F Hydraulische Langzeitleistungsfähigkeit von Dränmatten · Fachtagung „Die sichere Deponie“,...
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Fachtagung „Die sichere Deponie“, 16. bis 17. Februar 2006 in Würzburg
F Hydraulische Langzeitleistungsfähigkeit von Dränmatten Zori Bronstein, Greven Prof. Dr.-Ing. Jochen Müller-Rochholz, Münster
Hydraulische Langzeitleistungsfähigkeit von Dränmatten • Berücksichtigung der Ergebnisse aus Laboruntersuchungen bei den
hydraulischen Nachweisen
Inhalt
1. Einleitung
2. Bemessung nach E2-20 GDA (Entwurf 2003)
3. Mechanische Einflüsse auf das Ableitvermögen
3.1 Kurzzeitverhalten
3.2 Langzeitverhalten
4. Chemische Widerstandsfähigkeit
5. Durchwurzelung
6. Zusammenfassung
7. Literatur
1
1. Einleitung
Es wurde 1999 /1/, 2000 /2/, 2001 /3/ in dieser Fachtagung grundlegend über Geo-
kunststoffdränmatten berichtet. Inzwischen sind neue Produkte auf dem Markt und die Lang-
zeit- und Laborerfahrungen deutlich gewachsen.
2. Bemessung nach E2-20 GDA (Entwurf 2003)
Bei der Bemessung eines geosynthetischen Dränelements soll nachgewiesen werden, dass
das Langzeit-Wasserableitvermögen gleich oder größer als die Eintrittswassermenge aus
der Dränspende ist.
Die Bemessung nach E2-20 GDA (Entwurf 2003) /4/ erfolgt nach Gleichung (1)
qd,A = a4321
k qDDDD
q≥
⋅⋅⋅⋅ S (1)
qd,A = Wasserableitvermögen des Dräns reduziert [l/(d·mBreite)]
qk = Wasserableitvermögen des Dräns in seiner Ebene [l/(d·mBreite)]
unter Berücksichtigung des Druckkriechens
qa = maßgeblicher spezifischer Dränabfluss [l/(d·mBreite)]
S = Sicherheitsfaktor
D1-D4 = Abminderungsfaktoren (s. Tabelle)
D1 Übertragung der Versuchsbedingungen auf die Einbaube-
dingungen (Bodenbettung) etc.
2,0
D2 Einbaubeanspruchungen 1,2
D3 Querschnittveränderungen der Dränmatte, z.B. im Bereich
von Überlappungen und bei Bauteilanschlüssen
1,2
D4 Durchwurzelungen, Verockerungen oder Bodeneinträge 1,5 bis 2,0
Auf Grund besonderer Erfahrungen und/oder produktspezifischer Nachweise können abwei-
chende Abminderungsfaktoren angesetzt werden. Geotextile Filterlagen sind nach FGSV,
2003 /5/ zu dimensionieren.
2
3. Mechanische Einflüsse auf das Ableitvermögen 3.1 Kurzzeitverhalten
In CEN ist eine Prüfnorm in Bearbeitung, mit der das Druckstauchungsverhalten von Drän-
matten erfasst wird. Hintergrund für diese Norm ist die Fragestellung: Wie kann ich Änderun-
gen an Dränmatten nach Einlagerung in Chemikalien, nach Bewitterung, nach Ofenlagerung
etc. quantifizieren? Ergebnisse einer solchen Druckbeanspruchung zwischen starren planpa-
rallelen Platten zeigen Bilder 1 und 2.
Bild 1: Kurzzeitdruckversuch: strukturierte Dränkerne (Structured random wire),
Drahtwirrlage (Not structured random wire) Geonetz (Geonet)
Bild 2: Kurzzeitdruckversuch: Noppenbahnen (cuspated film), Geonetz (Geonet)
Kurzzeitdruckversuch
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100
Dehnung [%]
Span
nung
[MPa
]
Structured randomwire typ 1 "single"
Structured randomwire typ 2 "double"
Structured randomwire typ 3
Not structured randomwire
Geonet
StrukturierteDrahtwirrlage
StrukturierteDrahtwirrlage doppelt
Drahtwirrlage Geonetz
StrukturierteDrahtwirrlageStrukturierteDrahtwirrlage
StrukturierteDrahtwirrlage doppelt
StrukturierteDrahtwirrlage doppelt
DrahtwirrlageDrahtwirrlage GeonetzGeonetzGeonetz
Geonetz
Noppenbahn
Geonetz
Noppenbahn
Kurzzeitdruckversuch
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 20 40 60 80 100Dehnung in %
Span
nung
[MPa
]
Cuspated film(PS) column
Cuspated film(cone)
Cuspated film(hemisphere)
Cuspated film(PE) Pyramide
Geonet
3
Es ist gut zu erkennen, dass zwei wesentliche Typen von Kurven zu unterscheiden sind:
monoton steigende Kurven (z.B. für Drahtwirrlagen, Geonetze, Schaumflocken) und Kurven
mit relativen Maxima (= Bruch oder Kollaps für Noppenbahnen, Zickzack-, „Eierkarton“-
Strukturen, auch strukturierte Wirrlagen). Hilfreich sind diese Kurzzeitdruckstauchungskur-
ven, um zu erkennen, ob Kriechkurven problemlos zu extrapolieren sind. Monotone Kurven
erlauben eine sichere, einfache Extrapolation, bei Kurven mit Bruch-/Kollapserscheinungen
muss die dauerhaft wirkende Belastung deutlich vom Bruchpunkt entfernt sein, da erfah-
rungsgemäß Erscheinungen wie kollabierende „Eierkartons“ im Langzeitversuch bei geringe-
ren Spannungen auftreten. Dies gilt ganz besonders bei säulenartigen Dränkernen unter
Schub-/Druckbeanspruchung.
3.2. Langzeitverhalten
Beim Langzeitverhalten wurde zunächst nur auf das Kriechverhalten des Dränkerns („Ge-
ospacer“) abgehoben. Entsprechende Kriechkurven zeigt Bild 3. Kennt man die Dicke zum
Zeitpunkt t kann das Ableitvermögen des Dräns bei dieser Dicke ermittelt werden und z. B.
als Nomogramm dargestellt werden (Bild 4).
Bild 3: Druckstauchungskurven Drahtwirrlagen
1,60
2
4
6
8
10
12
14
16
1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08 1,E+09
Zeit in h
40 kPa/1:5 20 kPa/1:5 10 kPa/1:5
Dränmatte Wirrlage beidseitig mit Vlies
y = 5,95 / x0,025 y = 7,93 / x0,037 y = 10,75 / x0,053
4
Bild 4: Nomogramm Kriechen und Ableitvermögen Q /3/
Diese Prüfung mit vorgegebener Dicke kann nur zwischen starren Druckplatten gemacht
werden, da mit dem nach Norm für die Regelprüfung vorgegebenen Schaumgummi-platten
eine Dickenbestimmung des Dräns nicht möglich ist. Die Abweichung des Ableitvermögens
bei starren Platten gegenüber der Prüfung mit Schaumgummiplatten wird bei der Berech-
nung durch den „Systembeiwert“ (D1) berücksichtigt, der häufig nicht exakt bestimmt ist. Der
wesentliche Einfluss ist hierbei die Verformung des Filters in den Abflussraum hinein und
damit die Verkleinerung des Abflussquerschnitts. Durch Versuchsreihen mit einem Dränkern
(Noppenbahn) und 7 verschiedenen Vliesstofffiltern können wir diesen Einfluss angeben
(Bild 5).
Bild 5: Einfluss der Filterverformung auf Wasserableitvermögen /6/
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1,E-02 1,E+00 1,E+02 1,E+04 1,E+06 1,E+08Zeit in h
Dic
ke in
mm
40 kPa/1:5 20 kPa/1:5 10 kPa/1:5
Dicke Wasserableitvermögen
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02
Wasserableitvermögen in m2/s
Dic
ke in
mm
i=1,0 i=0,3 i=0,1
Retained discharge at i = 0.1
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250
kPa
% r
etai
ned
Retained discharge at i = 1
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250
kPa
Drain core
Th-B 100
NP-CF 105
NP-SF 120
Th-B 136
Th-B 190
NP-CF 200
NP-SF 200
5
Hierbei wurde zunächst der Kurzzeiteinfluss geprüft. Um auch das Kriechen des Filters in
seiner Auswirkung zu quantifizieren, wurden zwei Wege gegangen:
1. Langzeitdruckbelastung der Dränmatte mit Boden (Bild 6) und anschließend Prüfung des
Wasserableitvermögens im verbliebenen Bodenkontakt unter gleicher Spannung.
Bild 6: Probe zwischen Bodenschichten im Kriechversuch
An typischen Proben wurde die Verformung des Filters unter Last ermittelt (Ausgießen mit
Kunstharz und Ausmessen an Sägeschnitten, Bilder 7a und 7b).
Bilder 7a, b: Schnittbild mechanisch und thermisch verfestigte Filtervliesstoffe unter
gleicher Druckbelastung durch Boden nach 670 Stunden
(gestrichelte Linien = Verformung des Filters)
6
2. Kriechversuche an Vliesstoffen
Um die im Bodenkontakt wirkende Membranzugspannung bei der vorliegenden Normal-
spannung für Kriechversuche abzuschätzen, wurde die im Druckkriechversuch ermittelte
Verformung des Filters in eine Zugdehnung umgerechnet und diese Zugdehnung des Filters
mit den jeweiligen Zugkraft-Dehnungslinien in eine Zugkraft umgewandelt. Mit dieser Zug-
kraft (8 % der Kurzzeitfestigkeit bei mechanisch verfestigtem Vliesstoff, 14 % bei thermisch
verfestigtem) laufen Zugkriechversuche; Ergebnisse bis 670 Stunden sind in Bild 8 darge-
stellt.
Bild 8: Kriechkurven mechanisch (SF) und thermisch (TH) verfestigte Filtervliesstoffe
(bei unterschiedlicher Belastung!)
0
5
10
15
20
25
30
35
0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0Zeit t [h]
Deh
nung
[%]
TH (14% HZK md)
SF (8% HZK md)
7
Bisherige Ergebnisse Bodenkontakt zu Regelprüfung: Die Proben, bei denen die Druckspannung über eine Bodenschicht eingeleitet wurde, sind in
den Ergebnissen praktisch identisch mit der Prüfung zwischen Schaumgummi-platten. Hier
simuliert das Versuchsmaterial einen feinkörnigen Boden sehr gut (Bild 9).
Bild 9: Vergleich Bettung Schaumgummiplatten (soft/soft)/Bodenschichten (soil/soil)
Gegenüber einer Prüfung zwischen starren Platten ändert sich das Ableitvermögen
um bis zu 80 % (Bild 5); dies ist als produktspezifische Systemabminderung einzu-
rechnen. Vorsicht auch bei Datenblättern (keine Angaben, hart/hart, hart/weich oder
weich/weich?).
4. Chemische Widerstandsfähigkeit
Dränmaterialien aus PE und PP zeigen wie die aus den gleichen Polymeren hergestellten
Geokunststoffe eine hohe Beständigkeit (bei CEN-Tests im tBU wurden Säure- und Alkalien-
beständigkeit bei 60 °C und im Ofentest die Oxidationsbeständigkeit geprüft).
0,0E+0
1,0E-3
2,0E-3
3,0E-3
4,0E-3
5,0E-3
6,0E-3
0 50 100 150 200 250Stress [kPa]
In-p
lane
wat
er fl
ow [m
²/s]
TH-B 136 soft/soft i=0,1 TH-B 136 soil/soil i=0,1
NP-CF 200 soft/soft i=0,1 NP-CF 200 soil/soil i=0,1
TH-B 136 soft/soft i=1 TH-B 136 soil/soil i=1
NP-CF 200 soft/soft i=1 NP-CF 200 soil/soil i=1
8
An den ausgegrabenen Proben nach rd. 12-jähriger Nutzungszeit wurden in der BAM Unter-
suchungen zum Antioxidantienrest gemacht, die eine weitere Lebensdauer von rd. 80 Jahren
– also in der Summe ca. 100 Jahre – bei sehr konservativen Annahmen ergaben /7/.
5. Durchwurzelung
Bei Ausgrabungen von Geotextilien (z. B. Polyestergewebe bei rückverankerter Wand aus
Betonelementen) wurden Wurzeln auf den Bewehrungslagen gefunden, Birkenwurzeln
wachsen in feuchten Mauermörtelfugen. Es findet Wurzelwachstum dort(hin) statt, wo Was-
ser verweilt. Bei polymeren Garnen gibt es z. T. eine Hydrophobie, die bewirkt, dass erst ab
einem bestimmten Wasserdruck (in früheren Arbeiten 10 – 90 mm für neue Vliesstoffe ermit-
telt) ein Wasserdurchtritt erfolgt. Dies lässt kleine Wassermengen auf der Oberfläche des
Filters stehen oder fließen und Wurzeln finden hier mehr Wasser als im Dränkern.
Bereiche mit fehlendem Gefälle und deshalb stehendem Wasser im Geodrän (Bild von Aus-
grabungen auf einer Deponieoberfläche zeigen dies deutlich)
Bild10 a, b: Wurzeln an der Stoßstelle von zwei Dränbahnen und Filtervliesstoff.
Können dort zügiges Wachstum von Wurzeln bewirken
(Bild 10 zeigt die 1 Jahr alte mangelhafte Dränung).
Herstellung
Filtervliesstoff
Dränbahnen
9
6. Zusammenfassung
Die hydraulische Leistungsfähigkeit eines Geodräns hängt von seiner Langzeitdruckver-
formung ab. Zu der Verformung des Dränkerns unter Druck kommt zusätzlich noch die den
Abflussquerschnitt mindernde Zugverformung des Filters. Dies wird im Systembeiwert bei
der Berechnung berücksichtigt. Seine Größe kann bis zu 5 (Kurzzeit) sein. Wurzeln im Drän-
querschnitt sind meist durch lokal unzureichendes Gefälle verursacht.
7. Literatur
/1/ Müller-Rochholz, J.: Dränelemente aus Kunststoffen, Anforderungen und
Nachweismöglichkeiten
Vortrag bei der 15. Fachtagung „Die sichere Deponie“ des SKZ, 2/1999
/2/ Müller-Rochholz, J.: Langzeitverhalten von Dränmatten
Vortrag bei der 16. Fachtagung „Die sichere Deponie“, Würzburg, 02/2000
/3/ Müller-Rochholz, J.; Bronstein, Z.: Dimensionierung von (Geokunststoff-)Dränmatten
unter besonderer Berücksichtigung des Langzeitverhaltens
Vortrag bei der 17. SKZ-Fachtagung „Die sichere Deponie“, 02/2001
/4/ E 2-20 Entwässerungsschichten in Oberflächenabdichtungssystemen,
Entwurf 2003, GDA-Empfehlung, www.gda-empfehlungen.de
/5/ Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaues,
Forschungsgesellschaft für Strassen- und Verkehrswesen, Ausgabe 2005
/6/ Müller-Rochholz, J. ; Recker, Ch.; Bronstein, Z.; Diederich, R.: Influence of Geotextile
Filter on the Discharge Capacity of Geocomposite Drainage Materials, 4th International
Conference on Geofilters, Stellenbosch, South Africa, 2004
/7/ Müller-Rochholz, J. ; Bronstein, Z.; Schröder, H. F.; Zeynalov, E. B.; von Maubeuge,
K. P.: Longterm Behaviour of Geosynthetics Drains – Excavations on Landfills after up
to 12 Years Service. – 7. International Conference on Geosynthetics, Nice,
France, 2002
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