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

10