Baugrundverbesserung - Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau

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M.1
Baugrundverbesserung
Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau
M Baugrundverbesserung
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Allgemeines
Ist eine vorhandene Untergrundsituation im Hinblick auf ein zu errichtendes Bauwerk ungünstig, so können sich entweder
Bauwerk und Gründung an die vorhandenen Böden anpassen, z.B. mit Tiefgründungen oder derart, dass sie große Verformungen ertragen bzw. ausgleichen können, oder der Baugrund wird ausgetauscht, verbessert, verfestigt oder in anderer Art und Weise derart verändert, dass das geplante Bauwerk darin oder darauf erstellt werden kann.
Der Übergang von Verfahren der Baugrundverbesserung zu solchen der Baugrundverfestigung (siehe auch Vorlesungseinheit F, "Boden als Baustoff") und zu Tiefgründungsverfahren ist fließend.
Folgende Verfahren werden hier behandelt:
Bodenverbesserung durch Vorbelastung
Tiefendräns zur Beschleunigung der Konsolidation
Bodenverdichtung an der Oberfläche
Bodenaustausch
Bodenverdichtung durch Tiefenrüttler
Bodenverdichtung mit Hilfe von Fallplatten (dynamische Intensivverdichtung)
Bodenverdichtung mit Hilfe von Sprengungen
Bodenverbesserung mit Schotter- und Steinsäulen
mit Geotextil ummantelte Sandsäulen
vermörtelte Schottersäulen und Betonsäulen
Kalksäulen
Mixed in Place - Verfahren
thermische Bodenverfestigung
Baugrundvereisung
Injektionen
Düsenstrahlverfahren
Bodenverbesserung durch Vorbelastung und Einsatz von Tiefendräns
Wassergesättigte oder teilgesättigte kompressible Böden lassen
sich bei ausreichend verfügbarer Zeit wirtschaftlich dadurch verbessern, dass man sie unter einer künstlich aufgebrachten Auflast
(Sand, Baugrubenaushub o.ä.) konsolidieren lässt. Sobald die
Setzungsbeobachtung zeigt, dass der gewünschte Erfolg eingetreten ist, kann die Aufschüttung bzw. Überschüttung auf ein anderes
Feld umgesetzt werden. Die Erfolgskontrolle geschieht am einfachsten mit Hilfe regelmäßiger Nivellements von Setzungsmesspegeln, die an der Oberfläche des gewachsenen Bodens
installiert werden. Diese können mit zunehmender Schütthöhe
nach oben verlängert werden und werden mit Hilfe von Schutzrohren (Beton-Schachtfertigteile) vor Beschädigungen im Erdbaubetrieb geschützt.
Derartige Vorschüttungen können im Bereich von Brückenwiderlagern sehr hilfreich sein, um den Übergang von einem verformungsarm tiefgegründeten Widerlager auf den dahinterliegenden,
flach gegründeten Damm gebrauchstauglich zu erstellen. Dazu
wird der Damm - möglichst mit einer beschleunigend wirkenden
Überschüttung - auch im Bereich des herzustellenden Widerlagers
vorgeschüttet. Zum Bau des Widerlagers wird die Schüttung im
erforderlichen Umfang entfernt. Die Arbeitsraumverfüllung hinter
Schütthöhe
M.2
S2 (Vorbelastung)
S1 (Vorbelastung)
Endauffüllung S0
h
Zeit
Zeit
S0
S1
Setzung
-
S2
Bild M02.10: Bodenverbesserung durch Vorbelastung (LADD, 1976)
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Baugrundverbesserung
dem Widerlager stellt dann nach seiner Herstellung für den Untergrund nur noch eine Wiederbelastung dar, bei der die
Setzungen gering sind und schnell ausklingen.
Die Beschleunigung der Konsolidation durch eine überhöhte Ballastierung des Bodens ist beispielhaft in Bild M02.10
(LADD, 1976) dargestellt. Insbesondere lassen sich auch durch nur kurzfristig überhöhte Vorbelastungen die sekundären
Nachsetzungen dämpfen (JONAS, 1964). Zwar gibt es Versuche, die Reduktion der sekundären Nachsetzungen rechnerisch zu erfassen (JOHNSON, 1970), doch wird man sich in praktischen Fällen eher daran orientieren, was an Last erdstatisch zulässig (Grundbruch bei undränierter Scherfestigkeit) und was wirtschaftlich machbar ist.
0
0
1966
1
1967
2
1968
3 Jahre
ohne Sanddräns
Setzung [m]
Bild M02.20 zeigt ein durch Messungen dokumentiertes Beispiel:
Konsolidierung von 22 m Klei beim Bau des Elbehafens Brunsbüttel (HELLENSCHMIDT, 1969),
und zwar durch eine 1. Auffüllung mit 5,5 m Sand
1966 und eine 2. Auffüllung mit weiteren 3,5 m
Sand Ende 1967 (ausgezogene Kurve). Das Beispiel zeigt weiter, wie der Konsolidationsvorgang
erheblich beschleunigt werden kann, wenn die
Dränwege künstlich durch Einbringen vertikaler
Dränstränge verkürzt werden, wie es hier in einem
Teilbereich geschah, wo außerdem die 9 m Sandlast auf einmal aufgebracht wurden.
2
mit Sanddräns
4
In jedem Fall muss außerdem zwischen den zu
Bild M02.20: Konsolidationszeiten mit und ohne Vertikaldräns
verbessernden Boden und den Ballast eine Flä(HELLENSCHMIDT, 1969)
chendränung eingeschaltet werden, meist Sand
oder Schotter mit 0,3 m bis 0,5 m Dicke, wenn der
Ballastboden selbst nicht genügend wasserdurchlässig ist. Diese Dränschicht muss vom anstehenden zu entwässernden
bindigen Boden filterstabil getrennt werden.
Die zur Beschleunigung der Konsolidation eingebrachten Vertikaldräns bestehen heute meist aus Papp- oder KunststoffDränbändern, die in den Boden eingestanzt werden. Eine Übersicht über verschiedene Fabrikate geben SMOLTCZYK /
HILMER (1991).
Früher waren hierzu Sanddräns gebräuchlich, die
jedoch deutlich aufwändiger herzustellen sind und
bei großen Setzungsbewegungen leicht abscheren
und unwirksam werden können. Bild M02.30 stellt
schematisch den Vorgang des Drän-Einstechens
dar. Zur Theorie der Vertikaldräns wird auf
GUSSMANN (1990) verwiesen. Sie erlaubt, den
Abstand der Vertikaldräns zueinander zu bemessen, der sich aus der verfügbaren Konsolidationszeit ergibt. Beim Bau der DASA-Erweiterung im
"Mühlenberger Loch" (2001) in der Elbe wurden
aufgrund der äußerst knappen Bauzeit Dräns im
Abstand von weniger als 1 m gesetzt, um die
Konsolidationszeit des dort abgelagerten Elbschlamms unter den aufgebrachten Sandschüttungen zu minimieren.
Bild M02.30: Tiefendräns (SMOLTCZYK / HILMER, 1991)
Statische Vorbelastungen erreicht man auch durch
Grundwasserabsenkungen oder durch Anwendung von Unterdruck (KJELLMANN, 1952 und HOLTZ / WAGNER, 1975),
wobei die Geländeoberfläche durch eine Kunststoff-Folie gedichtet wird. In diesem Zusammenhang wird auch die Elektro-Osmose genannt, mit der eine Entwässerung gering durchlässiger bindiger Böden bewirkt werden kann. Die Entwässerung führt zur Reduzierung des Porenvolumens und damit einhergehend zur Erhöhung der Trockendichte und Festigkeitseigenschaften. Das Verfahren ist in der Vorlesungseinheit G, "Wasser im Baugrund" kurz behandelt.
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Bodenverdichtung an der Oberfläche
Auch wenn die Tiefenwirkung von Oberflächen-Verdichtungen selbst bei sehr schwerem Gerät 1 m nicht wesentlich
übersteigen dürfte, kann damit eventuell eine für Folgemaßnahmen wichtige und ausreichende Baugrundverbesserung
erreicht werden. Beispiele: Homogenisierung der Verformungseigenschaften von nicht genau bekannten Auffüllungen
unter gering belasteten Bodenplatten, Verbesserung des Untergrundes unter dem Erdplanum bei Verkehrsbauwerken im
Einschnitt.
Zu den Verdichtungsverfahren an der Oberfläche siehe Vorlesungseinheit F, "Boden als Baustoff".
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Bodenaustausch
Wenn der nicht tragfähige Baugrund nur wenige
Meter tief ansteht, lohnt es sich zu prüfen, ob der
Austausch gegen einen geeigneten Ersatzboden
wirtschaftlich ist.
Bild M04.10 (SMOLTCZYK / HILMER, 1991) zeigt,
wie das Austauschvolumen zu planen ist: zur
Berücksichtigung der Lastausbreitung trägt man
von der Fundamentaußenkante einen Grenzwinkel
von höchstens 60 an, durch den die Baugrubensohlfläche definiert ist. Das weitere hängt dann
von der Möglichkeit abzuböschen ab. Der Austauschboden wird beim Arbeiten im Trockenen
lagenweise eingebracht und verdichtet. Bei Arbeiten unter Wasser wird verdichtungsfähiger nichtbindiger Boden ins Wasser eingebracht und mit
Hilfe von Tiefenverdichtungsverfahren verdichtet.
Bei der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung spielt eine
wichtige Rolle, wo der Aushub deponiert werden
kann, woher sich kostengünstig Austauschmaterial
(Siebschutt, Sand, Industrieschlacke, Ziegelsplitt
u.a.m.) beschaffen lässt, wie sich dieses Material
verdichten lässt, ob eine Grundwasserhaltung
zusätzlich erforderlich wird und ob die Baugrubenwände besonders gesichert werden müssen.
Daher kommt der Boden-Vollaustausch beim
Bauen an Land nur für geringe Tiefen (2 m bis 4
m) in Frage und kann auch dann oft mit einer
Bauwerks-Tiefgründung nicht konkurrieren. Anders beim Bauen im Wasser, wo sich dank der
leistungsfähigen Nassbaggerei auch Austauschtiefen bis zu 25 m noch als wirtschaftlich erwiesen
haben (SMOLTCZYK, 1976), Bild M04.20.
Bild M04.10: Berücksichtigung der Spannungsausbreitung bei der
Bemessung eines Bodenaustauschs (SMOLTCZYK / HILMER,
1991)
Bild M04.20: Bodenaustausch für ein Dock in Kiel (SMOLTCZYK,
1976)
Bei größeren Volumina nicht-tragfähigen Bodens
kann auch ein Teilaustausch in Frage kommen, und zwar, indem entweder (a) ein Teil des Bodens durch Schotter- oder
Steinsäulen ersetzt wird, siehe unten, oder (b) nur der obere Teil des nicht-tragfähigen Bodens ausgetauscht wird, so
dass die dann noch zu erwartenden Setzungen für das Bauwerk verträglich bleiben. Man schiebt also zwischen das
Bauwerk und den schlechten Boden eine Puffer- oder Polsterschicht. Ihre wesentliche Wirkung liegt darin, dass dadurch
die Setzungen vergleichmäßigt werden, analog dem günstigeren Setzungsverhalten einer Plattengründung im Vergleich
zur Gründung auf Einzelfundamenten.
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Bodenverdichtung durch Tiefenrüttler
1 Aufsatzrohr
1936 veröffentlichte ein Ingenieur in der UdSSR einen Vorschlag,
Sand auf dynamischem Wege auch in der Tiefe zu verdichten.
Gleichzeitig wurde in Deutschland von J. Keller der in Bild M05.10
dargestellte torpedo-artige Rüttler mit horizontaler Schwingungsamplitude entwickelt und 1936 erstmals eingesetzt. Er ist 2 m bis 4
m lang und hat einen Durchmesser von etwa 40 cm. Auf einer
lotrechten Welle, die elektrisch oder durch einen Hydraulikmotor
angetrieben wird, rotieren Unwuchten mit Frequenzen von 30 bis
50 Hz. Der Rüttler erhält 2 schwere Aufsatzrohre als statischen
Ballast und hat Spüldüsen nahe seiner Spitze.
2 Elast. Kupplung
3 Wasser- oder
4 Luftzuführung
(wahlweise)
Durch Spülen, Drücken und Vibrieren wird der Rüttler bis auf die
Sohle der zu verdichtenden Schicht abgesenkt, Bild M05.20. Dabei
wird der Sand um den Rüttler verflüssigt (Aufhebung der Scherfestigkeit). Die Sandkörner können sich umordnen und nehmen eine
dichtere Lage ein. Durch die Verdichtung entsteht an der Oberfläche ein Krater, in den laufend Sand nachgefüllt wird. Beim Ziehen
hinterlässt der Rüttler eine verdichtete Bodensäule.
5 Motor
(elektrisch/hydraulisc
h)
6
Die Wirkung eines Tiefenrüttlers kann sich in der Nähe der Geländeoberfläche (obere 1 m bis 2 m) in der Regel wegen fehlender
vertikaler Auflast nicht entfalten. Hier kann zusätzlich der Einsatz
von (leichten) Fallplatten erforderlich werden, um die gleichen
Verdichtungsanforderungen zu erfüllen, wie sie mit Tiefenrüttlern in
größerer Tiefe problemlos erreicht werden können. Auf jeden Fall
ist an der Geländeoberfläche eine dynamische OberflächenVerdichtung mit schwerem Gerät vorzusehen.
Für den Einsatzbereich von Tiefenrüttlern, der primär lockere,
schlufffreie Sande umfasst, gibt es nach BROWN (1977) eine
"Eignungszahl":
1,7 · {3 / d502 + 1 / d202 + 1 / d102}½ < 50
Unwucht
7
Verdrehrippen
8
Wasser- oder Luft9 austritt (wahlweise)
Spitze
Bild M05.10: Deutscher Rüttler (SMOLTCZYK /
HILMER, 1996)
(d in mm).
100
Zugabe
von
grobkörnigem
Material
Verdichtete
Zone
Nichtbindiger Boden
Bild M05.20: Arbeitsweise Tiefenrüttler (SMOLTCZYK / HILMER,
1991)
Lagerungsdichte D [%]
Vibrator
Wasserzugabe
Wasserzugabe
90
d
80
a
70
60
50
1,5
2,5
1,0
2,0
Abstand a [m] der Rüttelpunkte
Bild M05.30: Abstand der Rüttelpunkte
(SMOLTCZYK / HILMER, 1996)
3,0
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Tiefen sind bis zu 25 m wirtschaftlich erreichbar. Die Verdichtungspunkte werden, Bild M05.30, in 1,5 bis 3 m Abstand
gesetzt. Die Lagerungsdichte D kann um 20 bis 40 % bis auf 80 % verbessert werden. Dass diese Verdichtung auf einer
bestimmten Tiefenstufe erreicht ist, macht sich im Anstieg der Leistungsaufnahme des Motors bemerkbar, wird aber
zuverlässiger durch eine laufende Amplitudenmessung kontrolliert (OTEO, 1983).
Problematisch können im Sand eingelagerte bindige Schichten werden, wenn der Füllsand dadurch behindert wird, durch
die vom Rüttler gestanzte Öffnung zu fließen. Man versieht dann den Rüttler mit Flossen, um die Öffnung zu weiten. Zum
Stand der Technik siehe GREENWOOD / KIRSCH (1983), SMOLTCZYK (1983).
Auch Rüttler mit senkrechter Amplitude wurden entwickelt, z.B. das Terraprobe-System in den USA oder das VibrowingSystem in Schweden (MASSARSCH / BROMS, 1983). Diese Geräte arbeiten bis etwa 15 m Tiefe. Beim Vibrowing-Gerät,
das aus einem Rohr mit gegeneinander versetzt über die ganze Länge angeordneten Flügeln besteht, wird der Boden
über die ganze Höhe gleichzeitig gerüttelt, was zu kürzerer Arbeitszeit und entsprechender Verbilligung führt. Allerdings
sind Vertikalschwinger nicht so effizient wie Horizontalschwinger, so dass mehr Verdichtungspunkte benötigt werden.
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Bodenverdichtung mit Hilfe von Fallplatten (dynamische Intensivverdichtung)
Bodenarten mit einem Ip  10 % (Sand, Kies, Geröll, Siebschutt, Deponiematerial) können durch Stoßbelastungen bis
auf eine etwa mitteldichte Lagerung verdichtet werden, indem mit Baggerhilfe Lastplatten von 100 kN bis 200 kN Gewicht
(G) bis auf eine Höhe h (m) angehoben und dann fallen gelassen werden (Dynamische Intensivverdichtung). Die Verdichtungswirkung reicht bis in die Tiefe
t =  · {0,1 · G · h}½
[m]
wobei der Faktor α nach den bisher vorliegenden Erfahrungen (SMOLTCZYK, 1983) bei Kies und Geröll ungefähr 1, bei
schluffigem Sand (also zunehmender Plastizität) 0,6 und bei Stoffen mit instabiler Struktur (Beispiel: Mülldeponie, Löss)
0,5 ist. Die erreichbaren Tiefen liegen bei etwa 12 m.
Der Boden wird in einem regelmäßigen Raster beaufschlagt; die Verdichtungspunkte sind 4 m bis 10 m voneinander
entfernt. Jeder Punkt erhält in einer Sequenz bis zu 5 Schläge, wobei mit abnehmender Durchlässigkeit des Bodens die
Wartezeiten zwischen den Schlägen größer werden müssen, um einen Konsolidationseffekt zu erreichen (GÖDECKE,
1976; HARTIKAINEN / VALTONEN, 1983). Um die Konsolidationseffekte erfassbar zu machen, sind Porenwasserdruckmessungen mit Hilfe von Messsonden mindestens in der Mitte der zu verdichtenden Schicht zweckmäßig. Dabei ist bodenmechanisch die Hypothese von MÉNARD (1974) nicht belegbar, dass auch bei wassergesättigten bindigen Böden mit
diesem Verfahren eine Verdichtung zu erzielen sei (SMOLTCZYK, 1983). Eine Steigerung der Schlagzahl je Übergang
bringt keine wesentliche Verbesserung mehr. Es ist gegebenenfalls besser, einen Übergang mehr auszuführen, als die
Schlagzahl je Übergang zu erhöhen. Aus dem Rastermaß, der Schlagzahl und der Anzahl der Übergänge ergibt sich der
Energieaufwand in kNm/m² als wirtschaftliche Vergleichsgröße. Da die bisherigen Erfahrungsdaten noch keine zuverlässige Vorhersage des für eine bestimmte Bodenart notwendigen Energieaufwands gestatten, muss vor Beginn der eigentlichen Verdichtungsarbeiten eine Probeverdichtung ausgeführt werden. Erreichbar ist eine mitteldichte Lagerung, so dass
sich gegebenenfalls auch eine Kombination mit der Rüttelverdichtung anbietet (JOHNSON et al., 1983).
M.7
Bodenverdichtung mit Hilfe von Sprengungen
Eine dynamische Stoßbelastung, um Sandmassen zu verdichten, ist am billigsten durch Sprengungen zu erzielen
(IVANOW, 1967). Dazu werden kleine Sprengladungen (Ammoniumnitrat, TNT und Zusätze) in den Sand eingespült, Bild
M07.10. Sie werden gruppenweise miteinander durch eine Zündleitung verbunden, Bild M07.20.
2
3
4
3
1
1. Ladung
2. Zündschnur oder elektrische Zündleitung
3. Spülleitung
4. Behälter zur Aufnahme der
Sprengladung
Bild M07.10: Lanzenkopf zum Einspülen der
Sprengladung (IVANOW, 1967)
6
5
5
7
4
2
4
1
3
0
1
1. Sprengladung
2. Zünder
3. Zündkabel
4. Zuleitung
5. Verb.-Kabel
6. Hauptkabel
7. Stromquelle
Bild M07.20: Sprengvorrichtung (IVANOW, 1967)
Baugrundverbesserung
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M.6
Wenn als Einflussradius R (m) derjenige Abstand von einer Ladung C (kg) definiert wird, innerhalb dessen die Setzung
infolge Verdichtung größer als 1 cm ist; wenn ferner a (m) das Rastermaß für die Anordnung der Ladungen ist, gilt nach
IVANOW (1967):
R  K3  3 C
a  2  K4  3 C
Die Beiwerte K3 und K4 hängen von der Dichte
K3
K4
Bodenart
Lagerungsdes Sandes ab, siehe Tabelle M07.10. Um die
dichte
jeweils geeignete Zündfolge zu ermitteln, wird
0 - 0,2
25 - 15
5-4
empfohlen, den Porenwasserüberdruck im Sand
0,3 - 0,4
9-8
3
Feinsand
zwischen den Ladungen mit Piezometern zu be> 0,4
>7
< 2,5
obachten: eine Ladungsgruppe wird gezündet,
wenn der Porenwasserüberdruck infolge der vor0,3 - 0,4
8-7
3 - 2,5
Mittelsand
her gezündeten teilweise abgeklungen ist. Auch
> 0,4
>6
< 2,5
nach der Tiefe kann man die Ladungen gestaffelt
Tabelle M07.10: Beiwerte K3 und K4 (IVANOW, 1967)
anordnen und mit einer Verzögerung von Zehntelsekunden zünden (von oben beginnend: der tiefere Bereich wird gezündet, während der darüber liegende sich noch nicht wieder gesetzt hat). Generell ist es günstiger
und umweltverträglicher, eine Vielzahl kleiner als wenige große Ladungen zu zünden. Da eine gewisse Verdämmung
nötig ist, müssen die Ladungen etwa 3 m Sandüberdeckung haben, d.h. dass der obere Bereich des Sandes praktisch
unverdichtet bleibt. Das Verfahren eignet sich, um große Sandvolumina auf eine etwa mitteldichte Lagerung zu bringen.
Praxiserfahrungen liegen z.B. aus dem Hafen von Amsterdam vor (BARENDSEN / KOK, 1983). Weitere Einzelheiten
siehe bei SMOLTCZYK (1982 und 1983). Über die Kombination von Spülen und Sprengen zur Verdichtung von Löss
berichtete DONCHEV (1980), s.a. MITCHELL (1981).
M.8
Bodenverbesserung mit Schottersäulen (Rüttelstopfverdichtung)
Aus den zuvor genannten dynamischen Tiefenverdichtungsverfahren für nichtbindige Bodenarten wurden nach dem 2.
Weltkrieg in Deutschland die Rüttelstopfverfahren für bindige Bodenarten weiterentwickelt, die inzwischen weltweit als
Verfahren zur Herstellung von Sandpfählen, Schottersäulen oder Steinsäulen im Rüttelstopfverfahren bekannt sind.
Bild M08.10 zeigt das Herstellungsprinzip: der
Rüttler stellt ein Loch im Boden her, in das Sand,
Kies oder Steinschotter eingefüllt und mit dem
Rüttler seitlich in den weichen Boden gestopft
wird, so dass eine feste Säule entsteht, die sowohl
die vertikale Durchlässigkeit als auch die Tragfähigkeit und Verformungseigenschaften des Bodens verbessert. Dabei wird teilgesättigter Boden
verdichtet, gesättigter Boden verdrängt.
Das Stopfmaterial wurde ursprünglich nach dem
Ziehen des Rüttlers in das geöffnete Loch oben
eingeschaufelt und mit einem erneuten Einfahren
des Rüttlers zur Tiefe verbracht. Beim Ziehen des
Rüttlers entsteht jedoch ein Unterdruck, der vor
Bild M08.10: Rüttelstopfverdichtung (SMOLTCZYK / HILMER,
allem im Grundwasserbereich das gerade herge1996)
stellte Loch wieder zum Einsturz bringen kann.
Das von oben eingebrachte Material wird dann
immer nur im oberen Bereich seitlich verdrängt,
hebt die benachbarte Geländeoberfläche an und gelangt nicht in die gewünschten Tiefen. Die Firma Keller Grundbau hat
daher ein Gerät, den Schleusenrüttler, entwickelt, bei dem die Zugabe durch ein innenliegendes Fallrohr an der Spitze
des Rüttlers erfolgt. Dazu wird das Wasser im Bereich der Spitze durch Pressluft verdrängt.
Seite
M.7
Baugrundverbesserung
Nach dem Eingeben von Schotter in das Loch wird der Rüttler
(eventuell mehrfach) wieder versenkt. Dabei wird das Stopfmaterial verdichtet und seitlich in den zu verbessernden Boden eingedrückt. Gleichzeitig wird die Energieaufnahme des Rüttlers gemessen und liefert einen Hinweis auf den Verdichtungserfolg. Der
Durchmesser der so hergestellten Rüttelstopfsäulen ist vom Porenvolumen des zu verbessernden Bodens abhängig und liegt in
der Regel zwischen 0,5 m und 0,8 m. Er kann über den Energieeintrag beeinflusst werden.
Bild M08.20
P
Schottersäule
Prinzipiell können Schottersäulen auch mit einem normalen Bohrgerät ähnlich wie Bohrpfähle hergestellt werden. Die Bildung des
erforderlichen Loches ist mit vibrierenden Geräten jedoch am wirtschaftlichsten, vor allem in den Böden, in denen die Anwendung
des Verfahrens geeignet und geboten ist.
Manche Situationen erfordern ein Vorbohren vor dem Einsatz des
Rüttlers, um oberflächennahe Böden aufzulockern oder Hindernisse zu beseitigen, die über den zu verbessernden Böden liegen.
Das zum Einsatz gebrachte Material ist typischerweise gebrochenes mineralisches Material, Schotter, im Körnungsbereich 4 mm
bis 45 mm. Es ist in der Regel nicht filterstabil zum benachbarten
Boden, so dass es teilweise in den Boden eindringt und sich am
Rand der Säule ein gegenseitig durchdrungener Boden/SchotterKörper bildet. Im Vergleich zum Umfang bei der dynamisch induzierten Durchdringung während der Säulenherstellung sind aus
späteren Einflüssen im Regelfall kaum noch zusätzliche Durchdringungen zu erwarten, die eine Langzeitstabilität in Frage stellen
könnten.
Auch die Verwendung von Sand statt Schotter ist möglich, siehe
den Hinweis auf TANIMOTO (1973) bei SMOLTCZYK / HILMER
(1991) und Bild M08.20.
Boden
PC
PS
Bild M08.30: rheologisches Modell (SMOLTCZYK,
1983)
Statische Wirkung:
Die statische Wirkung einer Schottersäule beruht auf einer Verbesserung des anstehenden Bodens infolge der erhöhten Steifigkeit und Scherfestigkeit des Stopfmaterials. Sie darf
keinesfalls mit der Wirkung eines Pfahles gleichgesetzt werden. Die Wirksamkeit der Säule bedarf der seitlichen Stützung
des umgebenden Bodens. Die Tragfähigkeit einer Säule wird daher anders als beim Pfahl nicht durch den Untergrund im
Fußbereich der Säule begrenzt, sondern durch die Scherfestigkeit des seitlich anstehenden Bodens. Die Lastabtragung
setzt daher Verformungen des Baugrunds in vertikaler und horizontaler Richtung voraus. Das rheologische Modell
(SMOLTCZYK, 1983) zeigt Bild M08.30: die Säule wird durch den Seitendruck des zu verfestigenden Bodens im Gleichgewicht gehalten.
Bild M08.40: statische Wirkung einer Schottersäule (SMOLTCZYK / HILMER, 1996)
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M.8
Baugrundverbesserung
·z die vorhandene Vertikalspannung im Boden ist. Der Tragfähigkeitsbeiwert Ns wäre im ebenen Fall = 2, doch ist diese Ab-
200
100
unwirtschaftlich
 0  (   z  Ns  c u )  K p
Setzung um 5 cm
ungeeignet
Es ist
300
Last/Säule [kN]
Unter der Wirkung des Seitendrucks beginnt im Boden ein Konsolidationsvorgang, in dessen Verlauf die Säule ihre innere Reibung
mobilisieren kann. Bild M08.40 stellt diesen Zusammenhang in
einer vereinfachten (eben statt räumlich) Form dar.
2 cm
1 cm
wo
schätzung zu ungünstig. Wenn man die Räumlichkeit des Problems wie HUGHES / WITHERS (1974) unter Zugrundelegung einer
plastizitätstheoretischen Lösung von GIBSON / ANDERSON verbessert, kommt man auf Ns =
0
30
40
50
cu [kN/m²]
bezogene Setzung
BRAUNS (1974) hat auch diesen Wert als zu konservativ kritisiert
1
Modellversuch
und vorgeschlagen, Ns = 1 + log (G / cu) zu setzen (G =
Schubmodul des undränierten Bodens). Dafür liegen aber noch
nicht genügend Erfahrungen vor.
lp
G
Die Anwendungsgrenzen des Verfahrens können am ehesten durch
B
P
begrenzende cu-Werte gekennzeichnet werden. Sie sind Bild
M08.50 zu entnehmen, das als Bemessungsdiagramm für die Gebrauchslast von Schottersäulen in Abhängigkeit von der verfahrensbedingten Setzung der einzelnen Säule verwendet werden kann.
Hierfür schlägt MITCHELL (1981) eine Setzungsberechnung mit
einem Steifemodul von 40 bis 70 MN/m² für den Schotter vor.
Sehr viel unsicherer ist die Voraussage der Setzungsverminderung, die sich bei einer Flächengründung durch den Teilaustausch
des Bodens durch Schottersäulen erreichen lässt. (SMOLTCZYK,
1983 und SMOLTCZYK / HILMER, 1991). Bild M08.60 gibt einen
Überblick über die Ergebnisse von Berechnungen, Modellversuchen und Baustellenbeobachtungen.
In der Praxis hat sich das Berechnungsverfahren von PRIEBE
(1976) bewährt, mit dem für "unendliche" Säulenraster eine Maßzahl
n für die Baugrundverbesserung ermittelt wird (Bild M08.70). Zunächst wird eine Setzung für eine Flächengründung ohne Baugrundverbesserung ermittelt. 1/n ist dann ein Faktor, mit dem in
Fs zur
Gesamtfläche F sowie vom Reibungswinkel des Schotters s eine
Abhängigkeit vom Verhältnis der Fläche der Schottersäulen
Setzungsreduktion infolge der Baugrundverbesserung ermittelt werden kann. Bei einem Reibungswinkel von 40° wird eine Halbierung
der Setzungen (n = 2) bei einem Verhältnis F / Fs = 5,7 erreicht. Bei
einem Säulendurchmesser von 0,8 m führt dies zu einem Dreiecks-
Fs = 0,5 m ; F =
2
2
0,87·1,8 . Ein Dreiecksraster von etwa 1,4 m führt danach zu einer
Drittelung der Setzungen.
20
Bild M08.50: Einsatzbereiche der Rüttelstopfverdichtung (SMOLTCZYK / HILMER, 1991)
4.
raster mit Schenkelabständen von a = 1,8 m:
10
F1
B
Go
F2
0
0
0,2
Flächenverhältnis
0,4
Bezeichnungen:
B
BALAAM / POULOS 1983
deutsche Baustellenbeobachtungen
F1,2
G
GREENWOOD 1970
Go
GOUGHNOUR 1983
P
PRIEBE 1976
Ip
VAN IMPE / DE BEER 1983
Modellversuch: CHARLES / WATTS 1983.
Bild M08.60: Setzungsverminderung durch Schottersäulen nach Maßgabe des Flächenverhältnisses = Flächenanteil der Schottersäulen, bezogen
auf die Gesamtfläche (SMOLTCZYK, 1983)
Bei einem bis in große Tiefe anstehenden kompressiblen Untergrund kann bei gegebenem Schotterverbrauch ein Optimum
für Rasterabstand und Säulentiefe ermittelt werden, da ein verbesserter Baugrund in größerer Tiefe weniger zu Setzungen
beiträgt als die oberflächennahe Verbesserung.
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M.9
Baugrundverbesserung
6
Verbesserungswert n
5
φs = 45,0°
φs = 42,5°
4
μB = 1/3
φs = 40,0°
φs = 37,5°
3
φs = 35,0°
2
1
1
2
3
4
5
6
Flächenverhältnis A/As
7
8
9
10
Bild M08.70: Baugrundverbesserungsmaß n (Setzungsreduzierung) bei unendlichem Säulenraster (PRIEBE, 1976).
M.9
Mit Geotextil ummantelte Sandsäulen
In breiigen Böden sind Bodenverbesserungen mit z.B. Schottersäulen nicht einsetzbar, da hier seitliche Stützung durch
den Boden zu gering ist. Bringt man jedoch ein Rohr in den breiigen Boden ein, führt einen Schlauch aus zugfestem
Geotextil ein und füllt diesen mit Sand, so wird nach dem Ziehen des Rohres die Stützung durch die Ringzugkräfte im
Geotextil bewirkt (Bild M09.10 und Bild M09.20).
Bild M09.10: Prinzip einer ummantelten Sandsäule
(RAITHEL, 1999)
Bild M09.20: Auftretende Spannungen bei einer
ummantelten Sandsäule (RAITHEL, 1999)
Das Verfahren wurde in sehr großem Umfang erfolgreich im Zusammenhang mit der Auffüllung des "Mühlenberger
Lochs" in der Elbe verwendet. Hier war ein Damm auf unkonsolidierten mächtigen Schlammablagerungen der Elbe zu
gründen, die durch den Einbau geotextilummantelter Sandsäulen verbessert wurden. Sie dienten gleichzeitig der Konsolidierung des Schlammes und der primären Abtragung der Dammlast.
Zum Trag- und Verformungsverhalten sowie zur Geotextilbemessung derartiger Säulen siehe RAITHEL (1999).
Baugrundverbesserung
Seite
M.10
M.10 Vermörtelte Schottersäulen und Betonsäulen
Um das Erfordernis der Stützung durch den seitlichen Boden in weichen Böden oder nicht beständigen Böden (z.B. Torf)
nur auf den Einbauzustand zu beschränken, können Schottersäulen durch Zugabe einer Zementsuspension vermörtelt
werden. Unter Last können sie dann trotz sehr geringer seitlicher Stützung aufgrund ihrer eigenen durch das Bindemittel
erreichten Festigkeit wirksam werden. Ihr Tragverhalten nähert sich demjenigen von Pfählen.
Gleiches gilt für Betonsäulen, bei denen ein Rohr in weiche Böden einvibriert und beim Ziehen mit fließfähigem Beton
gefüllt wird. Wichtig ist, dass die Betonsäule nicht abreißt und dass der Boden ausreichend tragfähig ist, um den hydrostatischen Druck der Betonsäule aufnehmen zu können.
M.11 Kalksäulen, CSV-Pfähle
In Skandinavien wurden gute Ergebnisse mit Kalkpfählen erzielt (BROMS / ANTTIKOSKI, 1983). Bei diesem Verfahren zur
Verfestigung bindiger, weicher Bodenarten wird an Stelle des Schotters oder Kieses ein Gemisch aus Kalk und dem anstehenden Boden in den Boden wie eine Säule eingebracht. Dazu werden entweder Bohrungen mit Durchmessern zwischen
0,15 und 0,50 m abgeteuft und mit Kalk oder einer Kalkmischung oder auch mit Zusätzen von Gips gefüllt, oder der anstehende Boden wird mit Kalk verquirlt (BROMS / BOMAN, 1977). Man rechnet mit etwa 6 % bis 10 % Kalk, bezogen auf die
Trockenwichte des Bodens. Der Zusatz von Gips hat nur die Wirkung, in den ersten 3 bis 6 Monaten die chemischen Reaktionen im Boden zu beschleunigen.
Auch Kalkpfähle dürfen statisch nicht als Pfähle angesehen werden; vielmehr ähneln sie den Schottersäulen. Durch das
Einmischen von Kalk wird die Durchlässigkeit eines tonigen Boden stark heraufgesetzt.
Für die Berechnung der Kalkpfähle gelten dieselben Grundsätze wie für Schottersäulen, doch muss für den Scherwinkel
eines kalkvermörtelten Bodens ein niedrigerer Wert als für Schotter eingesetzt werden. Eine Besonderheit sind Schrumpfrisse im Abstand von 2 cm - 5 cm, die das Gefüge schwächen.
Die erreichbaren Tiefen sind beim Einmisch-Verfahren durch die
Geräteleistung begrenzt. Dagegen lassen sich mit Bohrgeräten sehr
große Tiefen erreichen; in Japan wurde die Tiefenvermörtelung
Vorratsbehälter
(Deep Mixing Method) bis zu 60 m Tiefe unter Wasser eingesetzt.
Stabilisierungsmaterial
Einen guten Überblick über den Stand der Technik und Forschung
Kies-/Schotterplanum
für dieses Verfahren gibt der eingangs genannte Generalbericht.
Ferner wird auf SMOLTCZYK / HILMER (1991) ergänzend hingegeotextile Trennlage
wiesen.
Förderschnecke
Bei den sogenannten CSV-Säulen werden reine Kalksäulen mit
geringem Durchmesser hergestellt. Dabei wird eine spezielle
Schnecke (Bild M11.10) in den Boden eingetrieben und beim Ziehen
unter Druck hochhydraulischer Kalk eingebracht. Er entzieht dem
Boden Wasser und bindet damit ab. Die Bodenverbesserung bezieht
sich damit sowohl auf die Verbesserung des anstehenden Bodens
durch Entwässerung als auch auf die Wirkung der vergleichsweise
steifen Säulen im Verbund mit dem benachbarten Boden.
Verpresskopf
Verdrängungslochwandung
Bild M11.10: Schnecke und Spezialkopf zur Herstellung von CSV-Säulen
M.12 Weitere Verfahren der Baugrundverbesserung
Steinsäulen
Mit Hilfe von Fallgewichten kann bei geringmächtigen weichen Schichten (etwa bis 4 m Tiefe) grobkörniges Material
(Steine) in den Boden eingetrieben werden. Dabei entstehen Steinsäulen, die z.B. die Lastabtragung eines Dammes auf
weichem Untergrund übernehmen können.
Mixed-in-Place
Mit Hilfe gegenläufig drehender Bohrschnecken und Zugabe von Zementsuspension über die Seelenrohre kann im Wirkungsbereich der Schnecken ein Boden-Suspensions-Gemisch erzeugt werden, welches nach dem Abbinden eine hohe
Festigkeit und geringe Durchlässigkeit aufweist. Da dabei der Boden selbst als Baustoff verwendet wird, ist auch die
Bodenzusammensetzung neben den zur Anwendung kommenden Verfahren für das homogene und vollständige Einarbeiten der Suspension für die Eigenschaften des im Mixed-in-Place-Verfahren hergestellten Körpers entscheidend. Positive Erfahrungen liegen in sandigen und kiesigen Böden vor.
Baugrundverbesserung
Seite
M.11
Auch der Aushub von Böden in tiefen Gräben, die Vermischung des Bodens in Zwangsmischern mit Bindemitteln und der
Wiedereinbau ist ein bekanntes Verfahren der Baugrundverbesserung, welches gerne zur Hangstabilisierung angewendet wird. Dabei werden die Gräben in Richtung der Falllinie angelegt. Sie müssen kurzfristig standfest sein. Hier können
auch bindige Böden behandelt werden.
Thermische Bodenverfestigung
Das Verfahren ist in Deutschland nicht gebräuchlich. In Russland wird z.T. mit hohem Energieverbrauch Boden aufgeheizt, um ihm damit Wasser zu entziehen und ihn zu verfestigen.
Baugrundvereisung
Siehe Vorlesung R, "Spezialverfahren".
Injektionen
Sowohl Injektionen, die Material in den Porenraum des Bodens einbringen, als auch verdrängende Injektionen, die den
vorhandenen Baugrund aufsprengen und verdichten (Hebungsinjektionen, Compaction Grouting) können als Bodenverbesserungsmaßnahme eingesetzt werden.
Siehe dazu Abschnitt R, "Spezialverfahren"
Düsenstrahlverfahren
Siehe dazu Vorlesung R, "Spezialverfahren".
M.13 Schrifttum
BALAAM, N.P. / POULOS, H.G. (1983): The behaviour of foundations supported by clay stabilised by stone columns. Proc.
VIII. ECSMFE Helsinki 1, S. 199 - 204.
BARENDSEN, D.A. / KOK, L. (1983): Prevention and repair of flow-slides by explosion densification. Proc. VIII. ECSMFE
Helsinki,1, S. 205 - 208.
BROMS, B.B. / BOMAN, P. (1977): Lime Columns - A New Type of Vertical Drains. Proc. 9th ICSMFE Tokyo 11, S. 427 432.
BROMS, B.B. / ANTTIKOSKI, U. (1983): Soil Stabilization. General Report VIII.ECSMFE Helsinki 3, S. 141 - 153 (Session
9).
BROWN, R.E. (1977): Vibroflotation Compaction of Cohesionless Soils. Journal ASCE, GE Div.103, S.1437 - 1451.
CHARLES, J.A. / WATTS, K.S. (1983): Compressibility of soft clay reinforced with granular columns. Proc. VIII.ECSMFE
Helsinki 1, S. 347 - 352.
DONCHEV, P. (1980): Compaction of loess by saturation and explosion. Proc. Intern. Conference on Compaction, ENCP
- LCPC Paris.
GÖDECKE, H.J. (1976): Bodenverflüssigende Impulslasten auf bindigem Boden. Vorträge Baugrundtagung Nürnberg, S.
71 - 105.
GOUGHNOUR, R.R. (1983): Settlement of vertically loaded stone columns in soft ground. Proc. VIII.ECSMFE Helsinki 1, S.
235 - 240.
GREENWOOD, D.A. (1970): Mechanical improvement of soils below ground surface. Conference on Ground Engineering.
Institution of Civil Engineers London, S. 11 - 22.
GREENWOOD, D.A. / KIRSCH, K. (1983): Specialist ground treatment by vibratory and dynamic methods. State-of-the-Art
Report, Symp. Institution of Civil Engineers London.
GRUNDBAU-TASCHENBUCH Teil 2,1996
GUSSMANN, P. (1990): Berechnung von Zeitsetzungen. In: Grundbtschb., 4. Aufl., Teil 1, Kap. 1.9. Verlag Ernst & Sohn,
Berlin.
HARTIKAINEN, J. / VALTONEN, M. (1983): Heavy tamping of ground of Äimärautio Bridge. Proc. VIII. ECSMFE Helsinki,1, S. 249 - 252.
HELLENSCHMIDT, H. (1969): Bau einer Kaianlage in der Elbe. Der Bauingenieur 44, S. 317 - 321.
HOLTZ, R.D. / WAGNER, O. (1975): Preloading by vacuum: current prospects. Transportation Research Record no. 548,
S. 26 - 29.
HUGHES, J.M.O. / WITHERS, N.J. (1974): Reinforcing of soft cohesive soils with stone columns. Ground Engineering 7, S.
42 - 49.
IVANOW, P.L. (1967): Uplotnenie nesvjasnih gruntov vzryvami. Verlag Strojizdat Leningrad.
JOHNSON, S.J. (1970): Precompression for improving foundation soils. Journal SMF Div., ASCE 96, S. 145 - 175.
Baugrundverbesserung
Seite
M.12
JOHNSON, D. et al. (1983): An evaluation of ground improvement at Belawan Port, North Sumatra. Proc. VIII. ECSMFE
Helsinki,1, S. 45 - 54.
JONAS (1964): Subsurface stabilisation of organic silty clay by precompression. Journal SMF Div., ASCE 90, S. 363 376.
KJELLMANN, W. (1952): Consolidation of Clay Soils by Means of Atmospheric Pressure. Proc. Conf. Soil Stabilization,
MIT Boston, Mass.
LADD, Ch. C. (1976): Use of precompression and vertical sand drains for soil stabilization of foundation soils. Soil and
Site Improvement. Continuing Education in Engineering: Univ. of California, Berkeley.
MASSARSCH, K.R. / BROMS, B.B. (1983): Soil compaction by vibro wing method. Proc. VIII. ECSMFE Helsinki,1, S.
275 - 278.
MENARD, L. (1974): La consolidation dynamique des sols de fondation. Annales Institut Technique Bâtiment Trav. Publ.,
Suppl. 320, S. 194 - 222.
MITCHELL, J.K. (1981): Soil Improvement. State-of-the-Art Report. X.ICSMFE Stockholm,4, S. 509 - 565.
OTEO, C.S. (1983): Prediction of settlements after deep vibration in granular fills. Proc. VIII. ECSMFE Helsinki,1, S. 283 288.
PRIEBE, H. (1976): Abschätzung des Setzungsverhaltens eines durch Stopfdichtung verbesserten Baugrundes. Die Bautechnik 53, S. 160 - 162.
RAITHEL, M. (1999): Zum Trag- und Verformungsverhalten von geokunststoffummantelten Sandsäulen. Schriftenreihe
Geotechnik Gh Kassel, Herausg.: Kempfert.
SMOLTCZYK, U. (1976): Bau eines Großdocks. Baugrundverbesserung im tiefen Wasser. Vorträge Baugrundtagung
Nürnberg, S. 575 - 592.
SMOLTCZYK, U. (1983): Deep compaction. General Report. Proc. VIII. ECSMFE Helsinki,3, S. 63 - 74.
SMOLTCZYK, U. (1991): Unterfangungen und Unterfahrungen. In: Grundbtschb., 4. Aufl., Teil 2, Kapitel 2.3. Verlag Ernst
& Sohn, Berlin.
SMOLTCZYK, U. / HILMER, K. (1991): Baugrundverbesserung. In: Grundbtschb., 4.Aufl., Teil 2, Kapitel 2.1. Verlag Ernst
& Sohn, Berlin.
SMOLTCZYK, U. / HILMER, K. (1996): Baugrundverbesserung. In: Grundbtschb., 5.Aufl., Teil 2, Kapitel 2.1. Verlag Ernst
& Sohn, Berlin.
TANIMOTO (1973)