Experimentelle Untersuchung des Reibungsverhaltens von Geokunststoffen für Oberflächenabdichtungen

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Werner Blümel
Bearbeiter: Dipl.-Ing. Maik Heinemann
Laufzeit: Abschluss 2009

Oberflächenabdichtungen von Deponien bestehen in der Regel aus mehreren Erd- und Geokunststoffen, die schichtweise übereinander angeordnet sind. Bei geneigten Schichtsystemen ist im Hinblick auf die Standsicherheit eine zuverlässige Ermittlung der in den Kontaktflächen zwischen den einzelnen Erd- und Geokunststoffen übertragbaren Reibungskräfte von besonderer Bedeutung. Abb. 1 zeigt exemplarisch eine derartige Kontaktfläche nach einer Rutschung.

Die für den Standsicherheitsnachweis erforderlichen Rechen- bzw. Bemessungswerte der Rei-bungsparameter zwischen den Erd- und Geokunststoffen müssen experimentell mit Rahmenscher-versuchen ermittelt werden. Zur Erzielung qualifizierter Ergebnisse sind diese Versuche nach den Regeln gemäß der GDA Empfehlung E 3-8 (09/ 2005) sowie gemäß der DIN 18137-3 (09/2002) in fachtechnisch richtiger Weise durchzuführen. Abb. 2 zeigt ein Großrahmenschergerät mit vertikal verschiebbarem oberen Rahmen, welches in der Normung als Standardprüfgerät für derartige Untersuchungen empfohlen wird.

Aus den Versuchsdaten werden die Reibungsparameter mit einer Grenzzustandsbedingung bzw. Grenzzustandsgleichung, die den Zusammenhang zwischen Reibungsspannung t und Normalspannung s erfasst, ermittelt. In Abb. 3 sind drei mögliche Ansätze für die Grenzzustandsgleichung aufgeführt.

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Gemäß GDA E 3-8 (09/2005) sind für im Rahmen von Standsicherheitsuntersuchungen durchzuführende Reibungsversuche zwei voneinander unabhängige Prüfinstitutionen einzuschalten. Die Versuche sollen unter jeweils gleichen Prüfbedingungen, sogenannten Vergleichsbedingungen, durchgeführt werden, um dann an Hand aller Ergebnisse auf der sicheren Seite liegende Rechenwerte der Reibungsparameter ableiten zu können.

In Abb. 4 sind Ergebnisse solcher Vergleichsuntersuchungen von zwei Institutionen dargestellt. Die Reibungsspannungs-Verschiebungslinien sind zwar prinzipiell ähnlich, unterscheiden sich jedoch im Niveau der Reibungsspannung. Die Unterschiede sind größer als die für derartige Reibungs-kontaktzonen üblicherweise zu erwartende Streubreite von Messergebnissen. Da alle Messwerte eines Labors zudem einseitig von den jeweiligen Vergleichswerten des zweiten Labors abweichen, ist zu vermuten, dass sich in mindestens einer der beiden Versuchsreihen ein systematischer Sondereinfluss nicht identifizierter Art auf die Versuchsergebnisse ausgewirkt hat.

Um die Auswirkungen verschiedener Einflüsse auf die Messergebnisse von Reibungsversuchen zu untersuchen, wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm konzipiert. Erste Ergebnisse dieser Untersuchungen liegen derzeit zu folgenden Einflüssen vor:

- Qualität des angelieferten Probenmaterials,

- Prüfkörperzuschnitt,

- Prüfseitenanordnung,

- Spalteinstellung,

- Gewichtskraftkompensation des oberen Rahmens.

In Abb. 5 sind exemplarisch die Ergebnisse der Untersuchungen zu den Auswirkungen unterschiedlicher Prüfseitenanordnungen zweier Geokunststoffe dargestellt, die beide jeweils visuell gleichartige Ober- und Unterseiten aufweisen. Tabellarisch sind die bisherigen Ergebnisse der o.g. Untersuchungen in Abb. 6 zusammengefasst.

-Versuchsdurchführungen, Versuchsauswertungen und Versuchsberichte müssen den Vorgaben der Empfehlung GDA E 3-8 entsprechen.

-Mängel des zu prüfenden Geokunststoffs (Verunreinigungen, Beschädigungen, fehlende Beschriftung der Prüfseite und der Prüfrichtung) sowie gerätetechnische und verfahrenstechnische Effekte im Versuch sind zu beachten, da sich diese erheblich auf die Messwerte der Reibung und somit auf das Reibungsverhalten und die Reibungsparameter auswirken können.

-Die für das Bauvorhaben verantwortlichen Sonderfachleute für Geotechnik und Geokunststoffe müssen diese Effekte nach Prüfung der jeweiligen Randbedingungen durch Festlegung angemessener Sicherheitszuschläge berücksichtigen.

-Nur bei sehr gründlicher Qualitätskontrolle und Materialprüfung sowie bei qualifizierten und auf die Verhältnisse in situ abgestimmten experimentellen Reibungsuntersuchungen sind Zuschläge bei den Sicherheitsbeiwerten verzichtbar.

Blümel, W.; Brummermann, K.: Standsicherheit von Dichtungssystemen  Theoretische und experimentelle Untersuchungen, 12. Fachtagung Die sichere Deponie - Abdichtung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen", 1996, Würzburg

Blümel, W.; Stoewahse, C.: Nachweise zur Standsicherheit von Dichtungssystemen auf geneigten Flächen, 14. Fachtagung Die sichere Deponie - Abdichtung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen", 1998, Würzburg

Blümel, W.; Stoewahse, C.; Dixon, N.; Kamugisha, P.; Jones, D. R. V: British-German Cooperative Research on Geosynthetic Friction Testing Methods, 2nd European Geosynthetics Conference EuroGeo, 2000, Bologna

Blümel, W.; Heinemann, M.: Zur Berücksichtigung von Adhäsion in Standsicherheitsnachweisen für geneigte Oberflächenabdichtungen mit Geokunststoffen, 20. Fachtagung Die sichere Deponie - Abdichtung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen", 2004, Würzburg

Blümel, W.; Heinemann, M.: Zur Standsicherheit von Dichtungssystemen auf Böschungen, 23. Fachtagung Die sichere Deponie - Abdichtung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen", 2007, Würzburg