146 Mit steigender Vorbelastung sinken die Kompressionsbeiwerte des künstlich rück-verdichteten homogenisierten Bodens und des UB, wobei bei letzterem nur 25% der Streuung der Wertepaare (R2=0,25, Gesamtmodell und des Steigungskoeffizient mit p<0,02 signifikant für α=0,05; statistische Testergebnisse siehe Tabelle 9) von der linearen Regressionsgeraden erklärt werden. Bei dem Boden der alten Rückegassen besteht keine signifikante Abhängigkeit zwischen der Vorbelastung und dem Kompres-sionsbeiwert (R2<0,01, p=0,34 des Gesamtmodells; statistische Testergebnisse siehe Tabelle 9). Bei gleichem Kompressionsbeiwert waren die Vorbelastungen des UB und des Bodens der alten Rückegassen deutlich höher als die Vorbelastungen des vorver-dichteten homogenisierten Bodens.
147 jede Bodenvariante bei den Soll-Vorentwässerungsstufen (initiale Porenwasserdrücke der Bodenproben) -30 hPa, -60 hPa und -300 hPa wiederholt.
Setzungsverhalten des ungestörten und homogenisierten Mineralbodens bei variierenden initialen Porenwasserdrücken
Die Dehnungsdiagramme A, C und E in Abbildung 36 zeigen das Setzungsverhalten des vorverdichteten homogenisierten Bodens, des UB und des Bodens aus VB1 und VB2 während zyklischer Belastung in Abhängigkeit von der jeweiligen Soll-Vorent-wässerung. Die mit jedem Belastungszyklus akkumulierende Setzung ist in den Dehnungsdiagrammen als negative Dehnung prozentual zur Probenhöhe auf der y-Achse aufgetragen.55 Die Dehnungswerte der einzelnen Belastungszyklen stellen die Endwerte der akkumulierten Dehnung nach dem jeweiligen Belastungszyklus dar.
Die Diagramme B, D und F in Abbildung 36 zeigen die während der zyklischen Belas-tungsversuche mit Mikrotensiometern gemessenen maximalen Porenwasserdrücke.
In diesen Diagrammen sind zusätzlich auf der Sekundärachse die alternierenden simulierten Auflasten des Vorder- und Hinterwagens des Versuchsrückezugs aufge-tragen. Die Auflasten und maximalen Porenwasserdrücke der bei jedem Belastungs-zyklus simulierten Radlasten des Vorderwagens und der beiden simulierten Radlasten des Hinterwagens sind jeweils zusammengefasst als Einzelwerte dargestellt.
Eine zweifaktorielle ANOVA mit Messwiederholung56 mit Greenhouse-Geissner Korrektur für fehlende Sphärizität zeigte, dass sich die mittleren Dehnungen signifikant über die als Innersubjektfaktoren definierten 8 Belastungszyklen (F(1,2; 27,9) = 308,9, p<0,001) und 3 Vorentwässerungsstufen (F(1,8; 42,8) = 13,5, p<0,001) unterscheiden (Methoden siehe Kapitel 4.15). Als Signifikanzniveau wurde α=0,05 festgelegt.
Der Betrag der akkumulierten Dehnung nahm mit zunehmend negativer Soll-Vorent-wässerung ab (der Betrag einer negativen Dehnung entspricht einer positiven Setzung). Die Gesamtdehnung des homogenisierten Bodens lag nach 8 Befahrungs-zyklen bei -30 hPa Soll-Vorentwässerung bei -14,4%, bei -60 hPa bei -11,3% und bei -300 hPa bei -9,7%.
55 Die negativen Dehnungswerte in % zeigen die Setzung im Verhältnis zur Probenhöhe von 30 mm an.
56 Im statistischen Modell wurden die messwiederholten Faktoren „Belastungszyklen“ und
„Soll-Vorentwässerung“ als Innersubjekt-Faktoren und der nicht-messwiederholte Faktor
„Bodenvariante“ als Zwischensubjekt-Faktor definiert.
148 Abbildung 36: Arithmetische Mittelwerte und Konfidenzintervalle der negativen Dehnung in % (links) und der maximalen Porenwasserdrücke ψmax in hPa mit Auflasten auf der Sekundärachse in kPa (rechts) von künstlich rückverdichtetem homogenisiertem Waldboden, ungestörtem unbefahrenem Waldboden (UB) und Boden aus den alten Rückegassen VB1 und VB2 jeweils aus TS1 (6-9 cm Tiefe) in Abhängig-keit von der Anzahl von Belastungszyklen im Ödometer. Die Belastungsversuche fanden bei Soll-Vorentwässerungen von -30 hPa (A und B), -60 hPa (C und D) und -300 hPa (E und F) statt. n=4 (homogenisiert), n=8 (UB, VB1 und VB2).
0 200 400 600 800 1000
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Auflast [kPa]
ψmax[hPa]
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0
1 2 3 4 5 6 7 8
Dehnung [%]
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0
1 2 3 4 5 6 7 8
Dehnung [%]
A
C D
0 200 400 600 800 1000
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Auflast [kPa]
ψmax[hPa]
-60 hPa
B
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0
1 2 3 4 5 6 7 8
Dehnung [%]
E
Belastungszyklen
0 200 400 600 800 1000
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Auflast [kPa]
ψmax[hPa]
-300 hPa F -30 hPa
Belastungszyklen
149 Die Gesamtdehnung des UB lag nach 8 Befahrungszyklen bei -30 hPa Soll-Vorent-wässerung bei -6,2%, bei -60 hPa bei -4,1% und bei -300 hPa bei -4,9%. Die gemittelte Gesamtdehnung von VB1 und VB2 lag nach 8 Belastungszyklen bei -30 hPa Soll-Vorentwässerung bei -4,0%, bei -60 hPa bei -3,6% und bei -300 hPa bei -3,2%.
Ein paarweise vorgenommener Post-Hoc Vergleich der Soll-Vorentwässerungsstufen mit Bonferroni Korrektur im Rahmen der zweifaktoriellen ANOVA mit Messwertwieder-holung zeigte, dass die oben genannten Unterschiede zwischen der Dehnung bei -30 hPa und der Dehnung bei -60 hPa bzw. -300 hPa signifikant sind (p=0,003 und KI(0,13; 0,69); p<0,001 und KI(0,24; 0,64)). Zwischen -60 und -300 hPa wurde jedoch kein signifikanter Unterschied gefunden (p=1,00).
Der Vergleich der Zwischensubjekteffekte im Rahmen der zweifaktoriellen ANOVA mit Messwertwiederholung ergab, dass signifikante Unterschiede zwischen den Boden-varianten homogenisiert, UB und VB1 und VB2 bestehen (F(3, 24)=84,7; p<0,001).
Ein paarweise vorgenommener Post-Hoc Test mit Bonferroni Korrektur präzisierte, dass die unten genannten Unterschiede zwischen den Dehnungen des homogeni-sierten Bodens und den Dehnungen von UB bzw. VB1 und VB2 über die Innersubjekt-Faktoren Soll-Vorentwässerung und Belastungshäufigkeit hinweg signifikant sind (homogenisiert zu UB p<0,001 mit KI(1,3; 2,2); homogenisiert zu VB1 p<0,001 mit KI(1,8; 2,6); homogenisiert zu VB2 p<0,001 mit KI(1,6; 2,4); UB zu VB1 p<0,01 mit KI(0,1; 0,8)). Bei -30 hPa Soll-Vorentwässerung war der Dehnungsbetrag des UB und des Rückegassenbodens (Mittelwert von VB1 und VB2) nach 8 Befahrungssimula-tionen im Vergleich mit dem homogenisierten Boden in absoluten Prozentpunkten um 8,2 bzw. 10,4% geringer. Bei -60 hPa Soll-Vorentwässerung war der Dehnungsbetrag des UB und des Rückegassenbodens im Vergleich mit dem homogenisierten Boden nach 8 Befahrungssimulationen in absoluten Prozentpunkten um -7,2 bzw. -7,7%
geringer. Bei -300 hPa Soll-Vorentwässerung war der Dehnungsbetrag des UB und des Rückegassenbodens im Vergleich mit dem homogenisierten Boden nach 8 Befah-rungssimulationen in absoluten Prozentpunkten um -4,8 bzw. -6,5% geringer.
Im relativen Vergleich zum homogenisierten Boden entspricht dies bei -30 bis -300 hPa Vorentwässerung einer um 49-64% geringeren Gesamtsetzung des UB und einer um 67-72% geringeren Gesamtsetzung des Bodens aus den Rückegassen VB1 und VB2. Im relativen Vergleich zum UB war die Gesamtsetzung des Bodens aus den Rückegassen VB1 und VB2 bei -30 bis -300 hPa Soll-Vorentwässerung um 13-36% niedriger.
150 Bei allen Bodenvarianten und Entwässerungsstufen nahm die Gesamtsetzung bzw.
der negative Dehnungsbetrag mit jeder simulierten Befahrung (d.h. mit jedem Belas-tungszyklus) zu, wobei die Dehnungsanteile der einzelnen simulierten Befahrungen mit jeder weiteren simulierten Befahrung kontinuierlich abnahmen. Die stärkste nega-tive Dehnung erfolgte stets nach dem ersten Belastungszyklus, mit weiteren Befah-rungszyklen akkumulierte der Dehnungsbetrag mit abgeflachter Steigung nahezu linear bis zum achten Belastungszyklus. Nach dem ersten Belastungszyklus betrug die negative Dehnung über die drei Soll-Vorentwässerungsstufen hinweg beim homo-genisierten Boden zwischen 8,9% und -6,7%, beim UB zwischen -3,7% und -2,3% und beim Boden aus den alten Rückegassen (Mittelwerte von VB1 und VB2) zwi-schen -2,7% und -2,2%.
Die Setzungen von Bodenproben aus Rückegasse 2 (VB2) nach 8 Befahrungssimula-tionen bei -60 hPa Soll-Vorentwässerung führten im arithmetischen Mittel zu einer Erhöhung der Lagerungsdichte von initial 1,37 g cm-3 auf 1,43 g cm-3 (Daten nicht gezeigt). Die Simulation von 8 Befahrungen mit dem Kontaktflächendruck des Versuchsrückezugs mit der NOKIAN® Fahrwerkkonfiguration führte folglich bei Boden-proben aus TS1 von Rückegasse 2 zu einer Erhöhung der Lagerungsdichte um 0,06 g cm-3. Bei realen 8 Befahrungen von Rückegasse 2 bei Feldkapazität (ca. -60 hPa) mit der Fahrwerkkonfiguration NOKIAN® Reifen erhöhte sich die arith-metisch gemittelte Lagerungsdichte von initialen 1,38 auf 1,58 g cm-3 (Ergebnisse der Mechanikstechzylinder mit 236 cm3 Innenvolumen siehe Abbildung 21 A und C). Dies entspricht einer Erhöhung der Lagerungsdichte um 0,20 g cm-3 bei der tatsächlichen Befahrung im Wald. Eine unabhängige Messung der Lagerungsdichte vor und nach 8 Befahrungen mit NOKIAN® Reifen, die an – parallel aus denselben Probenahme-gruben entnommenen – Bodenproben mit 102 cm3 Volumen ermittelt wurde, ergab eine ähnliche Erhöhung der Lagerungsdichte um 0,19 g cm-3 in TS1. Zusammen-gefasst war die Kompaktion des Bodens bei der realen Befahrung mit NOKIAN® Reifen demnach etwa dreimal so hoch wie bei deren Simulation im Labor.
Verlauf des Porenwasserdrucks
In Abbildung 37 ist der Verlauf des gemittelten Porenwasserdrucks im UB bei unter-schiedlichen initialen Wasserspannungen während des ersten von insgesamt 8 Belas-tungszyklen dargestellt (jeweils als Mittelwerte der acht Einzelmessungen pro Variante). Die jeweils vier Peaks sind die Reaktionen des Porenwasserdrucks auf die vier direkt aufeinander folgenden Belastungsereignisse, welche das Überrollen eines
151 Punktes mit vier Reifen während einer Befahrung simulierten. Bei jeder einzelnen Belastung erhöhte sich der Porenwasserdruck und fiel danach wieder ab.
Abbildung 37: Verlauf des Porenwasserdrucks während der ersten von acht simulierten Befahrungen im Ödometer am Beispiel des unbefahrenen Mineralbodens. Die Peaks des Porenwasserdrucks korrespondieren mit den Belastungssimulationen der 4 Reifenüberrollvorgänge während einer Befah-rung. Initiale Porenwasserdrücke -30, -60 und -300 hPa. n=8.
In Abbildung 38 ist der Verlauf des Porenwasserdrucks einer einzelnen Bodenprobe aus dem UB während 8 simulierter Befahrungen beispielhaft für -30 hPa abgebildet.
Zwischen den simulierten Befahrungen stellte sich der Porenwasserdruck immer wie-der auf den initialen Ausgangswert von -35 hPa ein.
Abbildung 38: Verlauf des Porenwasserdrucks während 8 simulierter Befahrungen im Ödometer erfasst mit Mikrotensiometern am Beispiel einer Einzelmessung an einer Bodenprobe aus TS1 des unbefahre-nen Waldbodens, initialer Porenwasserdruck -30 hPa.
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28
Porenwasserdruck [hPa]
Zeit [s]
-30 hPa -60 hPa -300 hPa
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0 500 1000 1500 2000 2500
Porenwasserdruck [hPa]
Zeit [s]
152 Der Verlauf der maximalen Porenwasserdrücke als Funktion der Zahl von Belastungs-zyklen bleibt über die 8 BelastungsBelastungs-zyklen bei allen Bodenvarianten und Soll-Vorent-wässerungsstufen im Mittel nahezu konstant (Abbildung 36 B, D und E). Die maximalen Porenwasserdrücke des homogenisierten Bodens lagen bei -30, -60 und -300 hPa Soll-Vorentwässerung bereits ab dem ersten Belastungszyklus deutlich über 0 hPa (d.h. im Überdruck-Bereich). Die maximalen Porenwasserdrücke der Ver-suchsvarianten UB und VB1 und VB2 lagen bei -30 und -60 hPa Soll-Vorentwässerung an der Grenze zum Überdruckbereich und darüber und bei -300 hPa sämtlich im Unterdruckbereich unter 0 hPa. Die maximalen Porenwasserdrücke schaukelten sich nicht mit zunehmender Belastungshäufigkeit auf.
Die maximalen Porenwasserdrücke schwankten beim homogenisierten Boden peri-odisch innerhalb der Belastungszyklen, wobei die Schwankungsbreite bei -300 hPa deutlich geringer als bei -60 und -30 hPa ist. Dabei war jeweils der maximale Poren-wasserdruck der ersten beiden Belastungen eines Belastungszyklus höher als der maximale Porenwasserdruck der nachfolgenden zwei Belastungen, unabhängig davon, ob ein Belastungszyklus eine Vorwärtsfahrt oder eine Rückwärtsfahrt simulierte (Abbildung 36 B, D und E). Bei den ungestört entnommenen Bodenproben (UB, VB1 und VB2) war ein solches periodisches hydraulisches Verhalten nicht zu beobachten (Abbildung 36 B, D und E).