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Einsatzmöglichkeiten der qualifizierten Bodenverbesserung im Flussdeichbau

Lehmann, Sirko (2021):
Einsatzmöglichkeiten der qualifizierten Bodenverbesserung im Flussdeichbau. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017543,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Einsatzmöglichkeiten der qualifizierten Bodenverbesserung im Flussdeichbau
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird die Einsatzmöglichkeit der qualifizierten Bodenverbesserung im Flussdeichbau untersucht. Die Bemessung von Flussdeichen basiert neben der grundlegenden Kräftebilanzierung auf einer Wahrscheinlichkeits- und Kosten-Nutzen-Analyse für die Festlegung des Bemessungshochwasserstandes. Durch verschiedene Einflüsse können sich diese Grundlagen im Laufe der Lebensdauer des Deiches verändern. Dies führt dazu, dass der Flussdeich den neuen Randbedingungen angepasst werden muss. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, die Eignung der bereits im Verkehrswegebau eingesetzte Technologie der Bodenverbesserung (Bodenvermörtelung) im Flussdeichbau zu überprüfen. Auf diese Weise könnten Deichkubaturen mit steileren Böschungsneigungen realisiert werden, wodurch Flächeneinsparungen möglich sind. Zudem wird die Möglichkeit des Einsatzes der gleichen Technologie für die Gestaltung von Überströmstrecken oder Sanierungen beziehungsweise Aufkadungen geprüft und dargelegt. Dazu wurden verschiedene Untersuchungen an einem Ausschnittmodell eines Ein-Zonen-Deiches mit einer qualifizierten Bodenverbesserung (Mischbindemittel bestehend aus Kalk und Zement) im wasserbaulichen Forschungslabor und an Bodenproben im geotechnischen Prüflabor der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt) durchgeführt. Anhand der Ergebnisse dieser Untersuchung werden Empfehlungen für die Praxis formuliert. Bei den wasserbaulichen Modellversuchen wurde zwischen Einstau-, Durchström- und Überströmversuchen sowie Kombinationen dieser Varianten differenziert. Insgesamt wurde das Ausschnittmodell 377 Tage durchströmt und 49 Stunden überströmt. Bei den Überströmversuchen wurden zusätzlich landseitig Variationen durchgeführt. Dabei fanden Versuche mit und ohne ausgebildetem Wechselsprung am Deichfuß der landseitigen Böschung statt. Vor und nach jedem Versuch wurde eine Begutachtung der Deichoberfläche vorgenommen und aufbauend auf weiteren Messparametern auch Rückschlüsse auf die Deichstabilität gezogen. Um die Belastungen, welche auf den Deich einwirken, zu bestimmen, wurden während der Versuche im Ausschnittmodell hydraulische Parameter (Wassertiefe, Durchfluss, Fließgeschwindigkeit) gemessen und anhand einer eindimensional-numerischen Simulation auf eine höhere Auflösung interpoliert. Ausgehend von dieser Datengrundlage wurden Standsicherheitsuntersuchungen durchgeführt. Hierbei wurden stets, neben dem physikalisch abgebildeten Versuchsdeich, noch sechs verschiedene Kubaturen und drei verschiedene Materialien miteinander verglichen, wobei eines dieser Materialien das nicht mittels Bindemittel versetzte Ausgangsmaterial war und somit als Referenz diente. Es lässt sich festhalten, dass das vermörtelte Bodenmaterial in der Regel deutlich geringere Ausnutzungsgrade in den Standsicherheitsnachweisen aufweist als das Ausgangsmaterial, es sei denn, bei dem Nachweis ist grundsätzlich eine andere Komponente (wie der Baugrund oder eine Deckschicht) als der vermörtelte Baustoff maßgebend. In diesem Fall war keine durch die Vermörtelung verursachte Veränderung am Ausnutzungsgrad zu erkennen. Aus dem Vergleich der Nachweise bei gleichzeitiger Veränderung der Kubatur (steilere, kompaktere Kubatur, 1:3  1:1,5) lassen sich folgende weitere Schlüsse ziehen: Mittels Bodenvermörtelung lassen sich bei den meisten Nachweisen die gleichen oder geringere Ausnutzungsgrade (je nach Art und Menge des Bindemittels) erreichen. Durch die geringere Aufstandsfläche erhöhen sich im Vergleich der Ausnutzungsgrad des Abschiebens und die Setzungen (beide vom Baumaterial unabhängig). Dabei hält der vermörtelte Deich sogar Belastungen stand, bei welchen bisher auf Betonsysteme zurückgegriffen werden musste. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass auf dem vermörtelten Bodenmaterial in Verbindung mit einer Oberbodenschicht Gras wachsen kann. Dadurch gliedert sich der Deich gut in die Umgebung ein und erhält die bewehrte zusätzliche Schutzschicht. Gleichzeitig hat sich das vermörtelte Material als resistent gegenüber Wühltieren erwiesen. Schlussendlich leitet die vorliegende Arbeit praxisrelevante Hinweise für den Einsatz des untersuchten Baumaterials in der Praxis ab und gibt Empfehlungen für ein weiteres Vorgehen der Untersuchungen bis hin zur Aufnahme in den Stand der Technik.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In the context of this thesis, the possible application of qualified soil improvement in river dike construction is investigated. The design of river dikes is based, in addition to the basic force balance, on a probability and costbenefit analysis for determining the design flood level. Through various influences, these fundamentals can change in the course of the service life. This means that the river dike must be adapted to the new boundary conditions. The aim of this investigation is to examine the suitability of the technology of soil improvement, which is already used in road construction, accessible to river dike construction. In this way, dyke cubature with steeper embankment inclinations could be realized, thereby enabling the saving of space. In addition, the possibility of using the same technology for the design of overflow sections or reconstruction or boosting of dikes is examined and described. To achieve this, various investigations were executed on a sectional model of a one-zone dike with a qualified soil improvement (mixed binder consisting of lime and cement) in the hydraulic laboratory and on soil samples in the geotechnical test laboratory of the TU Darmstadt. Based on the results of this study, recommendations for the practice are formulated. In the hydraulic model tests, a distinction was made between impoundment, seepageflow and overflow tests as well as combinations of these tests. In total, the sectional model was impounded for 377 days and overflowed for 49 hours. In the overflow tests, additional variations were carried out landside. Tests were carried out with and without hydraulic jump at the foot of the landside slope of the dike. Before and after each test, the surface of the dike was inspected and, based on further measurement data, conclusions on the dike stability were drawn. To determine the stresses on the dike, hydraulic parameters (water depth, flow rate, flow velocity) were measured in the sectional model during the tests and transferred by application of a one-dimensional numerical model interpolated to a higher resolution. On the basis of these data stability investigations were carried out (partly using computer software). In addition to the physically depicted test dike, six different cubatures and three different materials were compared with each other, whereby one of these materials was the material not mixed with a binder and therefore served as a reference for comparison. It can be stated that improved soil material generally showed significantly lower efficiency rate than the original material, unless, a different component (such as the subsoil or a surface layer) than the improved soil is decisive for the verification. In this case the improvement does not change the efficiency rate. A comparison of the tests with simultaneous changes in the cubature (steeper, more compact cubage, 1:3  1:1.5) allows the following further conclusions to be made: By means of soil improvement most of the tests can reach the same or lower efficiency rate (depending on the type and quantity of the mixed binder). Due to the smaller contact area, the deportation’s efficiency rate and the settlements increase in comparison (both independent of the building material). The improved dike can resist remarkable loads that would otherwise require the use of concrete systems. Furthermore, it could be proven that the improved soil can be covered with grass in combination with a topsoil layer. This allows the dike to integrate well into its surroundings and to receive the additional reinforced protective layer. At the same time, the improved material has proven to be resistant to burrowing animals. Finally, the present work provide practice-relevant information on the use of the construction material under investigation in practice and makes recommendations for further action of investigation up to its inclusion in the state of the art.

English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 25 Feb 2021 12:36
Last Modified: 25 Feb 2021 12:36
DOI: 10.26083/tuprints-00017543
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175438
Referees: Lehmann, Prof. Dr. Boris and Zachert, Prof. Dr. Hauke
Refereed: 27 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17543
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