Planung und Bemessung von Maßnahmen zur
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Planung und Bemessung von Maßnahmen zur
Zusammenfassung der Diplomarbeit: Verfasser: Baier Andreas Beim Ausbau der zweigleisigen Strecke ABS 7 Mannheim-Frankfurt/Main ist im Bereich Scheidgraben von km 49,820 bis km 50,050 eine Untergrundverbesserung der anstehenden Weichschicht geplant. Die Weichschicht besteht aus Auelehme, Tone und Torf. Beim ersten Bauabschnitt erfolgt die Untergrundsanierung im Bereich des östlichen Gleises Mannheim – Frankfurt/Main. Im Gleis Frankfurt/Main – Mannheim wird während der Bauzeit eine Langsamfahrstrecke mit 70 km/h eingerichtet. Die Schwierigkeit der Aufgabe besteht darin, Sanierungsverfahren auszuwählen und zu dimensionieren, bei deren Ausführung der Zugbetrieb während der Baumaßnahmen abwechselnd auf dem Betriebsgleis aufrechterhalten werden kann. Folgende Verfahren eignen sich dazu: • • • • • • • • • • • • Bodenverbesserung durch das Tiefenrüttelverfahren Rüttelstopfverfahren Vermörtelte Stopfsäulen Teilvermörtelte Stopfsäulen CSV-Verfahren Geokunststoffummantelte Sandsäulen Vollständiger Bodenaustausch Modifizierter Bodenaustausch Bodenaustausch mit Rüttelrohren Bodenaustausch mit Rüttelkasten Bodenaustausch mit Vorschubspezialgerät Fräs-Misch-Injektionsverfahren (FMI) Aus den oben aufgezählten Verfahren wird dann das CSV-Verfahren, das Verfahren der teilvermörtelten Stopfsäulen (TVSS) und das Verfahren der geotextilummantelten Sandsäulen ausgewählt. Diese drei Verfahren werden anschließend vordimensioniert und überschlägig berechnet, um zu prüfen, ob sie für die Ausführung als Sanierungsmaßnahme geeignet sind. Nach Abschluß der Berechnungen wurden die Ergebnisse in einer baubetrieblichen, wirtschaftlichen und technischen Bewertung zusammengefaßt. Nach Gegenüberstellung der drei potentiellen Sanierungsverfahren wird das CSV-Verfahren tiefergehend dimensioniert, bemessen und detailliert für die Ausführung geplant, da es in technisch-wirtschaftlicher Hinsicht das günstigste Sanierungsverfahren ist. Beschreibung der Hauptdimensionierung: Zum Führen der statischen Nachweise werden die Bodenkennwerte aus dem vorliegenden Bodengutachten verwendet. Folgende Statische Nachweise müssen geführt werden: • • • • • • • • Innere Tragfähigkeit der Säulen Äußere Tragfähigkeit der Säulen Setzungsberechnung Bemessung der Geokunststoffbewehrung über den CSV-Säulen Nachweis der Geländebruchsicherheit Nachweis der Sicherheit gegen Dammspreizen Nachweis der Sicherheit gegen das Herausziehen der Bewehrung Nachweis gegen den Bruch der Bewehrung Belastung auf das Bauwerk: Bevor man die genannten statischen Nachweise führen kann, muß man jedoch die Belastung auf das Bauwerk ermitteln. Diese setzt sich aus der Verkehrslast nach DS 804 der DB AG und dem Eigengewicht des Dammes zusammen. Die Streckenlast von 156 kN/m breitet sich unter einem Winkel von 45° aus. Die Berücksichtigung der dynamischen Einwirkung aus dem Eisenbahnverkehr erfolgt mit dem Schwingungsbeiwert φ nach DS 804. Belastung auf das Bauwerk Berechnung der inneren und äußeren Tragfähigkeit: Der Nachweis der inneren Tragfähigkeit wird mit der Mindestdruckfestigkeit qu (Rechenfestigkeit nach DIN 1045) geführt. Berechnung der inneren und äußeren Tragfähigkeit: Der Nachweis der äußeren Tragfähigkeit wird nach DIN 4128 normalerweise durch Probebelastungen nachgewiesen. Hier ist dies jedoch nicht möglich, darum dürfen die Grenzmantelreibungswerte der DIN 4128 angesetzt werden. Daraus errechnet man die nötige Einbindetiefe l der einzelnen Säulen. Die Einbindetiefe l ist in der Praxis nicht aussagekräftig, denn es muß geprüft werden, ob man die Säulen aufgrund der hohen Lagerungsdichte in den Sand einbringen kann. Nach Angaben der Firma Bauer ist das CSV-Verfahren bis Schlagzahlen N10 (DPH) ≤ 10 anwendbar. Berechnung der Setzungen: Die Setzung des Gesamtsystems wird als Säulengruppe gerechnet. Die zu erwartenden Setzungen sind abhängig von: • • • der Zusammendrückbarkeit der einzelnen Säule der Zusammendrückbarkeit der Bodens unter der Säulengruppe der Eindringtiefe der einzelnen Säulen in den Boden Um die Setzungsberechnung durchführen zu können, muß das System idealisiert werden. Die Säulenspitzen werden alle auf dieselbe Höhe gesetzt. Die Grundfläche wird durch eine Linie begrenzt, die um den 3-fachen Durchmesser der Säulen außerhalb der Achse der äußersten Säule liegt. Die äußerste Säule wird durch die Lastausbreitung unter 45° begrenzt. Die Bodenpressung wird als gleichmäßig verteilt angenommen. Die Berechnung erfolgt dann über die geschlossenen Formeln von Kany. Die Setzung der Einzelsäule wird über die Setzung der starren Kreisplatte gerechnet. Systemschnitt zur Setzungsberechnung Standsicherheitsnachweise: Die Berechung der Geokunststoffbewehrung über den CSV-Säulen erfolgte in Anlehnung an den Ausatz von Kempfert, Stadel und Zaeske. Beim Führen der Standsicherheitsnachweise wird angenommen, daß die CSV-Säulen alle gebrochen sind. Für die gebrochenen Säulen wird ein Reibungswinkel von ϕ Säule = 45° angenommen, wodurch rechnerisch der Reibungswinkel des umliegenden Bodens erhöht wird. Der Nachweis gegen Geländebruch wird mit einem Computerprogramm geführt. Die Berechnung erfolgt nach DIN 4084 mit dem Verfahren nach Bishop. Um die nach DIN 1054 geforderten Sicherheiten zu erreichen, mußte ein Geotextil angesetzt werden. Böschungsbruchsicherheit: Der Nachweis der Dammspreizung wird ebenfalls mit einem Computerprogramm geführt. Die Berechnung erfolgt nach DIN 4084 mit dem Verfahren nach Janbu. Bei der Eingabe des Gleitkörpers wird zwischen verschiedenen Gleitkörperfiguren variiert, um den maßgebenden Gleitkörper zu finden. Der Gleitkörperkeil wird unter dem Winkel ± ϑ a gezeichnet. Im Bereich eines Schichtenwechsels muß man die Gleitsicherheit sowohl für die Bodenkennwerte der darunterliegenden Schicht, als auch für die Bodenkennwerte der darüberliegenden Schicht berechnen. Die Gleitfläche mit der geringsten Sicherheit ist dann maßgebend. Sicherheit gegen Herausziehen der Bewehrung: Der Nachweis gegen Herausziehen der Bewehrung kann mit dem Computerprogramm geführt werden. Bei der Berechnung wird nur der Anteil angesetzt, der außerhalb des Gleitkörpers auf der aktiven Seite liegt. Falls der Anteil größer ist als der Anteil, der sich innerhalb des Gleitkörpers ergibt, wird der kleinere Wert berücksichtigt. Im Bereich des Sanierungsabschnittes Nord könnte der Nachweis gegen das Herausziehen der Bewehrung innerhalb des Gleitkörpers geführt werden, außerhalb des Gleitkörpers müßte die Geokunststoffbewehrung jedoch konstruktiv an den Bohlträgern der Trägerbohlwand verankert werden. Verankerung der Bewehrung an den Bohlträgern Für die Bemessung der Bewehrung gegen Bruch ist der Nachweis zu erbringen, daß die Bemessungswerte der einwirkenden Kräfte den Bemessungswert der Festigkeit der Bewehrung nicht überschreiten. Regelprofil Sanierungsbereich Nord