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:
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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:
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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:
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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