Geogitter unter Straßen
Ein häufiges Erfordernis bei der Verbesserung der Eigenschaften von Gründungsböden ist die Erhöhung der Tragfähigkeit des Untergrunds. Diese Anforderung lässt sich leicht durch die Herstellung einer Verbundschicht aus Gesteinskörnung und einem stabilisierenden Geogitter erfüllen. Eine so konstruierte Schicht vereint die guten Eigenschaften beider verwendeten Materialien und gewährleistet langfristig eine hohe Qualität ihrer Oberfläche.
Zur Verbesserung der Eigenschaften von Gründungsböden gehört auch die Verbesserung des Verhaltens von Erd- oder Gesteinsschichten durch deren gegenseitige Trennung. Die Methode der Trennung von Böden, üblicherweise mittels Geotextilien, stellt sicher, dass jede Schicht so, wie sie entworfen und eingebaut wurde, ihre ursprünglichen Eigenschaften langfristig beibehält. In unserem Land wird diese Methode zum gesellschaftlichen Nachteil stark vernachlässigt.
- Was ist mechanische Stabilisierung?
- Zugang zur Baustelle auf weichem Gelände
- Reduzierung der Schichtdicke oder Erhöhung der Tragfähigkeit von Straßen
- Sicherung der langfristigen Funktionsfähigkeit der Konstruktionsschichten von Straßen
- Beziehung zwischen der Öffnung im Geogitter und der Korngröße der Gesteinskörnung
Die Verbesserung der Eigenschaften von Gründungsböden gehört auf den meisten Baustellen zu den ersten Aufgaben des Bauunternehmers. Traditionell werden Methoden wie Auffüllung mit Bruchstein, Kalk- oder Zementstabilisierung, gegebenenfalls auch chemische Stabilisierung verwendet. Mit dem Aufkommen geosynthetischer Produkte haben sich die traditionellen Methoden um eine neue Möglichkeit erweitert – die mechanische Stabilisierung mittels Geogittern.
Was ist mechanische Stabilisierung?
Unter mechanischer Stabilisierung versteht man die Fixierung der Gesteinskörner, die für den Bau von Straßen verwendet werden, mithilfe von Geogittern. Die Öffnungen des Geogitters, die in die Schicht der Gesteinskörnung eingebracht werden, halten die einzelnen Körner fest, indem sie sich in diese verkeilen und so einen Verriegelungsmechanismus bilden. Diese Verriegelung verhindert jegliche, insbesondere horizontale Bewegung des Korns. Gleichzeitig wird die Bewegung weiterer angrenzender Körner verhindert, und der Verriegelungseffekt (auch Verzahnungseffekt genannt) überträgt sich schrittweise auf weitere Körner der Gesteinskörnung. Mit zunehmendem Abstand vom Geogitter nimmt dieser Effekt langsam ab und verschwindet bei üblicher Gesteinskörnung in einer Entfernung von etwa 30 cm vom Geogitter.
Dank des gegenseitigen Verzahnungseffekts (Verriegelung) zwischen Geogitter und Gesteinskörnung widersteht das System Geogitter–Stein der vertikalen Belastung und erhöht die Tragfähigkeit auch sehr weicher Untergründe, indem es die horizontale Bewegung (Verschiebung) der Körner einschränkt.
Zur besseren Vorstellung lässt sich die Wirkung der Verriegelung anhand von Billardkugeln demonstrieren. Eine Schicht von Kugeln, die in einem starren Rahmen „verriegelt“ ist, ist stabilisiert; wir können weitere Kugeln darauf schichten und sogar von oben Druck ausüben, und die Anordnung bleibt stabil. Entfernen wir den Rahmen, bricht das System zusammen.
Ersetzen wir in Gedanken die Kugeln durch Gesteinskörner und den Rahmen durch ein starres Geogitter, erhalten wir die mechanische Stabilisierung in der Praxis.
Zugang zur Baustelle auf weichem Gelände
Die mechanische Stabilisierung wird insbesondere für den Zugang zu weichen, oft durchnässten Bereichen wie Feldern und Wiesen in Flusstälern genutzt, wo der Boden aus weichen Ablagerungen besteht. Manchmal ist es schwierig, solche Orte überhaupt zu erreichen, geschweige denn die erforderliche Technik dorthin zu transportieren. Solche Bereiche müssen zunächst zugänglich gemacht werden, und eine der schnellen und kostengünstigen Methoden ist die Verwendung von Geogittern. Die folgende Abbildung zeigt, wie selbst ein Geogitter zumindest eine grundlegende Bewegung auf sehr weichem Gelände ermöglicht.
In Kombination mit Gesteinskörnung können dann Zufahrtswege oder Arbeitsplattformen gebaut werden, auch für sehr schwere Maschinen. Zunächst wird beim Zugänglichmachen der Baustelle das Geogitter ausgerollt, und zwar manuell. Glücklicherweise werden die Rollen starrer Geogitter in solchen Abmessungen hergestellt, dass sie von ein bis zwei Arbeitern getragen werden können, sodass sie sich auch in schwierigem Gelände bewegen können.
Anschließend wird vom festen Rand aus Gesteinskörnung aufgeschüttet, wobei das Fahrzeug das Material vor sich abkippt, also beim Rückwärtsfahren, und sich bereits auf der aufgeschütteten Schicht bewegt. Das aufgeschüttete Material wird kontinuierlich von einem Dozer oder einem ähnlichen Baumaschinenfahrzeug verteilt. Die Dicke der Gesteinsschicht und die Anzahl der Geogitterlagen werden sowohl dem Zustand des weichen Bodens als auch dem Gewicht der Maschinen angepasst, die sich auf der so gebauten Straße oder Plattform bewegen sollen.
Reduzierung der Schichtdicke oder Erhöhung der Tragfähigkeit von Straßen
Die mechanische Stabilisierung mithilfe von Geogittern wird vorteilhaft beim Bau von Straßen aller Art eingesetzt, die aus Gesteinskörnung konstruiert sind. Straßen, die mechanische Stabilisierung nutzen, können ihre Eigenschaften auf zwei Arten verbessern.
Verbesserung von Straßen durch mechanische Stabilisierung:
1. Verringerung der erforderlichen Dicke der Gesteinsschichten in der Straße
2. Erhöhung der möglichen Belastung der Straße
3. Kombination aus erhöhter Belastbarkeit und reduzierter Gesteinsdicke
Es ist jedoch zu beachten, dass sich die einzelnen Vorteile gegenseitig beeinflussen. Wenn wir den Vorteil der reduzierten Schichtdicke vollständig nutzen, können wir nicht mit einer höheren Belastung rechnen. Und umgekehrt: Wenn wir den Vorteil der erhöhten Belastbarkeit nutzen, müssen wir die ursprüngliche Schichtdicke der Gesteinskörnung beibehalten. Ein Vorteil geht zulasten des anderen. Die Kombination aus erhöhter Belastbarkeit und reduzierter Gesteinsdicke ist ein Kompromiss, bei dem das volle Potenzial beider Vorteile nicht ausgeschöpft wird, aber für viele Bauvorhaben kann gerade diese Lösung die richtige sein.
Reduzierung der erforderlichen Gesteinsdicke
Der Effekt der Verringerung der benötigten Gesteinsmenge für den Bau einer Straße muss erklärt werden. Zunächst ist der Begriff „Lastverteilungswinkel“ zu erläutern. Es handelt sich um den Winkel, unter dem sich die Belastung auf der Oberfläche der Gesteinsschicht in die unteren Schichten und in den Boden ausbreitet. Dieser Winkel hängt von der Qualität der Gesteinskörnung ab und wird üblicherweise mit 40–45 Grad angenommen. Tests und Messungen haben gezeigt, dass sich durch das Einlegen eines Geogitters unter die Gesteinsschicht das Verhalten dieser Schicht verändert und die Schicht Eigenschaften annimmt, die einem Lastverteilungswinkel von bis zu 52 Grad entsprechen. Durch die Anwendung dieser Eigenschaftsänderung können wir denselben Druck auf der Unterseite der Schicht (dieselbe Fläche, auf die die Belastung verteilt wird) mit einer geringeren Schichtdicke erreichen, also mit einem geringeren Verbrauch an Gesteinskörnung bei gleichbleibender Tragfähigkeit der Schicht (Straße).
Der Effekt der Reduzierung der erforderlichen Gesteinsdicke kann den Bauherren erhebliche Kosten für Abbau, Zerkleinerung und Transport der Gesteinskörnung sowie für die Menge an Erdarbeiten beim Bau der Straßenfläche ersparen – ganz zu schweigen vom deutlich geringeren CO₂-Fußabdruck!
Erhöhung der Tragfähigkeit der Straße
Das Prinzip der Erhöhung der möglichen Belastung der Straße ist dann willkommen, wenn wir die Straße aus technischen, technologischen oder normativen Gründen verstärken müssen. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel, bei dem die klassische Lösung nicht ausreicht. Die Erhöhung der Tragfähigkeit der Oberfläche einer solchen Straße ist mithilfe von Geogittern sehr einfach.
Nachweis der Wirkung des Einlegens eines Geogitters
In der Regel genügt es, ein geeignetes Geogitter unter die Schotterschicht zu legen. Bei Straßen auf sehr weichen Böden ist es sinnvoll, das Geogitter mit einem Trenngeotextil zu kombinieren, wobei das Geotextil unter dem Geogitter verlegt wird. Diese Lösung stellt sicher, dass:
- keine Durchmischung der hochwertigen Gesteinskörnung mit dem weichen Boden erfolgt (wodurch sie entwertet würde),
- kein Eindringen von Boden in die Gesteinsschicht erfolgt (der Boden würde die Gesteinskörnung beeinträchtigen und die Eigenschaften der Schicht verändern),
- die Gesteinskörner sich an der Struktur des Geogitters abstützen und die Schicht sofort stabilisieren,
- beim Befahren der Schicht mit Fahrzeugen keine tiefen Spurrillen entstehen.
Diese Lösung ist im Vergleich zu früher verwendeten Methoden sehr schnell und zudem kostengünstig. Die Erhöhung der Tragfähigkeit der Straße ist umso größer, je besser sich die Gesteinskörner am Geogitter abstützen.
starre, monolithische Geogitter mit starken Streben liefern bessere Tragfähigkeitsergebnisse als weiche, gewebte Geogitter
Sicherung der langfristigen Funktionsfähigkeit der Konstruktionsschichten von Straßen
Das Einlegen eines Geogitters unter die Konstruktionsschicht der Fahrbahn ist eine langfristige Lösung, die ihre Eigenschaften über viele Jahre hinweg unverändert beibehält. Im Gegensatz zu älteren Methoden zur Verstärkung der Fahrbahnschichten, wie z. B. Kalk- oder Zementstabilisierung, behält die mechanische Stabilisierung mit Geogittern ihre ursprünglichen Werte unabhängig von den Umgebungsbedingungen.
Gründe für die langfristige Funktionsfähigkeit von Straßen, die durch mechanische Stabilisierung verstärkt wurden:
1. Geogitter altern nicht – sie behalten ihre Eigenschaften praktisch unbegrenzt
2. Gesteinskörnung altert nicht – für den Straßenbau geeigneter Stein funktioniert praktisch unbegrenzt
3. Weder Geogitter noch Gesteinskörnung werden durch Frost, Regen, Sonne oder andere Witterungseinflüsse beeinträchtigt
4. Weder Geogitter noch Gesteinskörnung unterliegen dem Abbau durch Schimmel, Bakterien oder Viren
5. Weder Geogitter noch Gesteinskörnung werden durch Abgase oder Leckagen üblicher Betriebsflüssigkeiten von Fahrzeugen beeinflusst
Andere Technologien zur Verstärkung der Konstruktionsschichten von Straßen weisen keine so stabilen Eigenschaften auf.
Beziehung zwischen der Öffnung im Geogitter und der Korngröße der Gesteinskörnung
Zwischen der Korngröße der Gesteinskörnung und der Öffnungsgröße des Geogitters sollte ein bestimmtes Verhältnis bestehen. Es ist wohl jedem klar, dass, wenn ein Geogitter mit Öffnungen von etwa 4 cm mit Sand mit Körnern von etwa 1 mm Durchmesser bedeckt wird, keine Verzahnung erfolgt und der Mechanismus zur mechanischen Stabilisierung nicht entsteht. Ebenso kann sich ein großer Stein mit einer Größe von etwa 20 cm nicht in die Öffnung des Geogitters verkeilen, sodass kein gegenseitiger Mechanismus entsteht – das Ergebnis ist dasselbe, als ob er überhaupt nicht vorhanden wäre.
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Langjährige Praxis und Tests haben gezeigt, dass für die Verfüllung des Geogitters ein gemischtes Gesteinskorn am besten geeignet ist, das alle Korngrößen enthält, wobei die größten Körner etwa 50 % größer sein sollten als die Öffnungen im Geogitter. Unter den Bedingungen in unserem Land wird daher üblicherweise Schottergemisch der Fraktion 0–63 mm verwendet.
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