Die Eisenbahninfrastruktur ist für die europäischen Volkswirtschaften aus mehreren Gründen von wesentlicher Bedeutung. Sie stellt ein sicheres, effizientes und erschwingliches Mittel zur Beförderung von Personen und Gütern dar. Darüber hinaus spielt sie eine wichtige Rolle bei der Verbindung wichtiger Wirtschaftszentren und Regionen sowie bei der Unterstützung des internationalen Handels, wodurch ein immenser sozialer Nutzen entsteht. Diese Vorteile sind der Grund dafür, dass SNCF Réseau (der französische Betreiber der Eisenbahninfrastruktur) und die französische Regierung in den letzten Jahren stark in die Modernisierung der bestehenden Eisenbahninfrastruktur investiert haben. Eine der Methoden zur Begrenzung der Umweltauswirkungen der Gleisbettsanierung ist die Verwendung von Geogittern zur Stabilisierung des Gleisbetts, um die Dicke des Gleisbetts zu verringern und gleichzeitig eine ähnliche Leistung wie bei Standard-Gleisbettkonstruktionen zu erzielen. Die genauen Auswirkungen der Geogitterstabilisierung auf die Lebensdauer des Gleises und den Instandhaltungsbedarf sind jedoch noch nicht ausreichend bekannt. Diese Phänomene entwickeln sich über so lange Zeiträume, dass es von entscheidender Bedeutung ist, geogitterstabilisierte Gleisbette zu entwerfen und ihr Verhalten mithilfe numerischer Modelle vorherzusagen.

Unter Geogitterstabilisierung versteht man die Verwendung von Geogittern zur Verbesserung der mechanischen Leistungsfähigkeit von ungebundenen Gesteinsschichten. Bei diesen Verstärkungen handelt es sich um geosynthetische Materialien auf Polymerbasis, die aus offenen Maschen bestehen, die aus (unter Spannung arbeitenden) Rippen bestehen, die durch mehr oder weniger starre Verbindungen miteinander verbunden sind. Das Vorhandensein dieser Öffnungen begünstigt den Verzahnungsmechanismus zwischen den Zuschlagstoffen und dem Geogitter.

Die Realisierbarkeit und Wirksamkeit von mit Geogittern stabilisierten Gleisbette im Hinblick auf die Bedürfnisse der SNCF Réseau wurde durch zyklische Belastungstests im Labor nachgewiesen und an instrumentierten Gleisabschnitten validiert. Diese Versuche führten zur Entwicklung von vereinfachten Konstruktionsrichtlinien und numerischen Modellen. Ihre Nützlichkeit ist jedoch durch die Größe des bestehenden Laborprüfstandes (relativ kleine Box, mit nicht quantifizierten Randeffekten) und die unkontrollierten Parameter der instrumentierten Strecke (Fahrerverhalten, Wetter usw.) begrenzt. Beide Schwächen können durch die Reproduktion zyklischer Belastungstests in einem größeren Prüfstand mit umfangreicheren Messungen behoben werden. Ziel des CyLo RT-Projekts ist es daher, das Langzeitverhalten von Gleisbetten unter zyklischer Belastung mit und ohne Geogitterstabilisierung unter den kontrollierten Bedingungen der Geotechnischen Versuchsgrube der TU Darmstadt zu untersuchen. Die gewonnenen Daten werden mit den Ergebnissen anderer laufender Forschungsarbeiten verknüpft und zur Verbesserung der numerischen Modellierung der Gleisbette der SNCF verwendet. Dieser Ansatz wird dazu beitragen, das Vorgehen der SNCF in Bezug auf die Gestaltung und die Lebensdauer von Gleisbetten weiterzuentwickeln.

Die Versuchskampagne fand zwischen Oktober 2024 und März 2025 statt. Die daraus resultierenden Daten werden derzeit für eine spätere Interpretation nachbearbeitet.

Groß angelegter Modelltest

Der im Rahmen dieses Projekts entwickelte Versuchsaufbau (Abbildung 1) zielt darauf ab, Gleisbedingungen nachzubilden, die denen im Betrieb entsprechen. Er umfasst eine Schotterschicht, die auf einem schwachen nahezu elastischen Unterbau aus Sand und Gummigranulat liegt. Bei einem der beiden Tests wurde ein stabilisierendes Geogitter an der Schnittstelle zwischen Schotter und Untergrund eingebaut. Die zyklische Belastung, die für den Eisenbahnverkehr unter vereinfachten Bedingungen repräsentativ ist, wurde mit Hilfe eines vertikalen Belastungssystems aufgebracht, das mittig über der Prüfgrube positioniert war. Die Belastung wurde so ausgelegt, dass sie die Durchfahrt von etwa 50.000 regionalen Personenzügen simuliert.

Zur detaillierten Analyse der Stabilisierungsmechanismen des Geogitters bei zyklischer Belastung (Versuch 2) und zum Vergleich mit dem Versuch ohne Geogitter (Versuch 1) wurde eine umfangreiche Instrumentierung eingesetzt. Dazu gehörten auf dem Geogitter installierte Dehnungsmessstreifen, strategisch positionierte Erddrucksensoren und verteilte faseroptische Sensoren (DFOS), die auf zwei Ebenen unterhalb des Geogitters angebracht wurden.

Die Instrumentierung bestand aus zwei sich ergänzenden Teilsystemen, die eine hochauflösende Überwachung des Gleisbetts bei zyklischer Belastung ermöglichten:

• Das erste Teilsystem umfasste 28 Sensoren für Test 1 bzw. 37 Sensoren für Test 2, darunter: in die hydraulischen Aktuatoren eingebettete Kraft- und Verschiebungssensoren; 4 Kraftmessdosen in der Belastungsvorrichtung zur Messung der aufgebrachten vertikalen Lasten; 6 Verschiebungsaufnehmer zur Messung der vertikalen Verschiebung der beiden Blöcke der Belastungsvorrichtung; 14 Erddrucksensoren, die verteilt im Untergrund installiert wurden, um vertikale Spannungsfelder abzubilden; 9 Dehnungsmessstreifen, die am Geogitter angebracht wurden, um dessen Verformung entlang zweier senkrechter Richtungen zu messen (nur in Test 2); 2 Temperatursensoren.
• Das zweite Teilsystem konzentrierte sich auf die verteilte Dehnungsüberwachung mit 6 DFOS-Sensoren, die jeweils etwa 40 m lang waren (Abbildung 2). Diese waren in einem Gittermuster auf zwei verschiedenen Ebenen unterhalb der Schotterschicht eingebettet. Die DFOS-Technologie ermöglichte einen detaillierten Einblick in die Entwicklung der Dehnungen und Verformungsprofile des Untergrunds.

Die vorläufigen Ergebnisse von Test 1, deuten auf eine fortschreitende Akkumulation von Oberflächensetzungen auf der Ebene der Belastungsvorrichtung über wiederholte Ladezyklen hin, wobei in den Anfangsphasen des Tests erwartungsgemäß die größeren Setzungen beobachtet wurden.

GEOLAB – Transnational Access Project CyLo-RT: Cyclic loading of railway trackbeds with and without geogrid stabilisation

Olatoundé, Yaba; Liaudat, Joaquín; Kochnev, Alexander; El Ayoubi, Ahmad; Jenck, Orianne; Emeriault, Fabrice; Vollmert, Lars; Szymkiewicz, Fabien; Zachert, Hauke (2025)