Auswirkungen einer Geozellenbewehrung auf das Tragverhalten des Bodens

Geozellen sind dreidimensionale 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 und verdichtet. 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.

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 (Abbildung 01).

Da der passive Erdwiderstand mit zunehmenden Verformungen ansteigt, handelt es sich bis zu einer bestimmten Belastung um ein sich selbst stabilisierendes System. Die aufgebrachten Belastungen aktivieren Ringzugkräfte in den Geozellenwänden, welche dem eingebauten Boden zusätzliche Festigkeit verleihen, die, wie in Triaxialversuchen nachgewiesen wurde, als eine Art der scheinbaren Kohäsion betrachtet werden kann.

Durch Mobilisierung der scheinbaren Kohäsion, der damit verbundenen Festigkeitserhöhung und durch das Zusammenhalten des Bodens durch die Zellenwände, weist das Verbundsystem zwischen Geozelle und Boden im Vergleich zum unbewehrten Boden eine höhere Steifigkeit auf. Die Steifigkeit einer mit Geozellen bewehrten Tragschicht ist nach numerischen Berechnungen im Vergleich zu einer unbewehrten Tragschicht etwa doppelt so groß.

Die Bewehrung eines Bodens mit Geozellen beeinflusst dessen Tragverhalten. Durch die Ausbildung eines Verbundsystems zwischen Geozellen und Boden wird im Wesentlichen

die Tragfähigkeit des Bodens erhöht
die Verformungen des Bodens reduziert
die Spannungsverteilung im Untergrund verändert.

Die positive Wirkung eines mit Geozellen bewehrten Systems gegenüber einem unbewehrten System besteht vor allem in einer signifikanten Erhöhung der Tragfähigkeit und einer Reduzierung der auftretenden Verformungen. Die Erhöhung der Tragfähigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der auftretenden Verformungen konnte sowohl in Modellversuchen als auch bei ausgeführten Bauprojekten nachgewiesen werden.

Statische Belastungsversuche an einer mit Geozellen bewehrten Bodenschicht ergaben im Vergleich zu einer unbewehrten Tragschicht, dass zur Gewährleistung einer annähernd gleichen Tragfähigkeit eine unbewehrte Tragschicht im Vergleich zu einer mit Geozellen bewehrten Tragschicht mindestens die doppelte Dicke aufweisen muss.

Das wabenförmige Zellsystem der Geozellen wird vor Ort mit Material befüllt und anschließend verdichtet, um die Steifigkeit und Tragfähigkeit des Boden zu erhöhen. Dadurch reduziert sich die Gefahr für Bodenverformungen und das Füllmaterial wird dauerhaft stabilisiert. Zum Befüllen der Geozellen kann unterschiedliches Material, wie beispielsweise Sand, Kies oder Schüttmaterial vor Ort, verwendet werden. Auch eine direkte Bepflanzung oder Begrünung ist denkbar. Unsere TERRAM Geozellen lassen Nährstoffe und Wasser ungehindert durch und tragen so zur Unterstützung einer naturnahen und gesunden Bodenumgebung bei.

Geozellen sorgen im Straßenbau gezielt für die Erhöhung der Standsicherheit und schützen vor Erosionen. Zudem können sie durch die flexible Wabenstruktur nahezu an jeden Untergrund angepasst werden. Unsere TERRAM Geozellen erfüllen dabei höchste Standards und durchlaufen regelmäßig Qualitätskontrollen. Bereits seit über 40 Jahren werden sie erfolgreich in Infrastrukturprojekten eingesetzt.

Geozellen als Stützkonstruktionen im Straßenbau

Bei Projekten im Straßenbau, wie der Umsetzung von Autobahnen, Fahrbahnen, Brückenbauten oder auch Zufahrten, nehmen Stützkonstruktionen eine zentrale Rolle ein. Die Standsicherheit der als Schwergewichtsmauer, Winkelstützwand oder bewehrter Stützkonstruktion erstellten Geländesprünge wird hierbei durch das Gewicht der Stützwand oder horizontale Bewehrungselemente gesichert. Beide Konstruktionstypen können auch mittels Geozellen hergestellt werden.

Für eine Stützkonstruktion ist die dauerhafte Standsicherheit gegen eine äußere Belastung zu gewährleisten. Im klassischen Stützkonstruktionsbau wurden Schwergewichtswände eingesetzt. Diese wurden in der Regel aus Massivbeton erstellt. Der durch Boden und Verkehrslasten entstehende Erddruck muss hierbei vollständig vom konstruktiven Element (Stützwand) abgetragen und die Gründungssohle durch hohe Sohlnormalspannungen belastet werden, siehe Abbildung 02.

Abbildung 03: Bewehrte Stützkonstruktion

Alternativ können auch geokunststoffbewehrte Stützkonstruktionen erstellt werden, siehe Abbildung 03. Der geokunststoffbewehrte Erdkörper hingegen wird lagenweise aus verdichtetem Boden, der horizontalen Einlage von Geokunststoffen und einem kraftschlüssigen Anschluss der Geokunststoffe an die Außenhaut erstellt. Die Außenhaut übernimmt die lokale Stabilisierung des frontnahen Bodens und muss ausreichenden Erosionsschutz gewährleisten. Diese Konstruktionstypen werden, in unterschiedlichen Abwandlungen, seit Jahrzehnten im Stützkonstruktionsbau angewendet. Ziel ist hierbei in erster Linie eine Stabilisierung des Bodens durch Verhinderung der zu Verformungen führenden Bodenbewegungen. Nachteilig sind hierbei einerseits das hohe Gewicht einer Beton-Schwergewichtsmauer oder die Dauerhaftigkeit der Bewehrungselemente.

Die Notwendigkeit der Errichtung einer Stützkonstruktion ist vielfältig, nachfolgend seien nur ein paar Beispiele genannt:

Um Baumbestand zu sichern, wird oftmals sehr platzsparend gebaut und gewaltige Stützwände werden geschaffen.
Stützkonstruktionen zur Abfangung von Geländesprüngen
Stützkonstruktionen unter Brückenbauwerken
Stützkonstruktionen als Lärmschutzwälle

Um beispielsweise eine dauerhafte Stabilisierung zu gewährleisten (aufgrund des geringeren Bodengewichts im Vergleich zum Beton), wäre in vielen Fällen eine einfach zu errichtende, dauerhafte Sicherung der Stützkonstruktion wünschenswert. Dies kann z.B. durch den Einsatz von Geozellen erreicht werden.

Wie eingangs erwähnt werden die Geozellen am Einsatzort aufgespannt und anschließend mit einem Füllmaterial befüllt und verdichtet. Sie verhindern das seitliche Ausdehnen des Füllbodens unter Belastung und erhöhen dadurch die Steifigkeit und die Tragfähigkeit des Bodens. Durch die Verhinderung der seitlichen Verformungen des Bodens unter Belastung wird das Kraft-Verformungsverhalten des Bodens verbessert. Durch die Tragwirkung des mit Geozellen bewehrten Bodens als „steife“ Platte werden die Spannungen im Untergrund erheblich reduziert. Dieses Tragverhalten bewirkt beim Bau der Stützkonstruktion vielfältige Vorteile, die nachfolgend beschrieben werden.

Der Einsatz der Geozellen kann sowohl im Rahmen des Baus einer Schwergewichtsmauer als auch einer bewehrten Stützkonstruktion erfolgen, siehe Abbildung 04 und 05.

Abbildung 04: Schwergewichtsmauer aus Geozellen

Bei der Variante einer Schwergewichtsmauer aus Geozellen werden die Geozellen aufgespannt, mit Füllboden gefüllt und verdichtet. Die erforderliche Lagenanzahl ergibt sich aus der erforderlichen Konstruktionshöhe der Stützwand. Die Länge der Geozellen ergibt sich aus einer statischen Berechnung und muss ausreichen, den hinter der Konstruktion auftretenden Erddruck mit ausreichender Sicherheit abzutragen. Die gesamte Belastung wird hierbei von den Geozellen abgetragen.

Verglichen mit einer klassischen Schwergewichtsmauer aus Beton ergeben sich bei den mit Sand oder Kies gefüllten Geozellen zahlreiche Vorteile:

Geringeres Eigengewicht, daher geringere Setzungen.
Verwendung von lokalen Schüttboden.
Kein aufwändiger und teurer Materialtransport.
Geringere Spannungen auf den Untergrund, durch den „flexiblen“ Boden bauen sich keine Spannungsspitzen auf.
Aufbau durch ungeschultes Personal möglich.
Konstruktion sofort nach Fertigstellung belastbar, keine Zeit zu Aushärten etc. erforderlich.
Schnellere Konstruktion durch Verzicht auf Schalung etc. geringerer maschineller Aufwand.

Abbildung 05: Bewehrte Stützkonstruktion aus Geozellen

Sofern sich aus dem Einsatz der Geozellen ein hoher Materialbedarf ergibt, können anstelle einer bewehrten Stützkonstruktion auch Hybridlösungen errichtet werden. Hierbei stellen nur relativ schmale Geozellenabschnitte eine Außenhaut der Konstruktion dar. Zwischen die Außenhautelemente werden in statisch erforderlichen Abständen Bewehrungselemente eingelegt, die die Haupttragwirkung der Stützkonstruktion gewährleisten. Die statische Berechnung bestimmt die erforderliche Festigkeit und Länge der Geogitterbewehrung. Die Verdichtung (oftmals wird der gleiche Boden als Füllboden für die Geozellen und als Füllboden für die Gitterbewehrung verwendet) erfolgt gleichzeitig mit der Verdichtung des Hinterfüllmaterials.

Verglichen mit einer reinen Geogitterkonstruktion ergeben sich durch den Einsatz der mit Sand oder Kies gefüllten Geozellen zahlreiche Vorteile:

Schnellere Bauweise, aufwändige Konstruktionen für Schalung oder Umschlagen der Geogitter entfallen.
Kein Unterhaltungsaufwand für die Geozellen Außenhaut.
Geogitter und Geozellen wirken durch Reibungskräfte, keine gesondertes Konstruktionselement zur Sicherung der Verbindung notwendig.

Zusätzlich bieten Lösungen mit Geozellen zahlreiche architektonische und landschaftsgestalterische Vorteile. Die Geozellen können einerseits nahezu senkrecht aufeinandergestapelt werden, andererseits aber auch versetzt errichtet werden, sodass Bermen entstehen, auf denen Bäume oder Sträucher gepflanzt werden können und somit eine natürliche Sichtfläche ergeben. Alternativ können Rankpflanzen gepflanzt werden, sodass von der eigentlichen Konstruktion später nichts mehr zu sehen ist.

Zu beachten ist in jedem Fall eine ausreichende Durchlässigkeit gegen Stauwasser, damit dieses nicht hinter der Stützkonstruktion steht und einen zusätzlichen Druck auf die Stützkonstruktion ausübt. In der Praxis wird dies durch hinter oder unter der Stützkonstruktion geschüttete Drainagepolster aus durchlässigem Schüttmaterial erreicht.

Alternativ kann eine ausreichende Drainage auch durch die Einlage von Geotextilien sichergestellt werden. Geotextilien, wie das TERRAM GT Textilvlies, werden im Straßenbau oftmals dank ihrer hervorragenden Wasserdurchlässigkeit eingesetzt. Sie filtern kleinste Bodenbestandteile oder werden auch zur Trennung verschiedener Bodenarten genutzt. Dadurch wird die Stabilität im Unterbau verbessert.

Lesetipp: Drainagematten zur Entwässerung von Stützkonstruktionen

Sichere Befestigung von Lärmschutzkonstruktionen an Straßenrändern

Die Tragwirkung der Geozellen (Stabilisierung des Bodens durch Aufbau von Ringzugkräften) lässt sich an unterschiedlichen Stellen technisch optimal nutzen.

An bestehenden Straßen ist oftmals nur ein geringer Platz zur angrenzenden Bebauung vorhanden. Der Wunsch nach Lärmschutzwänden kann hier sehr schnell zu aufwändigen Konstruktionen führen, die enorme Baukosten nach sich tragen und umfangreiche Arbeiten erfordern. Betonwände sind in diesem Fall aus ökologischen Aspekten nicht empfehlenswert und bieten darüber hinaus eine optisch nicht sehr anpassungsfähige Konstruktion. Geogitterbewehrte Konstruktionen sind in diesen Fällen nur selten errichtbar, da sie eine große Konstruktionstiefe für die Einlage der Geogitter benötigen. Oftmals steht dieser Platz nicht zur Verfügung. Hier stellen Schwergewichtsmauern aus Geozellen eine ideale Konstruktion dar. Durch die stabilisierende Wirkung der Geozellen können „Erdwände“ nahezu senkrecht erstellt werden, eine Mindestbreite ergibt sich hierbei nur anhand der zu erwartenden Horizontalbelastungen aus Wind oder möglichem Anprall, sodass Wände mit einer Höhe von ca. 2 – 3 m schon mit einer Aufstandsfläche von ca. 1,0 m errichtet werden können, siehe Abbildung 06.

Abbildung 06: Geozellenkonstruktion als Lärmschutzwand

Bedingt durch die Konstruktionsart haben derartige Lärmschutzwände zahlreiche Vorteile:

Keine Spannungsspitzen unter der Konstruktion durch flexibles Baumaterial.
Schnelle Errichtung, Konstruktion sofort verwendbar.
Errichtung neben befahrenen Straßen Abschnittsweise, keine aufwändige Sperrung notwendig.
Schlanke Konstruktion da keine Anbindung an Geokunststoffe erforderlich.
Ansichtsfläche begrünbar, ökologische Ansichtsfläche möglich.
Systembedingter Schutz gegen Graffiti, geplante Ansichtsfläche kann dauerhaft gewährleistet werden.
Verfüllung mit Lokalböden möglich, kein aufwändiger Materialtransport.

Schutz vor Bodenverformungen und Erosion im Straßenbau

Der Einsatz von Geozellen zur Erhöhung des Erosionsschutzes von Böschungen im Erd- und Wasserbau basiert im Wesentlichen auf einer Erhöhung des Widerstandes des Böschungsmaterials gegenüber den hangabwärtsgerichteten Erosionskräften. Die Geozellen verleihen dem innerhalb der wabenförmigen Struktur eingelagerten Erdstoff durch die Zellenwände eine zusätzliche Lagestabilität, wodurch der Erdstoff an einer hangabwärtsgerichteten Bewegung gehindert wird. Die dabei auftretenden Kräfte werden durch die Geozellenwände in Form von Zugkräften aufgenommen. Zusätzlich können die Geozellen durch Verankerungsstäbe in Verbindung mit Spanndrähten gesichert werden (Abbildung 7).

Abbildung 07: Erosionsschutzsystem mit Geozellen

Der Reibungswiderstand zwischen den Geozellenwänden und dem Füllmaterial bewirkt zudem einen erhöhten Widerstand gegenüber vertikaler Verlagerung, verursacht durch Frost-/ Tauwechsel und Ausschwemmungen. Die Durchlässigkeit der Zellenwände, z.B. in Form von Perforationen innerhalb der Geozellenwände ermöglichen einen ungehinderten Oberflächenwasserabfluss, während das Füllmaterial gleichzeitig durch die Geozellenwände gehalten wird.

Bei einer Böschungsbegrünung können die Wurzeln aufgrund der vorhandenen Zellperforation zellübergreifend wachsen, große bodenstabilisierende Wurzelsysteme bilden und somit zu mehr Stabilität bei kurzfristiger Wassereinwirkung beitragen. Die Perforierung begünstigt zudem durch den möglichen zellübergreifenden Nährstoff-austausch natürliche Lebensbedingungen für Flora und Fauna.

In Verbindung mit Beton als Füllmaterial entsteht eine flexible Betonfläche mit durch die Zellenwände vorhandenen Dehnungs- und Bewegungsfugen. Durch die vorhandene Perforation und die damit verbundene Verzahnung des Betons mit den Geozellen beim Abhärten wird ein optimaler Verbund zwischen den Geozellen und dem Beton hergestellt.

Geozellen können sehr vielseitig für Steilböschungen und Hangsicherungen eingesetzt werden. Sie sorgen für eine sichere Befestigung an Straßenrändern. Das Zellsystem bildet zusammen mit dem Füllmaterial einen hochstabilen und zudem auch wasserdurchlässigen Zellverbund. Dabei werden die Geozellen schichtweise aufgebaut und passen sich flexibel dem Gelände an. Auch eine nahezu senkrechte Konstruktion ist denkbar, für die nur eine geringe Grundfläche benötigt wird. Die Montage erfolgt in kürzester Zeit und macht komplizierte Bautechniken hinfällig. Je nach Projekt sind unsere TERRAM Geozellen beispielsweise in verschiedenen Größen erhältlich oder lassen sich individuell an Ihr Bauvorhaben anpassen.

Lesetipp: Naturnahe Maßnahmen zur Böschungssicherung mit Geozellen

Schutz vor Bodenverformungen im Straßenbau

Insbesondere beim Bau von Verkehrswegen über wenig tragfähigen Untergründen, deren Tragfähigkeit nicht für eine Dimensionierung nach der RstO geeignet ist, treten auf Grund der Vertikalbelastung auf den Untergrund große, in der Regel nicht verträgliche Verformungen auf. Zur Verbesserung der Untergrundtragfähigkeit können unterschiedliche Bauverfahren eingesetzt werden. Neben dem klassischen Bodenaustausch, der Bodenverfestigung mittels hydraulischer Bindemittel, der Stabilisierung durch den Einsatz von Geokunststoffen, bietet der Einsatz von Leichtbaustoffen (z.B. EPS oder Blähton) als Alternative zur mineralischen Tragschicht eine weitere Möglichkeit, die vorhandenen Belastungen auf den Untergrund und damit die Setzungen des Untergrundes zu reduzieren.

Im Gegensatz zu einer primär bewehrenden Wirkung von Geogittern infolge eines Membraneffektes, muss im Zusammenhang mit Geozellen primär von einer stabilisierenden Wirkung ausgegangen werden, da die Geozellenwände im Wesentlichen die seitlichen Verformungen des Füllmaterials behindern.

Bei einer vertikalen Belastung der Geozellen entstehen in Abhängigkeit der Reibung zwischen dem Füllmaterial und der Geozellenwand horizontale Erddruckspannungen innerhalb der vertikal belasteten Zelle. Die dadurch verursachten Dehnungen im Zellenmaterial mobilisieren Ringzugspannungen innerhalb des Geozellenmaterials und eine seitliche Bettung in den benachbarten Zellen. Die Größe der Ringzugspannung und der seitlichen Bettung ist dabei von der Größe und der Art der auftretenden Dehnungen innerhalb der belasteten Zelle abhängig. Infolge der Ringzugspannungen und der seitlichen Bettung wird die seitliche Ausdehnung des Füllmaterials behindert, wodurch die Steifigkeit des Füllmaterials gegenüber dem nicht stabilisierten Erdstoff deutlich vergrößert wird. Kazerani et al. (1987) ermittelten bei der Verifizierung von Versuchsergebnissen mittels der Finite Element Methode Steifigkeitserhöhungen eines mit Gitterzellen stabilisierten Sandes gegenüber dem nicht stabilisierten Sand um den Faktor 2 bis 3. Die erhöhte Steifigkeit des Verbundsystems Geozelle-Boden lässt die Geozellen ähnlich einer steifen Platte wirken, wodurch die Vertikalspannungen auf Grund eines vergrößerten Lastausbreitungswinkels über eine größere Fläche verteilt und die auftretenden Vertikalverformungen reduziert werden. Die umliegenden Geozellen mobilisieren eine Verspannung des Füllmaterials, wodurch im Vergleich zum Boden eine zusätzliche Bettungsspannung aktiviert wird. Zudem werden die aufgebrachten Belastungen über eine größere Fläche verteilt. Eine Analyse unterschiedlicher Einflussfaktoren auf die Tragmechanismen zeigt, dass die Dehnsteifigkeit des Geozellenmaterials, die Verbindungspunkte (Öffnungsgröße der Nahtstellen) und die Anzahl der umgebenden Geozellen das Lastabtragsverhalten von Geozellen beeinflussen.

Je nach Projekt sind unsere TERRAM Geozellen beispielsweise in verschiedenen Größen erhältlich oder lassen sich individuell an Ihr Bauvorhaben anpassen.

Mehr Informationen

Mehr Informationen zu unseren TERRAM Geozellen und individuellen Projektanfragen erhalten Sie unter: https://www.ecotrade-leipzig.de/terram-geozellen-stuetzwand-konstruktion.html

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