Für zahlreiche Aufgaben der oberflächennahen Bodenverdichtung werden heutzutage Vibrationswalzen eingesetzt, da sie gegenüber statischen oder oszillatorisch angeregten Walzen eine bedeutend größere Tiefenverdichtungswirkung aufweisen, somit den Einbau größerer Schüttlagenstärken erlauben und demnach auch gesteigerte Einbautagesleistungen ermöglichen.
Eine im Walzkörper rotierende, zentrisch gelagerte Unwucht sorgt dabei für dessen dynamische Erregung und ist für den vorwiegend vertikalen Eintrag der Verdichtungsenergie in den zu bearbeitenden Untergrund verantwortlich.
Die Methode der Vibrationsverdichtung hat ihre Anfänge in den späten 1950er Jahren [56] und wurde im Laufe des vergangenen halben Jahrhunderts zunehmend optimiert und bis hin zu selbstregelnden Walzen weiterentwickelt [37, 61]. Umfangreiche Forschungsarbeiten waren notwendig, um das Zusammenspiel des interagierenden Systems Vibrationswalze-Boden, welches von zahlreichen komplexen und nichtlinearen Vorgängen charakterisiert ist, besser verstehen zu können und daraus eine walzen- und arbeitsintegrierte Methode der Verdichtungsprüfung, die Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle (kurz: FDVK) zu entwickeln.
Seit den frühen 1980er Jahren finden Vibrationswalzen also nicht mehr nur als effiziente Verdichtungsgeräte Verwendung, sondern werden gleichzeitig auch als Messgerät eingesetzt.
Die Idee und das Messprinzip dahinter ist gleichermaßen einfach wie genial: Werden die Betriebsparameter wie Erregerfrequenz, Amplitude und Fahrgeschwindigkeit während der Walzenüberfahrten konstant gehalten, so lassen sich Änderungen im Schwingungsverhalten der Bandage eindeutig auf Änderungen der Untergrundeigenschaften zurückführen. Wird dieses charakteristische Bewegungsverhalten des Verdichtungskörpers in geeignetem Maße messtechnisch erfasst (z.B. durch Messung der Beschleunigungen an der ungedämpften, nicht rotierenden Lagerschale des Walzkörpers) und die aufgezeichneten Signale einer entsprechenden Auswerteprozedur zugeführt, so können daraus Messwerte abgeleitet werden, die noch während des Arbeitsvorganges Aussagen über den Verdichtungszustand des Untergrunds bzw. dessen Tragfähigkeit zulassen.
Diese Innovation stellt einen großen Nutzen auf dem Gebiet der Qualitätssicherung der Verdichtungsarbeiten dar, da alt eingesessene stichprobenartige Prüfmethoden, wie etwa der statische oder der dynamische Lastplattenversuch, Ramm- oder Drucksondierungen, ebenso wie sämtliche Methoden der Dichtebestimmung (Ausstechzylinder, Ersatzverfahren, Isotopensonde etc.) mit groben Nachteilen behaftet sind, die sich schlussendlich allesamt in unerwünschten, den gesamten Baubetrieb betreffenden, zeitlichem und monetärem Mehraufwand niederschlagen.
Die Methode der FDVK bietet also eine Möglichkeit, um den zunehmend effizienteren und gesteigerten Verdichtungsleistungen auch adäquat begegnen und eine entsprechende arbeitsintegrierte Kontrolle und Dokumentation des Verdichtungserfolges im Sinne eines flächenhaften und weitestgehend manipulationssicheren Qualitätsmanagements bieten zu können.
Mittlerweile führt nahezu jeder namhafte Walzenhersteller Vibrationswalzen im Sortiment, die mit entsprechenden FDVK-Systemen ausgestattet sind, sich jedoch sowohl im theoretischen Zugang als auch im Verfahren zur Messwertermittlung eklatant unterscheiden und demzufolge auch unterschiedliche Einheiten aufweisen.
Wie aus mehreren umfangreichen Forschungstätigkeiten, sowohl numerischer als auch experimenteller Natur (siehe etwa [63, 13, 44, 16]) bekannt, werden die derzeitigen Messwerte der FDVK für Vibrationswalzen nicht nur, wie gewünscht, von der Steifigkeit des Bodens, sondern zudem von der Abstimmung der diversenWalzen- und Betriebsparameter sowie vom daraus resultierenden charakteristischen Bewegungsverhalten des Verdichtungsgerätes – den sogenannten Betriebszuständen [13, 43] - beeinflusst.
Diese Abhängigkeiten, welche je nach verwendetem FDVK-System unterschiedlich stark ausgeprägt sind, führen dazu, dassWalzenüberfahrten auf ein und denselben Untergrundverhältnissen zu unterschiedlichen FDVK-Messwertverläufen führen und somit den Untergrund steifer bzw. weicher erscheinen lassen als er tatsächlich ist.
Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit ist ein Forschungsprojekt, welches das Ziel verfolgt, einen neuen Messwert zur Flächendecken Dynamischen Verdichtungskontrolle mit Vibrationswalzen zu entwickeln, der die Nachteile der derzeit verfügbaren FDVK-Systeme kompensiert und einen bestenfalls ausschließlich die Untergrundsteifigkeit kennzeichnenden, bodenphysikalischen Absolutwert mit entsprechender Einheit darstellt.
Nachdem sich die einleitenden Kapitel zunächst den Grundlagen der oberflächennahen mechanischen Bodenverdichtung(-sprüfung) sowie der FDVK mit Vibrationswalzen widmen, wird im Anschluss daran ein semi-analytisches Modell präsentiert, welches in der Lage ist, die Effekte, die bei der Verdichtung mit Vibrationswalzen auftreten abzubilden.
Im Unterschied zu den meisten früheren Simulationsmodellen ist es in der Lage, nicht nur das plastische Verhalten des Untergrunds und die wechselnden Kontaktbedingungen des Interaktionssystems, sondern auch die veränderliche Bandagenaufstandsbreite in der Belastungsphase zu berücksichtigen. Mit dieser Erweiterung lassen sich wesentlich realitätsnähere Arbeitsdiagramme generieren, die als ein wesentlicher Indikator für den Verdichtungszustand des Bodens angesehen werden können und eine gewichtige Rolle im Erarbeitungsprozess der neuen FDVK-Messgröße spielen.
Im Anschluss daran, wird die Theorie zur Entwicklung der neuen FDVK-Messgröße erläutert, die auf dem Leitgedanken beruht, bereits im Zuge der Messwertermittlung sowohl bodenmechanische als auch geometrische Parameter und Zusammenhänge mit unmittelbarer physikalischer Bedeutung zu berücksichtigen, und dadurch eine systemimmanente Berücksichtigung von Walzen- und Prozessparametern sowie der Betriebszustände zu erreichen.
Das Verfahren nutzt hierfür eine Kontaktlängensimulation und ein geeignetes bodenmechanisches Modell, um ein theoretisch generiertes Arbeitsdiagramm bestmöglich mit einem gemessenen Arbeitsdiagramm abzugleichen und schließlich einen geeigneten Messwert zur FDVK mit direkter bodenphysikalischer Relevanz und entsprechender Einheit daraus ableiten zu können.
Die folgenden Kapitel beschäftigen sich dann mit der praktischen Entwicklung der neuen Messgröße anhand der im Rahmen von zahlreichen experimentellen Versuchsreihen gewonnenen Messdaten und den damit verbundenen Herausforderungen.
Abschließend wird der auf die vorgestellte Weise ermittelte neue Messwert dann den übrigen, etablierten Messwerten der FDVK gegenübergestellt, um seine Qualität und Aussagekraft beurteilen zu können.
