Zur Gebrauchstauglichkeit geogitter-bewehrter Tragschichten unter zyklisch-dynamischen Beanspruchungen

Vollmert, Antonius Lars

Im Straßen- und Bahnbau bilden ungebundene Tragschichten des Oberbaus einen wesentlichen Bestandteil der Gesamtkonstruktion. Sie unterliegen hohen zyklischdynamischen Beanspruchungen aus Verkehrslasten. Wie hier gezeigt, sind die resultierenden Schub- und Biegebeanspruchungen in beiden Anwendungsfällen ähnlich. Da ungebundene Tragschichten keine Zugkräfte aufnehmen können, werden diese je nach Anwendungsfall lagenweise mit dehnsteifen Bewehrungseinlagen, sogenannten Geogittern, bewehrt. Zu klären war, ob der Bewehrungseffekt auch bei kleinen Verformungen, wie sie bei sehr steifen Konstruktionen zu erwarten sind, auftritt. Anhand einer Literaturschau kann zunächst das mechanische Zusammenwirken der Bewehrungseinlage und des ungebundenen Tragschichtmaterials beschrieben werden. Die Bewehrung wirkt wesentlich auf die Scherfugenentwicklung, die für das Verformungs- und Bruchverhalten ungebundener Tragschichten maßgebend ist, ein. Als maßgebende Kennwerte und Eigenschaften der Bewehrung werden die Dehnsteifigkeit und eine eigensteife Gitterstruktur identifiziert. Bei guter Interaktion liefert die Bewehrung bei einer Dehnung des Tragschichtmaterials eine rückstellende Kraft und stabilisiert das Korngerüst im Sinne einer Zugbewehrung. Die innerhalb der Konstruktionen auftretenden Zugdehnungen sowie deren zeitliches und räumliches Auftreten konnten mit den in dieser Arbeit vorgestellten In-situ-Messungen an sowohl sehr biegeweichen als auch sehr steifen Konstruktionen quantifiziert und bewertet werden. Aufgrund der in der Einbauphase eingetragenen plastischen Verformungen ist das System vorgespannt. Danach wird die Bewehrung im Wesentlichen unmittelbar im Bereich der Lasteinleitung auf Zug beansprucht, darüber hinaus können Druckkräfte überwiegen. Gleichzeitig treten Schubbeanspruchungen und Zerrungen auf. Auch sehr steife Tragschichten werden wellenartig und auf Biegung beansprucht. Die Ergebnisse dienen als Eingangsgrößen für Laboruntersuchungen am Verbundwerkstoff Schüttmaterial/Geogitter. Dazu wurde eine Versuchskonfiguration entwickelt, mit der die Prüfung einer mehrfach bewehrten Schottertragschicht unter definierten Laborbedingungen gelingt. Die genutzten zyklischen Triaxialversuche zeigen einen erhöhten Elastizitätsmodul der bewehrten Probe gegenüber der unbewehrten. Die Erhöhung der Materialparameter zeigt sich bereits bei sehr kleinen Verformungen von unter 0,02 % einaxialer Stauchung des Verbundwerkstoffs und sehr kleinen Dehnungen des Geogitters von rd. 0,05%. Verstärkt tritt der Effekt bei etwas größeren Anfangsverformungen auf. In der Auswertung der zyklischen Triaxialversuche wird in der Gegenüberstellung unbewehrter und bewehrter Probekörper weiter nachgewiesen, dass die Bewehrung die im Entlastungsast festgestellten plastischen Verformungen um mehr als 30 % reduziert. Maßgebend für die Größenordnung der Verformungsreduktion ist das Spannungsniveau. Die erzeugten Spannungsverhältnisse und gemessenen Dehnungen an der Bewehrung und Stauchungen der Bodenprobe korrespondieren mit der Größenordnung der Werte im Feld. Die Geogitter-Bewehrung steift die ungebundenen Tragschichten dergestalt aus, dass plastische Verformungsanteile erst bei sehr viel höheren Lastwechselzahlen zu für den Verkehr kritischen Verformungen akkumulieren als bei unbewehrten Tragschichten. Die Gebrauchstauglichkeit ungebundener Tragschichten unter zyklisch-dynamischen Beanspruchungen wird damit durch die Einlage von Geogittern auch bei steifen Konstruktionen und kleinen Verformungen nachhaltig verbessert.

Unbound granular base course layers are of essential importance for road and railway constructions. They are stressed by high cyclic and dynamic traffic loadings. As shown here, the resulting stresses due to shear and bending are quite similar in both applications. As unbound granular base course layers are not appropriate to absorb tensile forces, they are reinforced by stiff reinforcing layers, so called geogrids, designed per application. It had to be verified, whether this reinforcing effect is also valid at small deformations, as they have to be expected in very stiff constructions. Based on a literature review, the mechanical interaction between reinforcing layer and the unbound granular base course material can be characterized at first. The reinforcement has a significant impact on the development of shear zones within the soil, which is decisive for the behaviour of the base course layer in the serviceability and ultimate limit state. As most relevant parameters of the reinforcement the tensile stiffness and a rigid structure of the product has been identified. Under the terms of good interaction, the reinforcing layer develops a resistance force and stabilizes the grain skeleton in terms of reinforcement when strains of the base course materials occur. The tensile strains within the construction as well as their chronological and spatial order of appearance in very flexible as well as in very rigid constructions have been quantified and assessed by using in-situ-measurements as presented here. Due to plastic deformations generated during the installation phase, the system is pre-stressed. Afterwards, tensile stress is applied to the reinforcement mainly close to the load impact area, beyond this area compressive forces can be more relevant. Simultaneously, shear forces and distortion occur. Even very rigid base course layers are deformed in an undulating pattern. The results are used as input values for laboratory testing on a base course/geogrid compound material. A lab test configuration has been developed therefore, which enables testing of a multi layered reinforced base course sample with defined conditions. The selected triaxial tests with cyclic load regimes indicate an enhanced modulus of elasticity for the reinforced sample in comparison to the unreinforced sample. The improved material properties of the compound material have been found even at very small deformations of less than 0.02 % vertical deflection of the sample and very small strains of the reinforcement of approx. 0.05%. The effect is pronounced at slightly higher initial deformations. Comparing the results of cyclic testing on unreinforced samples and reinforced compound material, it has been found that the reinforcement reduces the plastic deformations by more than 30 % as observed during the unloading cycle. The load regime respectively the stress level has been found to be decisive for the level of strain-reduction. The load levels used for testing and measured tensile strains of the reinforcement are corresponding with the magnitude of the values found in situ. The geogrid-reinforcement stiffens the base course material in such an extent, that the accumulation of plastic deformations within the base course and therefore critical deformations of the structure in terms of trafficking are significantly decelerated. Geogrids as reinforcement layers in unbound granular base course structures therefore provide significant benefit in terms of serviceability under cyclic-dynamic loading even in very stiff constructions and at small deformations.

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Vollmert, Antonius: Zur Gebrauchstauglichkeit geogitter-bewehrter Tragschichten unter zyklisch-dynamischen Beanspruchungen. Clausthal-Zellerfeld 2016.

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