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Hydro-mechanical interaction in permeable pavement constructions under consideration of unsaturated states

Subject Area Geotechnics, Hydraulic Engineering
Architecture, Building and Construction History, Construction Research, Sustainable Building Technology
Term from 2016 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 285972906
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Zur Reduzierung des Versiegelungseffektes in urbanen Räumen können versickerungsfähige Straßenkonstruktionen eingesetzt werden. Dadurch, dass dem anfallenden Regenwasser eine direkte Drainage durch die Straßenkonstruktion ermöglicht wird, befinden sich derartige Bauwerke sowie der darunter anstehende Untergrund vorwiegend in teilgesättigten Zuständen. Diese durch Niederschlag, aufsteigendes Kapillarwasser und Verdunstungseffekte beeinflussten Zustände, in denen der Porenraum eines Bodens zu einem Teil mit Wasser und zu einem Teil mit Luft gefüllt ist, sind die generell anzutreffenden Zustände natürlicher Böden. Grundlegende Funktion zur Beschreibung des hydraulischen teilgesättigten Verhaltens stellt die sogenannte Kapillardrucksättigungsbeziehung dar. Hierbei wird die in einem teilgesättigten Medium herrschende Saugspannung – vereinfachend auch interpretierbar als negativer Porenwasserdruck – dem sich einstellenden Sättigungsgrad gegenübergestellt. Dieser nichtlineare Zusammenhang ist aufgrund einer Vielzahl von mikromechanischen Phänomenen zudem durch die sogenannte hydraulische Hysterese und eine Abhängigkeit von der Lagerungsdichte ausgezeichnet. Aus Modellversuchen zum Be- und Entwässerungsverhalten eines versickerungsfähigen Straßenquerschnitts im Realmaßstab ließen sich die Kapillardrucksättigungsbeziehungen der jeweiligen Tragschichten ableiten. Daneben ließ sich anhand der gewonnenen Daten ein numerisches Modell kalibrieren, das die Beurteilung des effektiven Spannungszustandes einer teilgesättigten Straße ermöglichte. Die in einer Straße herrschende effektive Spannung ist eine bemessungsrelevante Kenngröße. Die Untersuchungen zeigen, dass die in der Praxis eingesetzten spezifischen Materialien gut aufeinander abgestimmt sein sollten, um eine positive Drainagewirkung zu erzielen. Zudem zeigte sich eine Änderung des effektiven Spannungszustandes aufgrund der teilgesättigten Zustände. Mit dem Ziel den Einfluss der hydraulischen Hysterese der Kapillardrucksättigungsbeziehung auf das Verformungsverhalten und die Ausbreitung der Porenfluiddrücke in teilgesättigten Sanden besser zu verstehen, wurde ein analytisches Modell entwickelt, gegen Messdaten validiert und in eine FE-Umgebung implementiert. Die hiermit vorliegende Erweiterung des bestehenden FE-Codes ermöglicht die realitätsnähere Modellierung teilgesättigter Unterbaumaterialien, sowie sonstiger granularer Böden. Die am Institut für Geotechnik und Baubetrieb eingesetzte dynamische Drei-Phasen-Formulierung zur Simulation des hydraulisch-mechanisch gekoppelten Verhaltens teilgesättigter Böden wurde dadurch gezielt verbessert. In der vorliegenden Studie liefern die Ergebnisse eine wichtige Referenz für die Anwendung von PU- Bindemittel in durchlässigen Belägen und das Verständnis der entsprechenden Fahrbahnfunktionalität. Der Mechanismus der hydraulischen Eigenschaften von porösem Belag, der nicht auf poröses PU-Material beschränkt ist, wurde umfassend behandelt. Basierend auf der Untersuchung des Mechanismus hydromechanischer Wechselwirkungen innerhalb des porösen Fahrbahnmaterials wurde das modifizierte SMAE- Modell als konstitutive Gleichung vorgeschlagen, um die gekoppelte hydromechanische Wechselwirkung im porösen Fahrbahnmaterial zu charakterisieren. Die Implementierung des APT-Tests validierte die Kalibrierung des vorgeschlagenen Modells weiter, was das Verständnis des Arbeitsmechanismus von vollständig durchlässigen Straßenbelägen erheblich erleichterte und eindeutige Beweise für die potenziell breitere Anwendung nicht nur für Deutschland, sondern weltweit lieferte. Im Rahmen des kooperativen Forschungsprojekt wurden alle vorgeschlagenen Arbeitspakete erfolgreich bearbeitet. Die Zusammenarbeit der Kooperationspartner ermöglichte die erfolgreiche Umsetzung der Labor-, Modell- sowie Feldversuche. Die hierauf basierenden an den Instituten entwickelten analytischen und numerischen Modelle sowie die vorgestellten Ergebnisse der Labor-, Modell- und Feldversuche liefern grundlegende Orientierungshilfen für die computergestützte Bemessung versickerungsfähiger Verkehrsflächen sowie eine Basis für Folgeuntersuchungen.

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