Innovatives Baumaterial – Geotechnik: Neues zur ... - euro-ce

Aydogmus, T.; Klapperich, H. (2005): Geokunststoff: Innovatives Baumaterial – Geotechnik: Neues zur Bodenbewehrung & Dynamik.
Proc. 5. Österreichische Geotechniktagung, Wien, ISBN 3-902450-52-5, pp. 57-86, refs. 76.
www.euro-ce.com
Geokunststoff – Innovatives Baumaterial
= Geotechnik: Neues zur Bodenbewehrung & Dynamik =
Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH
Institut für Geotechnik, Technische Universität Bergakademie Freiberg
KURZFASSUNG
Vor etwa 35 Jahren nahm die 1. Generation der Geo-Kunststoffe ihren Platz im
geotechnischen Ingenieurwesen ein. Trotz anfänglicher Nichtanerkennung der Geokunststoffe
als vollwertiges Baumaterial haben sie sich heute durch ihre Vielfältigkeit und auf Grund
ihrer spezifischen Eigenschaften einen eigenständigen Platz als Baustoff erobert. In Form von
Geotextilien, Geogittern, Geomembranen und verwandten Produkten ermöglichen sie
technisch einfache, preisgünstige, alternative Lösungsmöglichkeiten – und sind heute aus
vielen geotechnischen Anwendungen nicht mehr weg denkbar. Der vorliegende Beitrag
beschäftigt sich mit Bemessungsansätzen und dem fortgeschrittenen Einsatz von
Geokunststoffen und reflektiert die aktuellen nationalen und internationalen Erkenntnisse in
der Anwendung der neuen Generation von Geokunststoffen im Kontakt mit Boden als
Verbundbauwerk. Des Weiteren wird in diesem Zusammenhang auf die zunehmende
Bedeutung der Dynamik und der Numerik eingegangen.
1. EINLEITUNG
1.1. Historischer Rückblick
„Was man getan hat, eben das tut man hernach wieder, und es geschieht nichts Neues unter
der Sonne.“ so spricht der Prediger Salomo – und dieses trifft zweifellos auf die Bewehrung
des Bodens zu. Ingenieure und Forscher habe in den siebziger Jahren eine Technologie wieder
aufgegriffen, die viele tausend Jahre zuvor im Prinzip bereits angewandt wurde. Bereits im
Altertum waren die Grundlagen der Erdverstärkungstechnik bekannt und umfassten die
Verstärkung von Erde oder Lehm mit Schilf oder Stroh zur Ziegelherstellung, die zum Bau
von Behausungen verwendet wurden. Diese Technik wurde bereits im 5. und 4. Jahrtausend
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vor unserer Zeitrechnung praktiziert. Auch in der Bibel (Exodus 5; 6-9) wird diese Technik
der Erdverstärkung erwähnt “Bindestroh zur Ziegelherstellung“.
Als besonderes beeindruckendes historisches Beispiel sei an dieser Stelle der Turmbau zu
Babel (Zikkurrat) in Mesopotamien erwähnt. Dieses gewaltige Ziegelbauwerk wurde ca. 1400
vor unsere Zeitrechnung erbaut und hatte damals eine Höhe von etwa 80 Metern. Zur
Verbesserung der Statik für ein Ziegelbauwerk mit diesen Ausmaßen waren besondere
Baumaßnahmen erforderlich. Die Ziegel bestanden ausschließlich aus luftgetrocknetem
Lehm, in regelmäßigen Abständen wurden die Ziegelschichten mit gewebten Schilfmatten in
Stärken von 130 bis 400 mm verstärkt, weiterhin verhinderten bis zu 100 mm starke
Schilftaue, die horizontal durch das Massiv gezogen wurden, das Auseinanderbersten der
Ziegelmassen (s. Abb. 1). Dieses Seilgeflecht passte sich durch die Struktur dem Boden an
und diente der Bodenverstärkung und der Drainage [18].
Abb. 1: Zikkurrat, das gewaltigste Bauwerk der Ziegelarchitektur [18]
Heute hat dieses einst gewaltige Bauwerk noch immer eine Höhe von ca. 45 Metern. Das
Ziegelbauwerk mit dieser recht einfach erscheinenden Bautechnik ist über 3400 Jahre erhalten
geblieben!
Auch die Römer beherrschten die Technik der Erdverstärkung. Im Altertum wurden
Bodenschichten meistens entlang der Flüsse verstärkt. Als Baumaterialien dienten Schilf und
Stroh, manchmal auch Zweige von strauchartigen Pflanzen.
Was unsere wegweisenden Forscher jedoch zu der bekannten Erdverstärkung beitrugen war,
dass sie nun zur Zugkraftaufnahme ’synthetische’ Materialien einsetzten. Diese
Baumaterialien, die unter dem Begriff der “Geokunststoffe“ zusammengefasst werden, sind
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Industrieprodukte, die in gleich bleibender, geprüfter Qualität hergestellt werden.
Geokunststoffe sind in der Regel gegen Einwirkungen durch die im Boden und Wasser
natürlich vorkommenden Chemikalien und Mikroorganismen über Tausende Jahre resistent.
1.2. Neuzeitliche Entwicklungen
Der erste moderne Einsatz der ’Geokunststoffe’ als Bewehrungsmaterial war in den
zwanziger Jahren in den Vereinigten Staaten von Amerika. Das Straßenbauamt in Süd
Carolina benutzte Baumwoll-Gewebe als Verstärkung von Straßenbefestigungen. Das
Gewebe leistete einen guten Beitrag zur Stabilisierung der Tragschicht, bis sich die
Baumwollfasern zersetzten. Des Weiteren sind zu erwähnen, der Einsatz von Sandsäcken aus
Polyamidseidengeweben zur Deichbefestigung in Holland (1957), der Einsatz von
synthetischen Sandsäcken für den Aufgabenbereich des Küstenschutzes in Deutschland unter
der Leitung von Professor Zitscher (1958) und der Einsatz von Nadelvliesstoffen zur
Flächenstabilisierung von Bitumen-Deckschichten im Straßenbau der USA (1960).
Zu Beginn der sechziger Jahre entwickelte der französische Ingenieur VIDAL (1966) die
Theorie und Technik der ’modernen’ bewehrten Erde. Sein patentiertes Verbund-System
“Terre Armée“ bestand aus verzinkten Stahlbändern als Bewehrungsmaterial und
hochwertigen und teueren Erdstoff als Füllboden. Das Funktionsprinzip der Verbundbauweise
“bewehrte Erde“ beruht auf der Reibung zwischen Bodenpartikeln und Armierung (VIDAL
[70], [71]). Als Bewehrungselement kommen alle Baumaterialien in diversen Formen und
Längen in Frage, die die notwendige Reibung bzw. Zugkraft mobilisieren können.
Geokunststoffe haben sich bezüglich ihrer Duktilität, Verbundverhalten, Handhabbarkeit und
nicht zuletzt wegen ihrer Langlebigkeit für diese Bauweise bewährt. Prinzipien und Theorie
der bewehrten Erde wurden laufend überprüft und verbessert (SCHLOSSER et al. [66],
MITCHELL et al. [57], FLOSS und THAMM [29] etc.) sowie Richtlinien und Empfehlungen zur
Anwendung des Verfahrens erarbeitet. Die ersten Erfahrungen mit dieser neuen Bauweise
konnten in Deutschland (1976) beim Bau einer rd. 390 m langen und ca. 4 m hohen
Stützwand in Raunheim (Hessen) an der B43 gesammelt werden [21].
Weitere Details über die ’alte’ und ’neue’ geschichtliche Entwicklung der Geokunststoffe
können u. a. GIROUD [31], JONES [43] und KOERNER et al. [51] entnommen werden.
Mit der Entwicklung neuartiger Technologien zur Herstellung von neuen Geokunststoffgenerationen
haben sich die Einsatzmöglichkeiten der Geokunststoffe bei unterschiedlichen
baulichen Problemstellungen rasch erweitert (vgl. Kap. 2). Seit den siebziger Jahren ersetzen
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oder ergänzen Anwendungen mit Geokunststoffen früher übliche Bauweisen, bei denen
mineralische Baustoffe verwendet wurden. Hierdurch werden mineralische Ressourcen
geschont und/oder zum Teil aufwendige Maßnahmen beträchtlich reduziert und somit ein
Beitrag zum ökonomischen und ökologischen Bauen geleistet.
Der Etablierung der Geokunststoffe in allen Sparten der Geotechnik, vom Straßen-/ Gleisbau
und Tief-/ Tunnelbau über den Wasserbau, die Siedlungswasserwirtschaft, den Damm- und
Deponiebau bis zum Garten-/ Landschaftsbau und der Geo-Umweltbau haben gewiss auch die
zahlreichen nationalen und internationalen
• Konferenzen;
o Internationale Geokunststoffkonferenz, alle 4 Jahre: 1. in Paris, Frankreich (1977); 3. in
Wien, Österreich (1986); 8. in Yokohama, Japan (2006).
o Europäische Geokunststoffkonferenz, EuroGeo, alle 4 Jahre: 1. in Maastricht, Holland
(1996); 2. in Bologna, Italien (2000); 3. in München, Deutschland (2004); 4. in
Edinburgh, Schottland (2008).
o Kunststoffe in der Geotechnik, München, Fachsektion “Kunststoffe in der Geotechnik“
der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT) (2-Jahresrhythmus).
o International Conference on The Use of Geosynthetics in Soil Reinforcement and
Dynamics. ECI, VDI, IGS, DGGT, 5.-8. Sept. 2004, Schloss Pillnitz, Dresden [46].
• Bücher;
o KOERNER [49], HOLTZ et al. [42], JONES [43], MÜLLER-ROCHHOLZ [58]), u.v.a.
• Technische Zeitschriften;
o Geotextiles & Geomembranes, ISSN: 0266-1144.
o Geosynthetics International, ISSN: 1072-6349.
und Fachberichte vieler Ingenieure beigetragen.
Die Gründung von Arbeitskreisen und Interessenverbänden haben eine Plattform zum
Austausch von Ideen und Erfahrungen auf professioneller Ebene geschaffen:
• IGS, International Geosynthetics Society, Gründungsjahr: 1983.
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• Fachsektion “Kunststoffe in der Geotechnik“ unter der Schirmherrschaft der Deutschen
Gesellschaft für Geotechnik, DGGT, unter dem Vorsitz von Professor R. Floss.
Gründungsjahr: 1988.
• IVG, Interessenverband Geokunststoffe e. V., www.ivgeokunststoffe.com
Der zunehmende Einsatz von Geokunststoffen in der Bauwelt ist gekennzeichnet durch die
Umsetzung innovativer Lösungsansätze, so dass deren Anwendung u. a. in übersteilen
Böschungen, hohen Dämmen und bei der Hohlraumüberbrückung von Erdfall- und
Tagesbruch- gefährdeten Gebieten keine Seltenheit mehr ist. Das positive Verhalten
geokunststoffbewehrter Konstruktionen infolge dynamischer Lastfälle aus Verkehr, Erdbeben
und Impulslasten zeichnet wiederum deutlich die technischen Vorteile gegenüber
traditionellen Systemen aus.
2. GEOKUNSTSTOFFE
Geokunststoff ist ein Oberbegriff, der ein Produkt beschreibt, bei dem mindestens ein
Bestandteil aus synthetischem oder natürlichem Polymer hergestellt wurde, das bei
geotechnischen oder anderen Anwendungen im Bauwesen im Kontakt mit Boden und/oder
anderen Baustoffen verwendet wird. Die Geokunststoffe sind Bauzusatzstoffe die sich durch
ihre Struktur, spezifische Eigenschaften und konstruktive Wirkung wesentlich von den
traditionellen Erdstoffen unterscheiden. Einige Arten von Geokunststoffen verfügen über
ausgeprägte hydraulische Eigenschaften und – im Unterschied zum Erdstoff – verfügen sie
über zugfeste und dehnsteife Eigenschaften, die sich über die Rohstoffe und Fertigungstechnik
weitgehend steuern lassen. Abb. 2 zeigt die harmonisierte Einteilung der gängigen
Geokunststoff-Produkte sowie deren Abkürzungen.
Auf dem Geokunststoff-Markt ist mittlerweile eine kaum mehr überschaubare Anzahl an
Produktsortimenten vorhanden. Je nach angestrebter Festigkeits- und Beständigkeitseigenschaften
werden die geosynthetischen Baustoffe aus den Rohstoffen Aramid (AR),
Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polyester (PES) oder Polypropylen (PP) hergestellt.
Zusätze wie Stabilisatoren und Umhüllungen aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen oder
Bitumen garantieren unterschiedlichste produktspezifische Eigenschaften.
Die bautechnischen Anforderungsprofile und die Prüfungen zur Qualitätssicherung der
Produkt- und Einbaueigenschaften sind in deutschen, europäischen und ISO-Normen sowie
spezifischen technischen Vorschriften und Richtlinien verankert. Eine Übersicht über Normen
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und Richtlinien für Geokunststoffe sind u. a. in MÄGEL [55], ZANZINGER [75] und WILMERS
et al. [72] zusammengestellt.
Abb. 2: Geokunststoffeinteilung und Abkürzungen gem. DIN EN ISO 10318 [26]
2.1. Aufgaben und Funktionen
Je nach Produkt können Geokunststoffe eine oder mehrere der folgenden Primär-Aufgaben
erfüllen:
Abb. 3: Geokunststoff-Funktionen [26]
Häufig werden Geokunststoffe funktionsgerecht mit speziellen Funktionseigenschaften
und/oder kombiniertem Aufbau aus verschiedenen geosynthetischen und/oder nicht
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geosynthetischen Komponenten für zielgerichtete Einsatzzwecke entwickelt und produziert.
Einen Überblick über die allgemeine Eigenschaftscharakteristik der einzelnen Geokunststoffprodukte
gibt Tab. 1:
Tab. 1: Primärfunktionen gängiger Geokunststoffe
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Primärfunktion
GSY Typ Trennen Bewehren Filtern Dränen
Geotextilien + + + +
Geogitter – + – –
Geonetz – – – +
Dichtungsbahnen +/– – – –
Geosynthetische
Tondichtungsbahnen
+/– – – –
Geoverbundstoff O O O O
(+) möglich (–) unmöglich (+/–) abh. von der Bemessung (O) abh. von den Eigenschaften des Hauptprodukts
2.2. Anwendungsgebiete
Die Anwendungsgebiete der Geokunststoffe sind vielfältig. Im Straßenbau können sie als
Trenn- und Filterschicht zwischen Untergrund und Schüttmaterial bzw. als Bewehrungslage
auf weichem, wenig tragfähigem Untergrund eingesetzt werden (verhindert die
Verschmutzung des Schüttmaterials durch Feinteile/ verhindert ungleichmäßiges Versinken
des Schüttmaterials im Untergrund/ reduziert die Konsolidierungsdauer/ bildet eine
Sauberkeitsschicht gegen Hochpumpen von Feinteilen bei dynamischen Beanspruchungen des
Schüttmaterials/ verhindert Böschungsbruch u.v.a.m.). Im Tunnelbau bilden Geokunststoffe
eine Schutz- und Dränschicht zwischen Fels/Spritzbeton und Dichtungsbahn (schützt die
Dichtungsbahn gegen Beschädigung durch die scharfkantige Spritzbetonoberfläche/ baut
Spannungen zwischen Betoninnenschale und Gebirge ab/ leitet Bergwasser zur
Ulmendränage ab/ leitet Bergwasser zur Längsdränage ab u.v.a.m.). Im Wasserbau
(Küstenschutz, Uferschutz) dienen sie als Filter unterhalb des Deckwerkes, schützen gegen
Erosionen ohne zusätzliches Deckwerk bei kleinen Gerinnen oder Hochwasserbereiche
(verhindert die durch Wasserströmung hervorgerufene Erosion von Bodenteilchen/
gewährleistet ausreichende Wasserdurchlässigkeit des Deckwerksystems zur Verhinderung
von hydraulischen Grundbrüchen/ verhindert durch seine grobfasrige Struktur das
Ausschwemmen von Erde/ unterstützt das Anwachsen von Pflanzen u.v.a.m.). Weitere
Anwendungsgebiete können KOERNER [50], BRANDL [22] und VAN SANTVOORT [69]

entnommen werden. Nachfolgend wird lediglich auf Anwendungen der Geokunststoffe mit
vorwiegender Bewehrungsfunktion eingegangen.
3. BEWEHRUNGSPRINZIP
Geokunststoffbewehrte Erde ist ein Verbundkörper bestehend aus Geomaterialien und flächig
ausgelegten Bewehrungselementen aus Geokunststoffen, welche bei unzureichender
Tragfähigkeit des Untergrundes oder nicht ausreichender Standsicherheit des Erdkörpers, zur
Stabilisierung angewendet werden. Die Anwendungen von Geokunststoffen als
Bewehrungselemente sind auf Grund ihrer Flexibilität und Wirtschaftlichkeit vielfältig. In
Abb. 4 sind einige Anwendungen – Dammbewehrungen auf weichem Untergrund (a),
bewehrte Gründungspolster (c), bewehrte Stützwände (e) und bewehrte Böschungen (f),
Tragschichtbewehrung unter Verkehrswegen (d) und Sicherung von Flächen in
Erdfallregionen (b) – schematisch dargestellt.
a) Damm auf wenig tragfähigem Untergrund
c) bewehrte Gründungspolster
e) bewehrte Stützwand
Abb. 4: Beispiele für geokunststoffbewehrte Erdkörper
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b) Hohlraumüberbrückung bzw. Erdfallüberbrückung
d) Bodenverbesserung von Straßenuntergrund
und -unterbau
f) bewehrte Böschung
Die durch die Ständige- und/oder Verkehrslasten hervorgerufenen Zugspannungen im Boden
werden von den zugfesten Geokunststoffen, innerhalb ihrer Grenzdehnungen, über Reibung,

Verzahnung und/oder Adhäsion im Korngerüst aufgenommen und in den Untergrund
abgetragen. Die Bewehrungsrichtung entspricht dabei, ähnlich dem Stahlbetonbau, der
Richtung, in welcher die Zugkräfte auftreten. In der Bewehrungsrichtung wird dadurch im
Boden eine anisotrope Kohäsion erzeugt, deren Wert dem Reibungswiderstand Boden –
Bewehrung direkt proportional ist. Dem Boden können somit Zugspannungen zugeordnet
werden, die von rolligem Schüttmaterial gar nicht und von bindigem Lockergestein nur in
geringem Maße aufgenommen werden können (vgl. Abb. 5). In diesem Zusammenhang wird
deutlich, dass die Effektivität der Verbundbauweise zum größten Teil von den Eigenschaften
und vom Zusammenspiel der elementaren Systemkomponenten, insbesondere der Interaktion
Boden – Geokunststoff, bestimmt wird (AYDOGMUS et al. [14]).
Abb. 5: Größere Scherfestigkeit durch Geokunststoffeinlage
Zur Effektivität der Verbundbauweise trägt, neben der o. g. Reibung zur Kraftübertragung,
zum Teil auch die Membranwirkung der Geokunststoffe bei. Die Membranwirkung wird
aktiviert, sobald Normalkräfte senkrecht zur Bewehrungsebene angreifen und der
Geokunststoff in Richtung dieser Kräfte verformt wird, d. h. ein muldenförmig verformtes
System wird vorausgesetzt. Die Verformungsmulde richtet sich nach verschieden
Tragsystemen bzw. Tragschicht- und Untergrundverhältnissen. Beispiele ausgewählter
Anwendungsgebiete, bei der die Membranwirkung der Geokunststoffe aktiviert wird, sind in
Abb. 6 dargestellt.
Für die Bewehrung von Boden werden unterschiedlichste Geokunststoffe (Geotextilien und
geotextilverwandte Produkte sowie Geoverbundstoffe) verwendet (vgl. Tab. 1). Die
produktspezifischen Eigenschaften von Bewehrungselementen werden im wesentlichen von
den Ausgangsmaterialien/Rohstoffen und der Herstellungsart bestimmt, die durch die Kurz-
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zeit- und Langzeitzugfestigkeit, die elastischen und die bleibenden Dehnungen, die
Querkontraktion und das Kriech- sowie Relaxationsverhalten beschrieben werden können.
Soil arching
Geosynthetic layer behaves
like a tensioned membran
Counter pressure
from the soft soil
Pile-element
Bearing stratum
a) Bewehrte Erdkörper auf punkt- oder linienförmigen
Traggliedern
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Radspur
Geokunststoff
Vertikale Membran-
Gegen-Kraft
b) Tragschichtbewehrung unter Verkehrswegen
Geokunststoff
Untergrund
d
D
s
s max
Senkungsbereich
d
Erdeinbruch
D
c) Überbrückung von Erdeinbrüchen
Radlast
Abb. 6: Membranwirkung von Geokunststoffen bei ausgewählten Anwendungsgebieten
Membranzugkraft
des Geokunststoffs
Membranwirkung
des Geokunststoffs
Die einzuhaltenden Kriterien bei der Kornzusammensetzung des Füllbodens werden in der
EBGEO [27] in Anhängigkeit der Bauwerksbeanspruchung – vorwiegend statisch oder
vorwiegend dynamisch – unterschieden. Die bodenmechanischen Minimalanforderungen,
z. B. die Tragfähigkeit, das Verformungs- und Entwässerungsverhalten etc., richten sich nach
den Forderungen, die an das Bauwerk zu stellen sind.
Die Wahl der elementaren Materialien der Verbundkonstruktion geschieht unter Abwägung
der bautechnischen Erfordernisse, des ökologischen Gesichtspunktes und der ökonomischen
Machbarkeit. Wichtig ist, auf welche Geokunststoffe oder Füllböden die Wahl fällt, dass sie
im Hinblick auf die Verbundwirkung aufeinander abgestimmt sind. Das heißt, ihre
Festigkeitseigenschaften müssen dem Spannungszustand im Baugrund bzw. im
erdbautechnisch aufgebauten Erdkörper entsprechen und den einwirkenden mechanischen
sowie chemisch-biologischen Beanspruchungen widerstehen.
H

4. BERECHNUNG UND DIMENSIONIERUNG & EBGEO
Die Berechnung der Standsicherheit von Erdkörpern mit Bewehrungseinlagen aus
Geokunststoffen wird in Deutschland durch die EBGEO [27] “Empfehlungen für
Bewehrungen aus Geokunststoffen“ geregelt (im Ausland: z. B. BS 8006 [24], Schweizer
Geotextilhandbuch [64], GEOGUIDE 6 [30] etc.). Eine aktuelle Gegenüberstellung der
internationalen Bemessungsansätze findet sich in [46], Konferenzsitzung “design approach –
numerical models“.
Gemäß DIN 1054 (Jan. 2003) [25] muss der Nachweis der Standsicherheit von
geokunststoffbewehrten Erdkörpern die Nachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit
(GZ 1) und für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) umfassen.
Der Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) wird im Regelfall mit herkömmlichen
Grenzgleichgewichtsmethoden mit allen kinematisch möglichen, diskreten Gleitflächen und
Versagensmechanismen bestimmt. Dabei werden unter Beachtung spezieller Eigenheiten der
Geokunststoffbewehrung in der Regel klassische Methoden der Stabilitätsberechnung
verwendet. Der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) wird z. Z. mit aufwändigen
numerischen Berechungen erbracht (vgl. Kapitel 6).
• EBGEO
Die EBGEO wurde vom Arbeitskreis 5.2 „Berechnung und Dimensionierung von Erdkörpern
mit Bewehrungseinlagen aus Geokunststoffen“ der Fachsektion „Kunststoffe in der
Geotechnik“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) aufgestellt. Die 1997
erschienene Erstfassung der EBGEO wurde im Rahmen der europäischen Harmonisierung der
Normen auf die Anwendung des neuen Sicherheitskonzepts (probabilistisches
Sicherheitskonzept) gemäß DIN-V 1054-100 ausgerichtet. Zurzeit wird die EBGEO vom
AK 5.2 überarbeitet bzw. ergänzt. Mit der Überarbeitung wird der mittlerweile starken
Entwicklung der Bauweise und der Geokunststoffprodukte Rechung getragen. Sowohl das
Produktspektrum als auch das Anwendungsspektrum haben sich in den Jahren seit der
Erarbeitung der Empfehlung stark erweitert. Ferner steht im Vordergrund der Überarbeitung
der EBGEO die Berücksichtigung der Neufassung der DIN 1054 (Jan. 2003), die in vielen
Bereichen grundsätzliche Änderungen der bisherigen Vorgehensweise nach sich zieht
(AYDOGMUS [7], [13]). Die Berücksichtigung der Regelungen hinsichtlich der CE –
Kennzeichnung der Geokunststoffe bringt weiteren Überarbeitungsbedarf (BRÄU [23]).
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Neben der Überarbeitung der bereits existierenden Abschnitte sollen weitere Möglichkeiten
der Bewehrung mit Geokunststoffen behandelt werden. Zum Einsatzgebiet "Bewehrte
Erdkörper auf punkt- und linienförmigen Traggliedern" wurde ein Empfehlungsentwurf in der
Arbeitsgruppe fertig gestellt. Um den in der Praxis tätigen Ingenieuren bei der Planung
derartiger Systeme eine Hilfe an die Hand zu geben, wurde diese Empfehlung noch vor der
vollständigen Fertigstellung der EBGEO als Entwurf im Internet auf der Webseite der
Fachsektion (http://www.gb.bv.tum.de/fachsektion/b_ak-ak52.htm) veröffentlicht. Gegenstand
der Vorlage ist die Bemessung des bewehrten Erdkörpers, der den wenig tragfähigen
Boden zwischen vertikalen punktförmigen (Pfähle oder pfahlähnliche Elemente) oder
linienförmigen Traggliedern (Schlitzwände, Pfahlwände) überbrückt und die Lasten in diese
Tragglieder einleitet. Hierbei sind die Lastumlagerung im Erdkörper infolge Gewölbewirkung
ebenso zu berücksichtigen wie die Membranwirkung der Bewehrung, bei der der wenig
tragfähige Boden mehr oder weniger stark zur Mitwirkung herangezogen wird (vgl. Abb. 6a,
ALEXIEW [2], [3], HEITZ et al. [36], ZAESKE et al. [74]).
Ein weiterer Themenbereich ist die „Überbrückung von Erdeinbrüchen“ mit bewehrten
Erdkörpern (vgl. Kapitel 5.2) sowie die “Dynamische Einwirkungen auf Geokunststoffbewehrte
Systeme - Nicht vorwiegend ruhende Belastungen“ (vgl. Kapitel 7).
5. AUSGEWÄHLTE ANWENDUNGSBEISPIELE
Die Anwendungsgebiete der Geokunststoffe sind zahlreich. Ihre Funktionen reichen von der
Trennung benachbarter Bodenarten oder Füllmaterialien untereinander, Dichtung gegen
Flüssigkeiten und Gase bis hin zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von
Bodenschichten. In der einschlägigen Literatur sind zahlreiche Forschungsergebnisse und
innovative Bauweisen beschrieben, welche die Vorteile der Geokunststoff-Anwendungen
gegenüber herkömmlichen Baumaterialien bzw. Baumethoden darlegen.
Nachfolgend werden exemplarisch einige herausragende Projektbeispiele aus der Praxis
vorgestellt, die die verschiedenartigen Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsvorteile von
Geokunststoffen in unterschiedlichen Sparten der modernen Geotechnik dokumentieren. Wie
bereits im Kapitel 2.1 dargestellt, sind die Funktionen der Geokunststoffe weit gefächert, so
dass in diesem Beitrag lediglich Anwendungen mit vorwiegender Bewehrungsfunktion
dargestellt werden.
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5.1. Innovative Sicherungsverfahren im Flächenrecycling
Die Errichtung von Neubauten auf “baulichen Altlasten“ unter Würdigung der
Baugrundsituation mit locker gelagerter Auffüllung, Fundamenten ehemaliger Bebauung,
anderer Bauwerksreste und Infrastruktur, Leitungen und Kanälen erfordert unter
ökonomischen Gesichtspunkten – unter Beachtung ökologischer Erfordernisse – Alternativen
zu Standard-Lösungen mit kostenintensiven Abbrucharbeiten und Bodenaustausch.
Kostenoptimierende Lösungen zielen auf die Einbringung von Sicherungstechniken zur
Altlastensituation. Hierbei spielt die Akzeptanz der Gesamtmaßnahme bei der Genehmigung
und Vermarktung der Fläche für den Eigner/Investor die entscheidende Rolle.
Das patentierte DMT-GEOsafe-System als Beispiel für eine innovative Sicherungsvariante
stellt im Flächenrecycling eine kosteneffektive Oberflächenabdeckung bzw. -abdichtung mit
Boden und Geokunststoffen dar, zur Abdichtung des kontaminierten Untergrundes bei
gleichzeitiger Schaffung einer Gründungsebene für eine Neubebauung der Fläche. Abb. 7
zeigt eine schematische Darstellung des Boden-Geokunststoff-Verbundsystems. Dieses
System wurde beispielhaft vom Landesumweltamt NRW empfohlen und mehrfach mit Erfolg
eingesetzt (KLAPPERICH et al. [44], [45], [47], [48], [53]).
Abb. 7: Schematische Darstellung des DMT-GEOsafe Systems [44]
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5.2. Erdfall- und Tagesbruchüberbrückung zur Sicherung von Verkehrs-
flächen
Erdfälle und Tagesbrüche sind in vielen Karstregionen und Bergbaurevieren ein bekanntes
Phänomen. In Deutschland besteht z. B. eine erhöhte Erdfall- und Tagesbruchgefahr im
Vorland des Harzes und in den Altbergbauregionen. Auch in Sachsen-Anhalt kommen beide
Formen von Erdeinbrüchen in gehäufter Form vor. In den letzten Jahrzehnten wurden hier
z. B. durchschnittlich 15 Erdfälle und mehr als 250 Tagesbrüche pro Jahr registriert (PAUL
[59]). Einen Eindruck der möglichen Ausmaße von Erdfällen und Tagesbrüchen im Verkehrswegebau
vermittelt der spektakuläre Erdfall mit einem Durchmesser über 20 m an der
Bundesstraße B180 Eisleben bei Neckendorf, Okt. 2001 (ALEXIEW et al. [1], s. Abb. 8).
Abb. 8: Erdfall von einem Durchmesser über 20 m an der Bundesstraße B180 Eisleben bei
Neckendorf, Okt. 2001
Die Nutzung von Geokunststoffen zur Sicherung von Verkehrsflächen gegen plötzlich
eintretende Erdfälle stellt eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Maßnahmen,
wie z. B. Verwahren des unterirdischen Hohlraums, Verfüllen des Einbruchkraters,
Verplomben des oberen Randes des Einbruchkraters oder Überbrücken des Erdeinbruchs
mittels einer Stahlbetonkonstruktion (Brücke, Platte), dar. Die Aufgabe der Geokunststoffe ist
es, Erdbauwerke gegen Verbrüche des Untergrundes zu sichern. Hierbei werden zwei
Sicherungsprinzipien unterschieden: Vollsicherung und Teilsicherung.
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In der Regel wird nicht das Ziel verfolgt, die Standsicherheit des Verkehrsbauwerks während
der gesamten Nutzungsdauer uneingeschränkt zu gewährleisten (Prinzip der Vollsicherung),
sondern vielmehr eine temporäre Begrenzung der oberflächlichen Verformungen auf einen
festzulegenden Grenzwert bis zur Feststellung des Ereignisses und der Sperrung der
Verkehrsfläche (Prinzip der Teilsicherung).
Die Anwendung der Geokunststoffe zur Sicherung von kraterförmigen Einsenkungen ist
relativ neu. Es liegen zurzeit geringe Erfahrungen mit dieser Bauweise vor. Die komplexe
Bruchmechanik im Zusammenspiel mit den Eigenschaften des Untergrunds, der
Geokunststoffe ferner der Tragwerksbildung über dem Erdeinbruch bedingen bei der Planung
eine differenzierte Betrachtung der Randbedingungen und folglich unterschiedliche
Bemessungsansätze. Die Nachweisverfahren für Einbruchüberbrückungen mit Geokunststoffbewehrungen
unterliegen einer ständigen ingenieurwissenschaftlichen Entwicklung. Eine
Übersicht über die gängigen Bemessungsmethoden können u. a. ALEXIEW et al. [4],
AYDOGMUS et al. [16], BLIVET et al. [19], GIROUD et al. [32], LUGMAYR et al. [54],
SCHWERDT et al. [67] entnommen werden.
Im Rahmen der Überarbeitung der EBGEO (vgl. Kapitel 4) soll die Empfehlung
“Überbrückung von Erdeinbrüchen“ der Unterarbeitsgruppe 6.12 (Leitung Prof. Paul, Dessau)
des AK 5.2 der DGGT als Abschnitt 6.12 aufgenommen werden. Die entstehende
Empfehlung behandelt sowohl Sanierungs- als auch Sicherungslösungen im Zuge von
Verkehrsbaumaßnahmen. Hierbei handelt es sich um die Sanierung von lokal bereits
eingetretenen Erdeinbrüchen sowie um präventive Sicherung von Verkehrswegen, die über
einbruchgefährdeten Gebieten hinweg geführt werden müssen. Sicherungslösungen im
Rahmen von Hochbaukonstruktionen werden in der Empfehlung somit nicht behandelt (PAUL
et al. [60]).
5.3. Gründung von Windkraftanlagen
Für die Gründung der zunehmend größeren und leistungsstärkeren Windenergieanlagen
kommen sowohl Flach- als auch Tiefgründungen in Betracht. Aus wirtschaftlichen
Gesichtspunkten wird versucht, eine Flachgründung zu realisieren, sofern die
Baugrundeigenschaften des jeweiligen Standortes dies zulassen.
Die Wahl des geeigneten Baugrundverbesserungsverfahrens ist abhängig vom Baugrund, den
Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und der geforderten Tragfähigkeit der jeweiligen
Baumaßnahme. Grundsätzlich muss gewährleistet sein, dass die, im Vergleich zu anderen
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Baumaßnahmen, anfallenden hohen statischen und dynamischen Belastungen dauerhaft
aufgenommen werden können, ohne ein Versagen der Gründung hervorzurufen.
Bei einer Gegenüberstellung möglicher Baugrundverbesserungsverfahren ergibt sich, dass die
Wahl des Verfahrens vor allem von den vorhandenen und den geforderten Steifemoduli des
anstehenden Bodens abhängt. Da die meisten Verfestigungsverfahren, nur bei sehr großen
Bebauungsflächen wirtschaftlich einsetzbar sind, werden diese Verfahren für die Gründung
von Windenergieanlagen als weniger geeignet angesehen. Als besonders geeignete
Baugrundverbesserungsmaßnahme für die Flachgründung von Windenergieanlagen auf
setzungsempfindlichen Weichschichten erwies sich aus praktischen Erfahrungen der
Tragschichteinbau (bewehrt und unbewehrt).
• Geotextilien
Ein häufiger Einsatz von Geotextilien bei der Gründung von Windkraftanlagen erfolgt in
Form des Einbaus eines geeigneten Trennvlieses auf der Baugrubensohle, um unterlagernde
bindige Baugrundschichten von dem einzubauenden rolligen Material des Tragschichtpolsters
zu trennen. Durch ein derartiges Trennvlies aus synthetischen Polymeren wird über eine
Lebensdauer von mindestens 20 bis > 50 Jahren eine Vermischung der benachbarten
Bodenschichten vermieden, feinkörnige Bodenteilchen werden zurückgehalten und Wasser
kann ungehindert abfließen.
Müssen die beschriebenen Eigenschaften der Trennvliese dagegen nur für eine zeitlich
befristete Lebensdauer, wie bei temporären Baustraßen der Fall, sichergestellt werden, können
auch Geotextilien aus Naturprodukten (z. B. Baumwolle) und natürlichen Polymeren
eingesetzt werden, da diese im Baugrund schneller verrotten als synthetische Polymere.
Gerade bei temporären Baustraßen ist die bewehrende und trennende Wirkung der
Geotextilien von Vorteil, da durch sie der Rückbau der Baustraßen schnell und einfach
möglich ist.
• Geogitter
Geogitter werden als ’einaxiale’ oder ’zweiaxiale’ Geogittermatten hergestellt. Bei der
Gründung von Windkraftanlagen, wo aufgrund der Winddrehung die Zugkraftrichtung nicht
genau definiert werden kann, kommen ’zweiaxiale’ Geogittermatten zum Einsatz, die
Zugkräfte in beiden Richtungen gleichermaßen gut ableiten können. Hierzu wird das
Geogitter (ggf. in Kombination mit einem Trennvlies) auf dem Untergrund verlegt.
Anschließend wird das Tragschichtmaterial lagenweise aufgebracht und verdichtet. In der
- 16 -

Mitte des Tragschichtpolsters wird bei Erfordernis eine zweite Geogitterlage eingebaut. Das
körnige Tragschichtmaterial verzahnt sich mit dem Geogitter, was die Lagestabilität der
einzelnen Bodenkörner und eine langfristig optimale Verdichtung des Tragschichtmaterials
sicherstellt. Das derartig bewehrte Tragschichtpolster wirkt wie eine Lastverteilungsplatte,
wodurch eine günstigere Lastverteilung in den Untergrund erreicht, Spannungsspitzen
abgebaut und die resultierenden Setzungen vergleichmäßigt werden. Bei gleich bleibender
Stärke des Tragschichtpolsters wird eine höhere Tragfähigkeit erreicht, alternativ kann eine
definierte Tragfähigkeit mit einer geringer mächtigen Tragschicht realisiert werden, was zu
einer Ressourcenschonung (z. B. Sand und Kies) beiträgt.
• Fallbeispiel
In einem Windpark-Projekt in Niedersachsen, erfolgte der Einsatz von Geokunststoffen in
Form von Geogittern, die eine Flachgründung der Windenergieanlagen mittels geogitterbewehrter
Tragschichtpolster ermöglichten. An diesem Standort stand oberflächennah ein
Geschiebelehm (Ausprägung als stark sandiger Schluff) des Drenthe-Stadiums der Saale-
Kaltzeit an, der eine Mächtigkeit von > 10 m erreichte und bereichsweise bis in Teufen von
ca. 4 m u. GOK lediglich eine weiche Konsistenz aufwies.
Abb. 9: Einbau eines zweiaxialen Geogitters in das Tragschichtpolster
Die Gründung selbst wurde mittels eines flach gegründeten Achteckfundamentes realisiert,
welches 14 x 14 m Ausdehnung besitzt und ca. 2 m in den Boden einbindet. In der zugrunde
liegenden Statik wurde für bindige Böden ein statisches Steifemodul von mindestens
- 17 -

29 MN/m 2 gefordert. Um dieses Steifemodul gewährleisten zu können, wurden die obersten
weichen Geschiebelehmhorizonte ausgekoffert und durch ein Tragschichtpolster, das durch
eine Geogitterlage verstärkt wurde, ersetzt. In der Abb. 9 ist der Einbau des Geogitters und
dessen Überschüttung mit Tragschichtmaterial zu erkennen.
• Numerische Untersuchungen
Beispielhaft werden in Abb. 10 einige ausgewählte Ergebnisse der numerischen Berechnung,
hier die Einflussgröße des Abstands u der ersten Bewehrungslage n1 zu der Aufstandsebene
des Fundamentes, zur Optimierung des Geokunststoff-Boden-Verbundsystems dargestellt.
Verhältnis der Sicherheit [%] _
Verkippung [cm/m] _
60
50
40
30
20
System SIII : Δh=0,5[m]; n=2[-];
lü,b=1,5[m]; EA=1000[kN/m]
u grenz-opt
10
Sicherheitsverhält nis
Verkippungsverhältnis
20
0
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Abstand u [m]
10 0
80
60
40
Verhältnis der Verkippung [%] _
Belastung [%]
0 20 40 60 80 100
0,00
0,05
System SIII : Δh=0,5[m]; n=2[-];
lü,b=1,5[ m] ; EA=1000[ kN/ m]
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
u = 0 m
u = 0,5 m
u = 1,0 m
u = 1,5 m
u = 2,0 m
u = 2,5 m
u = 3,5 m
- 18 -
Total displacement (u=0m)
Total displacement (u=1,5m)
Total displacement (u=2,5m)
Abb. 10: Einfluss des Abstands u der ersten Bewehrungslage n1 zu der Aufstandsebene des
Fundamentes [9]

Im Bereich 0,5 m < u < 1,7 m lieg das erste Bewehrungselement in einer Tiefe, wo es die im
Grenzzustand entstehende Grundbruch-Gleitscholle optimal erfasst und somit die Defizitkraft
aufbringt. Folglich ist dieser Bereich für eine effektive Auslastung der Bewehrung bzw. der
damit einhergehender wirtschaftlicher Bemessung auszunutzen. Ausgedehnte numerische
Untersuchungen zahlreicher Einflussgrößen auf die Standsicherheit findet sich in AYDOGMUS
[9], [11].
Basierend auf die Ergebnisse der numerischen Berechnung zur tragfähigkeits- und
standsicherheitserhöhenden Eigenschaften von Geokunststoffen bei bewehrten
Gründungspolstern unter flach gegründeten Fundamenten von Windenergieanlagen in wenig
tragfähigem Boden kann folgende essentielle Schlussfolgerung gezogen werden: Die richtige
Anwendung von Geokunststoffen bei bewehrten Gründungspolstern hat einem signifikanten
Sicherheitszuwachs sowie eine damit einhergehenden Verkippungsreduzierung zur Folge
(AYDOGMUS et al. [11]).
5.4. Straßen-/ Gleisbau
Geokunststoffe werden im Erd-, Strassen- und Bahnbau seit über 30 Jahren erfolgreich zum
Trennen, Filtern, Drainieren, Bewehren und Schützen verwendet und ermöglichen ein
technisch einfaches und wirtschaftliches Bauen. Einen Schwerpunkt im Straßenbau bildet
z. B. der Einsatz von Geokunststoffen auf weichen Untergründen. Hier werden Vliesstoffe in
Verbindung mit hochzugfesten Geogittern verlegt, um die Vermischung des weichen
Untergrundes mit der Tragschicht zu vermeiden und gleichzeitig Spannungsspitzen
abzubauen und eine großflächige Lastverteilung zu erreichen. Dadurch wird die
Spurrillenbildung reduziert und der Gebrauchswert der Trasse verlängert.
5.5. Böschungen, Stützbauwerke, Brückenwiderlager
Die Beispiele ALEXIEW [2], [3], [6], HEROLD [37], [38], [41], GOURC [33] u.v.a.
dokumentieren, dass die Geokunststoffbewehrte Erde sich zu einer wirklichen Alternative im
Bauwesen entwickelt hat. Durch den Einsatz moderner Geokunststoffe ist es möglich,
Lösungen zu entwerfen, die kostengünstig und schnell ausführbar sind. Ferner stellen sie
gestalterisch interessante Alternative zu Stahlbetonkonstruktionen dar. In Bezug auf die
Standsicherheit und Dauerhaftigkeit steht diese Bauweise herkömmlichen Methoden in nichts
nach. Die Auswahl geeigneter Geokunststoffe und der fachgerechte Einbau des Füllbodens
haben entscheidende Bedeutung für den Erfolg der Baumaßnahme.
- 19 -

Mangelnder Erfahrung in Bezug auf die Langzeitbeständigkeit und Verformungsverhalten
solcher Konstruktionen kann mit einer gezielten Verformungsüberwachung und
Messprogrammen begegnet werden. Da die Bauweise deutlich kostengünstiger ist, entstehen
dadurch im Normalfall keinerlei Mehraufwendungen. Daher sollte im Hinblick auf
wirtschaftliche Bauweisen künftig über Alternativlösungen unter Einsatz von
Geokunststoffbewehrter Erde verstärkt nachgedacht werden – dies auch vor dem Hintergrund
gewonnener Erfahrungen mit derartig durchgeführten Baumaßnahmen ferner den
Erkenntnissen neuer Forschungsarbeiten.
6. NUMERIK
Die Nachweise der Standsicherheit werden im Regelfall mit herkömmlichen
Grenzgleichgewichtsmethoden bestimmt (vgl. Kapitel 4). Die Grenzgleichgewichtsmethode
gibt jedoch weder eine ausreichende Information über die eingetragenen Zugkräfte längs der
Bewehrungselemente noch über die Spannungen und Deformationen des Füllbodens.
Hingegen werden die numerischen Berechnungsverfahren seit einigen Jahren - nicht zuletzt
durch die Entwicklung leistungsfähiger Computersysteme - für eine effektive Analyse und
Auswertung der Verschiebungen, Spannungen sowie der Kräfte im und am
Bewehrungselement verwendet, die sowohl während der Deformation als auch im
Grenzzustand erzeugt werden. Als Folge ergeben sich damit auch eine verbesserte Planung
und schließlich eine wirtschaftlichere Bauweise.
In der Regel besteht eine geokunststoffbewehrte Konstruktion aus folgenden drei Elementen:
• dem Boden oberhalb und unterhalb des Geokunststoffs,
• dem Geokunststoff selbst und
• der Wechselwirkung (interface) zwischen Boden und Geokunststoff.
Jedes dieser Elemente muss mit entsprechenden mechanischen (z. B. Steifigkeit, Festigkeit,
…) und hydraulischen (z. B. Durchlässigkeit, Porosität, …) Parametern mittels Stoffgesetzen
beschrieben werden. Anfangs- und Randbedingungen (z. B. Initialspannungen, Grundwasser,
Auflasten, …) sind zu spezifizieren.
Die verfügbaren numerischen Methoden zur Diskretisierung der o. g. Elemente können
generell in kontinuumsmechanische Ansätze (z. B. Finite Element Method (FEM), Finite
Difference Method (FDM), oder Boundary Element Method (BEM) und
diskontinuumsmechanische Ansätze (z. B. Discrete Element Method (DEM) und Particle
- 20 -

Methods) unterschieden werden. In Abb. 11 ist die dreidimensionale Umsetzung des Boden-
Geokunststoff-Verbundsystems in den o. g. grundsätzlich unterschiedlichen Ansätzen zu
sehen.
Die Diskrete Elemente Methode, kurz DEM genannt, erlaubt die Berechnung und Simulation
von diskreten, diskontinuierlichen Vorgängen. Sie stellt damit den Gegensatz zur klassischen
kontinuummechanischen Betrachtungsweise dar. Bei der kontinuumsmechanischen
Modellierung wird der Boden durch ein 3D Gitter und der Geokunststoff durch ein 2D
Schalenelement (shell element) dargestellt. Die Wechselwirkung wird durch Interface-
Elemente an beiden Seiten des Geokunststoffs berücksichtigt (vgl. Abb. 11 links). Bei der
DEM wird der Boden durch diskrete Elemente (Partikel) und das Geogitter durch verbundene
diskrete Elemente dargestellt (vgl. Abb. 11 rechts). Die Interaktion zwischen dem Geogitter
und dem Boden wird durch den automatischen Kontaktalgorithmus in Verbindung mit
speziellen Kontaktgesetzen gehandhabt.
Abb. 11: Kontinuumsmechanische (links) und diskontinuierliche (rechts) Modellierung des Boden-
Geokunststoff-Verbundsystems (KONIETZKY [52])
Bei der zutreffenden Modellierung eines Boden-Geokunststoff-Verbundsystems kommt dem
Verbundverhalten zwischen Geokunststoff und Boden, neben den Eigenschaften des Bodens
und der Bewehrung selbst, eine große Bedeutung zu. Während bei den flächenhaften
Geotextilien die Zugkräfte entlang der Geotextiloberfläche durch Reibung übertragen werden,
ergibt sich für die Zugkräfte bei Geogitter-Bewehrungen, zusätzlich zur Reibung entlang der
Oberfläche des Bewehrungselements, der sog. Interlocking-Effekt.
Der Mechanismus des “interlocking“ von Geogittern ist ein bekanntes, jedoch noch recht
unerforschtes Phänomen und Gegenstand der wissenschaftlichen Forschung, vgl.
beispielsweise AYDOGMUS et al. [12] und ZIEGLER et al. [76].
- 21 -

Beispielhaft zeigt Abb. 12 die numerischen Plots der Modellierung eines Herausziehversuchs
mit dem Programmsystem PFC (DEM). Dargestellt sind die mit dem Herausziehen
mobilisierten Zugkräfte im Bewehrungsmaterial und die Spannungen im Boden. Die
numerische Analyse gibt u. a. Aufschluss über die Herausziehkraft und die Verschiebungen
bei verschiedenen Spannungsniveaus entlang der Bewehrung.
Abb. 12: Ergebnisse der numerischen Simulation eines Herausziehversuchs mit dem
Programmsystem PFC (AYDOGMUS et al. [12])
7. DYNAMIK
Der derzeitige Kenntnisstand über das Verhalten von geokunststoffbewehrten Bauwerken
unter nicht vorwiegend ruhender/dynamischer Belastung ist, im Vergleich zu statischer
Belastung, begrenzt. Einerseits sind hohe Tragreserven solcher Konstruktionen z. B. unter
Erdbebenbeanspruchungen (TATSUOKA et al. [68]) und dynamischen Anpralllasten, z. B.
Schutzdämme in steinschlag- und felssturzgefährdeten Zonen, (BLOVSKY [20], PEILA et al.
[61]) bekannt, andererseits erfolgt die Dimensionierung der Bauwerke, sofern dynamische
Einwirkungen zu berücksichtigen sind, zurzeit im wesentlichen anhand empirischer
Festlegungen und/oder Erfahrungen in speziellen Anwendungsfällen. Die Vielfalt der
Einflüsse die die Betrachtung dynamischer Einwirkungen auf das Tragverhalten der
Konstruktion beinhalten erschwert die Aufstellung allgemeingültiger Bemessungsansätze.
Ebenfalls wird im Rahmen der Überarbeitung der EBGEO (vgl. Kapitel 4) eine Empfehlung
“Dynamische Einwirkungen auf Geokunststoffbewehrte Systeme - Nicht vorwiegend ruhende
Belastungen“ (Leitung Dipl.-Ing. Herold, Weimar) ausgearbeitet und soll als neues Abschnitt
in der EBGEO aufgenommen werden.
Nachfolgend wird ein mathematisch fundiertes Modell zur Berechnung des dynamischen
Verhaltens von Fundamenten im geschichteten Halbraum bzw. zur Bestimmung von
dynamischen Spannungen in Geokunststoffbewehrte–Erde–Konstruktionen dargestellt.
- 22 -

• Kegelmodelle
Die Berücksichtigung von vorwiegend nicht ruhenden Belastungen aus Verkehr,
bauzeitlichen Anregungen oder Maschinenfundamenten wird normalerweise über quasi
statische oder statische Modelle abgedeckt. In Einzelfällen kann es erforderlich sein,
speziellere und genauere Kenntnisse über den Verlauf der dynamischen Spannungen,
Verformungen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen über die Tiefe zu erhalten. Im
Allgemeinen sind hier komplizierte Berechnungen im Zeit- oder Frequenzbereich mit
entsprechenden kontinuumsmechanischen Modellen vorzusehen. Mit der Anwendung von
Kegelmodellen für diese spezielle Aufgabenstellung ist die praktische Ermittlung von
dynamischen Zusatzbelastungen in Geokunststofflage einer Kunststoff-Bewehrten-Erde-
Konstruktion unter bevorzugt nicht ruhenden Belastungen möglich (HEROLD et al. [39], [40]).
Abb. 13: Konzept der Kegelmodelle
Das Konzept der Kegelmodelle ist in der Abb. 13 dargestellt. Die Grundidee der
Kegelmodelle besteht darin, den elastischen Halbraum unterhalb eines dynamisch belasteten
Fundamentes durch einen Kegelstumpf zu ersetzen und damit die dreidimensionale Anfangsund
Randwertaufgabe der Fundamentbewegung auf ein eindimensionales Problem zu
vereinfachen. Dadurch ist mit Hilfe der Kegelmodelle die Berechnung des
Fundamentverhaltens im Zeitbereich für drei translatorische und drei rotatorische
Freiheitsgrade mit reduziertem mathematischem Aufwand möglich. Neben der Berechnung
des dynamischen Fundamentverhaltens führen die Kegelmodelle zu einer Näherungslösung
der kinematischen und kinetischen Größen im Halbraum unterhalb des Fundamentes und
können als Bemessungswerte für auftretende dynamische Lasten verwendet werden. Durch
- 23 -

die Modellbildung der Kegelmodelle werden die im betrachteten Halbraum auftretenden
Oberflächenwellen ohne einen signifikanten Einfluss auf die Genauigkeit vernachlässigt.
Effekte aus der Materialdämpfung, die in dem mechanischen Konzept der Kegelmodelle von
vornherein nicht enthalten sind, lassen sich nachträglich auch berücksichtigen (TAMASKOVICS
et al. [10]).
8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Verglichen mit den herkömmlichen Baumaterialien wie Holz, Beton und Stahl mit teilweise
Jahrtausende alten Erfahrungen stellen die Geokunststoffe mit Abstand die jüngste Baustoff-
Familie im Bauwesen dar. Mit dem Aufkommen der synthetischen Polymere in den 60-er –
70-er Jahren war die Basis für die Entwicklung von Geokunststoffen und somit für die
erfolgreiche Anwendung in der Geotechnik geschaffen. Die heutige Technologie ermöglicht
die Herstellung einer breiten Palette an Geokunststoffen mit unterschiedlichen
produktspezifischen Eigenschaften und vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
In diesem Beitrag wird nach einem kurzen Überblick über die historische und neuzeitliche
Entwicklung der Geokunststoffe eine kurze Übersicht über ihre Anwendung und Funktion
gegeben. Die anschließend vorgestellten Projektbeispiele dokumentieren die verschiedenartigen
Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsvorteile von Geokunststoffen in unterschiedlichen
Sparten der Geotechnik.
In der jetzigen Praxis werden bei der Bewehrung von Erdkörpern mit Geokunststoffen
vorzugsweise teuere Reibungsböden als Füllmaterial eingesetzt. Diese Erdstoffe erzeugen
einerseits einen guten Verbund mit den Geokunststoffeinlagen und besitzen gute
Durchlässigkeitseigenschaften, andererseits müssen sie eingekauft und auf die Baustelle
transportiert werden. Bindige Böden stellen eine kostengünstige Alternative dar. Sie sind
häufig vor Ort vorhanden und preiswerter. Neueste Forschungsarbeiten zeigen, dass die
Verbesserung der Eigenschaften von bindigen Böden mit Zusatzstoffen wie Zement, Kalk,
Flugasche etc. die Verbundwirkung wesentlich steigern und zudem die Verformung
reduzieren (AYDOGMUS et al. [15]). Alternativ kann auch Elektrokinetik zur Verbesserung der
Eigenschaften des bindigen Bodens entlang der Kontaktzone eingesetzt werden.
Numerische Berechnungen stellen im Hinblick auf Parameterstudie zur Optimierung von
bereits bekannten oder neuen Anwendungsgebieten ein hilfreiches Mittel dar. Die Vorteile
beruhen auf der Berücksichtigt zahlreicher Einflussgrößen. Hierzu zählen insbesondere die für
den Baugrund und die Konstruktion maßgebenden Parameter mit ihren jeweiligen
- 24 -

Streubreiten sowie die Wechselwirkung zwischen dem Boden und dem Bewehrungselement
(AYDOGMUS [9]). Entsprechende Parameterstudien lassen sich auf effiziente Weise
durchführen – Zeit- und kostenintensive Labor und Feldversuche können vermieden werden.
Laufende Forschungsarbeiten und Untersuchungen zielen auf die Erschließung weiterer
Anwendungsgebiete und den effizienten Einsatz von Geokunststoffen zur weitern Zeit- und
Kostenersparnis der Bauweise - bei gleichzeitiger Schonung der Umwelt.
Die zahlreich stattfindenden Konferenzen, Tagungen, Seminare sowie Veröffentlichungen
zum Thema tragen zum Wissensaustausch und –vermittlung auf hohem Niveau bei. Zukünftig
wird mit noch mehr aufgeschlossenen Auftraggebern und Bauherren zu rechnen sein. Dies
wird sicherlich auch durch die verstärkte Befassung mit dem Thema “Geokunststoffe“ in der
Lehre in vielen Universitäten unterstützt.
Der Einsatz von Geokunststoffen in der Geotechnik ist heute im Kontext der Philosophie des
“konstruktiven Ingenieurbaus“ zu sehen – Boden und Geokunststoff ersetzen mehr und mehr
Beton und Stahl.
LITERATUR 1
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Eds.: H. Klapperich, D. Cazzuffi, L. Vollrath, M. Koerner. VGE - Essen, 2005.
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1
Neben den zitterten Literaturen sind auch zahlreiche Literaturquellen zum vertieften Studium des Themas
aufgelistet.
- 25 -

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