Geotechnical Characterisation of Subgrade and Sub-Base Materials for Road Pavement Design in Kasese District, Western Uganda

Straßen sind mehr als nur Streifen aus Asphalt; sie sind komplexe Strukturen, die auf einem lebendigen, atmenden Fundament aus Erde errichtet wurden. In der Welt des Bauingenieurwesens wird der Boden unter einer Straße als Untergrund (Subgrade) bezeichnet, und die Schicht aus Material, die direkt darauf platziert wird, nennt man die Tragschicht (Sub-base). Diese Schichten fungieren als das Fundament des gesamten Fahrbahnsystems, indem sie das schwere Gewicht von Fahrzeugen verteilen, damit die Oberfläche nicht reißt oder einsinkt. Die Erde ist jedoch nicht einheitlich. An einigen Stellen ist der Boden trocken und fest, während er an anderen Stellen nass, weich und anfällig für Aufquellungen ist, wenn er durch Feuchtigkeit gesättigt wird. Wenn Ingenieure eine Straße bauen, ohne das spezifische Verhalten des lokalen Bodens zu verstehen, wird die Straße vorzeitig versagen und sich in einen holprigen, gefährlichen Pfad verwandeln, der ständige, teure Reparaturen erfordert. Dies ist besonders kritisch in Regionen mit starken Regenfällen und saisonalen Überschwemmungen, in denen Wasser festen Boden in eine schwache, instabile Schlämme verwandeln kann.

Im Distrikt Kasese im Westen Ugandas setzte sich ein Team von Forschern zum Ziel, genau zu verstehen, was sich unter den Straßen befindet, die diese lebendige Region verbinden. Kasese ist ein Zentrum der Aktivität, das Touristen zu den nahe gelegenen Rwenzori-Bergen und dem Queen Elizabeth National Park zieht, während es gleichzeitig als wichtiger Korridor für den Bergbau und den grenzüberschreitenden Handel mit der Demokratischen Republik Kongo dient. Trotz seiner Bedeutung leiden die Straßen hier häufig unter vorzeitigem Versagen. Der Distrikt erlebt erhebliche Regenfälle und ist anfällig für Überschwemmungen durch Flüsse wie den Nyamwamba und den Mubuku, die die Straßenfundamente oft überfluten. Um dies zu lösen, mussten die Forscher über Vermutungen und allgemeine Annahmen hinausgehen. Sie führten eine detaillierte Untersuchung durch, um das Bodenprofil zu kartieren und die Festigkeit zu messen, mit dem Ziel, einen klaren, wissenschaftsbasierten Leitfaden für die Konstruktion von Straßen zu erstellen, die der lokalen Umgebung standhalten können.

Das Team begann seine Arbeit mit dem Ausheben von dreißig Testlöchern im gesamten Distrikt, die eine Tiefe von zwei Metern erreichten, um zu sehen, welche Materialien unter der Oberfläche liegen. Sie sammelten Bodenproben in regelmäßigen Abständen und brachten sie in ein Labor, um eine Reihe von Tests durchzuführen. Diese Tests maßen, wie viel Wasser der Boden speichert, wie schwer er ist und wie er sich verhält, wenn er zusammengedrückt oder durchtränkt wird. Sie untersuchten auch die Größe der Bodenpartikel und unterschieden zwischen feinem Ton, Schluff, Sand und Kies. Dieser Prozess ermöglichte es ihnen, ein klares Bild der Zusammensetzung des Bodens zu erstellen. Sie fanden heraus, dass die oberste Schicht, die sich von der Oberfläche bis etwa 0,45 Meter nach unten erstreckt, aus dunkler, organischer Tonerde besteht. Diese Schicht ist für den Straßenbau ungeeignet, da sie zu weich und instabil ist. Unterhalb von 0,45 Metern bis 1,2 Metern stießen sie auf eine Schicht aus schluffigem Ton mit geringer bis mittlerer Plastizität. Schließlich änderte sich der Boden von 1,2 Metern bis 2,0 Metern zu einem schlecht gestuften Sand, der mit Kies vermischt war, welcher Wasser gut abführt, aber nicht die nötige Klebrigkeit besitzt, um die Straße zusammenzuhalten.

Die Analyse dieser Materialien enthüllte einige besorgniserregende Details über den Untergrund, die Schicht, die die Straße direkt stützt. Der Boden in diesem Gebiet besteht überwiegend aus schluffigem Ton und weist eine überraschend hohe natürliche Feuchtigkeit von durchschnittlich 28,1 Prozent auf. Für einen stabilen Straßenbau bevorzugen Ingenieure typischerweise Feuchtigkeitswerte zwischen 5 und 15 Prozent. Da der Boden so nass ist, ist er schwächer als ideal. Die Forscher klassifizierten den Boden nach Standard-Ingenieursystemen und stellten fest, dass 62 Prozent der Proben als schlecht bis mittelmäßig eingestuft wurden, was bedeutet, dass sie Schwierigkeiten hätten, schweren Verkehr ohne Hilfe zu tragen. Nur 38 Prozent wurden als gut bis ausgezeichnet bewertet. Ein Schlüsselfaktor für diese Schwäche ist das Vorhandensein von quellfähigen Tonen. Dies sind Böden, die sich signifikant ausdehnen, wenn sie Wasser aufnehmen, und zusammenziehen, wenn sie austrocknen, was dazu führt, dass der Boden reißt und sich hebt. Die Studie ergab, dass die Quellfähigkeit des Bodens recht hoch war, wobei einige Proben ein Expansionspotenzial zeigten, das eine direkt darüber gebaute Straße leicht beschädigen könnte.

Um zu messen, wie stark der Boden tatsächlich ist, führte das Team einen Test durch, der als California Bearing Ratio bekannt ist und simuliert, wie viel Druck der Boden aushält, bevor er versagt. Sie testeten den Boden sowohl in seinem natürlichen Zustand als auch nach einer 48-stündigen Durchtränkung, um die Bedingungen bei Überschwemmungen nachzuahmen. Die Ergebnisse zeigten, dass der durchtränkte Boden recht schwach war, mit Festigkeitswerten zwischen 5 Prozent und 32 Prozent, was im Durchschnitt nur 8,6 Prozent entspricht. Dies liegt weit unter dem Schwellenwert, der normalerweise für unbefestigte Straßen erforderlich ist, was darauf hindeutet, dass die Straße ohne Eingreifen unter dem Gewicht von Fahrzeugen wahrscheinlich einsinken oder Spurrillen bilden würde. Die Forscher berechneten auch die Steifigkeit des Bodens und stellten fest, dass dieser relativ weich war, was die Notwendigkeit eines robusten Designs weiter bestätigt.

Doch die Geschichte ist nicht ausschließlich eine der Schwäche. Das Team suchte auch nach Materialien, die für den Bau der Tragschicht verwendet werden könnten, der Schicht, die über dem schwachen Untergrund platziert wird, um die Last zu verteilen. Sie untersuchten Boden aus zugelassenen Steinbrüchen (Borrow Pits) in Gebieten wie Kilembe und Hima. Diese Materialien erwiesen sich als wesentlich besser für den Bau geeignet. Sie bestanden hauptsächlich aus Sand mit etwas Kies und einem moderaten Anteil an Feinanteilen, was sie als exzellent bis gut für den Straßenbau klassifiziert. Bei Tests zeigten diese Materialien eine durchtränkte Festigkeit von 18 bis 42 Prozent, was die Mindestanforderungen für eine Tragschicht erfüllt. Dennoch hatten selbst diese guten Materialien eine Schwachstelle: Wenn sie durchtränkt wurden, verloren sie zwischen 12 und 58 Prozent ihrer Festigkeit. Dies unterstreicht einen entscheidenden Punkt: Selbst die besten lokalen Materialien werden versagen, wenn Wasser zu lange in ihnen steht.

Basierend auf diesen Erkenntnissen schlugen die Forscher ein spezifisches Design für zukünftige Straßen im Distrikt vor. Sie empfahlen eine Gesamtdicke der Fahrbahn von zwischen 350 und 400 Millimetern. Diese Struktur würde eine dünne Asphaltschicht oben, gefolgt von einer dicken Schicht aus gebrochenem Stein und dann einer granularen Tragschicht aus den besseren lokalen Materialien umfassen. Entscheidend ist, dass sie empfahlen, die obersten 0,45 Meter der organischen Erde vollständig zu entfernen und durch eine ausgewählte Auffüllschicht zu erset eigentlich, um sicherzustellen, dass die Straße auf einem stabilen Fundament ruht. Um das hohe Regenaufkommen und das Überschwemmungsrisiko zu bewältigen, legt das Design den Schwerpunkt auf die Entwässerung. Die Tragschicht sollte aus grobkörnigen Materialien bestehen, die es Wasser ermöglichen, schnell durch sie hindurchzufließen, anstatt darin gefangen zu werden. Die Forscher schlugen außerdem vor, Randentwässerungen und Querungen (Cross Culverts) in regelmäßigen Abständen zu installieren, um das Wasser vom Straßenfundament fernzuhalten. Für die schwächsten Bereiche, in denen der Boden zu weich oder zu quellfähig ist, empfahlen sie, den Boden mit Kalk oder Zement zu behandeln, um ihn zu stärken und seine Tendenz zum Quellen zu verringern.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Straßen im Distrikt Kasese in der Vergangenheit nicht mangels Bemühungen gescheitert sind, sondern aufgrund eines Mangels an spezifischem Wissen über den lokalen Boden. Durch die detaillierte Charakterisierung des Bodens haben die Forscher einen klaren Weg aufgezeigt. Die Daten zeigen, dass der natürliche Boden zwar oft zu schwach und zu nass ist, um eine Straße direkt zu tragen, dies aber mit der richtigen Kombination aus Dicke, Entwässerung und Materialauswahl beherrschbar ist. Der empfohlene Ansatz, eine dickere Fahrbahn mit grobkörnigen Schichten und verbesserten Entwässerungssystemen zu verwenden, bietet eine praktische Lösung für die Überschwemmungsprobleme der Region. Diese Arbeit stellt sicher, dass zukünftige Straßen auf einem Fundament gebaut werden, das den Boden, auf dem sie stehen, versteht, was zu einer sichereren und länger anhaltenden Infrastruktur für die Menschen im Westen Ugandas führt.