Modellversuche zu aufgeständerten Fahrbahnen

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Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
2. Versuchsdurchführung
2.1 Konzeption und Modelltheorie
2.1.1 Dimensionierung des Gleismodelles
2.1.2 Dimensionierung der Belastungen
2.2 Versuchsrandbedingungen
2.3 Versuchsanordnung
2.3.1 Verwendete Materialien
2.3.2 Anordung der Pfähle
2.4 Durchgeführte Messungen
2.4.1 Messungen an der Grenzschicht Torf / Sand
2.4.2 Messungen an der Fahrbahnoberkante
2.5 Achse und Antrieb
2.6 Ergebnisse der Versuche
2.7 Auswertung und Vergleich der Versuche 5, 6 und 8 bis 11
3. Zusammenfassung der Ergebnisse
4. Danksagung
5. Verwendete Literatur
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1. Einführung
Bodenstabilisierungen durch pfahlartige Tragelemente sind im heutigen Verkehrswegebau
gebräuchliche Verfahren. Als Tragelemente eignen sich z.B. CSV-Säulen, Rüttel – Schotter
– Säulen, Rammpfähle oder ähnliches.
Die Ausführungsweise dieser Tragelemente ist in dieser Arbeit nur von untergeordneter
Bedeutung, da nur die Steifigkeit der Tragelemente einen Einfluß auf das System besitzt.
Durch Anordnung einer Lastverteilungsschicht über den Pfahlköpfen kann auf eine
herkömmliche Pfahlgründung mit einer Pfahlkopfplatte oder mit einem Balkenrost
verzichtet werden, welches die hohe Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens begründet.
Vor allem im Verkehrswegebau wird aufgrund der großflächigen Anwendungen vermehrt
auf dieses Verfahren zurückgegriffen.
Die Lastverteilungsschicht über den Pfählen besteht aus einem Bodenpaket, welches im
Regelfall aus Schotter besteht, und kann je nach Anforderungen auch mit Geogitter
bewehrt sein.
Die Mächtigkeit dieser Schicht richtet sich nach den Abständen der Pfähle und beträgt im
Regelfall etwa das 1- bis 1 ½ -fache des Pfahlabstandes.
In dieser Arbeit werden rollende Lasten, wie sie zum Beispiel von Zugüberfahrten
hervorgerufen werden können, in einem Modell simuliert und ihre Auswirkungen,
insbesondere die Setzungen, analysiert.
Verschiedene Systeme werden dabei verglichen.
System 1: Fahrbahn auf reiner Sandschicht
System 2: Fahrbahn auf Tragschicht ohne Geogitterbewehrung und Weichschicht ohne
Pfähle
System 3: Fahrbahn auf Tragschicht ohne Geogitterbewehrung und Weichschicht,
stabilisiert durch Pfähle
System 4: Fahrbahn auf Tragschicht mit Geogitterbewehrung und Weichschicht, stabilisiert
durch Pfähle
Die Überfahrten wurden auf einer kreisförmigen Fahrbahn durchgeführt. Um die Lasten
auf die Fahrbahn zu übertragen wurde eine Waggonachse durch zwei nachlaufende
Möbelrollen simuliert. Zwei dieser Waggonachsen wurden an eine Pendelachse montiert,
die Höhenunterschiede ausgleichen kann und die zentrisch an einer vertikalen Drehachse
befestigt ist und mittels eines Elektromotors über einen Zahnriemen angetrieben wird.
Die Belastung der Räder konnte durch unterschiedliche Gewichte variiert werden.
Um eine möglichst große Analogie zur Schiene zu erreichen, wurde die Fahrbahn in den
ersten vier Versuchen auf ein Modellschotterband gelegt, und auch die Steifigkeit der
Fahrbahn wurde nach den Modellgesetzen so konzipiert, daß sie der Steifigkeit eines
Gleises in Wirklichkeit entspricht.
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2. Versuchsdurchführung
2.1 Konzeption und Modelltheorie
Die Informationen, die aus Modellversuchen gewonnen werden können, sind in
Abhängigkeit der mit ihnen verfolgten Zielsetzung zu bewerten. Nach Zaeske [1] lassen
sich Modellversuche in folgende Gruppen einteilen:
a) Demonstrations-Modellversuche
Sie dienen lediglich der Veranschaulichung meist bekannter Vorgänge. Eine
Auswertung erfolgt nur qualitativ.
b) Modellversuche zur Ermittlung von Tragmechanismen
Derartige Versuche werde durchgeführt, um an bestimmten Konstruktionen die
Entwicklung von Verschiebungsfeldern, Spannungsfeldern oder von
Bruchmechanismen aufzuklären. Man erhält Vergleichswerte für rechnerische
Modelle und kann diese daran überprüfen. Die Gleichungen, die das Verhalten im
Modell beschreiben, gelten in gleicher Weise für den Prototyp, wenn die
Übertragbarkeit der maßgeblichen Mechanismen sichergestellt ist.
c) Modellversuche zur Übertragung von Ergebnissen auf die Natur (Prototyp)
Hierbei werden aus experimentell aufgenommenen Meßwerten (Verformungen,
Spannungen usw.) unmittelbar quantitative Aussagen zum Prototyp abgeleitet. Eine
derartige Übertragung ist möglich, wenn das Modell dem Prototyp mechanisch
äquivalent ist.
Die Anforderungen, die an die Modellversuche zu stellen sind, nehmen je nach
Zielrichtung in der oben dargestellten Reihenfolge zu. Für Versuche der Kategorie c) gilt,,
daß Rückschlüsse auf die Natur nur gezogen werden können, wenn die Modellgesetze
erfüllt sind. Die Modellgesetze erhält man, indem aus systemrelevanten Parametern
dimensionslose Werte abgeleitet werden, die in beiden Systemen den gleichen Zahlenwert
annehmen müssen.
Dimensionsbehaftete Bodenparameter lassen sich in der Regel nicht äquvalent auf einen
anderen Maßstab abbilden, vor allem bei der Bodenkohäsion und der Korngröße mit den
daraus resultierenden Scherfugenmechanismen gibt es gravierende Widersprüche.
Die zahlenmäßige Übertragung der Versuchsergebnisse auf die Natur kann deshalb
aufgrund dieser Modellversuche nicht ausgeführt werden.
Aufgrund der Vorgaben (Tonnengröße, Versuchsanordnung) werden die Versuche mit
einem Maßstab ausgeführt, der bezogen auf die bisherige Ausführungspraxis etwa einem
Maßstabsfaktor λ ≈ 25 entspricht.
Um aussagekräftige Ergebnisse zu bekommen, werden die Abmessungen und Belastungen
um diesen Faktor verkleinert.
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2.1.1 Dimensionierung des Gleismodelles
Bei der Dimensionierung des Gleismodelles wird auf eine exakte Nachbildung der Schiene
verzichtet, sondern als Gleismodell eine dichte Spanplatte verwendet.
Die Abmessungen der Spanplatte ergeben sich aus dem Trägheitsmoment des Gleises und
der Gleisbreite einbezüglich der Schotterbettung.
Bei diesem Schienenmodell wird vereinfacht nur das Trägheitsmoment der beiden
Schienen berücksichtigt.
Aus diesen Vorgaben läßt sich die Dicke der Spanplatte errechnen.
Es wurde eine Reihe von Vorversuchen zur Bestimmung der Biegesteifigkeit der Spanplatte
durchgeführt.
Hierbei wurde aus dem Material, aus dem die Fahrbahn besteht, ein Streifen mit definierter
Größe als Einfeldträger mit punktförmiger Last in Feldmitte ausgebildet. Es wurden die
Belastungen und die dazugehörigen Durchbiegungen gemessen.
Die Abhängigkeit der Durchbiegung von der Last bei einem Einfeldträger mit
punktförmiger Last in Feldmitte läßt sich mit folgender Formel berechnen:
EI f =
1 Pl
48
•
3 (1)
Die Ergebnisse dieser Versuche sind stark von der Verformung abhängig. Je größer die
Verformungen sind, desto steifer wird das Material.
Nach Abschätzung der Verformungen und Vergleich mit Tabellenwerten aus Schneider [2]
wird ein E-Modul von 4100 MN/m² angenommen.
Die Berechnungen für die Biegesteifigkeit erfolgt nach Hettler [3] durch Anwendung der
Dimensionsanalyse nach Görtler [4] nach folgender Gleichung:
EI
EI M = P
5
λ
(2)
Die Berechnungen werden für eine feste Fahrbahn sowie für eine Schotterfahrbahn
durchgeführt.
-Feste Fahrbahn
Die Biegesteifigkeit der festen Fahrbahn nach Jaup [5] beträgt
EI P = 435 MNm 2
Aus Gleichung (2) folgt daher für die Biegesteifigkeit der Modellfahrbahn:
EI M = 4,454*10 -5 MNm 2
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Bei einer Fahrbahn aus harten Holzfaserplatte mit E = 4100 MNm 2
Trägheitsmoment der Modellbahn
wird das
I M = 1,1*10 -8 m 4
Für das Trägheitsmoment eines Rechteckquerschnittes gilt folgende Gleichung:
b * d
3
I = (3)
12
Die Breite der Modellbahn beträgt die Breite der Schwelle beim Regelquerschnitt b P =
2,60 m, um den Maßstabsfaktor verkleinert.
b M
= 1 b
3 P
(4)
Aus Gleichung (3) mit b M = 10 cm aus Gleichung (4) ergibt sich eine Dicke der
Spanplatte von 11 mm.
-Schotteroberbau:
Wie oben erwähnt, wird für beim Schotteroberbau für die Durchbiegung nur die
Biegesteifigkeit der beiden Schienen berücksichtigt.
Trägheitsmoment der Schiene: I uic 60 = 3,055*10 -5 m 4
Trägheitsmoment des Gleises: I Gleis = 2*I UIC 60 = 6,11*10 -5 m 4
Biegesteifigkeit des Prototyps: EI P = EI Gleis = 12,8 MNm 2
Aus Gleichung (2) ergibt sich für die Biegesteifigkeit des Modelles:
EI M = 1,31*10 -6 MNm 2
Mit einem E-Modul von 4100 MN/m² wird das Trägheitsmoment der Modellfahrbahn
I M = 3,20*10 -10 m 4
Aus den Gleichungen (3) und (4) läßt sich für das Modell der Schotterfahrbahn folgende
Dicke der Spanplatte errechnen:
d M = 3,4 mm
Verwendet wird in den folgenden Versuchen aus Gründen der Verfügbarkeit eine
Spanplatte mit 3 mm Dicke
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2.1.2 Dimensionierung der Belastungen
Als Grundlage für die Dimensionierung wird der Lastfall ICE verwendet. Jeweils 2
Achsbelastungen werden zusammengefaßt und als eine einzelne Radlast im Modell
dargestellt.
Lastannahme:
Lastbild UIC 71:
4 * k dyn * 250 kN
Bei Modellversuchen mit Schotteroberbau gilt nach Jaup [5]:
k dyn = 2,0
P
P = P
M
128N
λ = 3
Belastung für 2 Rollenpaare: 256 N
Diese Belastung erwies sich als zu groß, die Annahme, alle 4 Belastungen der Achsen
eines Waggons auf eine Achse zu bringen, ist falsch.
Versuch 2:
P P = 2 * 2 * 200 kN = 800 kN
P
P = P
M
51N
λ = 3
Belastung für 2 Rollenpaare: 102 N
Gewählt (da entsprechende Gewichte vorhanden): 96 N
2.2 Versuchsrandbedingungen
Die Versuche wurden in einem Metallfaß mit einem Stahlrahmen durchgeführt, welches
eigentlich zur Simulation von Lastplattendruckversuchen verwendet wird.
Abmessungen des Metallfasses:
Höhe:
59,2 cm
Innendurchmesser: 78,5 cm
Abmessungen des Rahmens:
Lichte Höhe: 112 cm
Lichte Breite: 90 cm
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Bild 2.1:
Ansicht Tonne mit Rahmen
Die Pfähle wurden mittels in einer Spanplatte mit Dicke d= 20mm eingebrachte
Bohrungen fixiert.
Bild 2.2:
Ansicht Tonne mit Pfahlraster
2.3 Versuchsanordnung
2.3.1 Verwendete Materialien
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Tragelemente:
Für die Säulen wurde Rundholz aus Nadelholz (Fichte) mit einem Durchmesser von 20 mm
verwendet.
Bei Nadelhölzer liegt der E-Modul parallel zur Faser etwa bei 10000 MN/m²
Weichschicht:
Für die Weichschicht wurde ein mittel bis mäßig zersetzter Hochmoortorf (H2 bis H5 nach
DIN 18196) verwendet, und zwar in Form von handelsüblichem Gartentorf, wie er im
Baumarkt erhältlich ist.
Tabelle 2.1:
Bodenmechanische Kenngrößen des Versuchstorfes:
Steifemodul bei σ`100 kN/m²
0,82 MN/m²
Wassergehalt w ≈ 300 %
Einbauwichte
γ = 4 kN/m³
Diese Materialkennwerte wurden durch Laborversuche ermittelt. Die genauen
Versuchsbeschreibungen und Messergebnisse finden sich im Anhang.
Um die Einbauwichte von 4 kN/m³ zu erhalten, wurde der Torf locker eingebaut und mit
einer Auflast von 1,5 kN/m² über einen Zeitraum von 24 Stunden vorkonsolidiert.
Diese Vorkonsolidierung wurde durch eine Auflast von 15 cm Wasser erreicht. Auf den
Torf wurde eine runde Platte aus Mehrschichtholz aufgelegt, die wenig Spiel zur
Tonnenwand hat und sich daher reibungsfrei setzen kann. Auf diese Platte wurden zwei
Lagen PE-Folie in die Tonne eingelegt, um Wasserundurchlässigkeit zu gewährleisten. In
dieses Becken wurden dann die 15 cm Wasser eingelassen, wobei während des Einlaufens
die horizontale Ausrichtung der Platte mittels einer Wasserwaage kontrolliert wurde.
Diese Vorkonsolidierung wurde auch bei Versuch 7 bei eingebauten Säulen angewendet.
Hierbei konnte jedoch nur eine Einbauwichte von 2,9 kN/m³ erzielt werden. Dies wurde
jedoch erst nach außergewöhnlich hohen Setzungen und nachträglich bestimmter
Einbauwichte herausgefunden.
Bei allen nachträglichen Versuche wurde das Gewicht der eingebauten Torfmenge über
das Volumen rechnerisch ermittelt. Der Torf wurde dann in drei Lagen eingebaut und
lagenweise verdichtet, um eine konstante Einbauwichte zu erzielen.
Um auch die Verdichtung zwischen den Säulen zu gewährleisten, wurde der Torf
segmentweise mit einer Platte eingebaut, die Bohrungen an den selben Stellen wie die
Säulen aufweist, nur mit einem Durchmesser von 30 mm gebohrt, um kleine
Fehlstellungen der Säulen, die sich nicht vermeiden lassen, auszugleichen.
Lastverteilungsschicht:
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Für die Tragschicht wurde ein an der FH Regensburg vorhandener Estrichsand verwendet.
Kornfraktionen größer als 2 mm wurden ausgesiebt, und die Feinanteile

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Um einen definierten und reproduzierbaren Sandeinbau zu gewährleisten, wurde ein
Flächenregner nach Zaeske gebaut. Diese Anlage besteht aus zwei mitteldichten
Faserplatten, die mit Bohrungen mit Durchmesser D = 5 mm versehen sind. Das Raster
der Bohrungen wurde so gestaltet, dass sich ein Verhältnis Lochquerschnitt A 1 zu
Gesamtquerschnitt A ges von 0,08 einstellt.
Die beiden Platten sind untereinander verschieblich, und die Löcher wurden gleichzeitig bei
beiden Plattten gebohrt, um ein störungsfreies Rieseln sowie ein Schließen der Platten zu
ermöglichen.
Bild 2.4:
Ansicht Flächenregner
Die Rieselhöhe der Anlage ist in Schritten von 2,5 cm verstellbar, um sie beim Sandeinbau
relativ konstant halten zu können. Bei diesen Versuchen wurde mit einer Rieselhöhe von 50
cm gearbeitet.
Die 6 cm starke Schicht wurde in 2 Schritten eingerieselt.
Um den Sand komplett rieseln zu können, wurde die Anlage mithilfe eines Siebrüttlers in
Vibrationen versetzt.
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Bild 2.5:
Flächenregner in Betrieb
Mit diesen Parametern erhält man die in Tabelle 2.2 angegebene Einbaudichte, welche
auch im Versuch ermittelt wurde.
Um die Einbaudichte zu bestimmen, wurden 4 Ausstechzylinder mit der auch im Versuch
verwendeten Fallhöhe eingerieselt. Das Volumen der Zylinder war bekannt, durch Wiegen
der Sandmenge konnte die Lagerungsdichte errechnet werden.
Fahrbahn
Für die Fahrbahn wurde eine dichte Holzfaserplatte verwendet.
Der Biege-Modul der Fahrbahn wurde ebenfalls experimentell im Versuch ermittelt.
Hierzu wurde ein definierter Querschnitt als drehbar gelagerter Einfeldträger mit
verschiedenen Einzellasten in Feldmitte belastet und die auftretende Durchbiegung f
gemessen.
Versuchsdurchführung:
Es wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt, mit Spannweiten von 81,4 und 48,4 cm.
Abmessungen des verwendeten Querschnitts: h = 3,0 mm
b = 29,8 mm
Trägheitsmoment I:
3
b ⋅ h
I = = 0,00669cm
12
4
Ergebnisse Versuch 1 (l = 81,4 cm):
Belastung:[g] Last [N] f [cm] f/l E-Modul [MN/m²]
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0 0 0
2,21 0,0221 0,095 0,00117 3905
4,24 0,0424 0,145 0,00178 4909
6,35 0,0635 0,2 0,00246 5330
8,48 0,0848 0,275 0,00338 5176
10,61 0,1061 0,305 0,00375 5840
Ergebnisse Versuch 2 (l= 48,4 cm):
Belastung:[g] Last [N] f [cm] f/l E-Modul [MN/m²]
0 0
2,11 0,0211 0,02 0,00672 3723
4,23 0,0423 0,04 0,01345 3732
6,34 0,0634 0,055 0,01849 4068
8,47 0,0847 0,065 0,02185 4598
Der Biegemodul ist sehr stark von den auftretenden Verformungen und der
Versuchsgeometrie abhängig. Bei den Berechnungen der Biegesteifigkeit wird deshalb der
Tabellenwert von 4100 MN/m² verwendet.
Modellschotter
Als Schotter wurde Vitakraft Aqua-Deco Bodengrund verwendet, ein Glanzkies mit einer
Korngröße von 1,4 bis 2,8 mm.
Genauere Parameter liegen leider nicht vor, aber aufgrund der Erfahrungen und der
während der Versuchsdurchführung veränderten Versuchsanordnung sind diese nicht
relevant.
Einbau des Modellschotters
Die Schotterschicht wurde in einer Breite von 14 und einer Höhe von 2 cm eingebaut. Als
Schablonen dienten zwei Ringe Holzweichfaserplatten mit einer Stärke von 12 mm, jeweils
als Außen- und Innenring. Die Stärke von 2 cm wurde durch einen Blechstreifen erreicht,
der ringsum an die Ringe geschraubt wurde.
Beim Einbau wurde der Schotter lose eingerieselt und mit einem Stahllineal plan
abgezogen.
Vlies zur Bewehrung der Sandschicht
Als Bewehrungsmaterial wurde ein Teichvlies der Firma Heissner mit der
Artikelbezeichnung TF 925-00 verwendet.
Produktdaten Polyestervlies mit Bändchengewebe:
Gewicht / qm [g/qm]: 500 ± 6%
Reissfestigkeit [N] quer: 850
Längs: 850
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Dehnung [%] quer: min. 15
Längs: min. 15
Genauere Auskünfte über Material und Kennwerte waren leider nicht möglich.
Einbau des Vlies
Das Vlies wurde so zugeschnitten, daß die Bodenfläche komplett bedeckt war und beim
Umschlagen keine Überschneidungen auftreten.
Das Vlies wurde auf die Weichschicht gelegt, die Ränder, welche später umgeschlagen
wurden, an der Tonne so fixiert, daß der Sand ungehindert einrieseln konnte. Nach dem
ersten Rieselvorgang (entspricht einer Schichtdicke von 3 cm) wurden die Ecken
eingeschlagen und die zweite Schicht aufgerieselt.
Bild 2.6: Vlieseinbau Arbeitsschritt 1
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Bild 2.7: Vlieseinbau Arbeitsschritt 2
2.3.2 Anordung der Pfähle
Es wurden vier Säulenreihen mit je 32 Säulen kreisförmig angeordnet, und zwar mit den
Radien 19, 25, 31 und 37 cm. So ergibt sich bei den mittleren beiden Reihen ein fast
quadratisches Raster mit einem Pfahlabstand von 6 cm.
Über diesen beiden Reihen wurde die Fahrbahn gelegt.
Bild 2.8: Grundsystem für die Modellversuche
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Bestimmung der Säulenfläche in Bezug zur anteiligen Bodenfläche:
Säulendurchmesser D s :
20 mm
Säulenfläche A s :
314 mm²
Zugehörige Bodenfläche A 0 : 3300 mm²
Verhältnis A S / A 0 : 0,095
2.4 Durchgeführte Messungen
Um die bodenmechanischen Vorgänge während der Versuchsdurchführung beurteilen zu
können, wurden Setzungsmessungen an der Grenzschicht zwischen Sand und Torf und an
der Fahrbahnoberkante durchgeführt.
2.4.1 Messungen an der Grenzschicht Torf / Sand
Die Messungen an der Grenzschicht wurden durch Messgeber ermöglicht, die mittels eines
Metallrohres ∅ 6mm durch die Torfschicht durchgeführt werden und somit reibungsfreie
Messungen erlauben. Diese Rohre werden mit einem Lattenrichter in vertikale Lage
ausgerichtet.
Bild 2.9:
Ausrichtung der Leerrohre der Messgeber
Die Messgeber bestehen aus Stahldraht D = 3,0 mm. An ihrem oberen Ende wurde ein
Gewinde geschnitten, um mithilfe zweier Schraubenmuttern eine Beilagscheibe D = 7,4
mm anbringen zu können. Diese Scheiben nehmen die Bewegungen des Torfes auf und
geben sie an den Draht weiter.
Am anderen Ende des Drahtes, auf der Unterseite der Tonne, befindet sich eine Nonius –
Skala, die einer Zentimeterskala gegenüber liegt. So lassen sich die Bewegungen in der
Grenzschicht auf Zehntel Millimeter ablesen.
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Bild 2.10:
Messgeber an der Grenzschicht Torf / Sand
Bild 2.11:
Messgeber mit Nonius- und Zentimeterskala
2.4.3 Messungen an der Fahrbahnoberkante
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Um die Gesamtsetzungen der Fahrbahn messen zu können, wurde ein Messuhrhalter
gebaut, der am Tonnenrand eingehängt wird und somit immer die relative Höhe zum
Tonnenrand mißt.
Durch eine Nullmessung zu Beginn der Überfahrten können die Setzungen der Fahrbahn
errechnet werden.
Für die Messungen selbst wurde eine mechanische Messuhr mit einem Messbereich von 0
bis 30 mm und einer 0,01 mm Ablesung verwendet.
Diese Uhr übte den geringsten Druck bei den Messungen auf die Fahrbahn aus, verglichen
mit den anderen (auch digitalen) Messuhren, welche im Grundbaulabor vorhanden sind.
Bild 2.12:
Messung an der Fahrbahnoberkante
2.5 Achse und Antrieb
Abmessungen der Nachlaufrollen:
Durchmesser: 50 mm
Radbreite: 18 mm
Der Abstand der Radmitten beträgt 60 mm, und die Rollen wurden so an der Achse
angebracht, daß sie genau auf den beiden mittleren Säulenreihen laufen.
Die innere Rolle besitzt somit einen Fahrradius von 25 cm, die äußere von 31 cm.
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Bild 2.13:
Detailaufnahme Rollen
Abmessung der Querachse
Die Achse wurde aus einem quadratischen Vollquerschnitt aus Stahl mit einer Kantenlänge
von 13 mm hergestellt.
Die Gesamtlänge der Achse beträgt 71 cm.
Antriebsachse
Die Querachse wurde als Pendelachse an ein vertikales Rohr mit einem Innendurchmesser
D i = 17,5 mm und einem Außendurchmesser D a = 21 mm befestigt, um
Höhenunterschiede der Fahrbahn ausgleichen zu können. Dieses Rohr dreht sich um eine
starre vertikale Achse mit einem Durchmesser D = 16 mm.
Um die Unterschiede im Durchmesser von Rohr und Achse auszugleichen, wurden in das
Rohr Hülsen aus Blech mit einer Dicke von 0,75 mm eingesetzt, um einen ruhigen und
stabilen Lauf zu gewährleisten.
An die Achse wurde am oberen Ende ein Außengewinde M12 geschnitten, in die Platte am
Querholm ein Innengewinde selber Größe, um die Achse dort zu befestigen.
Diese Platte ist durch vier Schrauben am Querholm gehalten.
Um einen reibungsarmen Lauf zu ermöglichen und um Behinderungen in vertikaler
Richtung zu vermeiden, was eine Verfälschung der Setzungen zur Folge hätte, wurde in
regelmäßigen Abständen zur Schmierung ein Vaselinespray auf die Achse und in das Rohr
aufgebracht.
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Bild 2.14:
Antrieb der Pendelachse
Um das Rohr anzutreiben, wurde ein Flacheisen mit den Abmessungen 5 * 35 mm und
einer Länge von 14 cm an das Rohr angeschweißt, damit die Mitnehmer, die aus
Gewindestangen M 8 bestehen und am Zahnrad angeschraubt sind, das Rohr und damit
auch die Pendelachse in Drehung versetzen können.
Kraftübertragung und Motor
Zum Antrieb wurden die Zahnräder, der Zahnriemen und der Motor aus dem Scherversuch
ausgebaut und in die Versuchsanlage integriert.
Motordaten:
Drehstrommotor
Leistung: 0,37 kW
Fest angebautes stufenloses Getriebe mit einem Drehzahlbereich von 0 – 60 U/min
Der Motor wurde auf einem Stahlrahmentisch fest montiert.
Das Übersetzungsverhältnis von Motor zur Achse ist 2 zu 1.
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Bild 2.15:
Motor und Antrieb
Zählwerk
Um die Umdrehungen mitzählen zu können, wurde ein Zählgerät der Atterbergschen
Versuche mit dem Motor mittels Scheibenräder und Gummiring übertragen. Die
Übersetzung beträgt 1 zu 1, somit werden, da die Übersetzung Motor zu Antrieb 2 zu 1 ist,
genau die Überläufe über einen Punkt der Fahrbahn gezählt.
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Bild 2.16:
Zählwerk
2.6 Ergebnisse der Versuche 1
Bereits vor den eigentlichen Versuchen wurde ein kurzer Test unternommen, ob es möglich
wäre, mit den Rädern direkt auf dem Sand zu fahren. Da die Räder innerhalb weniger
Umdrehungen bei sehr geringer Last (Achse ohne Gewichte) sehr weit eingesunken sind
und der Fahrwiderstand sehr groß geworden ist, wurde diese Idee fallengelassen, da
außerdem Messungen der Fahrbahnoberkante bei dieser Versuchsdurchführung sehr
schwer möglich gewesen wären.
2.6.1 Versuch 1
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Torf, 30 cm stark, 24 h vorkonsolidiert
Sand, 6 cm stark
2 cm stark, 14 cm breit
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
14,5 kg
1
Die einzelnen Ablesungen der einzelnen Versuche finden sich im Anhang
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Frequenz:
0,5 Hz
Bei diesem ersten Versuch wurde schon nach den ersten Überfahrten deutlich, daß keine
hohe Anzahl an Überfahrten gefahren werden kann, da sich schon nach wenigen
Umdrehungen massive Setzungen einstellten. So mußte die Fahrbahn nach 100
Umdrehungen schon von Schotterteilchen gereinigt werden, da die Setzungen soweit
fortgeschritten waren, daß diese auf die Fahrbahn rieseln konnten.
Sowohl die Schotterfahrbahn wie auch die Lastverteilungsschicht waren an den Setzungen
beteiligt. Die Schotterteilchen wurden zu großem Teil nach außen gedrückt und auch
teilweise in den Sand hineingedrückt.
Um dieses Phänomen zu dokumentieren, wurde eine Glasscheibe durch die Schotter- und
Lastverteilungsschicht durchgedrückt, auf einer Seite das Material entfernt und
photographiert.
Als Teilursache für dieses Versagen der Schotterschicht wurde ein fehlender Verbund
zwischen Fahrbahn und Schotterschicht verantwortlich gemacht, da die dichte Faserplatte
eine sehr glatte Unterseite hat, im Vergleich zum Verbund Schwelle – Schotter beim echten
Gleis. Um die glatte Unterseite auszugleichen wurde sie mit Klebstoff bestrichen und mit
Schotterteilchen bestreut, um so einen besseren Verbund zwischen Fahrbahn und
Schotterschicht zu schaffen.
Bild 2.17:
Setzungen in Schotter und Sand
Es konnte bei diesem Versuch jedoch sehr gut die Wechselwirkung zwischen Belastung und
Setzung in der Weichschicht beobachtet werden. An den unteren Messgebern konnte die
Überfahrt und die zum großen Teil elastische Verformung des Torfes beobachtet werden.
Die Messgeber zeigten bei Überfahrt einer Achse eine Verformung bis zu 0,8 bis 1,0 mm
an, die jedoch bei Entlastung wieder zurückging.
Nach Absprache mit Professor Neidhart wurde das Gesamtgewicht der Achse von 14,5
auf 9,6 kg bei Versuch 2 gesenkt.
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Modellversuche zu aufgeständerten Fahrbahnen
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2.6.2 Versuch 2
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
Torf, 30 cm stark
Sand, 6 cm stark
2 cm stark, 14 cm breit
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Nach Versuch 1 wurde die Torfschicht nicht mehr ausgebaut, da wenig Überfahrten
stattfanden und somit wenig Setzungen im Torf auftraten.
Es wurde nur die Sand- und die Schotterschicht mit der Fahrbahn neu eingebaut. In dieser
Versuchsanordung wurde auch getestet, ob ein besserer Verbund zwischen Fahrbahn und
Schotter zu weniger Setzungen im Schotter führt. Dies war jedoch nicht der Fall. Die
Setzungen waren ähnlich, nur jedoch aufgrund der geringeren Belastungen weniger stark.
Auch bei diesem Versuch stellten sich sehr schnell hohe Setzungen ein, wieder rieselte
Sand auf die Fahrbahn. Wurden Sandkörner auf der Fahrbahn von den Achsen
überfahren, führte dies durch die starken Erschütterungen zu noch stärkeren Setzungen.
Auch in diesem Versuch konnte die elastische Verformung des Torfes an den Messgebern
beobachtet werden. Die Größenordnung der Verformung lag im gleichem Bereich wie bei
Versuch 1.
2.6.3 Versuch 3
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
Torf, 30 cm stark
Sand, 9 cm stark
2 cm stark, 14 cm breit
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Bei Versuch 3 wurde durch eine Erhöhung der Schichtdicke von 6 auf 9 cm getestet, ob
bei einer dickeren Sandschicht die Setzungen geringer ausfallen und die unerwartet hohen
Setzungen einen Versagensmechanismus der Lastverteilungsschicht darstellen. Da die
Setzungen bei einer 9 cm dicken Sandschicht jedoch nur wenig geringer ausfallen und bei
der logarithmischen Skalierung ebenso eine fallende Kurve darstellen, liegt das Problem
wo anders.
Deshalb wurde in den nächsten Versuchen das Setzungsverhalten der Schotter- und der
Sandschicht untersucht.
Wiederum konnte die elastische Verformung der Weichschicht beobachtet werden, und die
Größenordnung lag wie bei den ersten beiden Versuchen.
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Setzungen der Fahrbahn
Setzungen [mm]
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000
Versuch 1
Versuch 2
Versuch 3
Bild 2.18:
Vergleich der Setzungen der Fahrbahn
Setzungen an der Grenzschicht Torf / Sand
0,0
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000
Setzungen [mm]
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Versuch 1
Versuch 2
Versuch 3
Bild 2.19:
Vergleich der Setzungen an der Grenzschicht Torf – Sand
2.6.4 Versuch 4
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
keine Weichschicht, Sperrholzplatte auf Säulen
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Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
Sand, 6 cm stark
2 cm stark, 14 cm breit
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Um nur das Verhalten der Sand- und Schotterschicht beurteilen zu können, wurde bei
Versuch 4 und 5 die Weichschicht durch eine starre Sperrholzplatte, welche auf die Säulen
aufgeständert wurde, ersetzt.
Auch bei diesem Versuch trat das Problem der massiven Setzungen der Fahrbahn auf.
Wieder konnten keine hohen Umdrehungszahlen gefahren werden, da wieder
Schotterteilchen auf die Fahrbahn rieselten und so den Betrieb störten.
Aus diesem Grunde wurde beim nächsten Versuch auf das Schotterband verzichtet.
2.6.5 Versuch 5
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
keine Weichschicht, Sperrholzplatte auf Säulen
Sand, 6 cm stark
kein Schotterband
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Bei diesem Versuch wurde nur das Verhalten der Sandschicht untersucht.
Auch hier stellten sich große Setzungen ein.
Um zu aussagekräftigen Schlußfolgerungen zu kommen, werden die Setzungen in der
Sandschicht bei den Versuchen 2, 4 und 5 verglichen.
Im untenstehenden Diagramm wurden bei Versuch 2 die Setzungen in der Torfschicht von
den Setzungen der Fahrbahn abgezogen, um so einen Vergleich mit den anderen
Versuchen zu haben. Die höheren Setzungen bei Versuch 2, obwohl die Setzungen der
Weichschicht abgezogen wurden, liegen an den elastischen Verformungen der
Weichschicht. Durch diese zyklischen Setzungen und Hebungen treten Kornverschiebungen
im Sandgefüge auf, die zu größeren dauerhaften Setzungen führen, da die elastische
Verformung der Weichschicht nicht durch die Sandschicht ausgeglichen werden kann, da
sie kein elastisches Materialverhalten besitzt.
Die unterschiedlichen Setzungen bei den Versuchen 4 und begründen sich durch die
zusätzlichen Setzungen, welche die Schotterschicht verursacht.
Bei Versuch 4 traten in etwa genau doppelt so hohe Setzungen auf wie bei Versuch 5,
obwohl die Schichtdicke mit 80 statt 60 mm nur um 20 mm stärker ist.
Das heißt, daß fast 50 % der Setzungen bei Versuch 4 in der Schotterschicht auftraten.
Aufgrund der komplexen Vorgänge in der Sand- und Schotterschicht lassen sich die
Ergebnisse von Versuch 2 nicht mit denen von den Versuchen 4 und 5 vergleichen.
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Um bei weiteren Versuchen bessere Aussagen und auch Vergleiche machen zu können,
wurde in den weiteren Versuchen auf die Schotterschicht verzichtet.
Setzungen in der Sandschicht
Setzungen [mm]
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000 10000
Versuch 2
Versuch 4
Versuch 5
Bild 2.20: Vergleich der Setzungen in der Sandschicht bei den Versuchen 2, 4 und 5
2.6.6 Versuch 6
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
Torf, 30 cm stark
Sand, 6 cm stark
kein Schotterband
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Bei Versuch 6 traten in etwa die zu erwartenden Setzungen auf.
Auswertung dieses Versuches weiter unten gemeinsam mit den Versuchen 8 bis 11
2.6.7 Versuch 7
Der Torfeinbau bei Versuch 7 geschah analog zu Versuch 6. Bei der Versuchsdurchführung
traten jedoch unerwartet hohe Setzungen ein. Nachträgliche Bestimmung der Einbaudichte
ergab einen Wert von 0,29 g/cm³ bei Versuch 7 im Vergleich zu einer Einbaudichte von
0,40 g/cm³ bei den Versuchen davor.
Dies führte zu einer geänderten Einbauart, welche in Punkt 2.3.1 beschrieben wird.
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Nach dem Ausbau der Sandschicht konnten die Setzungen im Sand sehr gut beobachtet
werden. Sie waren so groß, daß es unmöglich war, einen Tragmechanismus in der
Lastverteilungsschicht aufzubauen.
Bild 2.21: Setzungen im Torf bei Versuch 7
2.6.8 Versuch 8 und 9
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
Torf, 30 cm stark, stabilisiert mit Säulen
Sand, 6 cm stark
kein Schotterband
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Bei diesen Versuchen wurde der Torf mit einer bestimmten Einbaudichte von 0,4 g/cm³
eingebaut, die auch in den Versuchen 1 bis 6 verwendet wurde.
Schon während des Einbaus konnte mit der Hand ein weitaus höherer Eindringwiderstand
des Torfes festgestellt werden. Dementsprechend vielen auch die Setzungen viel geringer
aus als bei Versuch 7.
Auch bei diesen Versuchen konnte die Wechselwirkung zwischen Belastung und Setzung in
der Weichschicht beobachtet werden. Die elastische Verformung ging jedoch in Vergleich
zu den Versuchen ohne Säulen, bei denen eine elastische Verformung von bis zu knapp
einen mm auftrat, auf etwa 0,5 bis 0,7 mm zurück.
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2.6.9 Versuch 10 und 11
Versuchsanordnung:
Weichschicht:
Lastverteilungsschicht:
Schotterband:
Fahrbahn:
Gesamtgewicht Achse:
Frequenz:
Torf, 30 cm stark, stabilisiert mit Säulen
Sand, 6 cm stark, bewehrt mit Teichvlies
kein Schotterband
Dichte Holzfaserplatte, d = 3 mm
9,6 kg
0,5 Hz
Bei diesen beiden Versuchen wurde zusätzlich zu den Säulen in der Weichschicht noch die
Sandschicht mit einem Teichvlies bewehrt.
Die Setzungen bei diesen Versuchen lagen nur unwesentlich unter denen von den
Versuchen 8 und 9.
2.7 Vergleich der Versuche 5, 6 und 8 bis 11
Von den 11 durchgeführten Versuchen bleiben nur die Versuche 5, 6 und 8 bis 11 als
aussagekräftig zurück, alle anderen dienten zur Erprobung und Erkenntnisgewinnung.
2.7.1 Vergleich der Setzungen
Setzungen der Weichschicht:
Setzungen der Weichschicht
Setzungen [mm]
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000 10000
Versuch 6
Versuch 8
Versuch 9
Versuch 10
Versuch 11
Bild 2.22:
Setzungen der Weichschicht
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In diesem Vergleich ist die stabilisierende Wirkung der eingebauten Säulen sehr gut
erkennbar.
Die zusätzliche Verbesserung durch die Bewehrung der Sandschicht mit dem Teichvlies fällt
jedoch gering aus.
Geamtsetzungen der Fahrbahn:
Gesamtsetzungen der Fahrbahn
Setzungen [mm]
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000 10000
Versuch 6
Versuch 8
Versuch 9
Versuch 10
Versuch 11
Bild 2.23:
Gesamtsetzungen der Fahrbahn
Bei diesem Vergleich macht sich der Unterschied zwischen der stabilisierten und der nicht
stabilisierten Sandschicht noch weniger bemerkbar.
Um die Setzungen der Sandschicht mit Versuch 5 vergleichen zu können, wurden die
Setzungen im Torf von den Gesamtsetzungen abgezogen.
Setzungen in der Sandschicht:
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Setzungen in der Sandschicht
Setzungen [mm]
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000 10000
Versuch 5
Versuch 6
Versuch 8
Versuch 9
Versuch 10
Versuch 11
Bild 2.24:
Setzungen in der Sandschicht
Um weitere Aussagen über die aufgetretenen Setzungen zu machen, werden die Setzungen
der Versuche 6 und 8 bis 11 auf Versuch 5 normiert.
Hierbei werden die Gesamtsetzungen der einzelnen Versuche durch die Setzungen von
Versuch 5 geteilt.
Zusammenstellung der Gesamtsetzungen der Versuche
Versuch Nr.: 5 6 8 9 10 11
Umdrehungen
Setzungen [mm]
1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
20 0,57 3,44 1,04 1,12 1,20 1,24
40 0,74 4,34 1,59 1,57 1,44 1,86
100 1,25 5,50 2,10 2,24 2,20 2,35
200 1,77 7,03 2,91 2,89 2,78 2,94
400 2,40 8,51 4,16 3,65 3,51 3,57
1000 3,03 10,70 5,30 4,89 4,60 4,56
2000 3,45 6,66 5,91 5,66 5,71
Werte der normierten Setzungen
Versuch Nr.: 5 6 8 9 10 11
Umdrehungen Normierte Setzungen [-]
1 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
20 1,00 6,00 1,82 1,96 2,10 2,16
40 1,00 5,89 2,16 2,12 1,95 2,53
100 1,00 4,41 1,69 1,80 1,76 1,89
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200 1,00 3,97 1,65 1,64 1,57 1,66
400 1,00 3,55 1,73 1,52 1,46 1,49
1000 1,00 3,53 1,75 1,61 1,52 1,50
2000 1,00 1,93 1,71 1,64 1,65
Zusammenstellung der normierten Setzungen:
Normierte Setzungen [-]
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
Vergleich der normierten Setzungen
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000 10000
Versuch 5
Versuch 6
Versuch 8
Versuch 9
Versuch 10
Versuch 11
Bild 2.25:
Normierte Setzungen
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3. Zusammenfassung der Ergebnisse
Da Versuche mit Überfahrten auf Lastverteilungsschichten über Weichschichten bisher
noch nicht durchgeführt worden sind, ist diese Arbeit als Vorarbeit zu sehen, um weitere
Versuche optimieren zu können.
Aus verschiedenen Gründen konnten aus diesen Versuchen nur wenig konkrete
Schlußfolgerungen gezogen werden.
Diese Gründe sind:
- Verwendeter Sand der Lastverteilungsschicht für diese Aufgabe nicht geeignet. Schon
nach wenigen Umdrehungen waren massive Setzungen aufgetreten, die ein Fortfahren der
Versuche nicht ermöglichte, da Sand- und Schotterteilchen auf die Fahrbahn gelangten.
Diese Teilchen führten beim Überfahren mit den Rollen zu starken Erschütterungen und zu
dynamischen Belastungen, welche zu noch größeren Setzungen führten.
Ein Indiz für die geringe Tragfähigkeit in diesen Versuchen ist der geringe CBR – Index von
durchschnittlich 9,3 %, der aus Laborversuchen gewonnen wurde.
Die Ursache für diese geringe Tragfähigkeit liegt in der enggestuften Körnung des Sandes
und dem völligen Fehlen von Feinstanteilen.
Dieser Sand wirkt wie eine Anhäufung von lauter gleich großen Kugeln, die keine
Verbindung untereinander haben. Dies zeigt sich auch in der sehr geringen
Verdichtungsfähigkeit I f = 0,0211.
Um ausschließen zu können, daß in der Sandschicht ein Grundbruch aufgetreten ist, wird
die minimale Streifenbreite berechnet, welche die Fahrbahn bei 10 cm Fahrbahnbreite
benötigt, um einen Grundbruch zu vermeiden
Berechnung der Grundbruchlast:
V
b
= b ⋅ a ⋅
( c ⋅ N
c
⋅ν
c
+ γ
1
⋅ d ⋅ N
d
⋅ν
d
+ γ
2
⋅ b ⋅ N
b b
⋅ν
)
Für unseren Fall ohne Kohäsion und einer ebenflächigen Auflage gilt:
c = 0
d = 0
Die Grundbruchlast berechnet sich in unserem Falle deshalb nach folgender Formel:
V
b
= b ⋅ a ⋅γ
2
⋅ b ⋅ N b
⋅ν
b
Für ϕ = 38,5° ergeben sich folgende Tragfähigkeitsbeiwerte:
N C : 64,502
N D : 52,307
N B : 40,812
Formbeiwert ν b = 1-0,3*b/a = 0,94
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Wichte des Bodens unterhalb der Gründungssohle:
1,78 g/cm³ entspricht 17,8 kN/m³
Das Gewicht, welches pro Rollenpaar einwirkt, wird als Grundbruchlast V b betrachtet.
V b = 48 N
Minimale Breite des Streifens, um Grundbruch zu vermeiden:
Vb
amin
=
2
b ⋅γ 2
⋅ N
b
⋅ν
b
a min = 7 mm
Es kann davon ausgegangen werden, daß bei dem für die Fahrbahn verwendeten Material
mit seinen Biegemodul von 4100 kN/m² eine Lasteinwirkungsbreite von 7 mm erreicht
wird. Deshalb ist Grundbruch nicht der Auslöser für die massiven Setzungen in der
Sandschicht.
Durch die größtenteils elastische Bewegung des Torfes in der Weichschicht und den
dadurch resultierenden zyklischen Verformungen kam es in der Sandschicht zu einer
seitlichen Verdrängung des Sandes unter der Fahrbahn und somit zu einer sehr
ausgeprägten Setzungsmulde. Dies konnte bei den Versuchen gut beobachtet werden.
Leider gelang mir keine befriedigende Photographie dieses Phänomens, da mit Blitz
photographiert werden mußte, der Blitz jedoch sehr nah am Objektiv befestigt war und
somit kein Schatten auftrat, der von der Kamera aufgenommen werden konnte.
Der Sand versagt somit in seiner Aufgabe als Lastverteilungsschicht. Dies ist auch aus den
Beobachtungen aus Versuch 7 erkenntlich, bei welchem die Torfschicht mit einer Dichte
von 0.29 g/cm³ eingebaut wurde. Es traten sehr große Setzungen in der Torfschicht auf,
deshalb wurde der Versuch auch vorzeitig abgebrochen. Nach dem Ausbau des Torfes
konnte beobachtet werden, daß der Torf auch direkt an den Säulen die gleichen
Setzungen aufwies wie in der Mitte der Felder.
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Bild 3.1: Setzungen der Torfschicht bei Versuch 7
- Der in den ersten Versuchen verwendete Schotter ist ebenfalls für diese Art von Versuchen
ungeeignet.
Dies zeigt sich vor allem beim Vergleich zwischen Versuch 4 und Versuch 5. Beide
Versuche fanden ohne Weichschicht auf der aufgeständerten Sperrholzplatte statt, Versuch
4 mit Schotterschicht und Versuch 5 ohne.
Bei Versuch 4 liegen die Setzungen im Schnitt etwa doppelt so hoch, obwohl die
Mächtigkeit der gesamten Schicht nur um 2 cm größer ist als bei Versuch 5.
Auch bei den Versuchen davor konnte festgestellt werden, daß sehr große Setzungen in der
Schotterschicht auftraten.
Auch um Aussagen über das Materialverhalten machen zu können, ist eine mehrschichtige
Lastverteilungsschicht ungünstig. Aus diesen Gründen wurden nachfolgende Versuche
ohne Schotterschicht durchgeführt.
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Setzungen in der Sandschicht
Setzungen [mm]
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
Anzahl der Umdrehungen [-]
1 10 100 1000 10000
Versuch 2
Versuch 4
Versuch 5
Bild 3.2: Vergleich der Setzungen bei den Versuche 2, 4 und 5
- Die technischen Ausrüstungen und Möglichkeiten dieser Diplomarbeit waren teilweise
begrenzt. Es mußte viel improvisiert werden, zum Beispiel mit den Messgebern, deren
Ablesegenauigkeit auf 0,1 mm begrenzt war. Erddrucksensoren in dem benötigten
Messbereich sind auch nicht zur Verfügung gestanden.
- Der Maßstab mit λ = 25 wurde zu groß gewählt, und somit lagen die auftretenden
Setzungen und Verformungen in einem sehr kleinen Größenbereich, was eine genaue
Analyse erschwert hat, da versuchs- und materialbedingte Schwankungen im Vergleich zu
den Ablesungen sehr groß waren, vor allem bei den Setzungen der Torfschicht, bei denen
die Veränderungen im 0,1 mm Bereich lagen, was auch die maximale Genauigkeit der
Ablesung war.
Vor allem da aufgrund der Sandeigenschaften nur wenig Überfahrten gemacht werden
konnten, ist der Unterschied zwischen bewehrter und unbewehrter Sandschicht nur in
einem Größenordnungsbereich von 0,9 mm.
- Versuche mit vorgespannter Bewehrung der Sandschicht sind technisch mit den Mitteln,
welche an der FH Regensburg vorhanden sind, sehr schwer zu realisieren, da vor allem bei
einem kreisförmigen Versuchsaufbau eine konstante Vorspannung schwer einzustellen ist
und auch der Wert dieser Vorspannung nur äußerst schwer festzustellen ist. Auch nach
längeren Überlegungen ist mir keine Vorrichtung eingefallen, mit welcher so etwas
durchzuführen wäre.
Trotz dieser ungünstigen Randbedingungen konnten aussagekräftige Beobachtungen
gemacht werden.
So konnte eine die Verbesserung der Trageigenschaft von Torf durch eine Stabilisierung
mit Säulen quantitativ nachgewiesen werden.
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Bei diesen Ausführungen werden allein die Setzungen in der Weichschicht betrachtet.
Vorhandenes Verhältnis A S / A 0 : 0,095
Dicke der Weichschicht: 30 cm
Mittelwerte der Setzungen in der Weichschicht nach 1000 Umdrehungen:
Weichschicht ohne Säulen, unbewehrte Sandschicht:
Weichschicht mit Säulen, unbewehrte Sandschicht:
Weichschicht mit Säulen, bewehrte Sandschicht:
5,0 mm
1,7 mm
1,4 mm
Die Verbesserung bei der bewehrten Sandschicht kann aus obengenannten Gründen
eigentlich nicht als relevant betrachtet werden.
Die Verbesserung gegenüber der nicht stabilisierten Weichschicht ist für die verbessernde
Wirkung der Säulen auffälliger, da die Sandschicht als Lastverteilungsschicht versagt.
Die Verbesserung der Tragfähigkeit liegt größtenteils an der Mantelreibung der Säulen.
Weitere Erkenntnisse können nur durch erweiterte Versuchsreihen gewonnen werden. Um
jedoch diese Reihen durchführen zu können, muß ein geeignetes Material für die
Lastverteilungsschicht gefunden werden. Nur dann können Versuche mit höheren
Überfahtszahlen gemacht werden.
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4. Danksagung
Last but not least möchte ich mich hier noch sehr herzlich bei allen diejenigen bedanken,
die mir während dieser Diplomarbeit geholfen haben.
Allen voran die Werkmeister, die mir mit Rat und Tat zur Seite gestanden haben:
Herrn Griesbeck im Grundbaulabor, für Hilfestellungen bei Versuchen und in der Werkstatt
Herrn Bräu in der Schreinerei, für unentgeltliche Materialgaben und Hilfe bei der
Schreinereibenützung
Herrn Gassner und Herrn Schmidbauer für die Leihgabe und Auslesung der
Digitalkameras
Herrn Sachse für Hilfestellungen im technischen und datenverarbeitenden Bereich
Und natürlich bei Herrn Professor Neidhart, der mit Ideen, Literatur und Problemlösungen
das ganze erst ermöglichte.
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5. Verwendete Literatur
[1]: Zaeske, D.: Zur Wirksamkeit von unbewehrten und bewehrten mineralischen
Tragschichten über pfahlartigen Gründungselementen, Schriftenreihe Geotechnik,
Universität Gh Kassel, Heft 10, 2001
[2]: Schneider, K.-J. (Herausgeber): Bautabellen für Ingenieure, 12. Auflage, Werner
[3]: Hettler, A.: Bleibende Setzungen des Schotteroberbaues. ETR –
Eisenbahntechnische Rundschau 33 (1984), H. 11, S. 847 – 852
[4]: Görtler, H.: Dimensionsanalyse, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1975
[5]: Jaup, A.: Schlußbericht zum F+E Projekt Wirksamkeit von Regelausführungen im
Hinterfüllungsbereich von Brückenwiderlagern, Universität Kassel, 1998
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