Ausführungsformen von Uferschutzdeckwerken an Binnenschiffahrtskanälen und ihre Langzeifbeständigkeit. Teil 3: Langzeitbeständigkeit asphaltvergossener Schüttsteindecken

BUNDESANSTALT FUR WASSERBAIj (BAW)

Bericht

A us f ührungsformen von Uferschutzdeckwerken an Binnenschiffahrtskanälen

und

ihre

Langzeifbeständigkeit

Mo detlv e r s uch e im MaOsfab I: 1

Teil 111

La ngze itbeständi gkei t aspha Itvergosse ne r

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B e r i c h t

Ausführungsformen von Uferschutzdeckwerken an Binnenschiffahrtskanälen und ihre

Lang-zeithestHndigkeit

~odellversuche im Ma~stab 1:1

Teil ITI

LangzeitbestHndigkeit asnhalt-vergossener Schiittsteindecken

Auftragge't-er lVSO Hamburg WSO Hannover WSO Hünster

Rhein-Main-Donau AG, München

Auft rag vom 26.3.1969 - W6-6001 RMO 69 11

Auftrags-Nr. BAli'11330

Aufgeste 11t v0 TI Aht. Allgemeine Technische Entwicklung im Wasserbau

II

Inhaltsverzeichnis

Seite

1. Veranlassung, Prohlemstellung und Ziel der

~iodeIIversuche '1

2. Die Versuchseinrichtungen 2

2.1 StUtzkörper (Röschun~sunterbau)

2.2 Deckwerke 3 5 2.2.1 Filterschicht 6 2.2.2- Schiittsteindecke 2.2.3 Deckenvergu~ 1 1

3. VersuchsdurchfUhrung und ~eBer~ebnisse 14

3. 1 Lageveränderungen der Deckwerke 1 4 I I 3.2 Die Druckverteilung unter Deckwerken

aus vergossenen Schüttsteinen 1 6 3.2.1 Druckverteilun~ hei einfacher Absenkun

r-mit Grundwasserausgleich 19 3.2.2 Druckverteilung bei einfacher Ahsenkung

ohne Grundwasserausgleich 21

3.2.3 Druckverteilung bei einfacher Absenkung mit gehobenem, konstanten Grundwa

sser-spiegel 22

3.2.4 Druckverteilung bei simulierten Schiff

Seite

4. Diskussion der Me~ergebnisse 29

4.1 "Langzeitbeständigkeit'" 29

4.2 Asphaltvergu~ der Schüttsteindecken 4.3 Lageveränderung der Deckwerke

30

31 4.4 Die Druckverteilungen unter den

Deckwerken 32

4.5 Einflu~ des Grundwasserstandes auf

die Druckverteilung 34

s.

Konstrukt ive Folgerungen aus den

~1odellv ersuchen 35

6. Zusammenfassung 37

7. Schrifttum 40

8. Anlasen 1 bis 20

IV

Verzeichnis der Anlagen Anlage

Modelláufbau und Lage der MeBpunkte 1

Druckverteilungen bei einfacher Absenkung

mit Grundwasserausgleich (Versuchsreihen 1 u.2) 2-3 .Druckvert ei lungen bei' einfacher Absenkung

ohne Grundwasserausgleich (Versuchsreihen 3 u.4) 4-5 Druckverteilungen bei einfacher Absenkung

..

mit gehobene~. konst. Grund~asserspiegel

(Versuchsreihen 5 u. 6) 6-7

Druckverteilungen bei simulierten

Schiff-durchgängen (Versuchsreihen 7.u , 8) 8-9 Druckverteilung unter einem Asph.altdeckwerk,

mit entsprechender Entlastungsöffnunp,

Druckverteilungen bei simulierten Schiffdurch-gängen. Fortsetzung (Versuchsreihen 9~15) Tabellarische Obersicht der maximalen Druck-verteilungen unter den SchOttsteindecken

Druckverteilungen im Verlauf einer Absenkung (Linien gleicher Druckwerte und GröBe des Druck-abbaues in der Zeiteinheit)

1()

11-1 7

)

19a - 1ge Druckverteilungen im Verlauf einer simulierten

Schiffdurchfahrt 20a - 20h

Die Anpassung der Binnenschiffahrtskanäle an die

au~erordentlich gestiegene Verkehrsbelastung erfordert neb en einer Vergrö~erung des Kanalquerschnittes die

Befestigung der Böschungen mit ~eckwerken, die trotz der gestiegenen·Belastung langzeitbest~ndig und war-tungsfrei sind und sich mit ökonomisch vertretbaren Mitteln einbauen lassen. Die Bundesanstalt fOr Wasser-bau wurde daher veranla~t, mit Hilfe der bei

Gro~ver-suc hen im Ma in-Donau- Kanal gefundenen Au sga ngswerte [1J Langzeitversuche im \1a~stab 1 : 1 durchzuftihren, urn technisch dauerhafte und wirtschaftlich zweckrn~~ige Ausführungsformen fOr Uferschutzdeck~erke an Binnen-schiffahrtskanälen zu errnitteln.

Neben einer Gr'und satzuntersuchung liber die Druckver-teilung unter einer partiell durchl~ssigen Asnhalt-betondecke bei unterschiedlicher Lage und Grö~e von Druckentlastungsöffnungen - deren Ergebnisse in Teil I und II dies es Berichtes [2, 3J dargestell t wur-den , kam der Untersuchung der am Elbeseiten-Kanal und am ~1ittellandkanal vorgesehenen Ausführungen von asphalt-vergossenen SchOttsteindeckwerken die gröBte Bedeutung

zu ,

Das Ziel der Hodellversuche war die Er steLl une v on

MeBwerten, die Aussagen Ober die LangzeitbestHndigkeit dieser Deckwerke u nd eventuell Ober mözLich e Verbesse-rungen erbringen sollten.

Dies war nur durch Dauerversuche möglich, bei denen unter natur~hnlichen und beliebig oft reproduzierharen

Belastungen verschiedene Böschungsarten eirer

2

-beanspruchung ausgesetzt und ihr Verhalten unterein-ander verglichen werden konnte.

Die in [1J aufgeführten Beansp'ruchung sgröûen wurden den Modellmöglichkeiten entsprechend modifiziert. Sie

sind in [~, S. 4 - 32 ausführlich beschrieben. Die Versuchsanordnung gestattet die Ermittlung der

Be-lastungen infolge der raschen Wasserspiegelschwankun-gen und .deren Einflu~ auf die Standsicherheit der Deck-werke. Der Einflu~ des Schraubenstrahlangriffes oder die Wirkung einer bei Schiffsdurchfahrt entstehenden

(turbulenten) Längsströmung auf die Böschung konnte mit den gegebenen Modellmöglichkeiten nicht

unter-sucht werden. Tm Vordergrund standen daher Fragen nach der Druckverteilung unter den Deckwerken_, und nach ihrer erforderlichen Durchlässigkeit sowie der zweckmä~igen Ausbildung der darunter liegenden Filterschicht.

2. Die Versuchseinrichtungen

Urn eine möglichst gro~e Aussagekraft der Versuchser-gebnisse zu erreichen, mu~te mit langfristigen Unter-suchungen gerechnet werden. Daher war eine wirtschaft-.

lich vertretbare Ausnutzung d~r gesamten M odellein-richtung nur dadurch möglich, da~ gleichzeitig 3 ver-schiedene Deckwerke in der Modellgrube untersucht

wurden. Neben der oben erwähnten, durchlässigen Asphalt-betondecke sollten zwei gleiche SchOttste~ndeckwerke

eingebaut werden. die zur Untersuchung des Einflusses der veränderten Durchlässigkeit lediglich mit unter-schiedl ichen Menge n von Ve rguûma sse versehen wu rden ,

Die 3 Deckwerke wurden auf einèm einheitlichen

Böschungs--unterbau aufgebracht und gleichmä~ig an den Grundwasser-körper des - simulierten - "Kanalhinterlandes" ange-schlossen (sLehe [2J. S. 32). Urnjedoch eine

gegen-die 3 Versuchsfelder durch Trennwände, die von der Grubensohle bis in die Oeckwerke reichen, voneinander getrennt.

Oa die allgemeinen Ve-rsuchseinrichtungen schon in [2J S.'11 - 34 ausfOhrlich beschrieben worden sind , solI hier nur auf die Ausbildung der beiden Versuchsfelder der SchOttsteindecken ein~egangen werden:

2.1

Q~!_2!~!~~2!

~

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2

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~~

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~~~!~!2ê~)

Urn eine Reeinträchtigung der MeRwerte durch Tnhorno-genität des !Intergrundes zu vermeiden, sollte fü r den

Aufbau des Stlitzkörpers ein rnöglichst gleichförrni~er mittelkörniger Sand eingebaut und 50 gleichmä~ig

ver-dichtet werden, da0 der Röschungsk6rner als praktisch hornogen und isotrop angesehen werden konnte.

Nach eingehenden Vorversuchen wurde hierflir ein ge-waschener Quarzs~nd ausgewählt, dessen Kornverteilung s-kurve in Ahb. 1 dargestellt ist.

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"

Abh. 1 Kornverteilungskurve von Stntzkörpersand und

4

-Oer Ourchlässigkeitskoeff~zient k wurde au~ der Korn-vertei lungskurve nach BEYER [4J unter der Anna hne einer mittéldichten Lagerung (D

=

0,S) zu k

=

7 .10-4 ms-1 ermittelt. Die mittlere KorngröBe d

sn

beträgt

0,45 mm, die Ungleichförmigkeitszahl IJ = d60 ist ',1 ,53. ~

Bliek in die Versuchsl!rure: EinhriT'r-en der SrlT'd -lagen und {!lelchMäPb;es Verdichten ..,ittels ~iitte' l-r latte unel llandstamrfer.' "Kab clrr ät-e n" zur V erle-punq eie r Kunst st 0 ffr öhre hen z\,15Chen clen' ,eron1Inkten

..

Zur'Kontrolle der gleichmäBigen Verdichtung wurden jeder Schicht Proben entnom~en.

Auf Grund des gernessenen Porenvolumens ergab sich eine recht einheitliche relative Lagerungsdichte, deren Mittelwert

o

=

=

0,8

beträgt.

Demnach ist die Lagerung der einzelnen Sandschichten als d{cht bis sehr dicht zu bezeichnen, wodurch sich

)

der Durchlässigkeitskoeffitient des verdichteten Bö-schungskörpers' auf etwa k

=

2.10-5 rns-1 verändert.

2.2 Die Deckwerke

Wie oben erw~hnt, war die Grube in 3 voneinander ge-trenhte Versuchsfelder aufgeteilt worden. Im Mittel-feld wurde eine Asphaltbetondecke eingebaut. Die Unter-suchungsergebnisse.dieses Böschungsbelages während der Dauerbelastung sind im Teil 11 des Berichtes

iusammen-gestellt

[31

In den beiden Seitenfeldern, die

je-weils 2,34 m breit sind, sollte der StUtzkörper mit einem gleichen und einheitlichen SchOttsteindeckwerk, wie es vor allem im norddeutschen Raum häufig verwendet wird, abgedeckt werden. Der Aufbau des zweischichtigen Deckwerkes sollte aus einer Filterschicht hestehen, deren Kornverteilung auf die KorngröBe des StOtzk5rpers und auf die Steingrö~e der Deckschicht abzustimmen war,

sowie aus einer Deckschicht, wobei das Gewicht ~er Ein-zelsteine so zu bemessen war,'daB schon im unvergossenen Zustand eine Bewegung durch Wellenkräfte nicht erfolgen

- 6

-Seiner Funktion entsprechend solI ein durchlnssig~s Deckwerk das DurchstrHmen des Grundwassers und bei plHtzlicher Absenkung des Wasserspiegels den schnellen Abbau des Grundwasserüberdruckes ermöglichen. ohne daa hierbei Erosionen unter dem Deckwerk auftreten. Diese wesentliche Funktion kann nur eine Filterschicht über-nehmen. deren Kornaufbau und Schichtdicke sowohl den Kornverteilungen von ErdkHrrer und Decklage als auch den hydraulischen Verhältnissen der WasserstraAe ang e-pa~t ist. Ein mehrstufiges Filter, mit einer groben KHrnung zur Wasserseite und einer Untergrundseite mit feiner Struktur, die zwar Wasser durchlä~t, aber feine

Bodenteilchen zur-ückha lten kann , stellt den Idealfall ,

einer Filterschicht dar. Ein planmMAig aufgehautes Stufenfilter mit mehreren Stuf~n lMAt sich aber aus wirtscnaftlichen r.riindenkaum verwirklichen. Daher

~ird in der Praxis meist ein ~ischkornfilter eing e-baut, dessen breiter KHrnungsbereich sowohl auf die

Kö rnung des Bodens als auch auf die Steingröûe der

Decklage abgestimmt ~erden kann.

Für die V'ersuchsdurchfOhrung wu rde die Rohböschung in den beiden Seitenfeldern mit einer 20 cm dicken

Kies-schicht der Körnu~g 7/25 abgedeckt. Die Kornvertei-lungskurve der Kiesschicht ist in Abb. 1, S. 3

dargestellt. Die Filterfaktoren gegenOber dem Boden-körpee betr age n :

DSO

/

dSO

=

33

D1S

_/

d1S

=

27

(Sandkö rpe r U = 1,S3,

Kiesfilter U

=

2,4) fOr einen nichtbindigen ~oden sehr klein sind, liegen die Filterfaktoren betrnchtlich aur er-halb der heute allgemeinen üblichen Fi lterr eceLn, ~o schreibt z , B, das Bureau of Reclamation [6J fü r Filter

aus gleichförmigen Böden vor:

DSO /dSO= S bis 10,

Das U.S. Corps of Engineers [~ fordert die Einhaltung

folgender Bedingungen:

wobei die Ung1eichförmigkeitszah1

u --

5

het ragen 5011.

Die Kiesfil ter seh icht vu rde g Ieichmägigei ngebaut und mi t einer Rütte1p1atte v~rdichtet,

Abb, 3 Einbau de~ Ki~sfi1ters. Kunst~toffr~hrchen mit Fi1terköpfen in der Kiesschjcht.

8

-. '

Der Durchlässigkeitskoeffizient k der verdichteten Filterschicht beträgt etwa

Das hei~t, die Durèhlässigkeit der Filterschicht ist 1000 bis 10 000 mal grö~er als die des Böschungskörpers.

Zur Messu!lg des Porenwasserdrucks wurden in den Längs-achsen der Seitenfelder je sechs Filterkörper, deren

Korngröaenverteilung der Kiesschicht entspricht,

ein-gehaat (siehe [2J , S. 35-38). Die Lage der Mer.punkte ist aus AnI. 1 ersichtlich.

Decklagen durchlässiger Deckwerke sollen neben aus-reichender Standfestigkeit vor allem eine so gro~e

Wasserdurchlässigkeit besitzen, da~ ein sch~dlicher

Grundwasserüherdruck nicht entstehen kann. In der Regel

werden durchlässige Decklagen aus beweglichen

Bau-elementen zusammengesetzt. Hierdurch erhalten die Deck-lagen eine gewisse Flexi~ilität, die es ihnen ermög-licht, et~aigen Veränderungen des Untergrundes zu folgen. Wegen ihrer hohen Rauhigkeit und gro~en Ob

er-fläche sind die Elemente der durchlässigen Decklagen

Schubspannungskräften hesonders stark ausgesetzt. Um diese zerstörenden Kr~fte schadlos aufnehmen zu können,

werden die einzelnen Schüttsteine mit einer Asphalt-·

dreidimensienale Verbundwirkung erreicht werden kann.

Die beiden Au~enfelder der Böschungsgrube erhielten

auf dem 20 cm dicken Kiesfilter 7/25 ein

Granitschütt-steindeckwerk ven ca. 30 cm Dicke. Am Böschungsfu~

wurde die Schüttsteinlage auf 50 cm verstnrkt. Das

Material besteht aus Raumünzacher Granit, Rehdichte

=

2,8 g/cm3 und wird vom WSA Mannheim für Böschung s-unterhaltungen am Rhein verwendet.

Die Steine mit einer Kantenlänge ven 20 bis 40 cm

und einem Einzelgewicht ven 15 bis 40 kg wurden mit einem Greiferbagger eingefahren, ausgeschüttet und im Bedarfsfalle von Hand nach~esetzt.

Abb. 4 Im Vor-der-zrund SchOttsteindeckwerk

Abt rennunc ven der Filterschicht des -fitte

- 10

-Urn dem Verhalten einer in der Natur quasi unendlich breiten Oecke nahe zu kommen, d.h. um eine seitliche Einspannung der drei relativ schmalen Versuchsdecken

zu verhindern, wurden die beiden Trennmauern im B e-reich der Deckwerke durch einen dichten, elastischen Ans ch lufser setzt , Die Art der Au sfüb runz ist in [2J Abh. 12 dar~e5tellt.

Wie bereits erwähnt, kHnnen die Bauelemente einer Deck-lage urn so kleiner dimensioniert werden, Je vollkomme-ner die Weiterleitung und Verteilung der angreifenden Kräfte gelingt. Durch einen räumlichen Verbund mit einem plastischen Vergu~ wird zusätzlich eine gewisse Flexibilität des Deckwerkes erreicht.<Mit zunehmender Vergu~masse pro Flächeneinheit wird demnach die Belast-barkeit einer Schüttsteindecke zunächst ansteigen. Ober-steigt die Vergu~menge jedoch einen bestimmten Grenzwert, so wird die für den Druckausgleich notwendige

Durch-lässigkeit der Decke stark verringert~ Der'hydrostatische Oberdruck kann nicht mehr ~chnell genug ausgeglichen ~er-den. Die Folge ist eine plötzliche Verringerung der

Be-,

lastbarkeit, die sich mit steigendem Grundwasserüberdruck stärker auswirkt. Abb. 6 zeigt schematisch diese Ab-hängigkeit.

dwcltlii"i.. De••

Abb. 6 Belastbarkeit einer vergossenen Schüttstein-decke in Abhängigkeit von der Vergu~menge.

- 12

-Das eigentliche Ziel dieser Untersuchu~gen bestand darin, die "Lage die~es Grenzwertes, d.h. die gUnstig

-ste Vergu3menge. zu ermittelen.

Der Einbau der Deckwerke und der VerguB der Schüttsteine

sollte möglichsi natürlichen VerhHltnissen entsprechen.

Um das zu erreichen, wurden diese Arbeiten von Firmen ,

durchgeführt, die auch auf Baustellen Hhnliche Arbeiten ausführen.

Das vom Böschungsfu3 aus gesehene linke Feld wurde.

ein-schlie31ich der Sohle, mit 60 kg/m2• das rechte Feld mit

80 kg/m2 Mastix vergbssen. Der Asphalt-Mastix hat folgende

Zusammensetzung: 64 % Rheinsand 0/3 18 % KalksteinfUller 0/0,09 18 % Bindemittel B 80 ... 100 %

Um eine möglichst gleichmftBige, r~umliche Verkittung zu

erreichen. wurde die sehr heiBe Vergu3masse aus Eimern

von Hand aufgebracht, wobei ein betrHchtlicher Teil in die Zwischenräume und nach unten abfloB (Abb. 7).

Abb. 7 Handvergu~ der Schüttsteindecke

He ifer Aspha lt-èta st ix fLi eût in die Ho hlräume

zwischen den Einzelsteinen und verkittet sie

miteinander.

Abschlie~end ~~rden die elastischen Dichtungsfolien,

die das 1--1ittelfeldvon den Schiittsteindecken trennen,

- 14 -,

3. Versuchsdurchführung und MeBergebnisse

Die modellmäBige Prüfung der Langzeitbeständigkeit

unterschiedlicher Deckwerke setzt voraus, da~ die

ma~-gebenden und in Naturversuchen erfaBten BelastungsgröBen

'in gleicher Weise auf die Oeckwerke einwirken, daB die

Belastungsfälle in beliebiger Anzahl wiederholbar sind

und daB hierbei die Randbedingungen gleich bleiben. Dies

wurde mit den in [~ , S. 11 - 32 beschriebenen

Ver-suchseinrichtungen erreicht.

Um ein MaB für die B~lastungsdauer zu erhalten; wurden

die tatsächlichen Belastungen eine~ Böschung im Verkehr

zugrunde gelegt. Die durchschnittliche Belastung eines

Kanals mit 10 Mio. t/Jahr entspricht bei 1200 Ladetonnen

je Schiffseinheit einem Durchgang von R400 Schiffen pro

Jahr. Setzt man eine fünfjährige Verkehrsbelastung als

charakteristische BelastungsgröBe fOr die Güte einer

Uferböschung an, so läBt sich im Modellversuch diese

Belastung mit 42 000 Wechseln simulieren.

Die Langzeitbeständigkeit einer Böschung I~Bt sich am

eindeutigsten durch exakte Messungen ihrer

Lageverände-rungen beurteilen. Wie in

[

2

J

,.

S.

42

beschrieben, wurde die Böschungsoberfläche der Versuchsfelder von O. K.

Böschung bis zum Verdrängungskörper mit einem N

ivellier-Netz versehen. Der horizontale Abstand der parallel zur

Kanalachse angeordneten Nivellierlinien betrug 1,00 m.

Die senkrecht 'hierzu verlaufenden Me~linien ~~rden auf

Für die Lagebestimmungen der Deckwerke wurde das Wasser

aus der Modellgrub~ a~gelassen, so dar Deckwerke und

StützkHrper tr6cken fielen.

Die häufig wiederholten Feinnivellements ergaben zun§chst

keine Veränderungèn der Schüttsteindecken. Nach 32 000

Schiffdurchgängen setzte im obersten Teil der R~schung'bis

einschlie~lich MP 4 eine leichte Absenkung ein.

D~ese Bewegungstendenz hielt bis Versuchsende an.

Das Maximum der Absenkung lag bei beiden Seitenfeldern im

obersten Teil der RHschung (oberhalb MP 1) und war hei der

mit RO kg/m2 vergossenen Schüttsteindecke deutlich grö~er

als bei der mit 60 kg/m2 vergossenen Decke.

Die absolute Lageveränderung der Deckwerke betrug nach

ca. 45.000 Schiffdurchgängen (vergl. AnI. 1):

Schüttsteindecke vergossen mit

60 kg/m2 RO kg/m2 oberhalb MP 1

-

3 mm

-

7 mm bei MP 1

-

2 mm

-

3 mm MP 2

-

1 mm

-

2 mm MP 3 + 0 mm 1 mm MP 4

-

1 mm + 0 mm "zwischen MP 4 u. MP 5 + 0 mm + 1 mm MP 5 + 0 mm + 0 mm

-

-unterhal b MP 5

-

1 mm + 0 mm

Durch den Vergleich dieser Lageveränderungen mit den

entsprechenden Werte~ der Asphaltbetondecke des M

1) Bei der Asphaltbetonde€ie liegt das Maximum der A b-se nkuag an der Basis der W8Isserwechselzone. etwa bei

"

MP 2, bei den v er'go s senen Schilttsteindeck:en abel' obem-

-hal b der W'asserwech seIzone.

2) Ln der' BöschulFIgsmitte de'1" Asphaltd'ecke (zwd sehe n

MP 4 nnd MP 5) lst: ein: de'IJtlie~e Aufwölbung 'vor'ft an-den. Die beiden ScinUttsteindecken zeigen unterhalb von MP 2 pri8.hisch keäne Lage er änderung en,

3) 0ie Absenkungen im ober-sten l'<eil der Böschungen sind

bei der stärker vergossenen Oecke im Mittel doppelt so gro~ wie bei der mit 60 kg/:ml vergossenen S chiltt-steindecke.

4) )}la die Be';\!.l;egu,ng'ender ~ Versuchsfelder nicht

ein-hemfttlich s'lÏLnd,

ta

ssen sich die Abse nkungen der g Ie-i c

h-·mä(Hg verdichteten Seittenfelder nicht durch eine

generelle Verdiehtungszunahme des gesamten

Sttitz-körpe;~s währendl der Versuchsdauer erklären.

Eine Er,kl äru.ng rl.er unteïFschiedl ichen Bewegungstendenzen erfclgt bei der DiskussiDn der Me~ergebnisse auf S.29

3.J~'.

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2

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,

S. 35 wurde dargelegt, d aû die effektive

Be-Lastung s spä-tze einer Kanal böschung kurz nach Bug

durch-gang eines vorb~ifahrenden Schiffes auftritt. Die Grö~e

diesel' Belastungsspitze und die Geschwindigkeit ihres

Abbaues geben Auskunft über die Durchlässigkeit der

Decklage und über die hydraulische Stabilität der

Eine klare Aussage lä~t sich durch eine einf~che

Ab-senkung erziel~n: Der Kanalwasserspiegel wird in

glei-cher Weise wie bei einer Schiffdurchfahrt urn 40 cm

ab-gesenkt. Durch Druck-Zeit-Kurven wird registriert, wie

gro~ der resultierende porenwasserüberdruck ist, der an

den Me~punkten sowohl in der Filterschicht als auch in

den tieferen ~e~ebenen des StützkHrpers entsteht und wie

schnell er sich dort den neuen Druèkverhältnissen

an-gleichen kann.

Urn gleichzeitig den Einflu~ unterschiedlichen

Grund-wasserstandes auf diesen Vorgang zu erkennen, wurde der

Versuch unter sonst gleichen Bedingungen mit drei

unter-schiedlichen Grundwasserständen im simulierten

"Hinter-land der BHschung" wiederholt:

Fall 1: Grundwasserspiegel und ungestHrter

Kanalwasser-spiegel liegen auf gleicher HHhe. W~hrend der

gesamten Dauer der Absenkung wird dieser

Grund-wasserspiegel im Au sgLeich sgeEäû (5) (in [2J ,

AnI. 5) konstant gehalten.

Fall 2: Während der Absenkung des Kanalwasserspiegels

fli~Bt kein Grundwasser aus dem simulierten

"Hinterland der Bö schung" ZUl Die ""asserst~nde

im Ausgleichsgefä~ und im vertikalen Kiesfilter

(7) sinken - mehr oder weniger stark verzögert

-auf das Niveau des abgesenkten Kanalw

asser-spiegels ah. Die BHschung "blutet aus".

Fall 3: Der Wasserspiegel im Grundw

asser~usgleichsge-fä~ wird gegenüber Fall 1 urn 30 cm angehoben

und auf dieser HHhe während der gesamten Dauer

- 18

-Die Lage der Me~punkte (MP) ist auf Anlage 1 darge-stellt. Die kurzfristig verlaufenden, plötzlichen Wasserspiegelabsenkungen mit Absunkgeschwindigkeiten bis zu 10 cm/s bewirken im wassergesättigten Unter-grund einen relativen Porenwasseri.lberdruck, der auf die Unterfläche der Decklage wirkt. Er wird im

folgen-·den als "Oberdruck" bezeichnet. Oer Verlauf des

Druck-abbaues an den einzelnen Me(\punkten wurde in

Druck-Zeit -Kurven dargestellt. Die Druc kverh ä1tni sse

inner-halb der.Filterschicht ~~rden in einer Kurvenschar

(MP 1 bis MP 6) zusammengefa~t. Eine andere

Kurven-schar stellt die Druckverhältnisse in der MeBebene I

des Böschungsuntergrundes (MP 7 bis MP 12) und die

der MeBebene 11 (MP 13, MP 14) gemeinsam dar.

Betont sei, da~ die Druckwerte, die in kp/m2 angegeben

sind, aus der Differenz zwischen dem Druckniveau der

freien Wasseroberfläche und dem an den Me~gebern

ge-messenen Druck gebildet sind. Die Druckkurven stellen

also den tatsächlich wirksamen, absoluten nherdruck

dar.

T

VEIf",INDERUNG DES POlfENWASSERDRUCKS

Abb. 9: Schematische Oarstellung des resultierenden

Nach der Entwicklung eines umfangreichen und für Böschungsuntersuchungen all gemein verwendbaren

Rechenprogramms konnten mit Hilfe der EDV-Anlag~ aus den sehr zahlreichen Me~daten die entsprechenden Druck-werte errechnet werden, die dann durch einen Plotter al s Scharen von Druck-Zei t-Kurven .dargestellt wurd en ,

3.2.1

~!~S~y~!!~i!~~g_~~!_~!~f!Sb~!_~~~~~~~~S_~~~

~Qn~!!n!~~_Q!~~~~!~~~!~Ëi~g~!

Versuch~reihe 1

Cffnung i.'de Asphaltdecke des Mittelfelde~: Breite

=

50 cm, ~öhe = 25 cm.= 1250 cm2 Absenkung des Wasserspiegels

=

40 cm

Grundwasserspiegel

=

ungestHrter Kanalwasserspiegel

=

Fall 1,.Anlage 2 D~cke mit 60 kg/m2 vergossen.

Genereli nehmen die Druckhöhen im BHschungsquerschnitt vom BöschungsfuB zur Wasserlinie hier stetig zu. Am Ende der Absenkung des Wasserspiegels,· nach et,...a 10 Sekunden, erreichen die Druè:kwerte an allen ~1enpunkten ihr Maximum. tm unteren Böschungsbereich entsteht an den~P 6 und 5 ein maximaier Oberdruck von 47 bzw. 50 kp/m2, der sich nach 20 Sekunden wieder völlig aus-geglichen hat. Dagegen steigt im oberen

Bö~chungsbe-r: reich der Oberdruck bis ~fr 1 auf 215 kT"/m2 an und ist

selbst nach 60 Sekunden mit 20 kp/m2 noch nicht voll-ständig abgebaut.

Die gleiche Tendenz zeigt sich in den MeBebenen des Untergrundes: MP 13 erreicht mit 390 kp/m2 den höchsten Wert. Hier ~ird etwa 13 Sekunden nach Beginn der

Ab 20 Ab

-senkung fast der gesamte hydrostatische Druck wirksam.

Infolge des geringen k-Wertes und der relativ weiten

Entfernung zur druckausgleichenden Filterschicht ist

nach 100 Sekunden no~h ein Oberdruck von 1RO kp/m2

vorhanden. In dem 50 cm höher gelegenen MP 8 ist der

Oberdruck bereits nach 60 Sekunden ausgeglichen, (d.h.

gleich mit MP

2).

MP

7,

der höchste MeBpunkt der MeB

-ebene I, zeigt einen de~tlich höheren Druck als die

übrigen Punkte auf dieser MeBebene. In seinem Dru

ck-abbau ist er den MeBpunkten der 11. Ebene sehr ähnlich.

Die tiefer gelegenen Punkte der MeBebene I erreichen

zwar wesentlich höhere Maximalwerte als die entsprech

en-den Punkte der Filterschicht, sie haben aber fast die

gleiche Geschwindigkeit des Druckabbaues.

Ein Vergleich mit der entsprechènden Kurvenschar des

Aspha ltdeckwerkes ( [3J , Versuchsreihe 7 n• AnI. 14)

verdeutlicht die unterschiedliche Druckverteilung unter

beiden Deckwerken: Unter den gleichen Randbedingungen

und mit der Druckausgleichsöffnung van 50 x 25 cm in

Nähe des BöschungsfuBes, liegen die Druckwerte bei dem (entsprechenden) MP 2 der Asrhaltdecke durchschnittlich

um 130 kp/m2 höher. Das gleiche gilt fUr die MeBpunkte

im Böschungsuntergru~d: MP 7 liegt durchschnittlich

um 140 kp/m2 t iefer al s der entsprechende ~H' 232 unter der geschlossenen Asphaltdecke mit affener Sohle ( [~

AnI. R).

Versuchsrei.he 2

Randbedin~ungen wie bei Versuchsreihe 1 Decke mit 80 kg/m2 vergossen; Anlage 3

Das Bild der Kurvenscharen gleicht im wesentlichen dem der Versuchsreihe 1. Jedoch vermindert der stärkere Ver

21

-Deutlich wird dies hei MP 1 und MP 7, deren Druckkurven durchschnittlich um 30 bzw • .25 kp/m2 höher liegen. Die etwas flachere Neigung der Kurven gegen die Zeitachse stellt den l~ngsameren Drucka~sgleich dar. Die Me~-punkte im unteren Böschungsbereich haben praktisch die gleichen, geringen Druckwerte.

3.2.2

Q!~S~y~!!~!1

~

n

g

_~~!_~!nf!~b~!_~~!~n

1

~ng_2bn~

Q!~n~~!!!~!!~!

g

!~!~b

Im Modell ist die Filterschicht an das vertikale Kiesfilter und an das AusgleichsgefäB angeschlossen. Ist der Grundwasserzuflur unterbunden, so sinkt dort der Wasserspiegel je_nach der Dauer der Absenkung, teil-weise oder ganz auf das Niveau des abgesenkten Kanal-wassetspiegels. ber auf die Unterfläche der Deckschicht wirk&nde Grundwasserüberdruck bleibt gering und"kann

selbst bei verminderter Durchlässigkeit der Decklage das Deckwerk nicht gefährden. Oder anders ausgedrückt,

ist bei kurzfristi~en, plötzlichen Absenkungen des

Kanalwasserspiegels die ~öglichkeit des uneingeschränkten Grundwassernachflusses qegeben, 50 wird hierdurch die Druckverteilung unter einer durchlässigen neckschicht

negativ beeinfluBt.

Diese(theoretische)Annahme, mit ihren bedeutsamen

konstruktiven Konsequenzen, wird durch Versuchsreihe 3 eindeutig bestätigt.

Versuchsreihe 3

Grundwasserstand

=

Fall 2

Sonstige Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 1 Decke mit 60 kg/m2 vergossen; Anlage 4.

Trotz der Einflüsse von Trägheits- und Reibungskräften vermindert sich das Druckmaximum von MP 1 bis 3 gegen-über Versuchsreihe 1 um ca. 40 kp/m2•

Da der k-Wert des Untergrundes um 3 bis 4 Zehner-potenzen kleiner ist als der k-Wert der Filterschicht. kann sich der unterschiedliche Grundwasserzuflu~ wäh-rend der kurzfristigen Absenkung nicht auswirken. In der Tat ist die Druckverteilung im Böschungsuntergrund praktisch gleich mit Versuchsreihe 1.

Versuchsreihe 4

Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 3 Decke mit

~o

kR/m2 vergossen; Anlage 5

.Im Vergleich mit Versuchsreihe 2 zeigt sich bei der Druckverteilung im Untergrund kein Unterschied. In der

"Filterschicht liegen die Druckwerte von MP 1 bis MP 4 urn 30 bis 20 kp/m2 tiefer.

Im Vergleich mit Versuchsreihe 3 zeigt sich der negative Einflu~ des stärkeren Vergusses: In Filterschicht und Sttitzkörper steigt der Oberdruck um 70 bzw. 50 kp/m2•

3.2.3

QIy~~y~!!~it~ng_~~!_~!nf!sh~!_~~~~n~~Dg_~!!_g~:

b2~~n~~~_~2n~!!n!~n_Q!~n2~!~~~r~r!~g~!

Versuchsreihe 5

Der Grundwasserspiegel wird gegenüber Versuchsreihe

1 und 2 im AusRleichsgefä~ um 30 cm angehoben und während der Absenkung konstant gehalten (Fall 3).

Sonstige Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 1. Decke"rnit 60 kg/m2 vergossen; Anlage 6.

Die Anhebung des Grundwasserspiegels bewirkt gegenüher Versuchsreihe 1 eine Erhöhung des Oberdruckes um 10 bis

23

-Oberdruck um durchschnittlich 40 kp/m2 an.

Diese~ relativ geringe Druèkanstieg unterstreiébt 50-wohl die Wirksamkeit d~r Filterschicht als Drainage als auch die ausreich~nde Durchllssigkeit der ver-gossenen Schüttst~indecke.

Versuchsreihe 6

Randbedingungen wie b.i Versuchsreihe 5 Decke mit 80 '1cg/m2vergossen; Anlage 7

, '

Gegenüber Versuchsreihe 2 ist ein geringfügiger

Druck-anst ieg von 10 b-is20 kp/m2 sowohl in der Fi.!tersch Lcha

'-...-,

als auch in den MeBebenen des Böschungsuntergrundes

fest-zustellen. Im- Vergleich mit Versuchsreihe 5 steigt de r

Oberdruck bei MP 1-2 und MP 7-8 urn d'urchschnittlich

.»> 40 kp/m~ an ,

Durch die Grundwassererhöhung steigt also der Dberdruck

unter den Schüttsteindecken trotz unterschiedlicher

Ver-guBmenge urn den gleichen (minimalen) Betrag.

In den Versuchsreihen 1-6 wurden die Druckverteilungen

bei einfachen Absenkungen untersucht. Bei diesen

"unge-stHrten", instationären Vorgängen wird vor allem die

Ge-schwindigkeit des vollständigen Druckabbaues besonders

deutlich. Bei Wasserspiegelabsenkungen infolge von

Schiff-durchfahrten überlagern sich mehrere instationäre

Vor-gänge , Das Druckverteilungsbi Id wlhrend des "Durchganges

einer Absunkmulde" wird demzufolge von einer Reihe von

Sekundlrvorglngen be einfIuüt ,/Urn diè Auswirkungen dieser

Sekundäreinflüsse eliminieren und darnit besser beurtiilen

zu kHnnen, waren zunlchst die "ungestörten" Versuchsreihen 1-6 notwendig.

.,

Im folgenden werden die Druckverteilungen bei 5imu-lierten Schiffdurchgängen - a150 bei tatsächlichen

Be-lastungsgrö~en - untersucht.

Versuchsreihe 7

Randbeding~ngen wie bei Versuchsreihe 1

Fahrt 40/40

D~cke mit 60 kg/m2 vergossen; Anlage R

Oer Maximaldruck bei ~P 1 erreicht 177 kp/m2~ Tm oberen Bereich der Filterschicht liegen die höchsten Druckwerte, die etwa 10 Sekunden nach Beginn der Absenkung eritstehen, um 40 kp/m2 niedriger als bei Versuchsreihe 1. ,Im mittleren und unteren Böschungsbereich, wo die Druckwerte ohnehin gering sind, ~leichen sich die Druckkurven von Versuchs-reihe 1 und 7.

Der bei Heckdurchgang eines Schiffes entstehende "Unter-druck" erreicht in der Wasserwechselzone sehr schnell

226 kp/m2, dsh, e.rist um rund 50 kp/m2 grörse r als der

maximale Oberdruck. Die gleiche Tendenz hMlt mit jeweils verminderten Werten bis MP 4 an, wo der Unterdruck noch

15 kp/m2 grö~er ist als der maximale Oberdruck.

In den Me~ebenen des Böschungskörpers gleicht der Druck-verlauf im wesentlichen der Versuchsreihe 1. Da sich abel'hier der Oberdruck nach 50 Sekunden nul' zum Teil abbauen konnte, erreichen die grö~ten Unterdruckwerte,

die nach Heckdurchgang des Schiffes entstehen, nul' etwa die Hälfte der Oberdruckwerte.

- 2S~

-Versuchsreihe 8

Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 7 Decke mit 80 kg/m2 vergossen; Anlage 9

Der Druckverlauf an den Mef3punkten .in Filterschicht und Böschungskörper entspricht im wesentlichen dem von Ver-suchsreihe 7. Die Druckwerte sind im Oberdruckbereich geringfügig gr6f3er, der Druckausgleich verläuft etwas langsamer, der Nulldurchgang liegt später und die Unter-druckwerte sind etwas geringer.

\

Der Vergleich yon Versuchsreihe 7 (und 8) mit der ent-sprechenden Kurvenschar des Asphaltdeckwerkes (Anlage 10), zeigt den bedeutend~n Unterschied der Druckverteilung unter diesen Deckwerkstypen: Der MP 2 des Asphaltdeckwerkes er-rêicht eine Druckspitze von ca. 300 kp/m2,während der ent-sprechende MP 2 unter der vergossenen SchOttsteindecke

nur 120 kp/m2 erreicht. Die Druckkurven von ~fP3 bis ~fr 6 liegen bei der Schüttsteindecke schon nach 20 Sekunden nahe Null, der Nulldurchgang erfolgt nach 51 Sekunden. Bei der Asphaltdecke ist bei MP 3 nach 50 Sekunden noch ein nber-druck von 100 kp/m2 vorhanden, der Nulldurchgang ist urn 3 Sekunden verz6gert.

Im Unterdruckbereich sind die Druckwerte unter beiden Deckentypen zwar gleich gro~, sie werden aber bei der SchOttsteindecke wesentlich schneller wieder abgebaut.

In [2J , AnI. 5 ist skizziert, wie die Simulierung des Grundwassers erfolgt. Da alle drei Versuchsfelder Ober das vertikale Kiesfilter (7), an der Böschungsseite der Versuchsgrube, rniteinander und mit dem Grundwasser-Aus-gleichsRefäf3 (5) verbunden sind, besteht (theoretisch) die Möglichkeit einer gegenseitigen Beeinflussung des porenwasserdruckes - zumindest innerhalb der Filter-schichten.

In diesem FalIe wäre also der Porenwasserdruck U, unter einer Decklage D, nicht nur eine Funktion der

Durchlässig-keit k, dieser Oecklage, sondern auch und besonders eine

Funktion der Decke mit der gröBten Durchllssigkeit ko:

(D k)

.00

Zur Oberprüfung etwaiger Beeinflussung der D

ruckvertei-lung unter den Seitenfeldern durch die Entlastungsöffnung

im Hittelfeld wurden die Versuche mit einer 4 mal

.grö~e-ren öffnung wiederholt: Versuchsreihe 9

Druckentlastungsöffnung im Mittelfeld: SO cm x '00 cm

Sonstige Randbedingun~en wie bei Versuchsreihe 7 Decke mit 60 Rg/m2 vergossen; Anlage 11

und

Versuchsreihe 10

Randbedingungen_wie bei Versuchsreihe 9 Decke mit RO kg/m2 vergossen; Anlage 12

Der Verlauf der Oruckkurven der Versuchsreihen 7 und 9 ist praktisch gleich. Oas~elbe gilt fOr .ie Versuch

s-reihen 8 und 10. Daraus folgt, da~ durch die Entlastung

s-öffnung im ~fitt elf·eld die Druckvert ei lungen unter den

Schüttsteindecken nicht beeinflu~t werden. Die auf die

gesamte Deckwerksfläche bezogene Durch~ässigkeit einer

vergossenen Schüttsteindecke mu~ also wesentlic~ grö~er sein als die Ourchlässigkeit einer Entlastungsöffnung von SO x 100 cm in Nähe des B5schungsfu~es. nder, ande~s

ausgedriickt, die durchschnittliche öffnungsgrö~e eine~

mit 80 kg/m2 Asphaltmastix vergos5enen ScfuOttsteindecle der beschriebenen Art beträgt mindestens 170 cmZ/m1 Oe

ck-werksfläche. Die durchschnittliche öffnMng U ist afso

- 27

-Versuchsreihe 11

Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 7 Fahrt 40/80

Decke mit 60 kg/m2 vergossen; Anlage 13

Innerhalb der Filterschicht entsprechen die Druckver-tei lungen während des Schiffdurchganges weit,g"ehe.ndden

Werten der Versuchsreih. 7. Die untersehiedliche Zeit-d~uer zwischen zwei Durchgängen wirkt sich also auf die Druckverteilung nicht aus.

Die Bilder der Kurvenscharen werden abel' nach Heckdu'rch -gang sehr une inheit l ich , Wie in der Natur ents,trel:henhier

auch im ModeLl st arke Querströmungen mit \uleinheit·1.i.(Cib,en

rurbulenzballen, die sLoh natu rgemäû im unt e re n IBösc;a1ll,n gs-bereich am stärksten auswirke n , Die Unruhe in der Drol

ck-verteilung, d.h. der turbulente Angriff auf die Filter-schicht ist stärker ausgeprägt als bei der Asphaltdecke.

wo nur der Druckgeber .Ln unmittelbarer Nähe d1e1" Eilltlastttung

s-öffnung auf die turbulenten Einwirkungen ausIli>Jmfcht.

Diese FeststeLlung ist wichtig Hir die ri.e1h;tni.\B;e(g<.jm\ee·ssang de,r.mecha nä schen Filterstaibiiität im unt e ren l~ös,c)bu

ngs-hei'ri:eh •e

Die Kurvenschar der Hef?lpunkte im Bö schung sunter grund ~J.éigt keine wesentliche Abweichung von dem entsprechenden Dru ck-verlauf der Versuchsreihe 7. Wie bei Versuchsreihe 7 er-reichen MP 11 und 12 nul' ein Druckmaximum von .100 kp/m2

und ihre Druckkurven verlaufen bereits nach 20 Sekunden in Nähe der Null-Linie.

Versuchsreihe 12

Randbedingungen wie bei V,rsuchsreihe R Decke ~it 80 kg/mZ vergassen; Anlage 14

Die Druck werteder "fe"punkte 1 und 2 1iegen nur ger

ing-fOgig (ca. 10 k~/m2) tiber den entsprechenden Werten der

Versuchsreihe 11. Ansonsten besteht wei tgehende O

ber-einstimmung der Druckkurven mit den Versuchsreihen ~

und 11.

Versuchsreihe 13; Anlage 15

Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 7

Fahrt 80/40; Decke mit 60 kg/m2 vergossen

und

Versuchsreihe 14; Anlage 16

Randbedingungen wie bei Versuchsreihe 7

Fahrt ~0/40; Decke mit RO k~/m2 vergossen

Die vorliegenden Ab sunkmu lden entsprechen lanesam

fahrenden Schuhverhänden mit mehreren Schubleichtern. Bei diesen Extremfftllen wird der GrundwasserOberdruck

in der Filterschicht noch während des Durchganges des

Schubverhandes ausgeglichen. Das ~lötzliche ~iederauf

-f ü.l len des Kana lwasser sniece Ls nach Schiffdurchgang erzeugt einen sehr steilen Abfall in den Unterdruck -hereich, mit ~aximalwerten die 60 bis 80 kp/mZ gröBer

sind als die Belastunpsspitzen im nberdruckbereich.

Die maximalen nberdruckwerte in der Filterschicht sind

unter der stä rker vergossenen C;chtittsteindeckebei ~1P 1

his ~fP 3 urn 30 kp/mZ höh'er als bei dem mit 60 kp/mZ ver-gossenen Deckwerk. Mach 30 SeRunden haben sich aber die

Werte beider Decken angeglichen. Sie liegen bei 40 kp/m2•

Nach ca. 55 Sekunden ist in beiden Decken kein nberdruck

- 29

-Versuchsreihe 15; Anlage 17

öffnung, im Mittelfeld 100 x 50 cm

Sonstige Randbedingtingen wie bei Versuchsreihe 13 Fahrt 80/40; Decke mit 60 kg/m2 vergossen.'

Die Druckwerte in der Filterschicht und im Böschungs-untergrund gleichen im wesentlichen den Werten der

Ver-suchsreihe 13. Hieraus wird ersichtlich, daB auch bei extrem langen Absunkzeiten eine Beeinflussung der Druck-verteilung unter den 'Schüttsteindecken durch die

Ent-lastungsöffnung in Mitt elfeld nicht eintrit t ,

AnI. 18 gibt eine tabellarische Obersicht der maximalen Druckwerte in den Filterschichten und den MeBebenen des Unt ergrundes •

4. Diskussion der MeBergebnisse

4.1

k~~g!!!!~~!!!~~ig~!i!

Die beschriebene Versuchseinrichtung ermöglicht die Be-lastung von Deckwerken infolge Tascher Wasserspiegel-schwankungen und das Erfassen der bei diesen Vorgängen wirksam werdenden Druckschwankurtgen. Die Vielzahl dyna-mischer Belastungskomponenten, wie z.B. der Angriff des Schraubenstrahls und die örtlichen Turbulenzen die durch die bei der Schiffsvorbeifahrt auftretenden Längsströmun-gen verursacht werden, konnten mit den gegebenen Modell-möglichkeiten nicht simuliert werden. Es ist daher nicht verwunderlich, dafs- selbst nach 45 000 Schiffsdurchgängen

-Beeinträchtigungen der Standfestigkeit der Deckwerke nicht m eûbar waren.

Urn die anfallenden Kosten zu beschränken, muBte zunächst die Anzahl der zu untersuchenden Parameter eingeschränkt werden, dth. die zusätzlichen dynamischen Beanspruchungen wurden bewuût ausgeklammert. Die t--1odellauslegungerlaubte nur eine 2-dimensionale Betrachtung der durch den plötz-lichen Absunk des Wasserspiegels hervorgerufenen FlieB-vorgänge. Die Beurteilung der Langzeitbeständigkeit ist

ser Modelleinschränkung ergeben,

Die Auswirkungen dieser Belastung auf die drei einge-bauten Deckwerke werden im folgenden diskutiert.

Der Aspha ltv ergufv 5011' die eî nz eûnen Schüttsteine r

äum-lich miteinander veikitten, wo'beä <Ber Verbund flexibel

und. dur.~hltä"S"sJ'lS,::i!g\e'115011,n' Dae!

.

au

f"

eine Schüttsteindecke

e i.nwînkendern ~GlRu'ID's,pYannungskraftesLnd an der Decken-oberfl/äche am1,gr(0mtten'tmd we rd en innerhalb der Decke

schneH geri ng-er; (DrieW;erlmndwirkung solI te daher im oberfLächennahe n. Teil d'errDe c ke mö'g)'Fichstgroû sein

und nach u nt en , auf die fi:':iJ1!tl'e1JJzu , abnehm en , Wenn's'en'!J!'c:lllt die Decke in d i'eser:Art vergorssen i\st, wird die Durch-lässigkeit auch wesentlich veT~~ssert, da sich dann über der eigentlichen Filterschicht eine "Dränschicht" ausbildet, die zu e-inem. schnellen /.I\~bführendes Wassers beiträgt und damit die DruckentDa~tung des ganzen

Oeck-werkes begünstigt.

Bei dem Ausbau der Schüttsteindecken nach Versuchs-ende wurde jedoch festgestellt, da~ ein gro~er Teil der Vergu~masse nicht die Einzelsteine verkittet hatte, sondern durch die Hohlräume zwiscben den Steinen hin-durchgeflossen war und auf der Ob~rfiläche des Kiesfilters eine "Oichtungsschicht" von 3 bis 5 cm Dicke gebildet hatte, in ~er die Schüttsteine eingebettet waren, Es war also ein Zustand einget~eten wie e~ in den meister Fäl-len auch in der Natur anzutreffen sein wird, Die g e-samte Durchlässigkeit der Oecken beruhte lediglich auf

zufällig entstandenen und uneinheitlich verteilten Fehl-stellen in dieser Dichtungsschicht.

- 31

--Ein genauer Vergleich beider üec ken ergab im wesent-lichen dasselbe Bild. Die mit 80 kg/m2 vergossene Decke zeigte aber weniger und kleinere Fehlstellen und die Dicke der Dichtungsschicht war deutlich gröBer als bei der Decke, die nur mit 60 kg/m2 ver-gos~en wurde. Bei der folgenden Beurteilung der Me~-ergebnisse ist diese Feststellung zu berücksichtigen.

Das Deckwerk aus Asphaltbeton mit Druckentlastungs--, öffnungen " zeigte im oberen Teil der Böschung eine

geringe Ab senkung mit einem max Ima len Betrag an der Basis der Wasserwechselzone. Der mittlere Teil der Böschung (zwischen MP 4 und MP 5) wurde deutlich auf-gewö lbt , Demgegenüber wurden die Schüt ts tei.ndecken durch die LangzeitbeJastungen nur im obersten Teil der Bös~hung abgesenkt, wobei die maximalen

Absen-, \

kungen an der obersten Grenze der Wasserwechselzonen lagen (oberhalb MP 1). Unterhalb von MP 2,traten praktisch keine Lageveränderungen mehr auf.

Die Absenkungen, die bei der mit 80 kg/m2 vergossenen Decke etwa doppelt so gro~ waren wie bei der schwächer vergossenen Decke, sind vermutlich auf die hohen Unter-druckwerte, die hier bei der Wiederauffüllung des Kanal-wasserspiegels entstehen. zurückzuführen. Die hieraus resultierenden Strömungsvorgänge verur,sachen innerhalb der Filterschicht eine anhaltenden KornumLagerung ,

wo-bei das feinere Materi~l (zum Böschungsfu~ hin) ln tie-fer gelegene Porenrätime verfrachtet wird. Die ·gröBeren Absenkungsbeträge ergeben sich vermutlich aus diesem Massendefizit und der grö~eren Unterdruckbelastung.

~Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Teil 2 des Gesamtberichts [~ im einzelnen beschrieben.

Die Versuchsreihen 1 bis 15 zeigen einheitlich die günstigeren Druckwerte unter der schwächer vergosse-nen Schüttsteindecke. Sie liegen, je nach den Rand-bedingungen der Versuchsreihen in der Filterschicht

bis zu 70 kp/m2 und in der Me~ebene I des Böschungs-untergrundes bis zu 50 kp/m2 tiefer als in der mit

80 kg/m2 vergossenen Decke. Hieraus folgt, da~ nach der oben beschriebenen Art des Vergusses eine Vergu~-menge von 80 kg/m2 eindeutig den günstigsten Wert überschritten hat (siehe auch Abb. 6, S.ll).

Aus den unter 4.2 beschriebenen Beobachtungen folgt, da~ auch die 5chwächer vergossene Decke nicht d.s "Optimum del? Vergu~technik" darstellt. Dennoch sind die Druckverteilungen sowohl in der Filterschicht als auch in der Me~ebene I ganz wesentlich günstiger als unter dem Deckwerk aus Asphaltbeton roit Entlastungs-öffnungen. Bei MP 2 liegt der maximale Oberdruck urn 130 kp/m2 tiefer als bei der Asphaltdecke. (Bei stärke-rer Absenkung des Kanalwasserspiegels wird das Ver-hältnis der Oberdruckwerte noch günstiger.)

Der Ausgleich der (wesentlich geringeren) Druckwerte erfolgt unter der Schüttsteindecke schneller und der

Nulldurchgang der Druckkurven findet früher statt. In der Menebene I des Untergrundes ist der m~ximalé

Oberdruck bei MP 7 urn140 kp/m2 geringer als bei dem entsprechenden Punkt 232 der Asphaltdecke. Der Druck-ausgleich erfolgt hier ebenfalls wesentlich schneller als im Untergrund der Asphaltdecke. Bei MP 8 hat nach

60 Sekunden der Druck den gleiche n \Vertwie bei MP 2

33

-MP 13 (in der MeBebene 11). der-nach 10 Sekunden

390 kp/m2 aufweist. hat nach 100 Sekunden noch einen_

Oberdruck von 180 kp/m2• Unter der Asphaltdecke liegen

-diese Druckwerte ähnliih. Weseniliche Unterschiede der

Druckverteilung sind al so im t ieferen Untergrund

(MeB-ebene 11) nicht mehr vorhanden.

Die Unterdruckwerte liegen zwar im Wasserwechselbereich

der SchUtt steindecke bis zu 50 kp/m2 höher (bei MP 2)

als unter der Asphaltdecke. eine gröBere Durchlässigkeit

der Decke in diesem Bereich wurde die Werte ab er

ver-ringern.

Die Belastungen, die durch das plötzliche Einsetzen eines

starken Unterdruckes entstehen. wirken sich b~sonders

auf die Filterschicht au s , Bei genügender Stabilität der

Filterschicht könrien diese Kräfte aber schadlos

aufge-nommen werd.en ,

Beim Au sbau der SchUttsteindecken zeigte sich die starke

.Beanspruchung der Filterschicht • Dort, wo in der "D'i.h-ç

tungsschicht", die durch die VerguBmasse entstanden war,

Fehlstellen auftraten, war die Kiesschicht in die

Hohl-räume zwischen den Schüttsteinen aufgedrungen. Dieses,

durch Sog- oder Liftkräfte bedingte Auslaufen der

Filter-schicht • fUhrte zu einer recht starken Ausdünnung , Die

Schichtdicke betrug stellenweise nur noch ca. 5 cm u nd

zeigte gegenüber ungestörten Stellen deutliche

Unter-schiede.im Kornaufbau.

Wie die Versuchsergebnisse zeigten. werden Filterschichten

unter gebundenen SchUttsteindeckwerken der untersuchten

Bauart wesentlich stärker beansprucht als unter

Turbulenzeinwirkung zu rechnen ist, gilt dies nicht nur für dI e Wasserwechselzone, sondern für den ge-samteti Böschungsbereich.

Die hydraulische Stabilität der Kiesfilterschichten erwies sich unter den verschiedenen Versuchsbedingungen als völlig ausreichend.

4.5 Einflu~ des Grundwasserstandes auf die

Druck-

---Bei der Durchlässigkeit der Decken, die sich aus einer Öffnungsgrö~e von mehr als 1,7 % ergab (siehe Versuchs-reihen 9 und 10) und einer Filterschicht, deren

Wirk-samkeit als Drainage genügend gron war, hatte eine Er-höhung des Grundwasserspiegels im -unmittelbaren Böschungs-bereich urn 30 cm kaum einen Einflu~ auf die Druckvertei-lung während der Absenkung des Kanalwasserspiegels. Durch die Grundwassererhöhung stieg der Oberdruck unter den

Schüttsteindecken - trotz unterschiedlicher Vergu~menge -2 urn den gleichen, minimalee Betrag von 10 bis 20 kp/m •

Demgegenüber ~rgaben die Verstichsreihen 3 und 4, bei denen während der Absenkung des Kanalwasserspiegels kein Grundwasser in die Böschung nachflienen konnte (siehe 3.2, Fall 2), eine erhebliche Verminderung der Druck-spitzen im Bereich-der Wasserwechselzone. Die Druckver-minderung war hierbei unter der sch~ächer vergossenen und daher durchlässigeren Decke deutlich gröner.

Im Böschungsuntergrund (Menebenen I und 11) hatten Ände-rungen des Grundwasserspiegels keinen Einflu~ auf die Druckverteilungen während der Absenkun~.

- 3S

-S. Konstruktive Folgerungen aus den_Modellversuchen

1) Durchlässige Deckwerke sind als gebundene Schü tt-steindeckwerke Asphaltdecken in jeder Hinsicht

weiter überlegen. selbst wenn die Asphaltdecken

mit dicht beieinanderliegenden Entlastungsöffnungen versehen sind. Dies trifft besonders für den stark

belasteten 8ereich der Wasserwechselzone ZUl

2) Der Asphaltvergu~ von gebundenen Schüttsteindeck~ werken mue möglichst hein aufgebracht werden, um eine ~inwandfreie Verkittung der einzelnen Schü tt-steine zu gewährleisten. Da aher bei der hohen Temperatur die Viskosität der Vergu~masse relativ gering ist, besteht die Gefahr, da~ beträchtliche Teile der VerguBmasse nicht.de~.Verkittung dienen,

sondern durch die Hohlräume zwischen den Schü tt-steinen ablaufen und auf der Oherfläche des Filters eine Dichtungsschicht bilden, in der die untersten Partien der Schüttsteine eingebettet sind , lIierdurch

wird die Durchlässigkeit der Decke in unk ontrollier-barem MaBe wesentlich vermindert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sollte vor uem E in-bringen der VerguBmasse die Schüttsteindecke mit :

Schotter oder grobem Kies beworfen werden, so daB

möglichst die oberen Teile der llo h Lräume mit diesem Material ausgefüllt sind. Hierdurch wird eine bessere Verkeilung der Schüttsteine erreicht und verhindert,

daB die Asphaltmastix-Masse in die unteren Hohlräume der Schüttsteindecke abflieBt. - Das Schotter - oder

Kiesmaterial sollte in seiner KorngröBenverteilung

auf die GröBe der Hohlräume zwischen den SchU tt-steinen abgestimmt sein.

ist mechanisch fester und durchlässiger. Sie wirkt au~erdem wie ein feines Turbulenzgitter, verteilt und vermindert Liftkräfte und entlastet dadurch die

Filterschicht ganz wesentlich. Darüberhinaus lä~t sich auf diese Weise die Menge der VerguBmase redu-zieren.

3) Bei einer Schüttsteindecke von 30 cm Dicke und einer Kantenlänge der einzelnen Schüttsteine von 20 bis

maximal 40 cm sollte die Menge an Asphaltmastix 60 kg/m2

keinesfalls übersteigen.

4) Wird eine gebundene Schüttsteindecke nach der oben

an-geführten Bauweise hergestellt, so liegt ihr ö ffnungs-verhältnis sicher über 2%. Die DUTchlässigkeit ist

damit so groB, daB hydrostatische Druckunterschiede, welche die Decke gefährden könnten, nicht entstehen.

5) Filterschichten unter losen und gebundenen

Schüttstein-decken werden stark belastet. Sie müssen daher eine

besonders hohe mechanische Filterwirksamkeit besitzen.

Die hydraulische Filterwirksamkeit muf\auf das P oren-volumen bzw. den TIurchlässigkeitskoeffizienten des

Untergrundes abgestimmt sein.

Wirtschaftliche Bauweisen lassen sich mit Kunststof

f-Vliesen (Filtermatten) erreichen, deren Eigenschaften auf die Untergrundverhältnisse und auf die Art der

hydrodynamischen l3elastungen abgestimmt sind (Siehe

[p],

37

-Auc·h Kombi nat ionen von Kornfiltern (aus Kies, Erz-schlacke o.I.) urtd Filtergeweben ~it entsp~eChender Maschenweite können wirtschaftliche Bauweisen ,mit

geringem Unterhaltungsaufwand darstellen. ( [8J,Bsp.14)

6. Zu sammenfas sung

In vorliegender Arbeit wurde die Langzeitbestlndigkeit asphaltgebundener 5chüttsteindecken untersucht, ihre

(

Belastbarkeit in Abhlngigkeit von der VerguBmenge er-mittelt und ihr Verhalten mit einer partiell

durch-llssigen Asphaltbetondecke verglichen. Hierbei ermög-lichte die Modelleinrichtun~ die Ermittlung der ~y dro-statischen Deckwerksbelastungen infolge v om wasc1m'ellil

Wasserspiegelschwankungen und deren EinfluB a~f die

Standsicherheit der Deckwe r ke , Die Wirkung lI1atur,älluiJil -licher hydrodynamischer Krlfte auf die Bösch~ng kOiJilll1te mit den gegebenen Modellmöglichkeiten nic~t unft,ersil!1ciht

werden. Im Vordergrund der Untersuchungen standen .aher

'Frag en nach der Druckverteilung unter den Deckwer:ke_n, nach ihrer erforderlichen Durchlässigkeit sowie der zwec kmäfsigen Ausbildung der darunt er liegenden Filter-schicht •

Nach 45000 simulierten Schiffsdurchgängen, d.h. nach

einer fünfjährigen Verkehrsbelastung war die Standfestig -keit beider Schüttsteindecken - (vergossen mit 60 kg/mZ und mit 80 kg/mL Asphaltmastix) - noch voll erhalten und damit deutlich besser als die einer Asphaltbetond~cke mit Druckentlastungsöffnungen.

Durch einfache, plötzliche Absenkungen des K analwasser-spiegels wurde die Verteilung des Porenwasserdruckes in der Filterschicht und in Z MeBebenen des Böschung s-untergrundes untersucht. Die gröBere Durchlässi~keit

der mit 60 kg/m2 vergossenen D~cke zeigte sich durch geringere Druckwerte in der Filterschicht und in der ober en Meûe bene des Böschung skörpe rsç,'Die Zeiten,

die für den Ausgleich der hydrostatischen Druckunter-schiede benötigt wurden, waren deutlich kürzer.

Der Einflu~ unterschiedlicher Grundwasserstände auf die Druckverteilung unter den Schüt tateind eckwerken war bei der schwächer gebundenen Decke gering.

Bei den simulierten Schiffdurchgängen ~eigte sich im wesentlichen die gleiche Tendenz: Durch lä ssige

Schütt-steindeckwerke von 30 cm Dicke, die höc h sten s mit 60 kg Asphaltmastix pro m2 gebunden sind, vermindern die hydrostatischen Druckunterschiede so sehr, da~

sie die Standsicherheit der Deck.werke nicht mehr gefährden können.

Das Öffnungsverhältnis von Verbunddeckwerken sollte mindestens 2 % betragen. Diese Durchlässigkeit wird von Schüttsteindecken der beschriebenen Art und bei einèr Ve rgu ûmeng e von max. :60 kg/m2 'Siche-re.rreicht , Die Filterschicht unter einer durchlässigen

SchUtt-steindecke wird st-ark beLastet , Si:-e!SDtlte daher be-sonders sorgfältig aufgebaut sein. Äufwendige Misch-korn- oder Mehrstufenfilter lassen sich dumc.h Verwen-dung von Fd lterv Lf.eserrvermeiden. Lo se-od'er 'gebund ene SchUttsteindeckwerke sind daher die DeckwerkstYre~~

bei denen geeignete KunststofT-Filter mit gronen

ökonomischen und technischen Vorteïlen eingebaut \wer.d:enl

39

-Obwohl die hydrostatischen Langzeitbelastungen weder das Asphaltdeckwerk noch die gebun~enen Schüttstein-decken zerstören konnten, läat sich aus dem Vergleich der Versuchsergebnisse deutlich erkennen, daa ein sorg-fältig aufgebautes asphaltgebundenes Schüttsteindeck~erk einer Asphaltbetondecke mit Entlastungsöffnungen in je-der Hinsicht weit überlegen ist.

Karlsruhe, den 20. Februar 19·73

Bundesanstal t für Was s erbau Im Auftrag _Bearbeiter

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_CSchröder) Regierungsbaudirektor .> /. . .s-: _.,.// ~?. ez-« "'-- --CList) Dipl.-Geologe

7. Schriftturn

1 Schröder, H.Th., Hofmann, W.:

Beanspruchung der Böschung ~ines Schiffahrtkanal~ Mitteilungsblatt der BAW, Karlsruhe, 16 (1968)

Nr. 27, S. 46- 55.

2 Bundesanstalt fUr Wasserbau: Bericht

AusfUhrungsformen von Uferschutzdeckwerken an Binnenschiffahrtskanälen und ihre Langzeitbe-

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_,

ständigkeit. Teil I, Versuchsaufbau und M odell-maûst ab ; 53 S., 7 AnI., Karlsruhe, 1972

3 Bundesanstalt fUr Wasserbau: Bericht

AusfUhrungsformen von Uferschutzdeckwerken an Binnenschiffahrtskanäl~n und ihre Langzeitb e-ständigkeit. Teil 11, Versuchsergebnisse; 82 S., 26 AnI., Karlsruhe, 1972

.

4 Beyer, W.:

Zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Kiesen und Sanden aus der Kornverteilungskurve Wasserwirtschaft - Wassertechnik 14 (1964) H. 6, S. 165 - 1

68-5 Lüpo l d , P.:

Das'RUtteldruckverfahren zur Baugrundverbesserung Aus: Schweizerische Bauzeitung 88 (1970),

Z8

,

S. 625 - 628

6 U. S. Bureau of Reclamation:

Design of small dams. U.S. Government, Printing Office, Washington, O.C. 1965

- 41

-7 Cedergren, H.R.: Seepage, drainage and flownets. John Wiley + Sons; New York, London, Sidney, 1967,

S. 173 bis 207

8 Deutscher Au sschu.ïs für das Studium von Uferd

eck-werkstypen an Wasserstra~en im International~n Ständ igen Verband für Schiffahrt skongresse:

"Deck-werke an Wasserstral3en" (Ausarbeitung). Dez. 1972

9 Bundesanstal t für Wasserbau:

Ergänzende Folgerungen aus den Modellversuchen Im Ma~stab 1:1, Karlsruhe~ März 1972

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