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Lastabtragsverhalten von Geozellen zur Stabilisierung mineralischer Tragschichten unter statischen und zyklischen Belastungen

Bearbeiter:Dr.-Ing. A. Emersleben
Partner:Soiltec GmbH, Terram Ltd.,
Presto Geosytems 

Geozellen sind 3-dimensionale Zellen aus polymeren Kunststoffen, die durch Schweißen, Kleben oder andere Verfahren miteinander verbunden ein zusammenhängendes Netz einzelner Zellen bilden.
Sie werden am Einsatzort aufgespannt und anschließend mit einem Füllmaterial befüllt. Die Zellenwände verhindern dabei das seitliche Ausdehnen des Füllbodens unter Belastung und erhöhen dadurch im Vergleich zum unbewehrten Boden die Steifigkeit und die Tragfähigkeit des Bodens. 

Die Entwicklung der Geozellen wurde maßgebend von den Ingenieuren der US Army Corps of Engineers beeinflusst (Webster, 1979). Ende der 70er Jahre entwickelten sie erstmals ein zellulares Bewehrungssystem mit dem Ziel, standfeste Fahrbahnen schnell und sicher über wenig tragfähigen Böden, insbesondere Küsten- und Wüstensanden zu bauen. Bereits die ersten Versuche mit Zellen aus Papier, Aluminium und einfachen Plastikrohren zeigten, dass der mit Zellen bewehrte Boden deutlich größere Tragfähigkeit aufwies als der unbewehrte Sand.

Zunächst beschränkte sich der Einsatz von Geozellen vorwiegend auf die Bewehrung von Tragschichten auf weichem Untergrund unter stark belasteten Fahrbahnen und Eisenbahnlinien, wo sie zu einer Erhöhung der Tragfähigkeit, einer Abnahme der auftretenden Setzungen und zu einer Reduzierung der notwendigen Tragschichtdicken führten. Mit fortschreitender Entwicklung wurden Geozellen auch beim Bau bewehrter Stützkonstruktionen wie z.B. Schwergewichtswänden eingesetzt. Heute ergeben sich als wesentliche Einsatzgebiete von Geozellen: Stabilisierung von Tragschichten im Straßenbau, Erosionsschutz, insbesondere von Böschungen, Auskleidung von Kanälen und Wasserwegen, Bewehrung der Aufstandsflächen von Dämmen, Bankettstabilisierung und -sanierung, Verwendung als Facing, Stützkonstruktionen (Schwergewichtswände, Böschungen).

Der wesentliche Bewehrungseffekt der Geozellen besteht darin, dass die Zellenwände den von ihnen eingeschlossenen Boden horizontal zusammenhalten und so die seitlichen Verformungen des Bodens unter Belastung einschränken, wodurch das Kraft-Verformungsverhalten des Bodens verbessert wird. Bei Belastung des mit Geozellen bewehrten Bodens wird die seitliche Ausbreitung des bewehrten Materials durch die Ringzugkräfte der Geozellen und den passiven Erdwiderstand der anliegenden Zellen zurückgehalten. Da der passive Erdwiderstand mit zunehmenden Verformungen ansteigt, handelt es sich bis zu einer bestimmten Belastung um ein sich selbst tragendes System.

Tragmechanismus der Zellen

Im Rahmen der Arbeit sollen die Einflüsse einer Geozellenbewehrung auf die Tragfähigkeit, die Verformungen und die Spannungen im Untergrund von ungebundenen und gebundenen Tragschichten untersucht werden. Dabei sollen wesentliche Einflussfaktoren auf die Wirkungsweise von Geozellen wie z.B. die Zellenhöhe, der Zellendurchmesser und das Füllmaterial im Hinblick auf eine optimale Zellengeometrie betrachtet werden.

Für die Modellversuche kommt ein großmaßstäbliches Versuchsgerät mit einer Höhe von 200 cm, einer Breite von 200 cm und einer Länge von 200 cm zur Anwendung. In dem Versuchsgerät können unterschiedliche Tragschichten in einem großen Maßstab eingebaut werden. Mittels einer Belastungseinrichtung können statische Lasten mit bis zu 1000 kN und dynamische Lasten mit einer Frequenz von bis zu 4 Hz aufgebracht werden. Auf diese Weisen können Radlasten simuliert werden und deren Auswirkungen auf die Tragfähigkeit von mit Geozellen bewehrten Böden und unbewehrten Böden untersucht werden. Dabei sollen sowohl Geozellen unterschiedlicher Steifigkeiten und Geometrien als auch unterschiedliche Füllmaterialien bei verschiedenen Tragschichten untersucht werden. Zusätzlich zu den großmaßstäblichen Modellversuchen werden in-situ Versuchsstrecken aufgebaut. Durch Labor- und Modellversuche können immer nur Ausschnitte aus den tatsächlich vorhandenen Vorgängen dargestellt werden, welche durch Ungenauigkeiten und insbesondere Maßstabsfehler verfälscht werden können. Daher eignen sich Laborversuche sehr gut zur Durchführung von Parameterstudien. An den Versuchsstrecken werden die Einbaumethoden und die Auswirkungen veränderter Bauweisen und Materialzusammensetzungen erforscht.

Belastungseinrichtung und In-Situ Versuchsstrecke

Das Forschungsvorhaben soll dazu beitragen, ein besseres Verständnis des Kraft-Verformungsverhaltens eines mit Geozellen bewehrten Bodens und des Lastabtragsmechanismus zu erhalten. Aus den Erkenntnissen soll ein mathematisches Berechnungsmodell entwickelt werden, welches eine einfache Bemessung der Geozellen bewehrten Tragschichten erlaubt.

 

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