51 Erdarbeiten
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Institut
Wetterbeobachtungen zeigen, dass sich das Klima in den letzten Dekaden gewandelt hat. Unter ökonomischen und unter strategischen Gesichtspunkten bedeutsam ist die zukünftige Entwicklung von extremen Wetterereignissen wie Starkniederschlägen, Hitzewellen oder Überschwemmungen. Die wissenschaftlichen Grundlagen eines vermuteten menschlichen Einflusses auf das Klima analysiert seit 1988 der "Zwischenstaatliche Ausschuss zum Klimawandel" (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Vom IPCC werden unter anderem Projektionen von möglichen zukünftigen Klimaentwicklungen erstellt. Um spezielle Regionen detaillierter zu untersuchen und eine Brücke zwischen globalen Klimaänderungen und lokalen Konsequenzen zu schlagen, werden regionale Klimamodelle verwendet. In der BASt wurde 2009 eine Arbeitsgruppe "Klima" eingerichtet, die eine Risiko-Identifikation in verschiedenen Bereichen der Straßeninfrastruktur und des Straßenverkehrs durchführt. Ziel dieser Arbeitsgruppe ist die Minderung der Verwundbarkeit gegenüber den Folgen des Klimawandels durch die Identifikation regionaler und lokaler Schwachstellen und deren Zusammenführung mit dem Bundesfernstraßennetz. In einem von mehreren Pilotprojekten werden die Risiken von Hang- und Böschungsrutschungen durch die Zunahme von Extremwetterereignissen abgeschätzt. Fernziel ist die Erstellung eines Risikokatasters zur Identifizierung der durch Hangrutschungen besonders gefährdeten Bereiche des Bundesfernstraßennetzes.
Der vorliegende Bericht über Bodenersatzverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund vervollständigt eine dreiteilige Untersuchung zu dieser Thematik. Die Teile "Konsolidationsverfahren" und "Aufgeständerte Gründungspolster" wurden bereits als Hefte S 24 und S 26 in der Schriftenreihe der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe Straßenbau, veröffentlicht. Bodenersatzverfahren lassen sich unterscheiden in Bodenaustauschverfahren und Bodenverdrängungsverfahren. Bei den Bodenaustauschverfahren sind die Teilleistungen Aushub der Weichschichten und Einbau des Ersatzmaterials zu erbringen. Hiermit ist ein relativ aufwendiger Einsatz von Maschinen und Personal verbunden, dem jedoch der Vorteil einer genaueren Steuerung der Qualität des Ersatzkörpers und im Zusammenhang mit Sicherungsmaßnahmen in Form eines Verbaues die Anpassungsfähigkeit an besondere Randbedingungen (zum Beispiel benachbarte bestehende Bauwerke) gegenübersteht. Hingegen erfordern die Bodenverdrängungsverfahren einen wesentlich weniger aufwendigen Maschinen- und Personaleinsatz, da hierbei im wesentlichen lediglich die Teilleistung Einbau zu erbringen ist. Dies drückt sich auch in den resultierenden Kosten aus , im Vergleich zu den klassischen Austauschverfahren sind die Kosten der Verdrängungsverfahren bei gleicher Ersatzkörperkubatur geringer. Nachteilig bei der Bodenverdrängung ist jedoch, dass eine ausreichende Qualität des Ersatzkörpers, auch bei Einsatz entsprechender Hilfsmittel (zum Beispiel Sprengung), wesentlich schwieriger und weniger zuverlässig zu erreichen ist als bei den Bodenaustauschverfahren. Durchgeführte Standsicherheits- und Verformungsberechnungen an Fallbeispielen zeigen, dass eine Vielfalt an Alternativen und Variationen innerhalb der Gruppe der Bodenaustauschverfahren vorhanden ist, um einen beliebigen Straßendamm auf wenig tragfähigem Untergrund standsicher und verformungsarm zu gründen. Bei einem Teilbodenaustausch sind unter ungünstigen Baugrundverhältnissen mit tief reichenden Weichschichten nennenswerte Restsetzungen nach Fertigstellung eines Straßendammes hinzunehmen. Neben der Setzungsverminderung führt der Teilbodenaustausch jedoch insbesondere bei geringen Dammkörperhöhen, ggf. in Verbindung mit der Verwendung von Geotextilien, auch zu einer Vergleichmäßigung der Setzungen bzw. Verringerung von Setzungsdifferenzen. Eine Serie von durchgeführten Setzungsberechnungen zeigt, dass ein Teilbodenaustausch nicht immer notwendigerweise eine Verminderung der resultierenden Setzungen zur Folge hat. Aufgrund der Wichteerhöhung im Austauschbereich können bei zu geringen Austauschtiefen größere Setzungen eintreten als ohne Bodenaustausch. Bei ungünstigen Bodenverhältnissen muss der Verhältniswert zwischen der in den Untergrund eingeleiteten Zusatzlast aus der Damm- sowie der Ersatzkörperschüttung und der Mächtigkeit der im Untergrund verbleibenden Weichschicht einen ungünstigsten Betrag überschreiten, damit die Setzungen mit zunehmender Austauschtiefe abnehmen. Der wichtigste Anwendungsbereich eines Teilbodenaustausches besteht darin, lediglich eine besonders weiche oberflächennahe Bodenschicht auszutauschen und die in der Natur vorgegebene Inhomogenität der Bodenschichtung mit der Folge von ungleichmäßigen Setzungen auf kurzen Distanzen deutlich zu vermindern.
Am 41. Erfahrungsaustausch über Erdarbeiten im Straßenbau (EAT) am 8. und 9. April 2008 nahmen neben Vertretern des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung und der Straßenbaubehörden der Länder auch Vertreter der Bundesanstalt für Wasserbau, der Deutschen Bahn AG, dem Bundesrechnungshof und der DEGES teil. Der Erfahrungsaustausch dient dazu, Erfahrungen mit neuen Bauweisen und der Anwendung neuer Regelwerke und Prüfverfahren mitzuteilen und zu diskutieren. Ein Schwerpunkt des 41. EAT waren Vorträge über Regelwerke für den Einsatz von Böden und Baustoffe im Erdbau. Durch die überarbeiteten ZTV E-StB und die neu erscheinenden Technischen Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe für den Erdbau (TL BuB E-StB) ist deren Einsatz sowohl vertragstechnisch als auch hinsichtlich ihrer Lieferung für den Bereich "Erdbau" zukünftig geregelt. In Vorträgen wurden ebenfalls unterschiedliche Aspekte der geplanten Ersatzbauverordnung des Bundes auch aus Ländersicht behandelt. Diese soll zukünftig rechtlich verbindliche Regelungen zum Einsatz von Ersatzbaustoffen, zum Beispiel Recycling-Baustoffen, insbesondere hinsichtlich der umweltrelevanten Anforderungen in technischen Bauwerken regeln. Bezüglich neuer Entwicklungen und Erfahrungen von Prüfgeräten im Erdbau wurde über ein Mittelschweres Fallgewichtsgerät zur Verdichtungskontrolle von Tragschichten und über die französische PANDA-Sonde, die eine zerstörungsfreie Verdichtungskontrolle nach Einbau aller Einbaulagen erlaubt, informiert. Die Erfahrungsberichte gaben einen Einblick über praktische Erfahrung beim Einsatz von Recycling-Baustoffen, industriellen Nebenprodukten und Glasschaumgranulat. Es wurden sowohl bewährte Baustoffe und Bauweisen und deren Anwendung in Großprojekten als auch das Erkennen von Problemen und deren Umgang bei der Verdichtung von verfestigtem Boden in Widerlagerhinterfüllungen und bei Treibmineralbildung behandelt. Positiv aufgenommen wurden Berichte von problematischen Erfahrungen. Den anschließenden regen Diskussionen konnte entnommen werden, dass auch Teilnehmer des EAT aus anderen Regionen mit ähnlichen Schwierigkeiten Erfahrungen gemacht hatten. Bei der Fachexkursion am 9. April 2008 wurde eine Recycling-Anlage für Baustoffe in Potsdam-Satzkorn besichtigt. Im Anschluss erfolgte eine Besichtigung der Baustelle des künftigen Großflughafen BBI Berlin Brandenburg International. Die fachkundige Führung mit Besichtigung des BBI-Infotowers ermöglichte einen Blick aus der Vogelperspektive über die aktuellen Erdarbeiten, die bei der anschließenden Befahrung aus nächster Nähe betrachtet werden konnten.
Im Gegensatz zu anderen Bereichen des Straßenbaus fehlen für den Unterbau/Untergrund (Erdbau) von Straßen zz. noch eigene Technische Lieferbedingungen sowie die zugehörige Güteüberwachung. Diese Lücke soll durch die derzeit in Erarbeitung befindlichen "Technischen Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe für den Erdbau im Straßenbau" (TL BuB E-StB) geschlossen werden. Diese werden stoffspezifische, erdbautechnische und umweltrelevante Anforderungen an Böden und Baustoffe, die zur Herstellung von Erdbauwerken verwendet werden, enthalten. In den TL BuB E-StB werden die Anforderungen an industrielle Nebenprodukte und RC-Baustoffe, die derzeit im Wesentlichen auf der Ebene von Merkblättern bzw. Hinweisen geregelt sind, zusammengefasst.
Seit etwa 20 Jahren gibt es in Deutschland Erfahrungen mit Strecken, die in offenporiger Asphaltbauweise ausgeführt sind. Die Entwicklung des offenporigen Asphalts (OPA) erfolgte in 5 Schritten. In der ersten OPA-Generation der Jahre 1986 bis 1993 fand Bitumen der Sorte 50/70 (B 80) mit einem Anteil von 5,2 bis 5,8 M.-% Verwendung. Das aufgrund der Bitumen-Verhärtung auftretende Problem des Kornausbruchs führte dazu, dass heute ausschließlich höhere Gehalte an modifizierten Bindemitteln zur Herstellung verwendet werden. Durch Optimierung der Sieblinie der Gesteinskörnung wurde der Hohlraumgehalt erhöht und dadurch eine Verbesserung der lärmtechnischen Eigenschaften erreicht. Verbesserungsbedarf besteht nach wie vor hinsichtlich der Dauerhaftigkeit. In Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen hatte die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Gelegenheit, im Auftrag des niederländischen Instituts für Dienst Weg en Waterbouwkunde (DWW) etwa 200 Bohrkernproben zu studieren, die aus zwölf Streckenabschnitten niederländischer Autobahnen stammten. Die Strecken besaßen ein Alter von 3 bis 16 Jahren. Da in allen untersuchten Streckenabschnitten der OPA auf gleiche Weise konzipiert war, ergab sich die Möglichkeit, die zeitliche Veränderung zu untersuchen. Von der BASt wurde insbesondere das Bitumen und dessen Wechselwirkung mit dem verwendeten Füller und Gestein untersucht. Die rückgewonnenen Bitumen wurden mit Hilfe moderner instrumenteller Methoden untersucht. Zusätzlich wurde der Asphaltenstatus nach Zenke bestimmt, um die Asphaltene in leicht-, mittel- und schwerlösliche Anteile zu differenzieren. Als besonders wertvoll hat sich die mikroskopische Untersuchung von Bohrkernproben in Kombination mit einfachen mikroanalytischen Tests erwiesen. Anhand der Ergebnisse konnte der Schadensmechanismus für den Kornausbruch geklärt werden. Für die Haltbarkeit von OPA ist die Oxidation des Bitumens durch Luftsauerstoff von zentraler Bedeutung. Möglichkeiten zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von offenporigen Asphalten sind deshalb in einer Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der verwendeten Bindemittel zu suchen.
Leichte Rammsonde mit variabler Rammenergie zur Baugrunduntersuchung und zur Verdichtungskontrolle
(2008)
Die französische Panda-Sonde ist ein Prüfgerät zur Bodenuntersuchung und Verdichtungskontrolle. Im Unterschied zu den Rammsonden mit konstanter Rammenergie gemäß DIN EN 22476 wird die Rammenergie bei der Panda-Sonde variabel durch Hammerschläge erzeugt. Wegen des relativ geringen Energieeintrags wird eine detaillierte Auflösung der durchteuften Bodenschichten erreicht. Außerdem ist die Sonde aufgrund ihrer geringen Abmessungen und ihres geringen Gewichts auch zur Untersuchung schwer zugänglicher Geländepunkte, für Hinterfüllungen, in Rohrgräben sowie für horizontale Untersuchungen geeignet. In Frankreich ist die Rammsondierung mit variabler Energie seit dem Jahr 2000 in der XP P 94-105 "Überprüfung der Verdichtungsqualität - Methode mit dynamischer Rammsondierung mit variabler Energie" genormt. Der Beitrag beschreibt das generelle Messprinzip und die Vorgehensweise zur Verdichtungskontrolle gemäß der französischen Norm. Erste positive Ergebnisse bei der Verdichtungskontrolle in Deutschland, wo die Panda-Sonde bislang vorwiegend für Eigenüberwachungsprüfungen bei Leitungsgrabenverfüllungen eingesetzt wurde, werden beispielhaft beschrieben. Schließlich werden Möglichkeiten zur Adaption in das deutsche Straßenbauregelwerk dargelegt und der hierfür noch erforderliche Forschungsbedarf erläutert.
Die erste Anwendung von EPS-Hartschaum als Leichtbaustoff in Deutschland erfolgte im März 1995. Nach den Untersuchungen in der Modellstraße der BASt mit EPS-Unterbau, die wesentliche Grundlage für das "Merkblatt für die Verwendung von EPS-Hartschaumstoffen beim Bau von Straßendämmen" waren, galt es, diese neue, aus dem Skandinavischen bekannte Bauweise in der Praxis zu erproben und Erfahrungen damit zu sammeln. Dazu wurde im Zuge der BAB A 31 bei Emden zwischen einem Schlafdeich und der Brücke über das "Larrelter Tief" eine Versuchsstrecke eingerichtet. Diese Stelle bot sich dafür an, weil trotz erfolgter Überschüttung des wenig tragfähigen Untergrundes im Laufe der Jahre mit einer Setzungsmulde zwischen den Bauwerken zu rechnen war. Durch den Einbau von EPS-Hartschaumblöcken in einer Dicke von 2,5 m wurde der Untergrund noch weiter entlastet und damit die Tiefe der Setzungsmulde verringert. Im vorliegenden Bericht wird die Baumaßnahme von den ursprünglichen Planungen bis zur Entscheidung für den EPS-Einbau beschrieben. Dabei wird detailliert auf die umfangreichen Baugrunduntersuchungen vor und während der Bauausführung eingegangen. Durch die Überschüttung wurde eine deutliche Zunahme der undränierten Scherfestigkeit der holozänen Weichschichten erreicht. Die Ergebnisse der baubegleitenden Messungen (Setzungen, horizontale Verformungen und Porenwasserdruck) und die daraus abgeleiteten Folgerungen für die Gebrauchstauglichkeit der Straße werden beschrieben. Die stofflichen Eigenschaften von EPS-Hartschaum sind ebenfalls in dem Bericht zusammengestellt. Die rd. 1000 m-³ EPS-Blöcke wurden innerhalb einer Woche im März 1995 auf dem vorbereiteten Feinplanum verlegt und mit Feinsand überschüttet. Die vielfältigen Einbauerfahrungen und die Ergebnisse der Verdichtungs- und Tragfähigkeitsprüfungen an der Schüttung werden mitgeteilt. Vor der Verkehrsfreigabe wurde ein statischer Belastungsversuch mit einem Schwerfahrzeug der Bundeswehr auf der Binderschicht durchgeführt. Um eventuelle Veränderungen der Tragfähigkeit des Oberbaues aufzuzeigen, wurde zwischen 1995 und 1999 jährlich mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessen. Die letztmalig im Jahr 2003 durchgeführten Verformungsmessungen zeigen, dass die erwartete Setzungsverminderung im Bereich der Versuchsstrecke eingetreten ist. Der Bericht enthält außerdem die Beschreibung der EPS-Anwendung im Zuge der Geh- und Radwegüberführung über die BAB A 31 bei Emden sowie ein Beispiel für ein Leistungsverzeichnis für die Ausschreibung dieser Bauweise.