Jan Derksen zur mikro- und makromechanischen Interaktion von geogitterbewehrten Erdkörpern

Aufgrund der tragfähigkeitserhöhenden und verformungsreduzierenden Wirkung des Verbundwerkstoffs „geogitterbewehrter Boden“ findet dieser in der geotechnischen Praxis ein vielseitiges Anwendungsspektrum, von Stützkonstruktionen und Böschungen über Gründungspolster bis hin zu Konstruktionen auf weichem Untergrund [L1]. Bei der Bemessung dieser Bauwerke muss das komplexe Interaktionsverhalten und die Kraftübertragung in der Kontaktzone zwischen Boden und Geogitter berücksichtigt werden. Grundsätzlich lässt sich dabei zwischen dem makroskopischen Spannungs-Dehnungsverhalten von geogitterbewehrten Erdkörpern und den mikro-mechanischen Kraftübertragungsmechanismen zwischen einzelnen Bodenkörnern und Geogitterelementen unterscheiden. Außerdem wird das Interaktionsverhalten maßgeblich von der Kraftübertragungsrichtung bestimmt, da sowohl Kräfte vom umgebenden Boden in das Geogitter eingetragen, als auch von der Bewehrung in den Bodenkörper rückverankert werden können.

Mikroskopische Kraftübertragung zwischen Boden und Geogitter

Insbesondere im Fall der indirekten Aktivierung, bei der das Geogitter über eine Belastung des Kontaktbodens mobilisiert wird, besteht hinsichtlich der entstehenden mikro-mechanischen Interaktionsmechanismen sowie der auftretenden Kraft- und Verformungsgrößen in der Kontaktzone zwischen Geogitter und Boden grundlegender Forschungsbedarf. Zur Untersuchung der Wechselwirkung wurde ein neuer Versuchsstand mit transparentem Boden konzipiert, um eine ungehinderte, flächendeckende und störungsfreie Aufnahme der Interaktion zu ermöglichen. Dabei wurde ein transparentes Ersatzmaterial mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften zur Abbildung von granularen Böden verwendet. Durch die Sättigung eines Quarzglasgranulates mit einem Porenfluid mit vergleichbarem Lichtbrechungsindex wird eine Geogitterbewehrung innerhalb des transparenten Bodens sichtbar (vgl. Abb. 1).

Während des Versuchs wird der seitliche Stützdruck konstant gehalten und die Probe mit Hilfe des oberen Druckkissens bis zum Versagen belastet. Dabei werden das auf die Geogitterbewehrung aufgetragene Punktmuster und die in Probenmitte mit Hilfe von Linienlasern erzeugte Laserebene im Boden wechselweise fotografiert (vgl. Abb. 2). Anschließend werden die Boden- und Geogitterverformungen auf Grundlage der Fotoaufnahmen mittels digitaler Bildkorrelation (DIC) ausgewertet. Die Interaktion wird anhand auftretender Relativverschiebungen zwischen Boden und Geogitter, Verformungen der Geogitterquerzugglieder, Kraft- und Dehnungsverteilungen sowie Schubspannungen entlang der Bewehrung bewertet (vgl. Abb. 3). In den Versuchen wurden die drei Interaktionszonen Pushout, Pullout und Interlocking identifiziert, wodurch ein mikro-mechanisches konzeptionelles Modell für indirekt aktivierte Geogitter verifiziert werden konnte [L2]. Der Pushout-Mechanismus beschreibt einen Krafteintrag vom Boden in das Geogitter, wohingegen der Pullout-Mechanismus die Rückverankerung der Geogitterzugkraft über Reibung und Erdwiderstände in den umliegenden Boden darstellt [L3]. Im Interlocking-Bereich werden aufgrund der ausbleibenden Relativverschiebungen zwischen Boden und Geogitter keine nennenswerten Schubkräfte erzeugt. Vielmehr stellt sich stattdessen eine Verzahnung der Bodenkörner mit den Geogitteröffnungen ein, wodurch das Korngerüst des Bodens im Nahbereich der Bewehrung stabilisiert wird. Hierdurch können erhöhte Spannungszustände ohne wesentliche Verformungen aufgenommen werden.

Neben der Visualisierung der lokalen Interaktionsmechanismen zwischen Geogitter und Boden, werden zudem die Einflüsse verschiedener Geogittereigenschaften (z.B. Dehnsteifigkeit und Öffnungsweite) auf die Kraftübertragung analysiert. Außerdem können auf Grundlage der Versuchsserie mit variablen Seitendruck spannungs- und dehnungsabhängige Geogitter-Boden-Interface Schersteifigkeiten abgeleitet werden, die in einem nächsten Schritt als Eingangsgrößen für die Kontaktformulierung in numerischen Modellen dienen können.

Makroskopisches Interaktionsverhalten von geogitterbewehrten Stützkonstruktionen

Für geogitterbewehrte Stützkonstruktionen wird angenommen, dass die aus der mikro-mechanischen Betrachtung resultierenden Kraftübertragungsmechanismen zu einem monolithischen Strukturverhalten von mehrlagigen geogitterbewehrten Erdkörpern führen, sofern eine ausreichende Geogitterdehnsteifigkeit und -festigkeit sowie geometrische Anforderungen an die Verankerungslänge und den Lagenabstand eingehalten werden [L4]. Demzufolge wird zur Ermittlung des Grundbruchwidertandes in nationalen und internationalen Regelwerken von einem Mehrkörperbruchmechanismus unter einem quasimonolithisch bewehrten Block analog zu Flachgründungen ausgegangen. Allerdings erfordern die unterschiedlichen Eigenschaften flexibler geogitterbewehrter und starrer Stützkonstruktionen eine Überprüfung des tatsächlichen Grundbruchverhaltens und der bestehenden Nachweisführung. Hierzu wurden zunächst kleinmaßstäbliche physikalische Modellversuche durchgeführt [L5]. Während des Versuchs wird die in der Umschlagmethode hergestellte Stützkonstruktion mit einer gleichförmigen Auflast über ein Druckkissen belastet und die dabei erzeugte Bodenverformung mittels DIC aufgenommen sowie die Bruchkinematik durch Auswertung der Scherfugen qualitativ analysiert (vgl. Abb. 4). Neben dem Ausgangszustand (I) sind zudem die Scherfugen beim Erreichen der maximalen Traglast (II) und zu einem deutlich späteren Verformungszustand (III) dargestellt (vgl. Abb. 4(a)). Zur Identifizierung des Versagensmechanismus ist zudem die Entwicklung der Scherfuge kurz vor und nach dem Erreichen der maximalen Auflast abgebildet (vgl. Abb. 4(b)). Die Scherfuge bildet sich am hinteren Ende der untersten Geogitterlage und wandert von dort in den Untergrund. Dieser Prozess setzt sich daraufhin fort, allerdings breitet sich die Fuge zeitgleich von der Aufstandsfläche in Richtung der Geländeoberkante aus. Der initiale Grundbruch geht zunehmend in einen Geländebruch über und weist letztlich experimentell einen signifikant höheren Widerstand auf, als von der analytischen Lösung prognostiziert wird. Diese Unterschätzung kann unter anderem auf die fehlende Berücksichtigung der Widerstandsanteile oberhalb der Aufstandsfläche zurückgeführt werden.

Außerdem zeigen die Versuchsergebnisse, dass der kritische Versagensmechanismus und die daraus resultierende Tragfähigkeit von der Konstruktionsweise der Stützkonstruktion abhängen. Im Fall einer Winkelstützmauer wird eine Gleit-/ Kippbewegung durch die vertikal nach unten gerichteten Verformungen des Bodenkeils erzeugt (vgl. Abb. 5), der die Wand nach vorne schiebt und in einer vergleichsweise niedrigen Tragfähigkeit resultiert (vgl. Abb. 4). Die Geogitterwand kann dieses Versagen aus zwei Gründen umgehen. Erstens weist die unterste Geogitterlage aufgrund der Flexibilität einen erhöhten Gleitwiderstand auf und zweitens werden im bewehrten Erdkörper ähnlich wie bei einem Fangedamm innere Scherwiderstände mobilisiert, die eine Kippbewegung vermeiden. Daher schafft es die Geogitterwand den gegenüber dem Gleiten und Kippen höheren Grundbruchwiderstand zu mobilisieren. Schlussendlich geht aus den Versuchsergebnissen hervor, dass die Annahme des geogitterbewehrten Erdkörpers als Quasi-Monolith gerechtfertigt ist und sich unterhalb der Aufstandsfläche ein Bruchmechanismus analog zu Flachgründungen einstellt.

Um die in den kleinmaßstäblichen Untersuchungen erzielten Ergebnisse frei von Maßstabseffekten zu bestätigen, werden derzeit Großversuchen durchgeführt. Diese sollen als Grundlage für die Validierung eines numerischen Modells zur Parameter- und Variantenstudie dienen. Auf dieser Grundlage ist dann zu überprüfen, inwieweit ein erhöhter Gleitwiderstand und die Berücksichtigung der Widerstandsanteile oberhalb der Aufstandsfläche des bewehrten Erdkörpers gerechtfertigt sind.

Förderhinweis:

Die Untersuchungen werden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) –263996107, das GSI Stipendium 2019/20 (Geosynthetic Institute’s Fellowship) und die Firma Huesker Synthetic GmbH. 

Literatur:

[L1] Ziegler, M. (2017). Application of geogrid reinforced constructions: history, recent and future developments. Procedia Engineering, 172, 42-51. (https://doi.org /10.18154/RWTH-2017-03178 )

[L2] Derksen, J., Ziegler, M., & Fuentes, R. (2021). Geogrid-soil interaction: A new conceptual model and testing apparatus. Geotextiles and Geomembranes. 49 (5), 1393-1406 (https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2021.05.011)

[L3] Jacobs, F. (2016). Interaktionsmodell zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern. Dissertation. Aachen: RWTH Aachen University 

[L4] Ruiken, A. (2013). Zum Spannungs-Dehnungsverhalten des Verbundbaustoffs „geogitterbewehrter Boden“. Dissertation. Aachen: RWTH Aachen University

[L5] Derksen, J., Ziegler, M., Detert, O., & Hangen, H. (2017). Grundbruchversagen bei geogitterbewehrten Stützkonstruktionen. Bautechnik, 94(9), 656-660. (https://doi.org/10.1002/bate.201700056)

[L6] Derksen, J. (2021). Mikro- und makroskopisches Interaktionsverhalten von geogitterbewehrten Konstruktionen. Vortragsbeitrag zur 17. FS-KGEO der DGGT (https://dggt.de/images/PDF-Dokumente/kgeo10-f.pdf)

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