zustands beim Lösen in Boden- und Felsklassen durch eine Einteilung entsprechend ihrem Zustand vor dem Lösen in Homogenbereiche ersetzt werden. Demnach müssen zukünftig für Boden andere Eigenschaften und Kennwerte ermittelt werden als für Fels. In der Baupraxis treten jedoch oftmals natürliche Übergangsbereiche zwischen Boden / Lockergestein und Fels / Festgestein auf. Für diese Übergangsbereiche fehlt ein geeignetes Kriterium für eine Zuordnung zu Boden oder Fels. Bei vorhergehenden Untersuchungen an bindigen Böden wurde einerseits festgestellt, dass der ermittelte Wassergehalt an der Schrumpfgrenze nicht geeignet ist zur Unterscheidung zwischen halbfester und fester Konsistenz. Andererseits war ebenso der einaxiale Druckversuch bedingt geeignet, da die Prüfkörper in vielen Fällen bei der Herstellung zerbrochen sind. Der daraufhin entwickelte Eindringversuch mittels Konusspitze und Proctornadel sollte im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit an weiteren ungestörten Probekörpern am Übergangsbereich Boden / Fels erprobt werden. An über 25 Probekörpern aus unterschiedlichen geologischen Formationen Deutschlands, die aus Lagerstätten, im Rahmen von Bauprojekten sowie aus Rückstellproben vergangener Projekte gewonnen wurden, wurden neben den bodenmechanischen Parametern, insbesondere die Konsistenz, die einaxiale Druckfestigkeit und die Eindringkraft mittels Konusspitze und / oder Proctornadel ermittelt. Insgesamt war die Durchführung der Eindringversuche einfach. Im Gegensatz zu den einaxialen Druckversuchen waren auch bei leicht zerbrechlichen Proben, an denen aus diesem Grund keine einaxialen Druckversuche möglich waren, gerade noch Probekörper herstellbar. Damit kann der Eindringversuch als Alternative zum einaxialen Druckversuch Hinweise zur einaxialen Druckfestigkeit eines Boden- oder Gesteinskörpers liefern. Andererseits treten in der Praxis immer wieder Fälle auf, bei denen Böden und Gesteine im Übergangsbereich liegen, aber bereits so stark verwittert oder geschichtet sind, dass keine Prüfkörper hergestellt werden können, weder für Druck- noch für Eindringversuche. Für diese Übergangsbereiche müssten grundsätzlich andere Zuordnungswerte gefunden werden. Außerdem wird bei beiden Versuchsarten die Festigkeit des Einzelprobekörpers und nicht die des Gesteinsverbandes ermittelt. Die Auswertung der Laborversuche hat gezeigt, dass keine exakte Grenze zwischen Boden und Fels definiert werden kann. Vielmehr ist die Definition eines Übergangsbereiches erforderlich, für den sowohl Boden- als auch Felsparameter bestimmt werden müssen. Für Böden mit einer Konsistenzzahl von ca. lc > 1,15 müssen ergänzend Felsparameter ermittelt werden. Sofern der einaxiale Druckversuch nicht durchgeführt werden kann, kann auch mit dem Eindringversuch eine Abschätzung der einaxialen Druckfestigkeit erfolgen. Bei Festgesteinen bzw. Fels, bei denen eine einaxiale Druckfestigkeit von ca. qu< 1 MPa bzw. eine Eindringspannung von ca. σ20 < 10 MPa ermittelt wird, müssen neben den Felsparametern auch die Bodenkennwerte ermittelt werden. Der ermittelte Korrelationsansatz zwischen der Eindringspannung und der einaxialen Druckfestigkeit von σ20 ≈ 10 • qu ergibt sich hier näherungsweise aus den durchgeführten Eindring- und einaxialen Druckversuchen.

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 o.g. 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 bzw. 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 Walzenübergaenge gesteigert wurde. Teilweise bewirkten zusätzliche Walzenübergänge sogar eine Auflockerung des Bodens.

Der östliche Streckenabschnitt der Querspange B 73n (langgezogener Rampendamm von 2 m bis 8 m Höhe) wurde auf rund 700 m Länge aus Gründen umweltschonender Reduzierung von Absetzflächen und zur Kosteneinsparung ohne Bodenaustausch gegründet. Die im Untergrund anstehenden Weichböden und der rasche Dammauftrag im Spülverfahren erforderten eine laufende Kontrolle der Standsicherheit durch Porenwasserdruck- und Setzungsmessungen. Unter ständiger Auswertung und Beurteilung der Messergebnisse konnte der Dammauftrag derart gesteuert werden, dass Geländebrucherscheinungen nicht auftraten. Bereits drei Monate nach dem Aufspülen der Hauptmassen konnte mit dem Restauftrag begonnen werden. Die baubegleitenden Messungen bedeuteten einen mitentscheidenden Faktor bei der Einhaltung der gesetzten Bautermine (Bauzeit: Juli 1984 bis September 1985). Wegen der großen Zusammendrückbarkeit und der stark zeitverzögerten Konsolidierung der organischen tonigen Kleiböden waren auch nach dem Deckenbau noch große Nachsetzungen und Setzungsunterschiede zu erwarten. Aus diesem Grunde wurde eine provisorische Fahrbahndecke aufgebracht. Durch Setzungsmessungen sollte kontrolliert werden, ab welchem Termin die endgültige Decke aufgebracht werden kann, ohne dass anschließend noch schädliche Setzungsdifferenzen entstehen. Zum Ende der Messzeit ab Deckenbau (3 Jahre und 9 Monate) war ein deutliches Abklingen der Setzungen und Setzungsdifferenzen in großen Teilen der Messstrecke noch nicht erkennbar. Mittels eines besonderen Auswerteverfahrens, welches die Messwerte als Grundlage hat, wurde das künftige Setzungsverhalten bis 25 Jahre ab Fertigstellung der provisorischen Fahrbahndecke vorausberechnet (1985 bis 2010). Als wesentlichstes Ergebnis dieser Untersuchungen zeigte sich, dass ab einem Zeitbereich der Jahre 1995 bis 1997 nur noch mit geringen Zunahmen der Setzungsdifferenzen zu rechnen ist (delta s gleich 0,5 cm bis 1,5 cm). Als frühester Termin für das Aufbringen der endgültigen Deckschicht wurde der Herbst 1995 empfohlen.

Im Hinblick auf das Lösen werden Boden und Fels nach DIN 18300 beschrieben. Dabei werden bindige Bodenarten in Abhängigkeit von ihrer Konsistenz in unterschiedliche Bodenklassen unterteilt. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität und weicher bis halbfester Konsistenz werden der Bodenklasse 4 zugeordnet. Ausgeprägt plastische Tone von weicher bis halbfester Konsistenz gehören der Bodenklasse 5 an. Bodenarten von fester Konsistenz sind der Bodenklasse 6 zuzuordnen. Die Grenze zwischen halbfester und fester Konsistenz ist dabei über die Schrumpfgrenze definiert, die nach DIN 18122-2 bestimmt wird. Da vor allem bei leichtplastischen Böden der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze häufig oberhalb des Wassergehaltes an der Ausrollgrenze liegt, kommt es bei der Einordnung bindiger Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 häufig zu Unklarheiten, was zu Streitfällen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber führen kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, ein geeigneteres Kriterium zur Einordnung halbfester und fester Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 zu erarbeiten und dazu eine Versuchstechnik zu entwickeln. In einem ersten Schritt wurde das Schrumpfverhalten bindiger Böden analysiert und die Versuchstechnik zur Bestimmung der Schrumpfgrenze untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei Böden mit einer Plastizitätszahl IP < 18 % der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze in der Regel oberhalb des Wassergehalts an der Ausrollgrenze liegt. Anhand von Untersuchungen zum Schrumpfverhalten an Proben, die bei unterschiedlichen Spannungen vorbelastet worden waren, wurde ausserdem festgestellt, dass der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung abnimmt. Diese Untersuchungen haben damit bestätigt, dass anhand der nach DIN 18122-2 ermittelten Schrumpfgrenze keine eindeutige Zuordnung in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 möglich ist. Deshalb wurden im Folgenden Untersuchungen zu anderen Kriterien zur Unterscheidung zwischen halbfesten und festen Böden durchgeführt. Hierzu wurden zunächst Untersuchungen zur einaxialen Druckfestigkeit durchgeführt. Da das Herausarbeiten von ungestörten Probekörpern im relevanten Konsistenzbereich aber mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, kann die Verwendung der einaxialen Druckfestigkeit zur Einordnung der Bodenklassen nicht empfohlen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher im weiteren Verlauf Untersuchungen zu einem einfach durchzuführenden Versuch durchgeführt, der eine Unterscheidung von halbfestem und festem Boden auf Grundlage der Festigkeit ermöglicht. Dazu wurden an aufbereiteten Böden Eindringversuche mit einer Proctornadel und einer Konusspitze durchgeführt. Die Versuchsergebnisse belegen, dass ein klarer Zusammenhang zwischen der Konsistenz und dem Eindringwiderstand besteht und dass eine Bewertung der Festigkeit mit Hilfe dieser Versuche prinzipiell möglich ist. Zur Festlegung konkreter Werte für eine Unterscheidung der Bodenklassen 4, 5 und 6 gemäß DIN 18300 sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.

Vor dem Hintergrund der erwarteten zukünftigen Klimaentwicklung mit veränderten Temperatur- und Niederschlagsverhältnissen wird das Gefährdungspotential für Schutzgüter durch Böschungsrutschungen möglicherweise ansteigen. Für den Neu- und Ausbau von Bundesfernstraßen und für die Unterhaltung des bestehenden Straßennetzes können sich hieraus zwangsläufig höhere Risiken ergeben. Daher soll eine geeignete Methodik zur Abschätzung des zukünftigen Gefährdungspotentials durch Rutschungen entwickelt und diese an Fallbeispielen angewendet werden. Anhand einer exemplarischen Auswahl von drei regionaltypischen Fallbeispielen, der Altmündener Wand (Südniedersachsen), dem Rutschhang Pünderich (Moseltal) und dem Wißberg (Rheinhessen) wurde eine Bewertung der dort bereits eingetretenen Rutschereignisse im besonderen Hinblick auf klimatologische Einflussgrößen durchgeführt. Die Rutschereignisse wurden mit gemessenen Niederschlags- und Temperaturdaten (Beobachtungsdaten) des Deutschen Wetterdienstes korreliert, wobei sowohl der Rutschungszeitpunkt als auch der Zeitraum vor einem Rutschereignis berücksichtigt wurde. Zur Abschätzung der zukünftigen Klimaentwicklung in den drei Regionen und der damit möglicherweise verbundenen Zunahme von Rutschungen wurden simulierte Klimaparameter aus dem regionalen Klimamodell REMO (Szenario A1B) verwendet. Dabei wurden die Parameter Niederschlag, Starkniederschlagsereignis und Frost ausgewählt, die sich bereits bei der Analyse mittels der Beobachtungsdaten als rutschungsrelevant herausgestellt haben. Es erfolgte eine Korrelation der Beobachtungsdaten mit den Klimamodelldaten für heutiges Klima (Kontrolllauf). Mittels des Vergleiches der Kontrolllaufdaten mit den entsprechenden Klimamodelldaten für zukünftiges Klima (Szenariolauf) wurde eine erste Trendbetrachtung der zukünftigen Klimaentwicklung innerhalb der drei Untersuchungsgebiete vorgenommen. In allen drei Untersuchungsgebieten ist der Trend in Bezug auf die Klimaänderung gleich, allerdings ist die Varianz bei den einzelnen Klimaparametern unterschiedlich. Die Sommerhalbjahre sind zum einen durch die generelle Abnahme der Niederschlagsmenge und zum anderen durch die Zunahme von Starkniederschlagsereignissen gekennzeichnet. In den Winterhalbjahren werden die Niederschlagsmenge und vor allem die Starkniederschlagsereignisse zunehmen. Hinzu kommt die deutliche Abnahme sowohl der einzelnen Frosttage als auch der Frostperioden. Diese klimatische Entwicklung wird sich auf die Eintrittswahrscheinlichkeit und das Schadensausmaß von Rutschungen dahingehend auswirken, dass bei Lockergesteinsböschungen mit einer Zunahme von oberflächennahen Rutschungen, Schlamm- und Schuttströmen im Sommerhalbjahr und einem Anstieg des Rutschungsrisikos gegen Ende des Winterhalbjahres zu rechnen ist. Bei Festgesteinsböschungen werden zunehmende Verwitterungs- und Erosionsprozesse zu einer erhöhten Rutschungshäufigkeit führen. Da sich klimatische Veränderungen regional zeitlich verzögert einstellen werden, wurde eine empirisch-statistische Einschätzung und eine Ausweisung regionaler Gefährdungsbereiche in Hinblick auf zeitabhängige Eintrittswahrscheinlichkeiten von Rutschungen entlang des Bundesfernstraßennetzes vorgenommen. Dies erfolgte mittels eines graphischen klimatisch-ingenieurgeologischen Modellansatzes für jedes Fallbeispiel. Dabei wurden die Klimaparameter aus dem Klimamodell mit dem rutschungsrelevanten ingenieurgeologischen Parameter Böschungsneigung verschnitten und korreliert, was mit Hilfe des jeweiligen digitalen Geländemodells realisiert wurde. Zusätzlich wurden das digitale Bundesfernstraßennetz und ein digitales Punktekataster von Rutschereignissen in das Modell integriert. Für die Abschätzung des Gefährdungspotentials wurden die Daten aus der Kontrolllauf-Zeitperiode 1971-2000 mit den Daten der Szenariolauf-Zeitperiode 2011-2100 korreliert. Die entsprechenden prozentualen Abweichungen für jeden einzelnen Parameter wurden in Bezug auf ihre Relevanz für das Auslösen von Rutschungen zum einen jahreszeitlich und zum anderen über das Jahr betrachtet und bewertet, wobei auch die Gewichtung aus ingenieurgeologischer Sicht berücksichtigt wurde. Im Ergebnis ist in allen drei Modellgebieten tendenziell im Sommerhalbjahr zwischen 2011 und 2080 und im Winterhalbjahr ab der zweiten Jahrhunderthälfte mit einem erhöhten Rutschungsrisiko zu rechnen. Durch die Korrelation der Klimaparameter mit der Böschungsneigung kann das zukünftige Gefährdungspotential durch Rutschungen entlang des Bundesfernstraßennetzes in einem ersten Schritt zeitabhängig eingestuft und somit abgeschätzt werden. Durch die Weiterentwicklung des Modells könnte so eine bundesweite Risikokarte generiert werden.