Baugrundverbesserung - Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau
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Baugrundverbesserung - Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau
Seite M.1 Baugrundverbesserung Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau M Baugrundverbesserung M.1 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) Seite M.2 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. Baugrundverbesserung M.3 Seite M.3 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". M.4 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. Seite M.4 Baugrundverbesserung M.5 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 Seite M.5 Baugrundverbesserung 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. M.6 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 Seite 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) Seite 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. Seite 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. 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