Hydraulisch-mechanische Wechselwirkung in wasserdurchlässigen Fahrbahnaufbauten unter Berücksichtigung teilgesättigter Zustände

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Grabe; Professor Dr.-Ing. Markus Oeser
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285972906

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

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.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2017): Effects of material composition on mechanical and acoustic performance of poroelastic road surface (PERS). In: Construction and Building Materials
  Wang D., Schacht A., Leng Z., Leng C., Kollmann J. und Oeser M.
  
• (2017): Measurement and evaluation on deterioration of asphalt pavements by geophones. In: Measurement
  Liu P., Otto F., Wang D., Oeser M. und Balck H.
  
• (2017): Suitability of PoroElastic Road Surface (PERS) for urban roads in cold regions: Mechanical and functional performance assessment. In: Journal of Cleaner Production
  Wang D., Liu P., Leng Z., Leng C., Lu G., Buch M. und Oeser M.
  
• (2018): Evaluation of the polishing resistance characteristics of fine and coarse aggregate for asphalt pavement using Wehner/Schulze test. In: Construction and Building Materials
  Wang D., Liu P., Xu H., Kollmann J. und Oeser, M.
  
• (2018): Investigations on the water-retention behaviour of water-permeable pavement materials based on innovative binder materials. In: Proceedings of 7th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT 2018) in Hong Kong
  Törzs T., Grabe J., Lu G. und Oeser M.
  
• (2018): Influence of temperature on polishing behaviour of asphalt road surfaces. In: Wear
  Xie X., Lu G., Liu P., Zhou Y., Wang D. und Oeser M.
  
• (2019), Experimental study on the polyurethane-bound pervious mixtures in the application of permeable pavements, In: Construction and Building Materials
  Lu G., Renken L., Li T., Wang D., Li H. und Oeser M.
  
• (2019): Hydraulic properties of polyurethane-bound permeable pavement materials considering unsaturated flow. In: Construction and Building Materials
  Törzs T., Lu G., Monteiro A.O., Wand D., Grabe J. und Oeser M.
  
• (2019): Investigations on microstructure characteristics of porous pavement based on X-ray CT scanning. In: Proceedings of 7th Asia-Pacific Conference on Unsaturated Soils (AP-UNSAT 2019), Nagoya (Japan)
  Törzs T., Grabe J., Lu G. und Oeser M.
  
• (2020): Dynamic response of fully permeable pavements: development of pore pressures under different modes of loading. In: Journal of Materials in Civil Engineering 32 (7)
  Lu G., Törzs T., Liu P., Zhang Z., Wang D., Oeser M. und Grabe J.
  
• (2020): In-situ and numerical investigation on the dynamic response of unbounded granular material in permeable pavement. In: Transportation Geotechnics
  Lu G., Wang H., Törzs T., Liu P., Zhang Y., Wang D., Oeser M. und Grabe J.
  
• (2020): Numerical analysis for the influence of saturation on the base course of permeable pavement with a novel polyurethane binder. In: Construction and Building Materials
  Lu G., Liu P., Törzs T., Wang D., Oeser M. und Grabe J.