Thesen - Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät

Aus der Professur für Geotechnik und Küstenwasserbau
der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät
Thesen der Dissertation
Baggergut im Deichbau - Ein Beitrag zur geotechnischen
Charakterisierung und Erosionsbeschreibung feinkörniger, organischer
Sedimente aus dem Ostseeraum zur Einschätzung der Anwendbarkeit
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)
an der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Rostock
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Anne-Katrin Große
aus Bad Doberan
Verteidigung am 09. Dezember 2016
1. Für die Beschreibung feinkörniger Baggergutsedimente aus dem Ostseeraum sind teilweise
Anpassungen in der Versuchsdurchführung und der Auswertung einzelner Parameter notwendig,
die sich vor allem auf die Parameter Körnung, Anteil der organischen Substanz, Beschreibung der
Wasserdurchlässigkeit und der Proctorparameter sowie der Plastizitätsbeschreibung beziehen.
2. Der von Morscheck (1992) dargestellte Einfluss der Zusammensetzung auf die Körnung konnte
innerhalb der Versuchsreihe bestätigt werden. Die Körnungsanalyse zur Bestimmung der
mineralischen Kornzusammensetzung sollte daher für feinkörnige Baggergutproben mit einer
Zerstörung der organischen und carbonathaltigen Bestandteile durchgeführt werden, da es sonst zu
einer Verzerrung der tatsächlichen Anteile im Boden kommt, die Fehlinterpretationen nach sich
ziehen. Eine Analyse mit Ultraschallbehandlung reicht nicht als alleinige Vorbehandlung aus. Eine
zusätzliche Durchführung nach der bodenmechanischen Standardanalyse DIN 18123 ist zur
Berücksichtigung der vorhandenen Aggregate und Muschelreste empfehlenswert, aber nicht
zwingend notwendig.
3. Zur Bestimmung der organischen Anteile in Form des organischen Kohlenstoffes sollte für
feinkörnige Baggergutböden die Elementaranalyse eingesetzt werden, da es bei der Bestimmung
über den Glühverlust im Muffelofen zu überhöhten Ergebnissen kommen kann. Diese werden durch
das Verglühen der kalkhaltigen Bestandteile im Boden erzeugt.
4. Die Analyse zur Wasserdurchlässigkeit feinkörniger Baggergutböden stellt durch die
Kompressibilität der Materialien in Folge von organischen Bestandteilen und hohen Porenvolumina
die Anforderung einer langsam gesteuerten und ständig kontrollierten Aufsättigung der
Bodenproben (sogenannter „B-Test“). Bei unkontrollierter und zu schneller Sättigungsprozess wird
die Luft in der Probe nicht ausreichend mit Wasser aufgefüllt, sodass im Ergebnis eine geringere
Wasserdurchlässigkeit vorgetäuscht wird, die Größenordnungen von bis zu einer Zehnerpotenz
betragen kann.
5. Die Durchführung des Proctorversuches nach der DIN 18127 bildet für feinkörnige Baggergutböden
nur einen groben Rahmen zur Versuchsdurchführung, der bei einzelnen Böden angepasst werden
muss. Grundsätzlich sollte der Versuch nach den Vorgaben der DIN für feinkörnige oder organische
Böden mit einer maximalen Trocknungstemperatur von 60°C bis zu einem Wassergehalt zwischen
der Schrumpf- und Ausrollgrenze getrocknet und dann wiederbefeuchtet werden. Ist die
Durchführung der DIN nicht umsetzbar, weil der Boden nach der Trocknung weiterhin zu feucht für
eine Wiederbefeuchtung ist, muss eine Trocknung unterhalb der Schrumpfgrenze erfolgen. Eine
Trocknung bis zum Farbumschlag sollte aber auf jeden Fall vermieden werden.
6. Neben dem Trocknungspunkt spielt bei der Durchführung des Proctorversuches die Temperatur
des Trockungsvorganges bereits unterhalb der vorgegebenen 60°C eine erhebliche Rolle, die zu
gravierenden Unterschieden in den Ergebnissen führen kann. Eine genaue Dokumentation der
Versuchsdurchführung sowie der Versuchsbedingungen ist daher für feinkörnige Baggergutböden
zwingend notwendig.
7. Die Bestimmung der Plastizitätsbereiche von feinkörnigem Baggergut kann sowohl nach der
DIN 18122 mit vorheriger Abtrennung der Grobkörner als auch mit dem Fallkegelversuch am
gesamten Bodensystem durchgeführt werden (Kreutzfeldt, 2014). Insbesondere bei Böden mit
einem Grobkornanteil von über 10 % sollte die Durchführung mit dem Fallkegelversuch bevorzugt
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werden, da bei diesem Versuch auf die aufwendige Aussiebung der Grobkörner verzichtet werden
kann und die Plastizität des gesamten Bodensystems und nicht die eines Bodenausschnittes
bestimmt wird (Saathoff et al., 2015).
8. Eine Beschreibung der Erosionsbeständigkeit feinkörniger Baggergutböden über die vorgestellten
Zerfallsversuche nach Endell und Weißmann sind in der bestehenden Form nicht für Baggergut
geeignet. Neben einigen Randbedingungen sind auch Teile der Versuchsdurchführung und
Auswertung dafür verantwortlich.
9. Ein grundsätzliches Problem besteht beim Weißmann-Versuch in der geringen Maschenweite des
Drahtkorbes. Ein Teil der abgefallenen Aggregate kann so aufgrund ihrer Größe die Maschen nicht
passieren, was in der Folge nicht als Gewichtsverlust aufgezeichnet wird. In Verbindung mit einer
variablen Aggregatgröße gestaltet sich die Festlegung der richtigen Maschenweite aber als äußerst
schwierig, da auch der Probekörper eine ausreichende Stabilität im Korb erhalten muss.
10. Im Endell-Versuch wird die Wiederholung des Zerfallsversuches für den Fall von im Korb
verbleibenden Aggregaten empfohlen, welches aufgrund der großen Aggregate von
Baggergutmaterialien aber keine ausreichende Lösung des Problems darstellt.
11. Die notwendige Probenvorbereitung zur Einstellung der verschiedenen Versuchszustände mit
verschiedenen Wassergehalten, die über eine Trocknung oder Wasserzugabe realisiert werden, hat
einen entscheidenden Einfluss auf die Erosionsstabilität von Baggergut, die sich in der Regel
negativ auswirkt. Eine vollständige Austrocknung bzw. eine Trocknung bis zum Farbumschlag sollte
in der Probenvorbereitung vermieden werden.
12. Die Probenvorbereitung muss an die Besonderheiten von feinkörnigem, organischem Baggergut
angepasst werden.
13. Sowohl in dem Zerfallsversuch nach Endell als auch im Versuch nach Weißmann konnte keine
Abhängigkeit zwischen Wassergehalt und Zerfallszeit innerhalb der einzelnen Versuchszustände
beobachtet werden. Vielmehr wurde bei dem Versuchszustand „Ofentrocknung“ eine deutliche
Gewichtszunahme trotz abfallender Bodenteilchen registriert. Einzig beim Vergleich verschiedener
Teilproben eines Materials bei natürlichem Wassergehalt zeigt sich die erwähnte Abhängigkeit. Eine
Anpassung der einzelnen Versuchszustände an die Besonderheiten von Baggergut sollte weiter
eruiert werden.
14. Qualitative Aussagen zu Unterschieden zwischen einzelnen Baggergutmaterialien bei natürlichem
Wassergehalt sind aber bei beiden Zerfallsversuchen möglich, wobei der Zerfallsversuch nach
Weißmann aufgrund der Probengröße und der dreimaligen Wiederholungen geeigneter als der
Endell-Versuch mit nur einer Probe von geringerer Größe erscheint. Eine quantitative Aussage mit
Bewertung der Materialien nach vorgegebenen Grenzwerten ist zum jetzigen Zeitpunkt aufgrund
fehlender Anpassungen der Grenzwerte für Baggergut aber nicht möglich.
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15. Unterschiede zwischen Baggergutmaterialien ähnlicher Zusammensetzung mit gleichen Ton, Sand,
Organik- und Kalkgehalten können durch eine unterschiedliche Organik-struktur verursacht werden.
Diese kann beispielsweise über Pyrolyse-Feldionisation-Massenspektrometrie (Py-FIMS) bestimmt
werden. Als Ursache für eine vergleichsweise höhere Zerfallsstabilität können ein höherer
Lipidanteil sowie eine höhere Thermostabilität in Verbindung mit einer erhöhten biologischen
Stabilität genannt werden.
16. Die direkte Prüfung nach Herstellung der Probekörper durch Verdichtung sollte aufgrund der
aufgebauten Porenwasserdrücke vermieden werden. Eine Ruhephase zwischen Herstellung und
Prüfung von mindestens 24 h kann das Zerfallsverhalten der Bodenproben deutlich verbessern und
sollte daher in Erwägung gezogen werden.
17. Die Ergebnisse der angepassten Zerfallsversuche zeigen gute Korrelationen zu den Ergebnissen
aus einer Laborströmungsrinne. Qualitative Beurteilungen zur Gefügestabilität von Baggergutböden
bei natürlichem Wassergehalt (insbesondere im Vergleich verschiedener Baggergutmaterialien)
können daher durchaus über die Zerfallsversuche vorgenommen werden. Untersuchungen mit dem
Siebtauchverfahren nach DIN 19683-16 zur Bestimmung der Aggregatstabilität zeigen dagegen nur
geringfügig Korrelationen auf. Auch die Verwendung des Erodierbarkeitsfaktors K aus der
Bodenabtragsgleichung kann aufgrund der fehlenden Kausalität zu Wasser nicht zum Vergleich
herangezogen werden.
18. Für eine zukünftige Verwendung von Zerfallsversuchen für feinkörniges Baggergut müssen weitere
Anpassungen sowohl in den Randbedingungen als auch in den Versuchs-zuständen vorgenommen
werden, die den besonderen Eigenschaften des Materials ausreichend Rechnung tragen. Dazu
gehört auch die Lösung des Aufbereitungsproblems, da ein alleiniger Vergleich bei natürlichem
Wassergehalt für eine umfassende Erosions-bewertung nicht ausreichend ist. Dennoch ist der
Zerfallsversuch -bei entsprechender Umsetzung und Weiterführung der vorgeschlagenen
Anpassungen- eine gute Alternative für aufwendige und kostspielige Versuche zur Bestimmung der
Erosionsneigung eines Bodengefüges.
19. Feinkörnige Baggergutmaterialien zeigen trotz hoher Wassergehalte in der Regel gute
Einbaueigenschaften selbst bei zeitlich begrenzten Regenfällen während der Baumaßnahme. Dafür
ist aber ein im Vorfeld gut aufbereitetes Material mit Wassergehalten auf dem nassen Ast der
Proctorkurve, der aber unterhalb der Fließgrenze liegt, notwendig. Außerdem ist die Strukturbildung
des Materials während der Entwässerungszeit (Reifezeit) durch ausreichende Belüftung (z.B. in
Mietenform) sicherzustellen.
20. Die vergleichsweise höchste und gleichmäßigste Verdichtungswirkung kann bei der Schaffußwalze
mit Vibration beobachtet werden, die bei Einbaulagen von 30 cm im eingebauten Zustand etwa vier
bis sechs Überfahrten zur Verdichtung benötigt. Der Einsatz von Vibration gewährleistet dabei eine
ausreichende Tiefenwirkung in jeder Lage. Zudem ermöglichen die großen Stampffüße der großen
Walze eine gute Verzahnung der einzelnen Einbaulagen, die damit einen Abfluss innerhalb
einzelner Einbauschichten vermeiden und den Durchfluss so insgesamt verringern.
21. Die vergleichsweise schlechteste Verdichtungswirkung kann bei der Verdichtung mit der
Baggerschaufel beobachtet werden. Für steile Böschungen ist daher ein anderes
Verdichtungsverfahren oder eine Anpassung der Böschungsneigung notwendig. Ein Einsatz von
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Grabenwalze, Glattmantelwalze oder Raupenketten als Verdichtungsgerät ist für feinkörniges
Baggergut ebenfalls möglich, wobei im Vergleich zur Schaffußwalze eine geringere
Verdichtungsleistung mit größerer Streuung auftritt. Daneben sollte bei der Verdichtung mit
Raupenketten eine geringere Lagenmächtigkeit von 10 – 20 cm sowie eine häufigere Überfahrt der
einzelnen Einbaulagen umgesetzt werden. Trotz dieser Erkenntnisse sollte für zukünftige
Bauprojekte mit feinkörnigem Baggergut ein Versuchsfeld im Vorfeld der Baumaßnahme errichtet
werden, um den Einbau und die Verdichtungswirkung der gewählten Baugeräte auf das jeweilige
Baggergut zu überprüfen und zu bewerten.
22. Zur Bewertung der erreichten Verdichtung sollte die undränierte Scherfestigkeit c u mit der
Feldflügelsonde ermittelt werden. Aufgrund der geringen Prüfdauer und der guten Handhabbarkeit
ermöglicht sie eine Vielzahl an störungsfreien Untersuchungen in unterschiedlichen Tiefen der
Deckschicht, um ein flächendeckendes Bild der Gesamtverdichtung zu erhalten.
Taschenpenetrometer sollten aufgrund der ungenauen Messergebnisse und hohen Streuung nur für
Zwischenprüfungen und unter Berücksichtigung des Abminderungsfaktors µ nach DIN 4094-4
eingesetzt werden. Die Bestimmung der Bauwerksfestigkeit über den Verdichtungsgrad mit
Stechzylindern sollte für Deichdeckschichten aus Baggergut dagegen nur noch als stichprobenartige Prüfung zusätzlich zur Scherfestigkeitsermittlung durchgeführt werden. Sie dienen damit eher
einer Kontrollfunktion zur erreichten Scherfestigkeit.
23. Feinkörniges Baggergut kann durch die in der Regel hohen Einbauwassergehalte die von der
EAK 2002 festgelegten Mindestanforderungen an den Verdichtungsgrad für bindige
Deichdeckschichten nicht immer sicherstellen. Dennoch wurde an den Versuchsfeldern eine
ausreichende Festigkeit des eingebauten Materials flächenhaft beobachtet, was die durchgängig
hohen Scherfestigkeiten von über 50 kN/m², insbesondere bei der Verdichtung mit der
Schaffußwalze, belegen.
24. Die Beurteilung der Eignung feinkörniger Baggergutmaterialien für den Deichbau ist nach den
Vorgaben der EAK 2002 für Baggergutböden aus dem Ostseeraum ungenügend. Das zeigen die
als größtenteils „nicht geeignet“ bewerteten Baggergutmaterialien aus dem Untersuchungsprogramm, die sowohl in Feldversuchen als auch in anderen Bewertungsverfahren eine gute
Eignung für den Deichbau vorweisen. Bei dem Verfahren der EAK führen insbesondere die
strengen Vorgaben zum maximalen Sandanteil häufig zum Ausschluss eigentlich gut geeigneter
Böden.
25. Die Vorgaben zum maximal zugelassenen Anteil an organischer Substanz müssen in der EAK 2002
ebenfalls den besonderen Merkmalen von Baggergut angepasst werden. Aufgrund der
Beeinträchtigung des Glühverlust-Wertes durch den Kalkanteil sind Vorgaben zum OS- oder TOCWert zu bevorzugen.
26. Eine Adaption der Richtwerte für Klei als Deichdeckschicht aus der EAK 2002 für Ostseebaggergut
ist nicht sinnvoll. Neben den angesprochenen Einschränkungen durch die Vorgaben zur
Kornzusammensetzung wird vor allem die Einteilung der erhobenen Eigenschaften in die einzelnen
Wertebereiche insbesondere für den ungeübten Anwender schwierig. Zudem ist die Auswahl
einzelner Bewertungsparameter für Baggergut unpassend.
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27. Das Bewertungsverfahren nach Weißmann schafft mit den Beurteilungskriterien Plastizitätszahl,
Schrumpfmaß, Wasserdurchlässigkeit und Zerfallszeit eine gute Beschreibung des
Materialverhaltens im späteren Deichkörper. Zudem werden anstelle von Grenzwerten
Bewertungsfaktoren unterschiedlicher Wichtung einzelner Parameter eingesetzt, die den
Ausschluss eines Materials anhand der Über- bzw. Unterschreitung eines Parameters verhindern.
Somit ist die Anwendung dieses Bewertungsverfahrens für Baggergut passender als die Verfahren
der EAK. Problematisch bei der Anwendung für Baggergut ist aber der Bewertungsfaktor
„Zerfallszeit“, der für Baggergut zum jetzigen Zeitpunkt nur bei natürlichem Wassergehalt ermittelt
werden kann und damit nicht den Vorgaben nach Weißmann entspricht.
28. Das Bewertungsverfahren der niederländischen Vorschrift VTV kann für Baggergut nicht
angewendet werden. Aufgrund der relativ hohen Fließgrenzen bei dazu im Vergleich geringen
Plastizitätszahlen kann eine Einteilung aller Baggergutmaterialien nur in die Erosionsklasse c3
„wenig erosionsbeständig“ vorgenommen werden, dessen Ergebnis nicht den Erfahrungen aus
zahlreichen Labor- und Feldversuchen zur Erosionsbeständigkeit von Baggergut entspricht.
29. Die Beurteilung der Verdichtungswirkung von feinkörnigem Baggergut während einer
Deichbaumaßnahme kann mit dem Bewertungsverfahren der NLWKN durchgeführt werden.
Allerdings sind geringfügige Anpassungen der Bewertungskriterien für Baggergut notwendig.
Zudem ist die Beurteilung der Einbauqualität über die Scherfestigkeit sinnvoller als über den
Verdichtungsgrad.
30. Ein für Ostseebaggergut ausgewähltes Bewertungsverfahren muss nach den Erkenntnissen der
vorliegenden Arbeit die Bewertungsfaktoren organischer Kohlenstoffgehalt (TOC), Plastizitätsindex IP, Konsistenzzahl IC, undränierte Scherfestigkeit cu und das Volumenschrumpfmaß VS
berücksichtigen. Die einzelnen Grenzwerte unterscheiden sich dabei nach dem Einsatz von
Baggergut als Deckschichtmaterial in Flussdeichen und Seedeichen bzw. zur Verwendung als
Stützkörper oder in homogenen Deichquerschnitten. Dennoch ersetzen die ausgewählten
Bewertungsparameter nicht eine grundsätzliche geotechnische Untersuchung des Materials, zu
denen neben der Kornzusammensetzung auch Kalkgehalt, Plastizitätsbereiche und die
Wasserdurchlässigkeit zählen. Nur so ist eine umfangreiche Bewertung des Materials möglich.
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