vorl g m baugrundverbesserung

Seite Baugrundverbesserung M.1

Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau

Vo 31.03.08 D:\Kh\Skript_Originale_einseitig_SS08\M_neu.doc

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 Ver-formungen ertragen bzw. ausgleichen können, oder der Baugrund wird ausgetauscht, verbessert, verfestigt oder in ande-rer 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 Vorlesungs-einheit 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

M.2 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 ein-getreten ist, kann die Aufschüttung bzw. Überschüttung auf ein anderes Feld umgesetzt werden. Die Erfolgskontrolle geschieht am einfachsten mit Hilfe regelmäßiger Nivellements von Set-zungsmesspegeln, die an der Oberfläche des gewachsenen Bo-dens installiert werden. Diese können mit zunehmender Schütthö-he nach oben verlängert werden und werden mit Hilfe von Schutz-rohren (Beton-Schachtfertigteile) vor Beschädigungen im Erdbau-betrieb geschützt. Derartige Vorschüttungen können im Bereich von Brückenwiderla-gern sehr hilfreich sein, um den Übergang von einem verfor-mungsarm 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

Bild M02.10: Bodenverbesserung durch Vorbelas-tung (LADD, 1976)

S2 (Vorbelastung)

S1 (Vorbelastung) Endauffüllung S0 S

chüt

thöh

e

Zeit

h

Zeit

Set

zung

S0 S1

S2


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 rechne-risch zu erfassen (JOHNSON, 1970), doch wird man sich in praktischen Fällen eher daran orientieren, was an Last erd-statisch zulässig (Grundbruch bei undränierter Scherfestigkeit) und was wirtschaftlich machbar ist. Bild M02.20 zeigt ein durch Messungen dokumen-tiertes Beispiel: Konsolidierung von 22 m Klei beim Bau des Elbe-hafens 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 Bei-spiel 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 Sand-last auf einmal aufgebracht wurden. In jedem Fall muss außerdem zwischen den zu verbessernden Boden und den Ballast eine Flä-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 Kunststoff-Dränbändern, 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 bemes-sen, der sich aus der verfügbaren Konsolidations-zeit 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 Elb-schlamms unter den aufgebrachten Sandschüt-tungen zu minimieren. 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 E-lektro-Osmose genannt, mit der eine Entwässerung gering durchlässiger bindiger Böden bewirkt werden kann. Die Ent-wässerung 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.

Bild M02.20: Konsolidationszeiten mit und ohne Vertikaldräns (HELLENSCHMIDT, 1969)

Bild M02.30: Tiefendräns (SMOLTCZYK / HILMER, 1991)

1966

Set

zung

[m]

1968 3 Jahre2 10

0

2

4

ohne Sanddräns

mit Sanddräns

1967


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 Baugruben-sohlfläche definiert ist. Das weitere hängt dann von der Möglichkeit abzuböschen ab. Der Aus-tauschboden wird beim Arbeiten im Trockenen lagenweise eingebracht und verdichtet. Bei Arbei-ten unter Wasser wird verdichtungsfähiger nicht-bindiger 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 Baugru-benwände 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. An-ders beim Bauen im Wasser, wo sich dank der leistungsfähigen Nassbaggerei auch Austauschtie-fen bis zu 25 m noch als wirtschaftlich erwiesen haben (SMOLTCZYK, 1976), Bild M04.20. 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.

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)


M.5 Bodenverdichtung durch Tiefenrüttler

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 Schwingungs-amplitude 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 - 50 Hz. Der Rüttler erhält 2 schwere Aufsatzrohre als statischen Bal-last und hat Spüldüsen nahe seiner Spitze. 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 Scherfes-tigkeit). Die Sandkörner können sich umordnen und nehmen eine dichtere Lage ein. Durch die Verdichtung entsteht an der Oberflä-che ein Krater, in den laufend Sand nachgefüllt wird. Beim Ziehen hinterlässt der Rüttler eine verdichtete Bodensäule. Die Wirkung eines Tiefenrüttlers kann sich in der Nähe der Gelän-deoberfläche (obere 1 m bis 2 m) in der Regel 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 Oberflächen-Verdichtung mit schwerem Gerät vorzu-sehen. Für den Einsatzbereich von Tiefenrüttlern, der primär lockere, schlufffreie Sande umfasst, gibt es nach BROWN (1977) eine "Eignungszahl": 1,7 · {3 / d50

2 + 1 / d202 + 1 / d10

2}½ < 50 (d in mm).

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Aufsatzrohr Elast. Kupplung Wasser- oder Luftzuführung (wahlweise) Motor (elekt-risch/hydraulisch) Unwucht Verdrehrippen Wasser- oder Luft-austritt (wahlweise) Spitze

Bild M05.10: Deutscher Rüttler (SMOLTCZYK / HILMER, 1996)

Bild M05.20: Arbeitsweise Tiefenrüttler (SMOLTCZYK / HILMER, 1991)

Bild M05.30: Abstand der Rüttelpunkte (SMOLTCZYK / HILMER, 1996)

100

Abstand a [m] der Rüttelpunkte

Lage

rung

sdic

hte

D [%

]

90

80

70

60

50 1,5 2,0 2,5 3,0 1,0

d

a

Vibrator

Wasser-zugabe

Nichtbindiger Boden

Verdichtete Zone

Zugabe von

grob-körni-

gem Material

Wasser-zugabe


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 - 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 Vibrowing-System 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 Verdich-tungswirkung reicht bis in die Tiefe t = α · {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 Porenwasserdruck-messungen mit Hilfe von Messsonden mindestens in der Mitte der zu verdichtenden Schicht zweckmäßig. Dabei ist bo-denmechanisch 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 zuverläs-sige Vorhersage des für eine bestimmte Bodenart notwendigen Energieaufwands gestatten, muss vor Beginn der eigent-lichen 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.

1. Ladung 2. Zündschnur oder elektri- sche Zündleitung 3. Spülleitung 4. Behälter zur Aufnahme der Sprengladung

1. Sprengladung 2. Zünder 3. Zündkabel 4. Zuleitung 5. Verb.-Kabel 6. Hauptkabel 7. Stromquelle

Bild M07.10: Lanzenkopf zum Einspülen der Sprengladung (IVANOW, 1967)

Bild M07.20: Sprengvorrichtung (IVANOW, 1967)

2

3

4

1 3

2

74

1 31

4

6

5 5

0


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):

33 CKR ⋅=

34 CK2a ⋅⋅=

Die Beiwerte K3 und K4 hängen von der Dichte des Sandes ab, siehe Tabelle M07.10. Um die jeweils geeignete Zündfolge zu ermitteln, wird empfohlen, den Porenwasserüberdruck im Sand zwischen den Ladungen mit Piezometern zu beo-bachten: eine Ladungsgruppe wird gezündet, wenn der Porenwasserüberdruck infolge der vor-her gezündeten teilweise abgeklungen ist. Auch nach der Tiefe kann man die Ladungen gestaffelt anordnen und mit einer Verzögerung von Zehntel-sekunden zünden (von oben beginnend: der tiefe-re 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 Tragfä-higkeit und Verformungseigenschaften des Bo-dens 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 allem im Grundwasserbereich das gerade herge-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.

Bodenart Lagerungs-dichte

K3 K4

Feinsand

0 - 0,2 0,3 - 0,4

> 0,4

25 - 15 9 - 8 > 7

5 - 4 3

< 2,5

Mittelsand 0,3 - 0,4

> 0,4 8 - 7 > 6

3 - 2,5 < 2,5

Tabelle M07.10: Beiwerte K3 und K4 (IVANOW, 1967)

Bild M08.10: Rüttelstopfverdichtung (SMOLTCZYK / HILMER, 1996)


Nach dem Eingeben von Schotter in das Loch wird der Rüttler (eventuell mehrfach) wieder versenkt. Dabei wird das Stopfmateri-al verdichtet und seitlich in den zu verbessernden Boden einge-drückt. Gleichzeitig wird die Energieaufnahme des Rüttlers ge-messen und liefert einen Hinweis auf den Verdichtungserfolg. Der Durchmesser der so hergestellten Rüttelstopfsäulen ist vom Po-renvolumen des zu verbessernden Bodens abhängig und liegt in der Regel zwischen 0,5 m und 0,8 m. Er kann über den Energie-eintrag beeinflusst werden. Prinzipiell können Schottersäulen auch mit einem normalen Bohr-gerät ähnlich wie Bohrpfähle hergestellt werden. Die Bildung des erforderlichen Loches ist mit vibrierenden Geräten jedoch am wirt-schaftlichsten, 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 Hindernis-se zu beseitigen, die über den zu verbessernden Böden liegen. Das zum Einsatz gebrachte Material ist typischerweise gebroche-nes 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/Schotter-Körper bildet. Im Vergleich zum Umfang bei der dynamisch indu-zierten Durchdringung während der Säulenherstellung sind aus späteren Einflüssen im Regelfall kaum noch zusätzliche Durch-dringungen 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. Statische Wirkung: Die statische Wirkung einer Schottersäule beruht auf einer Ver-besserung 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 Gleich-gewicht gehalten.

Bild M08.20

Bild M08.30: rheologisches Modell (SMOLTCZYK, 1983)

Bild M08.40: statische Wirkung einer Schottersäule (SMOLTCZYK / HILMER, 1996)

PC PS

P

Boden

Scho

tters

äule


Unter der Wirkung des Seitendrucks beginnt im Boden ein Konso-lidationsvorgang, in dessen Verlauf die Säule ihre innere Reibung mobilisieren kann. Bild M08.40 stellt diesen Zusammenhang in einer vereinfachten (eben statt räumlich) Form dar. Es ist

pus0 K)cNz( ⋅⋅+⋅γ=σ

wo γ · z die vorhandene Vertikalspannung im Boden ist. Der Trag-

fähigkeitsbeiwert Ns wäre im ebenen Fall = 2, doch ist diese Ab-schätzung zu ungünstig. Wenn man die Räumlichkeit des Prob-lems wie HUGHES / WITHERS (1974) unter Zugrundelegung einer plastizitätstheoretischen Lösung von GIBSON / ANDERSON ver-bessert, kommt man auf Ns = 4. BRAUNS (1974) hat auch diesen Wert als zu konservativ kritisiert und vorgeschlagen, Ns = 1 + log (G / cu) zu setzen (G = Schubmodul des undränierten Bodens). Dafür liegen aber noch nicht genügend Erfahrungen vor. Die Anwendungsgrenzen des Verfahrens können am ehesten durch begrenzende cu-Werte gekennzeichnet werden. Sie sind Bild M08.50 zu entnehmen, das als Bemessungsdiagramm für die Gebrauchslast von Schottersäulen in Abhängigkeit von der verfah-rensbedingten Setzung der einzelnen Säule verwendet werden kann. Hierfür schlägt MITCHELL (1981) eine Setzungsberechnung mit einem Steifemodul von 40 - 70 MN/m² für den Schotter vor. Sehr viel unsicherer ist die Voraussage der Setzungsverminde-rung, 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, Modellversu-chen 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). Zu-nächst wird eine Setzung für eine Flächengründung ohne Bau-grundverbesserung ermittelt. 1/n ist dann ein Faktor, mit dem in Abhängigkeit vom Verhältnis der Fläche der Schottersäulen Fs zur

Gesamtfläche F sowie vom Reibungswinkel des Schotters ϕs eine Setzungsreduktion infolge der Baugrundverbesserung ermittelt wer-den 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-raster mit Schenkelabständen von a = 1,8 m: Fs = 0,5 m2; F = 0,87 · 1,82. Ein Dreiecksraster von etwa 1,4 m führt danach zu einer Drittelung der Setzungen. 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.

Bild M08.50: Einsatzbereiche der Rüttelstopfver-dichtung (SMOLTCZYK / HILMER, 1991)

Bezeichnungen: B BALAAM / POULOS 1983 F1,2 deutsche Baustellenbeobachtungen G GREENWOOD 1970 Go GOUGHNOUR 1983 P PRIEBE 1976 Ip VAN IMPE / DE BEER 1983 Modellversuch: CHARLES / WATTS 1983.

Bild M08.60: Setzungsverminderung durch Schot-tersäulen nach Maßgabe des Flächenverhältnis-ses = Flächenanteil der Schottersäulen, bezogen auf die Gesamtfläche (SMOLTCZYK, 1983)

unw

irtsc

haftl

ich

unge

eign

et

Last

/Säu

le [k

N]

Setzung um 5 cm

2 cm

1 cm

0 10 20 30 40 50

200

100

300

cu [kN/m²]

Flächenverhältnis

Modellversuch

0 0,2 0,40

1 bezogene Setzung

B

P

Go

F2

F1

G

B

lp


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).

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 Konso-lidierung des Schlammes und der primären Abtragung der Dammlast. Zum Trag- und Verformungsverhalten sowie zur Geotextilbemessung derartiger Säulen siehe RAITHEL (1999).

Bild M09.10: Prinzip einer ummantelten Sandsäule (RAITHEL, 1999)

Bild M09.20: Auftretende Spannungen bei einer ummantelten Sandsäule (RAITHEL, 1999)

Flächenverhältnis A/As

Verb

esse

rung

swer

t n φs = 45,0°

φs = 42,5°

φs = 40,0°

φs = 37,5°

φs = 35,0°

1 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

2

3

4

5

6

μB = 1/3


M.10 Vermörtelte Schottersäulen und Betonsäulen

Um die 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 hydro-statischen 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 anste-henden 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 anste-hende Boden wird mit Kalk verquirlt (BROMS / BOMAN, 1977). Man rechnet mit etwa 6 % - 10 % Kalk, bezogen auf die Trockenwichte des Bodens. Der Zusatz von Gips hat nur die Wirkung, in den ersten 3 - 6 Monaten die chemischen Reaktio-nen 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 Schrumpfris-se 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 (Deep Mixing Method) bis zu 60 m Tiefe unter Wasser eingesetzt. Einen guten Überblick über den Stand der Technik und Forschung für dieses Verfahren gibt der eingangs genannte Generalbericht. Ferner wird auf SMOLTCZYK / HILMER (1991) ergänzend hinge-wiesen. 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.

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 Wir-kungsbereich 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 Einar-beiten der Suspension für die Eigenschaften des im Mixed-in-Place-Verfahren hergestellten Körpers entscheidend. Posi-tive Erfahrungen liegen in sandigen und kiesigen Böden vor.

Bild M11.10: Schnecke und Spezialkopf zur Herstel-lung von CSV-Säulen

VorratsbehälterStabilisierungsmaterial

Kies-/Schotterplanum

geotextile Trennlage Förderschnecke

Verpresskopf

Verdrängungslochwandung


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 angewen-det 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 aufge-heizt, 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 Bodenver-besserungsmaßnahme eingesetzt werden. Siehe dazu Abschnitt R, "Spezialverfahren" Düsenstrahlverfahren Siehe dazu Vorlesung R, "Spezialverfahren".

M.13 Schrifttum

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vorl g m baugrundverbesserung

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