Modellierung zeigt den Nutzen von Geogittern

Apr 05, 2024

Durch die verbesserte Modellierung von Geogittern zur Verwendung mit MnDOTs Straßenbau-Designsoftware MnPAVE Flexible können Straßenbauplaner Feldtests zur Steifigkeit und Elastizität von Straßenbelägen auf Untergründen mit und ohne Geogitter simulieren. MnDOT verwendet Modellierungsergebnisse aus einer aktuellen Studie, um einen Design-Input zu entwickeln, der den Nutzen von Geogittern im Hinblick auf die Lebensdauer der Fahrbahn und die Dicke der Zuschlagstoffe quantifiziert.

„Diese innovative Studie wird besonders für Entwürfe in Gebieten mit schlechtem Untergrund von Nutzen sein. Wir haben eng mit dem Geogitterhersteller zusammengearbeitet, um Codes zu entwickeln, die das Verhalten des Geogitters in einer Fahrbahn genau simulieren“, sagte Bruce Tanquist, Pavement Computer Applications Engineer, MnDOT Office of Pavement Design.

Viele Autobahnen in Minnesota sind auf weichem Untergrund gebaut. Diese schwachen Untergründe verkürzen die Lebensdauer des Straßenbelags. In der Vergangenheit wurden Holz und Zement mit gemischtem Erfolg zur Aussteifung von Gehwegfundamenten verwendet. Allerdings haben sich Geogitter in den letzten 20 Jahren als vorteilhafte und kostengünstige Methode zur Versteifung der bestehenden Fahrbahnstruktur erwiesen.

Geogitter ist ein steifes Polymergewebe mit Öffnungen, die mit den Zuschlagstoffen in der Basis verzahnt sind. Das Material wird in den neuen oder wiedergewonnenen Zuschlagstoffsockel eingebracht, üblicherweise in zwei Dritteln des Abstands von der Oberkante des Sockels. Nachdem der restliche Zuschlagstoff eingebracht wurde, wird die Straße entweder mit Asphalt oder Beton gepflastert.

Geogitter erhöhen die Steifigkeit der Grundschicht aus Gesteinskörnungen, indem sie die Gesteinskörnungen an Ort und Stelle fixieren und so die Widerstandsfähigkeit verbessern. Obwohl der Nutzen von Geogittern in der Vergangenheit beobachtet wurde, wurde er für die Gestaltung von Straßenbelägen nicht quantifiziert, und Planer waren nicht in der Lage, die Eigenschaften bei der Gestaltung einer Straße in ihre Berechnungen einzubeziehen. Geogitter wurden manchmal als zusätzliche Kosten ohne berechneten Nutzen angesehen.

Eine Studie aus dem Jahr 2016 wurde ebenfalls damit beauftragt, die Vorteile von Geogittern bei der mechanistischen Konstruktion zu quantifizieren. Die Ergebnisse der Durchbiegungstests waren jedoch nicht schlüssig und stützten keinen zuverlässigen Entwurfsfaktor für die Verwendung von Geogittern in der Aggregatbasis.

Die Straßenplaner von MnDOT forderten ein Modell, um zu zeigen, wie sich der Einsatz eines Geogitters im Fahrbahnuntergrund auf die Lebensdauer des Straßenbelags auswirkt. Die Forscher nutzten eine neue Software, um das Verhalten des Geogitters in verschiedenen Entwurfsvarianten zu bewerten und seinen Nutzen für die Straßenbelagsleistung mithilfe der Straßenbelagsentwurfssoftware MnDOT, MnPAVE Flexible, zu quantifizieren.

Die aktualisierte Software wurde verwendet, um die Geogitter-Modellierungsfunktionen zu erweitern und modellierte unbewehrte und geogitterverstärkte Basen zu testen. Die Forschung begann mit der Identifizierung von Geogitterparametern, die für die Modellierung und als Eingaben für MnPAVE nützlich sind. Die Forscher arbeiteten mit einem Geogitterhersteller zusammen, um die physikalischen Eigenschaften und Eigenschaften von dreiachsigen Geogittern (mit dreieckigen Öffnungen) zu spezifizieren und zu kodieren, die im Feld zur Modellierung verwendet werden.

Anschließend arbeiteten die Forscher eng mit einem Softwareentwickler zusammen, um die Modellierungsfunktionen zu verfeinern und die früheren Arbeiten, die sich auf zweiachsige Geogitter (mit rechteckigen Öffnungen) konzentrierten, um dreiachsige Geogitter zu erweitern und das Verhalten von Geogittern in variablen Parametern für Geogitter und Aggregate zu modellieren.

Geogitter- und Aggregatmodelle wurden ausgiebig getestet, wobei die Geogitter- und Aggregateigenschaften angepasst und Tests mit dynamischem Kegelpenetrometer (DCP) und leichtem Deflektometer (LWD) simuliert wurden. Die Forscher sammelten numerische Modellierungsergebnisse zur Leistung von Geogittern und Aggregaten, um sie mit der Entwurfssoftware MnPAVE zu verwenden und Entwurfsfaktoren zu entwickeln, die den Einfluss von Geogittern auf die Leistung von Straßenbelägen quantifizieren.

Die Feldtests aus früheren Untersuchungen waren nicht detailliert genug, da sie nicht die spezifische Fahrbahnstruktur und den Untergrundzustand unterhalb jeder durchbiegungsgetesteten Stelle berücksichtigten. Darüber hinaus korrelierten Labortests, bei denen Geogitter anhand ihres Verhaltens in 6 x 12 Zoll großen Zylindern bewertet wurden, nicht gut mit den Abmessungen und Formen von Feld-Geogitterinstallationen.

Effektive Modellierung hilft bei der Quantifizierung der Vorteile von Geogittern. Die in dieser Forschung entwickelte Modellierung begann effektiv, die Lücke zwischen Feld- und Laboruntersuchungen zu schließen, indem Kräfte in 1-Fuß-Quadrat-Modellen mit 4 bis 12 Zoll Aggregatdicken getestet wurden, was für die Schätzung des Geogitter- und Aggregatverhaltens im Feld besser geeignet ist .

„Wir wurden gebeten, den Nutzen von Geogittern zu quantifizieren. Für Vorteile wie die Entwässerung ist es wichtig, die Zuschlagstoffschicht dick zu halten. Daher ist es wichtig zu wissen, dass wir mit der Geogitter-verstärkten Zuschlagstoffbasis eine zusätzliche Lebensdauer haben“, sagt John Siekmeier, Forschungsingenieur, MnDOT Office of Materials and Road Research.

Neue Modellierungsfunktionen ermöglichen das Testen verschiedener Parameter, einschließlich der Abmessungen und Konfigurationen der Geogitteröffnungen, der Dicke und Form der Geogitterrippen, der Rauheit und Abstufung des Aggregats sowie des Feuchtigkeitsgehalts. Testsimulationen von Geogitter- und Aggregatkonfigurationen laufen über Stunden oder Tage und modellieren ein breites Spektrum an Verhaltensweisen, um zuverlässige Daten aus DCP- und LWD-Tests zur Steifigkeit, Belastbarkeit und Festigkeit von Basen mit und ohne Geogitter zu erfassen.

Testergebnisse zeigten, dass mit Geogittern verstärkte Untergründe je nach Feuchtigkeitsgehalt und Jahreszeit eine 1,5- bis 2,5-fache Widerstandsfähigkeit unter Belastung bieten im Vergleich zu nicht mit Geogittern verstärkten Untergründen.

Forscher arbeiten mit MnDOT-Designern zusammen, um einen Geogitterfaktor in MnPAVE zu kodifizieren, der die verbesserte Lebensdauer oder das Aggregatdickenäquivalent bestimmt, das Geogitter für Aggregatbasen in Gehwegen bereitstellen. Der Geogitterfaktor könnte Anfang 2019 einbezogen werden.

Weitere Untersuchungen könnten den Vergleich der Modellierungsergebnisse mit den LWD- und DCP-Feldtestergebnissen neuer Fahrbahnen mit Geogitter-verstärkten Zuschlagstoffbasen umfassen. Eine solche Implementierung und Standortprüfung könnte mit neuen Straßeninstallationen fortgesetzt werden, um Daten zu sammeln, um Geogitter-Designfaktoren und Geogitter-Modellierung für MnPAVE zu bestätigen oder zu kalibrieren.

Dieser Beitrag bezieht sich auf den Bericht 2018-30, „Performance Specification for Geogrid Reinforced Aggregate Base“, veröffentlicht im Oktober 2018.