Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Gesamtüberblick über das Verfahren der Baugrundverbesserung mit Schottersäulen zu geben und die dabei erzielten Verbesserungswerte in Hinsicht auf die Tragfähigkeit und Setzung zu ermitteln. Dazu werden im ersten Schritt die Installationsverfahren, Anwendungsgrenzen, Geräte, Personal und Materialien genannt und auf die Besonderheiten des Einbauverfahrens eingegangen. Danach werden die Verformungen der Gruppentragwirkung und die Effekte des Herstellungsprozesses genauer betrachtet.
Hauptbestandteil der Arbeit sind die Berechnungsmethoden für die Tragfähigkeit und Setzungsverminderung eines mit Schottersäulen verbesserten Baugrunds. Durch die komplexen Beziehungen der Säulen mit ihrer Umgebung sind über die Jahre eine große Anzahl von Bemessungsmethoden veröffentlicht worden. In der Arbeit wird das Tragverhalten der Säulen genauer analysiert und danach die wichtigsten Berechnungsmethoden und ihre Annahmen beschrieben. Anschließend erfolgt ein Vergleich dieser Methoden und eine Auswertung, bis zu welchem Grad eine Tragfähigkeitserhöhung und Setzungsverminderung mit Schottersäulen zu realisieren ist.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung
Abstract
Inhaltsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
Literaturverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Einführung in die Fragestellung
1.2 Ziel der Arbeit
2 Stand der Technik zur Baugrundverbesserung mit Schottersäulen
2.1 Geräte, Personalbedarf und Einbauverfahren
2.2 Überwachung und Qualitätssicherung
2.3 Anwendungsbereiche
2.4 Tragverhalten von Schottersäulen
2.5 Effekte des Herstellungsprozesses
2.6 Konzept der Einheitszelle
2.7 Berechnungsverfahren für Schottersäulen
2.7.1 Berechnung der Tragfähigkeit für Einzelsäulen
2.7.2 Berechnung der Tragfähigkeit für Säulengruppen
2.7.3 Berechnung der Setzung
2.7.4 Vergleich der Bemessungsmethoden
3 Ergebnisse
4 Zusammenfassung und Ausblick
Tabellenverzeichnis
Tab. 2.1: Arbeitsprozesse der Rüttelstopfverdichtung mit dem Schleusenrüttler (Maybaum et al., 2011)
Tab. 2.2: Betriebsmitteleinsatz (Maybaum et al., 2011)
Tab. 2.3: Ausgewählte Tätigkeiten und Rüstzeiten einer Rüttelstopfverdichtung (Maybaum et al., 2011)
Tab. 2.4: Bestimmung der Säulenquerschnittsfläche nach Firma Keller Grundbau (aus Vrettos, 2014)
Tab. 2.5: Beobachtungen der Oberflächenerhebungen (Egan et. al, 2009)
Tab. 2.6: Verschiedene Methoden zur Setzungsberechnung (Aboshi und Suematsu, 1985)
Tab. 2.7: Kenngrößen des verbesserten Bodens (Bouassida et al.,2009)
Tab. 2.8: Vergleich der unterschiedlichen Setzungen (Bouassida et al.,2009)
Tab. 2.9: Vergleich der unterschiedlichen Berechnungsverfahren (Kirsch, F., 2004)
Tab. 2.10: Vergleich der benötigten Parameter für die Berechnungsverfahren (Kirsch, F.,
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1: Rüttelstopfverdichtung mit Tiefenrüttlern nach Firma Soletanche (aus Maybaum et. al, 2011)
Abb. 2.2: Darstellung eines Schleusen- (a) und Tiefenrüttlers (b) (Keller Grundbau, 2002)
Abb. 2.3: Herstellung von Schottersäulen mit dem Schleusenrüttler (Keller Grundbau, 2002)
Abb. 2.4: Gewölbewirkung einer Ausgleichschicht (Kirsch, F., 2004)
Abb. 2.5: Typischer Ausdruck einer Schottersäulenherstellung (Wehr und Sondermann, 2013)
Abb. 2.6: Probebelastung von Säulengruppen (Borchert et al., 2005)
Abb. 2.7: Anwendungsbereiche der Tiefenrüttelverfahren (Kirsch, K., 1993)
Abb. 2.8: Anwendungsfälle für Schottersäulen in weichem Untergrund (Brauns, 1978)
Abb. 2.9: „Schwebende“ Schottersäulengründung, schematisch (Brauns, 1978)
Abb. 2.10: Anordnung von Schottersäulen unter Streifenfundamente (Smoltczyk und Hilmer, 1991)
Abb. 2.11: Belastungssituationen von Schottersäulen (Kirsch und Kirsch, 2010)
Abb. 2.12: Rheologisches Modell (Smoltczyk, 1983)
Abb. 2.13: Interaktionsverhalten von Schottersäulengruppen (Kirsch et al., 2002)
Abb. 2.14: Deformationen von Säulengruppen in Modellversuchen nach Hu (1995) ((a) aus Wehr,1999 und (b) aus Wehr und Sondermann, 2013)
Abb. 2.15: Modellabgüsse von vier bzw. fünf Säulen (Kirsch et al., 2004)
Abb. 2.16: Spannungsverhältnis zwischen Eck- und Mittelsäule (Kirsch, F., 2004)
Abb. 2.17: Oberflächenerhebung nach dem Einbau von Schottersäulen (Kirsch, F.,
Abb. 2.18: Herstellungseffekte (Kirsch, F., 2006)
Abb. 2.19: (a) Horizontale Spannungserhöhung und (b) Steifigkeitserhöhung (Kirsch, f. 2004)
Abb. 2.20: Säulenraster und Konzept der Einheitszelle (Kirsch, F., 2004)
Abb. 2.21: Veränderung der Spannungskonzentration (Bergado et al., 1987)
Abb. 2.22: Last- und Zeitabhängige Veränderung der Spannungskonzentration (Watts et al., 2000)
Abb. 2.23: Bruchmechanismen einer Einzelsäule (Kirsch und Kirsch., 2010)
Abb. 2.24: Einfachster Ansatz zur Tragfähigkeitsermittlung für Schottersäulen (in Anlehnung an Bell, 1915)(Brauns, 1978)
Abb. 2.25: Tragfähigkeitsermittlung von Schottersäulen und Diagramm zur Bestimmung des maßgebenden Gleitwinkels δ (Brauns, 1978)
Abb. 2.26: Beziehung zwischen dem Flächenverhältnis as und der maximalen Tragfähigkeit (Aboshi und Suematsu, 1985)
Abb. 2.27: Äußere und innere Spannungen einer schwebenden Schottersäule (Brauns, 1978)
Abb. 2.28: Maximale sinnvolle und minimal notwendige Länge schwebender Schottersäule (Brauns, 1978)
Abb. 2.29: Traglasten von Schottersäulen nach dem Ansatz des räumlichen Erdwiderstands, für einen Reibungswinkel von ϕ s= 40° (Brauns, 1978)
Abb. 2.30: Versagensformen von einer Schottersäulengruppe (Kirsch und Kirsch, 2010)
Abb. 2.31: Tragverhalten einer Schottersäulengruppe (Barksdale und Bachus, 1983)
Abb. 2.32: Diagramme zur Bestimmung der Faktoren F'c und F'q (Kirsch und Kirsch, 2010)
Abb. 2.33: Bemessungsdiagramm nach Grennwood (aus Weber, 2007)
Abb. 2.34: Ebener Verzehrungszustand (Van Impe und De Beer, 1983)
Abb. 2.35: Bemessungsdiagramme für den Setzungsreduktionswert β und Spannungsfaktor m (Van Impe und De Beer, 1983)
Abb. 2.36: Bemessungsdiagramme zur Berechnung der Setzungsreduktion (a) mit rein elastischem Verhalten und (b) mit einem elasto-plastischen Verhalten (Van Impe und De Beer, 1983)
Abb. 2.37: Bemessungsdiagramm für Rüttelstopfverdichtung (Priebe, 1995)
Abb. 2.38: Berücksichtigung der Säulenkompressibilität (Priebe, 1995)
Abb. 2.39: tiefenabhängige Druckdifferenz (Priebe, 1988)
Abb. 2.40: Bestimmung des Tiefenbeiwertes (Priebe, 1995)
Abb. 2.41: Grenzwert des Tiefenbeiwertes (Priebe, 1995)
Abb. 2.42: (a) Setzung von Einzelfundamenten und (b) Setzung von Streifenfundamenten (Priebe, 1995)
Abb. 2.43: Ersatzsystem zur Setzungsberechnung bei der Anwendung des Verfahrens nach Priebe auf schwimmende Säulengruppen (Kirsch, F. 2004)
Abb. 2.44: Verformungen des Bodens (Goughnour und Bayuk, 1979)
Abb. 2.45: Diagramme zur Berechnung des Stauchungsreduktionsfaktors (Goughnour, 1983)
Abb. 2.46: Diagramm zur Berechnung des Stauchungsreduktionsfaktors (Goughnour, 1983)
Abb. 2.47: Berechnungsschritte nach dem Goughnour und Bayuk Verfahren (Kirsch und Kirsch, 2010) 43 X Abb. 2.48: Grenzspannung auf der Schottersäule in Abhängigkeit des Reibungswinkels (a) und Einfluss der seitlichen Auflast auf die Grenzspannung für φ s = 35° (b) (Brauns, 1978)
Abb. 2.49: Vergleich der Setzungsverminderung verschiedener Methoden (Smoltczyk, 1983)
Abb. 2.50: Analytische und numerische Berechnungsergebnisse einer Säulengruppe (Kirsch und Kirsch,2010)
Abb. 2.51: Vergleich der Setzungsverminderung verschiedener Methoden (Greenwood und Kirsch, 1983)
Kurzfassung
Immer häufiger werden Bauprojekte auf weichen, bindigen Böden ausgeführt, die ohne eine Behandlung oder Überbrückung der weichen Schichten nur selten bebaubar sind. Eine Methode zur Verbesserung des Baugrundes ist der Einsatz von Schottersäulen. Die Hauptziele bestehen in der Erhöhung der Tragfähigkeit, Beschleunigung der Konsolidierung und der Verringerung der Setzung. Dieses geschieht durch eine Verbesserung des Scherwiderstands, Erhöhung der Steifigkeit und Drainwirkung. Mit der vorliegenden Arbeit wird ein Gesamtüberblick über diese Methode der Baugrundverbesserung gegeben und genauer auf die Tragfähigkeitserhöhung und die Setzungsverminderung eingegangen.
Bei dieser Methode werden vertikale Verbesserungszonen aus grobkörnigen Zugabematerial in den Untergrund eingebaut. Die bekannteste Art der Säulenherstellung, ist das Rüttelstopfverfahren, welches im Trockenverfahren oder Nassverfahren mit einem Schleusen- oder Tiefenrüttler ausgeführt wird. Das heutzutage meist verwendete, ist das Verfahren mit dem Schleusenrüttler im Trockenverfahren. Dabei wird der Rüttler in den Boden eingelassen und verdrängt diesen seitlich. Der Schotter gelangt mit Druckluft über ein Materialrohr in die Spitze des Rüttlers und in den Boden. Durch Vibration werden die Säulen abschnittsweise verdichtet. Die erzielten Säulendurchmesser und Säulentiefen sind von dem jeweiligen Rüttler und Equipment abhängig. Baubegleitende Überwachungen mit speziellen Aufzeichnungsgeräten liefern genaue Rückschlüsse auf die tatsächlich ausgeführten Säulenabmessungen und garantieren eine hohe Qualität der Säule. Nach der Fertigstellung ist eine anschließende Nachverdichtung der Oberfläche notwendig, die meistens durch eine Ausgleichschicht vorgenommen wird. Die gewünschten Verbesserungswirkungen lassen sich nur in situ mit erheblich aufwendigen Untersuchungen feststellen. Aus Setzungsbeobachtungen am fertigen Bauwerk und Belastungsproben können für zukünftige Bauprojekte Rückschlüsse gezogen werden.
Schottersäulen beinhalten kein Bindemittel und sind daher auf die seitliche Stützung des Bodens angewiesen. Bei sehr weichen Tonschichten ist diese nicht gegeben und der Einbau nicht möglich. Besitzt der Boden eine ausreichende Eigenverdichtung, ist das Verfahren zu aufwendig und unwirtschaftlich. Deshalb ist allein vom Boden gesehen nur ein begrenzter Einsatzbereich möglich. Jedoch gibt es in der Baupraxis viele Anwendungsfälle, bei denen Schottersäulen eine geeignete Variante darstellen. Sie kommen zum Einsatz bei Einzel- und Streifenfundamenten, Dammschüttungen, Bahn- und Gleisanlagen und leichten Hallenbauten. Besonders geeignet erscheint die Verwendung von Schottersäulen auch in erdbebengefährdeten Gebieten, wegen der Drainwirkung.
Bei der Herstellung mit dem Schleusenrüttler kommt es wegen der verdrängenden Wirkung zu einer Oberflächenerhebung. Werden diese Bewegungen verhindert, steigt die horizontale Spannung und Steifigkeit im Boden an und eine zusätzliche Verbesserung des unmittelbar umgebenden Bodens tritt ein.
Das Trag- und Setzungsverhalten von Schottersäulen ist äußerst komplex und von vielen verschiedenen Randbedingungen abhängig. In den letzten Jahren wurden deshalb viele Bemessungsmethoden veröffentlicht, die sich auf verschiedene und vereinfachte Annahmen beziehen. Die Lastabtragung erfolgt, anders als bei pfahlartigen Elementen, durch ein seitliches Ausbauchen der Säule und den dadurch aktivierten horizontalen Erdwiderstand. Die Interaktionen zwischen den Säulen führen dazu, dass bei der Untersuchung der Tragfähigkeit die Säulen in Abhängigkeit ihrer Anzahl betrachtet werden.
Der erste Fall betrachtet eine einzelne Schottersäule, bei der ein Versagen entweder durch Ausbauchen, Scherbruch oder Versinken auftreten kann. Das Ausbauchen ist das Haupttragelement und versagt, wenn der Boden die seitliche Stützung nicht mehr gewährleisten kann. Die Erdauflast und eine mögliche seitliche Auflast erhöhen die Stützkraft, sodass ein Versagen nur im oberen Bereich der Säule oder in sehr weichen Zwischenschichten bei inhomogenen Böden vorkommt. Die meisten Bemessungsansätze, beziehen sich auf die Hypothese einer triaxialen Beanspruchung. Nicht nur das Ausbauchen kann die Tragfähigkeit begrenzen, sondern auch die Scherbeanspruchung einer Säule kann zu einem Bruch führen. Ein Versagen durch Einsinken ist nur bei kurzen Säulen auf einer nachgiebigen Schicht möglich. Dieses wird ausgeschlossen, indem die Säule länger ist als ein errechneter Minimalwert.
Der zweite zu untersuchende Fall ist eine begrenzte Säulengruppe. Sie weisen ähnliche Versagensbilder wie die Einzelsäule auf, sind aber schwieriger zu berechnen. Die einzelnen Säulen verformen sich solange, bis eine Überbelastung an benachbarte Säulen abgegeben wird und ein Gruppentragverhalten entsteht. Ein Bruch einer einzelnen Säule ist in der Gruppe nicht möglich. Das zusätzliche Zusammenspiel der Säulen ist schwer zu erfassen und wird nur von wenigen Berechnungsmethoden berücksichtigt. Erst in der jüngeren Vergangenheit konnten Auswertungen von Versuchen das Tragverhalten verschieden angeordneter Säulengruppen genauer erfassen. So hat zum Beispiel die Anordnung einer Mittelsäule innerhalb einer Gruppe einen Einfluss auf die Lastverformungen und das Tragvermögen. Eine große Anzahl von gleichmäßig angeordneten Säulen, wird als unendlich ausgedehntes Säulenraster bezeichnet. Eine Säulengruppe von mehr als fünfzig Säulen und einem Verhältnis der Fundamentbreite bezogen auf die Säulentiefe von mindestens drei wird in der Baupraxis als ein solches bezeichnet. Ein Versagen der Tragfähigkeit wird dabei ausgeschlossen.
Die Setzungsverminderung beruht auf dem Konzept der Einheitszelle und wird für den Lastfall einer unbegrenzten Lastfläche auf einem unendlich ausgedehnten Säulenraster berechnet. Dazu gibt es eine Vielzahl von empirischen, analytischen und numerischen Berechnungsmethoden. Die höhere Steifigkeit der Säule gegenüber dem Boden führt zu einer Spannungskonzentration in der Säule und vermindert damit die Setzung. Die Einheitszelle beinhaltet eine Schottersäule mit ihrem umliegenden Boden und wird für verschieden angeordnete Raster berechnet. Die Wände der Zelle sind undurchlässig und starr. Bei der Setzungsberechnung wird zuerst die Setzung ohne Schottersäulen ermittelt und danach die Setzungsverminderung, mit einem Verbesserungsfaktor bestimmt. Die bekanntesten Verfahren sind die Methoden nach Priebe und Goughnour und Bayuk.
Die Methode nach Priebe ist die in Europa gängigste Variante und beinhaltet alle in der Praxis vorkommenden Fälle und lässt sich relativ leicht anwenden. Ausgehend von dem Fall des unendlich ausgedehnten Säulenrasters, leitet er die Bemessungen für Säulengruppen und Einzelsäulen ab. Die Methode von Goughnour und Bayuk geht von einem elastischen und plastischen Berechnungsansatz aus. Der Boden der Einheitszelle wird in horizontale Schichten eingeteilt und für jede Schicht die Verformung errechnet. Sie basiert auf einem iterativen Lösungsansatz und ist für eine konventionelle Handrechnung eher ungeeignet.
Eine Gegenüberstellung der verschiedenen Methoden zeigt einen großen Streubereich, welcher auf die unterschiedlichen Annahmen zurückzuführen ist. Der Vergleich der verschiedenen Ergebnisse lässt jedoch feststellen, dass der Einsatz von Schottersäulen eine maßgebliche Veränderung der Tragfähigkeit und Setzung herbeiführt. Mit zunehmenden Reibungswinkel und Säulendurchmesser erhöht sich die Tragfähigkeit und die Setzung wird vermindert. Die Verbesserungswirkung kann jedoch nicht ins Unendliche steigen. Bei den üblichen Schottersäulenabmessungen sind Verbesserungswerte zwischen zwei und sechs realisierbar.
Abstract
More and more frequently construction projects are building on soft, cohesive soil, which are rarely suitable for building without a treatment or bridging the soft layers. A method for improving the subsoil is the use of stone columns. The main objectives are to increase the load-bearing capacity, accelerating the consolidation and settlement reduction. This is achieved by improving the shear resistance, increasing the stiffness and drain effect. With the present work, an overview will be given about this method of soil improvement and more exactly on increase of the load-bearing capacity and on settlement reduction.
With this method vertical improving zones of coarse-grained material are inserted into the ground. The best known type of column preparation is the vibro replacement method, which is carried out in a dry or wet process with deep vibrators. The most widely used procedure nowadays, is using the bottom feed vibrator in a dry process. In this case the vibrator is put into the ground and displaces it laterally. The gravel enters with compressed air via a material pipe into the top of the vibrator and into the ground. The stone columns are compacted by vibration section by section. The column diameter and column depths are depending on the vibrators and equipment used. Monitoring during construction with special recording equipment provides reliable conclusions about the actually column dimensions and guarantee a high quality stone column. After the completion a subsequent densification of the surface is necessary, which is mostly carried out by a balancing layer. The desired improvement effects can only be observed in situ by considerably extensive research. Judging from settlement observations on the finished building and load tests, one can draw conclusions for future building projects.
Stone columns contain no binder material and are dependent on the lateral support of the soil. There is no lateral support for very soft clay and the installation is not possible. In case the soil has a sufficient compression of its own, the process is too expensive and uneconomical. Therefore, seen from the ground alone, only a limited area of application is possible. However, in many practical cases of building stone columns are indeed a suitable solution. They are being used for single and stripe foundations, embankments as well as railway and light hall constructions. The use of stone columns is particularly useful in seismic areas due to the drain effect. By using the bottom feed vibrator one produces a surface elevation due to the displacing effect. If these movements are prevented, the horizontal tension and rigidity in the soil increases and an additional improvement of the immediately surrounding ground occurs.
The load-bearing and settlement behavior of stone columns is very complex and depends on many surrounding conditions. Therefore, during the last years many design methods have been published, which refer to different and simplified assumptions. The load transfer takes place, unlike with pile-like elements, by a lateral bulging of the column and the resulting activated horizontal passive earth pressure. The interactions between the columns lead to a separate consideration.
The first case considers a single gravel column, in which failure can occur by bulging, shearing or sinking. Bulging is the main load-carrying mechanism of a stone column. It can fail when the ground cannot lend any further lateral support. The earth load and a possible lateral extra load increase the lateral support, so that a failure only occurs at the top of the column or in very soft layers in inhomogeneous soils. Most design methods refer to the hypothesis of triaxial stress. Not only the bulging can limit the load-bearing capacity, also the shearing of a column can lead to failure. A failure by sinking is only possible with short columns on a flexible layer. This is excluded by using a longer column length than a calculated minimum value.
The second case is a limited group of columns. They have similar failure mechanisms as the single column, but are more difficult to calculate. The individual columns deform until their overstressing is transferred to neighboring columns, causing a group supporting behavior. A break of a single column is not possible. The additional interactions of the columns are difficult to figure out and are only considered in a few methods of calculation. Only in the recent past experiments could figure out the structural behavior differently arranged groups of columns. For example, the arrangement of a center column within a group can influence the load deformations. A large number of evenly spaced columns is called infinitely extended column grid. By definition, it is a group of more than fifty columns and a ratio of foundation width to column depth of at least three. A failure of the load-bearing capacity is excluded.
The settlement decrease is based on the concept of the unit cell and is calculated for the load case of an unlimited load area on an infinite column grid. In addition there are many empirical, analytical and numerical calculation methods. The higher stiffness of the column relative to the ground results in a stress concentration and in a settlement reduction. The unit cell contains a stone column with its surrounding ground and is calculated for differently arranged grid. The walls of the cell are opaque and rigid. In the settlement analysis, first the settlement is calculated without stone columns. Afterwards the settlement reduction is determined by an improvement factor.
The most popular procedures are the methods of Priebe and Goughnour and Bayuk. The Priebe method is the most common in Europe and includes all practical cases. He derives the calculation for column groups and individual columns from the fall of the infinite column grid. The Goughnour and Bayuk method considers an elastic and plastic calculation. The bottom of the unit cell is divided into horizontal layers and the deformation for each one is calculated. It is based on an iterative approach and is not suitable for a conventional manual calculation.
A comparison of the different methods shows a large variance which can be attributed to the different assumptions. The different results show that the application of stone columns causes a significant change in the load-bearing capacity and settlement. With increasing friction angle and column diameter, the load-bearing capacity increases and settlement is reduced. However, the improvement effect cannot rise indefinitely. Working with common column measurements, improvement values of between two and six are achievable.
Symbolverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Literaturverzeichnis
Aboshi, H. und Suematsu, N. (1985): Sand compaction pile method, in: Proc. 3rd International Geotechnical seminar on soil improvement methods, Singapore.
Balaam, N. P. und Booker, J. R. (1981): analysis of rigid rafts supported by granular piles, in: Int. Journal of Numerical and Analyticla Methods in Geomechanics, Jg. 5(4), S. 379-403.
Balaam, N. P. und Poulos, H.G. (1983): The behaviour of foundations supported by clay stabilised by stone columns, in: VIII European Conference in Soil Mechanics and Foundation Engineering in Helsinki 1983, Bd. 1 GA, Rotterdam: A.A Balkema, S. 199- 204.
Balaam, N. P. und Booker, J. R. (1985): Effekt of stone column yield on settlement of rigid foundations in stabilized clay, in: Int. Journal of Numerical and Analyticla Methods in Geomechanics, Jg. 9(4), S. 311-351.
Barksdale, R.D. und Bachus, R.C. (1983): Design and construction of stone columns. Final Report No. FHWA/RD-83/026, Waschington: Federal Highway Administration.
Becker, A. (2012): Laboratoriumsuntersuchungen zur Herstellung von Schottersäulen in
weichen Böden, Modellversuch im Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau der TU Kaiserslautern.
Bergado, D.T., Chai, J., Alfaro, M. und Balasubramaniam, A. (1994): Improvement techniques of soft ground in subsiding and lowland environment, Rotterdam: Balkema.
Borchert, K.-M., Deterding, K. und Kirsch, F. (2005): Berechnung und Ausführung einer Rüttelstopfverdichtung in weichem Geschiebemergel, Beiträge zum 4. Geotechnik-Tag 2005 in München, Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik und Felsmechanik der TU München, Schriftenreihe Heft 37, S. 125-133.
Bouassida, M., Ellouze S. und Hazzar, L. (2009): Investigating Priebe`s method for settlement estimation of foundation resting on soil reinforced by stone columns, in: Karstunen, Leoni (Hrsg.), Geotechnics of Soft Soils, London: CRC Press. S. 321-325.
Brauns, J. (1978): Die Anfangstraglast von Schottersäulen im bindigen Untergrund, in:
Bautechnik, Jg. 55(8), S. 263-271.
Egan, D., Scott, W. und McCabe, B. (2009): Installation effects of vibro replacement stone columns in soft clay, in: Karstunen, Leoni (Hrsg.), Geotechnics of Soft Soils, London: CRC Press. S. 23-29.
Goughnour, R.R. und Bayuk A.A. (1979): Analysis of stone column - Soil matrix interaction under vertical load, in: Int. Conference on Soil Reinforcement 1979, Paris: S. 271-277.
Goughnour, R.R. (1983): Settlement of vertically loaded stone columns in soft ground, in: VIII European Conference in Soil Mechanics and Foundation Engineering in Helsinki 1983, Bd. 1 GA, Rotterdam: A.A Balkema, S. 235-240.
Greenwood, D. A. (1970): Mechanical improvement of soils below ground surface, in: the Institution of civil Engineers (Hrsg.), Ground Engineering, Edinburgh: T. & A. Constable Ltd. S.11-22.
Greenwood, D. A. und Kirsch, K. (1983): Specialist ground treatment by vibratory and dynamic methods, in: Int. Conference on advances in pilling and ground treatment for foundations, London: S. 17-45.
Hilmer, K. (1975): Methoden zur Überprüfung einer Stopfverdichtung, in: Bautechnik, Jg. 52(1), S. 8-14.
Hughes, J. und Withers, N. (1974): Reinforcing of soft cohesive soils with stone columns, in: Ground Engineering, Jg.7(3), S.42-49.
Jebe, W., Bartels, K. und FRG (1983): The development of compaction methods with vibrators from 1976 to 1982, in: VIII European Conference in Soil Mechanics and Foundation Engineering in Helsinki 1983, Bd. 1 GA, Rotterdam: A.A Balkema, S. 259-266.
Maduro, J., Molina, R., Castillo, V., Christmann, A. und Doster, A. (2006): Verwendung von Schottersäulen bei Setzungen und für Verflüssigung anfälligen Boden, in: Bautechnik, Jg. 83(9), S. 639-643.
Maybaum, G., Mieth, P., Oltmanns, W. und Vahland, R. (2011): Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau, 2.Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag.
Muir Wood, D., Hu, W. und Nash, D. F. T. (2000): Group effects in stone column foundations: model test, in: Geotechnique, Jg. 50(6), S. 689-698.
Nahrgang, E. (1976): Untersuchung des Tragverhaltens von eingerüttelten Schottersäulen an Hand von Modellversuchen, in: Baumaschine + Bautechnik, Jg. 23(9), S. 391-404.
Keller Grundbau (2002): Die Tiefenrüttelverfahren, in: Firmenprospekt 10-2D.
Kempfert, H.G. und Gebreselassie, B. (2006): Excavations and Foundations in Soft Soils, Berlin: Springer-Verlag.
Kirsch, F. (2004): Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Rüttelstopfsäulengruppen, Dissertation an der TU Braunschweig.
Kirsch, F., Stahlmann, J. und Wehr, W. (2004): Berechnung von Baugrundverbesserungen nach dem Rüttelstopfverfahren, in: DGGT, VGE (Hrsg.), Vorträge der Baugrundtagung 2004, Leipzig: Glückauf Verlag, S. 149-156.
Kirsch, F. (2006): Vibro stone column installation and its effect on ground improvement, in: Triantafyllidis (Hrsg.), Numerical Modelling of Construction Processes in Geotechnical Engineering for Urban Environment, London: Taylor & Francis, S. 115-124.
Kirsch, K. (1993): Die Baugrundverbesserung mit Tiefenrüttlern, in: Englert, Stocker (Hrsg.), 40 Jahre Spezialtiefbau: 1953-1993, Festschrift, Düsseldorf: Werner-Verlag GmbH, S. 219-255.
Kirsch, K. und Kirsch, F. (2010): Ground improvement by deep vibratoy methods, New York: Spon Press.
Priebe, H.J. (1976): Abschätzung des Setzungsverhaltens eines durch Stopfverdichtung verbesserten Baugrundes, in: Bautechnik, Jg. 53(5), S. 160-162.
Priebe, H.J. (1988): Zur Abschätzung des Setzungsverhaltens eines durch Stopfverdichtung verbesserten Baugrundes, in: Bautechnik, Jg. 65(1), S. 23-26.
Priebe, H.J. (1995): Die Bemessung von Rüttelstopfverdichtungen, in: Bautechnik, Jg. 72(3), S. 183-191.
Priebe, H.J. (2003): Zur Bemessung von Rüttelstopfverdichtungen, in: Bautechnik, Jg. 80(6), S. 380-384.
Smoltczyk, U. (1983): Deep Compaction, in: VIII European Conference in Soil Mechanics and Foundation Engineering in Helsinki 1983, Bd. 3 GA, Rotterdam: A.A Balkema, S. 1105- 1116.
Smoltczyk, U. und Hilmer, K. (1991): Baugrundverbesserung, in: Grundbautaschenbuch, Bd. 2 GA, 4.Aufl., Berlin: Ernst & Sohn.
Schnell, W. und Vahland, R. (1997): Verfahrenstechnik der Baugrundverbesserung, Stuttgart: Teubner Verlag.
Van Impe, W. und Beer De, E. (1983): Improvement of settlement behavior of soft layers by means of stone columns, in: VIII European Conference in Soil Mechanics and Foundation Engineering in Helsinki 1983, Bd. 1 GA, Rotterdam: A.A Balkema, S. 309- 312.
Vrettos, C. (2014): Baugrundverbesserung, in: Arbeitsblätter zur Vorlesung Grundbau I,
Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau der TU Kaiserslautern: S. 23-52.
Watts, K. S., Johnson, D., Wood, L. A. und Saadi, A. (2000): An instrumental trial of vibro ground treatment supporting strip foundations in a variable fill, in: Geotechnique, Jg. 50(6), S. 699-708.
Weber, T.M. (2007): Modellierung der Baugrundverbesserung mit Schottersäulen, Dissertation am Institut für Geotechnik der ETH Zürich.
Wehr, J. und Sondermann, W. (2013): Deep vibro techniques, in: Kirsch, K. und Alan Bell (Hrsg.), Ground Improvement, 3.Aufl., New York: CRC Press, S. 17-55.
Wehr, W. (1999): Schottersäulen - das Verhalten von einzelnen Säulen und Säulengruppen, in Geotechnik, Jg. 22(1), S. 40-47.
1 Einleitung
1.1 Einführung in die Fragestellung
Die Auswahl eines geeigneten Bauplatzes ist eine der wichtigsten Entscheidungen in einem Bauprojekt. Für die Geotechnik bedeutet dies, dass der Baugrund eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit besitzen muss, um die Lasten aufnehmen zu können, und keine Bruchmechanismen eintreten. Meistens werden Bauplätze jedoch aufgrund sozialer und wirtschaftlicher Entscheidungskriterien gewählt und der Baugrund nicht berücksichtigt. Beispiele dafür sind die Städte Shanghai und Bangkok, die aufgrund des Seehandels in Küstengebiete angesiedelt wurden. Der Boden unter diesen Städten ist sehr weich und besitzt eine hohe Kompressibilität, sodass sogar einige leichte Bauten nicht ohne Verbesserungsmaßnahmen gebaut werden können. Hinzu kommt das rasante Wachstum dieser Städte und der Drang immer höhere und anspruchsvollere Gebäude zu bauen. Kann der Baugrund diese Lasten nicht aufnehmen, beziehungsweise kommt es zu unerwünschten großen Setzungen und Stabilitätsversagen, muss dieser mit konstruktiven Maßnahmen verbessert werden. Eine Baugrundverbesserung ist in diesen Fällen unerlässlich. Entweder kann die Verbesserung durch eine Veränderung der Bodeneigenschaften oder durch eine Tiefgründung erfolgen. In den meisten Fällen ist eine Veränderung der Bodeneigenschaften die kostengünstigere Variante. Dabei gibt es eine Vielzahl von angewandten Methoden. Eine weit verbreitete ist die Baugrundverbesserung mit Schottersäulen. Diese Methode gehört zu den Tiefenverdichtungsverfahren und wird vorwiegend in weichen, bindigen Böden angewandt. Hierbei werden zur Verbesserung des Bodens vertikale Säulen aus Kies und Schotter in dem Untergrund hergestellt. Eines der häufigsten Einbauverfahren für Schottersäulen ist die Rüttelstopfverdichtung. Die primären Ziele bestehen in der Verminderung der Setzungen, Erhöhung der Tragfähigkeit und Beschleunigung der Konsolidierung durch Drainagewirkung.
Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht in der Bemessung des komplexen Tragverhaltens der Schottersäulen. Es ist vor allem durch die Interaktionen zwischen Boden, Lastaufbringung und Schottersäule geprägt und lässt sich mit einfachen Untersuchungsmethoden, wie z.B. Drucksondierungen, nicht erfassen. Erfahrungen von früheren Bauprojekten sind deshalb für die Bemessung und Herstellung von besonderer Bedeutung. Mittlerweile wird das Verfahren seit über fünfzig Jahren angewandt und es existieren eine Reihe von empirischen, numerischen und analytischen Bemessungsverfahren,
denen unterschiedliche Annahmen und Ergebnisse zugrunde liegen. Sie unterteilen sich In Verfahren zur Bemessung der Tragfähigkeit und der zu erwartenden Setzungen. Die Tragfähigkeit wird dabei im Bruchzustand von Einzelsäulen und von Säulengruppen berechnet, wobei verschiedene Versagensbilder auftreten können. Die Setzungsberechnung erfolgt nach dem Konzept der Einheitszelle und der Annahme eines unendlich ausgedehnten Säulenrasters. Alle weiteren Belastungsfälle werden von dieser Annahme abgeleitet. Für die meisten Berechnungen werden vereinfachte Annahmen zugrunde gelegt, die für die Baupraxis trotzdem hinreichende Ergebnisse liefern. Des Weiteren werden die Effekte des Herstellungsprozesses und der Gruppentragwirkung in den meisten Berechnungsmethoden außer Acht gelassen. So erzeugt zum Beispiel der Herstellungsprozess, bei dem der seitlich anstehende Boden verdrängt wird, eine Verfestigung und Spannungsänderung im Boden, die wiederum zu einer Verbesserung des Bodens führen. Das Gruppentragverhalten von Schottersäulen unterscheidet sich auch deutlich von dem Tragverhalten der Einzelsäule, sodass eine besondere Betrachtung von begrenzten Säulengruppen notwendig ist.
1.2 Ziel der Arbeit
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, einen Gesamtüberblick über das Verfahren der Baugrundverbesserung mit Schottersäulen zu geben und die dabei erzielten Verbesserungswerte in Hinsicht auf die Tragfähigkeit und Setzung zu ermitteln. Dazu werden im ersten Schritt die Installationsverfahren, Anwendungsgrenzen, Geräte, Personal und Materialien genannt und auf die Besonderheiten des Einbauverfahrens eingegangen. Danach werden die Verformungen der Gruppentragwirkung und die Effekte des Herstellungsprozesses genauer betrachtet.
Hauptbestandteil der Arbeit sind die Berechnungsmethoden für die Tragfähigkeit und Setzungsverminderung eines mit Schottersäulen verbesserten Baugrunds. Durch die komplexen Beziehungen der Säulen mit ihrer Umgebung sind über die Jahre eine große Anzahl von Bemessungsmethoden veröffentlicht worden. In der Arbeit wird das Tragverhalten der Säulen genauer analysiert und danach die wichtigsten Berechnungsmethoden und ihre Annahmen beschrieben. Anschließend erfolgt ein Vergleich dieser Methoden und eine Auswertung, bis zu welchem Grad eine Tragfähigkeitserhöhung und Setzungsverminderung mit Schottersäulen zu realisieren ist
2 Stand der Technik zur Baugrundverbesserung mit Schottersäulen
2.1 Geräte, Personalbedarf und Einbauverfahren
Weltweit gibt es eine Vielzahl von Einbauverfahren für Schottersäulen, die sich durch die jeweiligen Installationsmethoden unterscheiden. Der Einbau erfolgt entweder durch Stopfen, Rammung oder Vibration (vgl. Kempfert und Gebreselassie, 2006). Das gängigste Verfahren für den Schottersäuleneinbau ist die Rüttelstopfverdichtung. Die Anfänge dieses Verfahrens gehen ins Jahr 1956 zurück, indem erstmalig für eine Gründung, nämlich einer Lokhalle in Braunschweig, der Baugrund mit groben Zugabematerial verdichtet wurde. Der Tiefenrüttler wird an einem Seil hängend bis zur gewünschten Tiefe versenkt und danach wieder aus dem Boden herausgezogen, um in den verbleibenden Hohlraum das Zugabematerial schichtweise einzufüllen. Der Rüttler wird danach erneut in das Loch eingefahren und durch seine Vibration kommt es zu einer Verdichtung und seitlichen Verdrängung des Zugabematerials. Durch Wiederholen dieses Vorganges ist die Herstellung hochgradig verdichteter Schottersäulen möglich (vgl. Kirsch, 1993).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.1: Rüttelstopfverdichtung mit Tiefenrüttlern nach Firma Soletanche (aus Maybaum et. al, 2011)
Diese Verfahrensweise hat jedoch seine Grenzen in weichen, wassergesättigten Böden mit einer Scherfestigkeit von unter 30 kN/m2, bei denen das Rüttelloch, beim kompletten Herausziehen des Rüttlers nicht von alleine offenstehen bleibt. Bei derartigen Böden kann die Rüttelstopfverdichtung im Nassverfahren eingesetzt werden. Hierbei tritt ein Spülstrom an der Spitze des Rüttlers aus und erzeugt einen Ringraum um den Rüttler. Der eingebrochene Boden von den Seitenwänden wird durch das Wasser an die Oberfläche transportiert und gelangt auf das Arbeitsfeld. Die Aufbereitung des austretenden Wassers mit Bodenpartikeln ist sehr aufwendig und erfordert deshalb ein effektives Schlamm- und Wassermanagment. Ist die gewünschte Schottersäulentiefe erreicht, kann durch mehrmaliges Herausziehen und wieder Einlassen des Rüttlers das Bohrloch gereinigt und vergrößert werden. Für dieses Verfahren kommen Steine und Kiese zum Einsatz, die eine Korngröße von 30 mm bis 60 mm besitzen. Diese werden an der Oberfläche in den, mit Wasser gefüllten, Ringraum geschüttet und sinken in den Untergrund, wo sie durch den Rüttler verdichtet werden. In den Lücken zwischen Steinen und Kies sammelt sich von dem umgebenden Boden Sand und grober Schluff an, die zusammen eine kompakte, verdichtete Säule bilden. Mit diesem Nassverfahren werden üblicherweise Säulendurchmesser von 0,8 m bis 1,2 m hergestellt (vgl. Kirsch und Kirsch, 2010).
Im Jahr 1972 wurde mit der Erfindung des Schleusenrüttlers, das heutzutage meist verwendete Verfahren zur Herstellung von Schottersäulen entwickelt. Die Rüttelstopfverdichtung im Trockenverfahren mit Tiefenzuführung, auch bekannt als dry bottom feed method.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.2: Darstellung eines Schleusen- (a) und Tiefenrüttlers (b) (Keller Grundbau, 2002)
Bei diesem Einbauverfahren ist der Schleusenrüttler an einer Tragraupe befestigt und wird mit einem Mäkler über den Einbaupunkt ausgerichtet und fixiert. Der Schotter gelangt mit einem Materialkübel in den Schleusenrüttler und mit Hilfe von Druckluft über ein separates, im Rüttler liegendes, Materialrohr bis zur Rüttelspitze. Der Rüttler wird in den Boden eingelassen und nach Erreichen der Endtiefe 0,5 m bis 1 m angehoben, wobei das Zugabematerial unter
Druckluft in den Hohlraum gelangt. Der Rüttler wird anschließend wieder abgesenkt und das
Material gegen den Boden gepresst. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zur Fertigstellung der Schottersäule. Für dieses Verfahren sollte die Korngröße des Zugabematerials zwischen 10 mm und 40 mm liegen, damit keine Verstopfungen im Materialrohr und in der Rüttelspitze vorkommen. Der Säulendurchmesser liegt bei etwa 0,5 m bis 0,8 m und die erreichbare Schottersäulentiefe bei ca. 20 m (vgl. Keller Grundbau, 2002). Mit speziellen Aufrüstungen und Zusatzgewichte wurden Säulentiefen bis zu 43 m erreicht (vgl. Wehr und Sondermann, 2013). In Abbildung 2.3 ist die Schottersäulenherstellung mit einem Schleusenrüttler schematisch dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.3: Herstellung von Schottersäulen mit dem Schleusenrüttler (Keller Grundbau, 2002)
Die oberen 0,3 m bis 0,5 m der Schottersäulen weisen aufgrund der fehlenden seitlichen Stützung des Bodens und der Rüttlerform eine nicht ausreichend Verdichtung auf. Deshalb wird beim Herrichten des Feinplanums eine Nachverdichtung mit üblichen Oberflächenverdichter oder der Einbau einer Ausgleichschicht erforderlich. In den meisten Fällen wird eine etwa 0,5 m dicke Ausgleichschicht planiert. Die Säulenköpfe haben dann keinen direkten Kontakt mit der aufgebrachten Last und eine mögliche Gewölbewirkung mit zusätzlicher Lastkonzentration kann eintreten (vgl. Kirsch und Kirsch, 2010).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.4: Gewölbewirkung einer Ausgleichschicht (Kirsch, F., 2004)
Bevor die Rüttelstopfverdichtung jedoch zum Einsatz kommt muss die Arbeitsebene hergerichtet werden. Dazu zählen die Beseitigung von störenden Gegenständen, die Abtragung von dem Oberboden und eine lastverteilende Aufschüttung. Eine Gesamtübersicht aller relevanten Arbeiten und benutzten Geräten zur Herstellung von Schottersäulen mit dem Schleusenrüttler sind in Tabelle 2.1 aufgelistet.
Tabelle 2.1: Arbeitsprozesse der Rüttelstopfverdichtung mit dem Schleusenrüttler (Maybaum et al., 2011)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der Personalbedarf einer Rüttelstopfverdichtung setzt sich zusammen aus: einem Polier mit Aufsichtsfunktion, einem Maschinist für den Radlader, einem Maschinist und einem Helfer für das Trägergerät. Eine Vorbemessung der ausgeführten Leistungen und Kosten ist bei der Rüttelstopfverdichtung sehr schwierig und hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Anhaltswerte sind in den Tabellen 2.2 und 2.3 zusammengestellt. Die exakten Werten lassen sich erst nach der Herstellung durch Überwachungen feststellen (vgl. Maybaum et al., 2011).
Tabelle 2.2: Betriebsmitteleinsatz (Maybaum et al., 2011)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2.3: Ausgewählte Tätigkeiten und Rüstzeiten einer Rüttelstopfverdichtung (Maybaum et al., 2011)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die tatsächlich ausgeführten Säulendurchmesser können anhand von Erfahrungswerten aus der Tabelle 2.4 abgelesen werden. Mit dem Kiesverbrauch pro Meter lassen sich die Querschnittsfläche und der Durchmesser einfach ermitteln und für weitere Untersuchungen benutzen. Die Abmessungen der Säule sind für die Setzungsverminderung notwendige Eingangsparameter und deshalb wichtig zu bestimmen.
Bei der Berechnung der Setzungen nach dem Verfahren von Priebe, welches in der Arbeit noch genauer untersucht wird, werden üblicherweise für Sande und Schluffe die doppelten Querschnittsflächen angenommen. Damit wird eine etwa 10 - 15 cm seitliche Verdichtung des natürlichen Bodens durch den Verdrängungseffekt berücksichtigt. Dieser Effekt wird in dem Kapitel 2.5 genauer behandelt.
Tabelle 2.4: Bestimmung der Säulenquerschnittsfläche nach Firma Keller Grundbau (aus Vrettos, 2014)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2 Überwachung und Qualitätssicherung
Ein wichtiger Bestandteil der Bauausführung ist die Kontrolle während und nach der Schottersäulenherstellung. Aufgrund der Arbeitsausführung im Boden ist eine einfache Überwachung nicht möglich, sodass spezielle Geräte zum Aufzeichnen eingesetzt werden. Die Messeinrichtung besteht aus einem Steuerpult im Führerhaus der Tragraupe, einer Zentraleinheit mit Datenspeicher und einem PC mit Drucker (vgl. Keller Grundbau, 2002). Für eine Schottersäulenherstellung mit dem Schleusenrüttler sind die wichtigsten aufzuzeichnenden Daten die Versenktiefe, der Luftdruck, das Fülllevel des Materialrohrs, die Frequenz des Rüttlers, die Stromstärke und die Geschwindigkeit. Diese Parameter werden üblicherweise als Funktion der Zeit ununterbrochen aufgezeichnet. Ein typischer Ausdruck einer Herstellungsüberprüfung, der Firma Keller, ist in Abbildung 2.5 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.5: Typischer Ausdruck einer Schottersäulenherstellung (Wehr und Sondermann, 2013)
Das Dokumentieren dieser Daten liefert wichtige Informationen zur Überprüfung einer ausreichenden vertikalen Verdichtung und horizontalen Verschiebung des Zugabematerials. Der Durchmesser der Säule ist dabei wesentlich von der aufgebrachten Energie des Rüttlers abhängig. Mit der Messung des Fülllevels im Materialrohr werden die exakten Mengen Schotter pro Meter bestimmt. Kommt es zu unerwünschten Abweichungen, kann durch das
Überwachen noch während der Bauphase gegengesteuert werden. Entsprechen die Werte den Vorgaben, ist eine hohe Qualität der Säule gesichert. Des Weiteren liefern die Schottermenge und die aufgebrachte Zeit pro Säule wichtige Anhaltspunkte für die tatsächlichen Aufwandswerte und Verbrauchsmengen der Säulenherstellung. Weichen die Werte gegenüber der Angebotskalkulation ab, sind eventuelle Nachträge erforderlich. Die Herstellungskontrolle erfolgt immer öfters auch mit 2D- und 3D-Darstellungsprogrammen, wie z.B. VibroScan. Vorteile der Programme sind, dass sie inhomogene Bereiche im Boden entdecken können und eine übersichtliche Darstellung der Säulen bieten (vgl. Wehr und Sondermann, 2013).
Die Verifikation der Verbesserungswirkung von Schottersäulen lässt sich mit einfachen Druck- oder Rammsondierungen nicht feststellen. Das verdichtete Säulenmaterial verhindert eine ausreichende Einbringtiefe der Sonden. Deshalb sind bei Schottersäulen aufwendige Belastungsversuche notwendig. Dazu zählen Plattendruckversuche nach DIN 18 134 und Probebelastungen von Einzelsäulen und Säulengruppen. Sie liefern Aufschluss über das Trag- und Verformungsverhalten der Säulen. Zuverlässige Rückschlüsse auf das Setzungsverhalten von größeren Säulengruppen sind mit diesen Methoden jedoch nicht möglich. Ein Beispiel einer Probebelastung ist in Abbildung 2.6 veranschaulicht. Angesichts des hohen Aufwands sind solche Überprüfungen häufig nur bei großen Bauprojekten oder falschen Annahmen der Bodenzusammensetzung anzuwenden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.6: Probebelastung von Säulengruppen (Borchert et al., 2005)
Nach der Fertigstellung des Bauwerks, können außerdem mit Setzungsmessungen nach DIN 4107 die Qualität der Baugrundverbesserung überprüft und Rückschlüsse für zukünftige Bauprojekte gezogen werden (vgl. Maybaum et al., 2011).
2.3 Anwendungsbereiche
Das Rüttelstopfverfahren ist eine Weiterentwicklung des Rütteldruckverfahrens und erweiterte damit auch den Anwendungsbereich der Tiefenverdichtungsverfahrens. In kohäsionslosen Sanden und Kiesen wird mit Hilfe des Rütteldruckverfahrens der Boden durch Vibration in sich verdichtet. Bei Übersteigen des Feinkornanteils mit mehr als 10-15 % (Korngrößen unter 0,06 mm) ist eine Eigenverdichtung nicht mehr ausreichend und das Rütteldruckverfahren nicht mehr anwendbar. In diesen Fällen kann das Rüttelstopfverfahren zum Einsatz kommen. Mit seiner Erfindung im Jahr 1956 wurde fast der gesamte Körnungsbereich der Lockergesteine als Anwendungsgebiet erschlossen (vgl. Abb. 2.7). Grundsätzlich ist das Rüttelstopfverfahren auch im Bereich des Rütteldruckverfahrens anwendbar. Ist eine Eigenverdichtung jedoch möglich, ist diese aus wirtschaftlichen Gründen zu bevorzugen (vgl. Kirsch, K., 1993).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.7: Anwendungsbereiche der Tiefenrüttelverfahren (Kirsch, K., 1993)
Die Anwendungsgrenzen der Rüttelstopfverdichtung werden durch die Standfestigkeit des Bodens gesetzt. Da die Schottersäule kein Bindemittel enthält, bedarf sie der seitlichen Stützung des Bodens und somit einer Mindestscherfestigkeit cu (undrainierte Kohäsion). Indem 1979 erschienen Merkblatt der Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen ist ein Mindestwert der Scherfestigkeit von cu = 15 kPa angegeben. Basierend auf einigen Baustellenerfahrungen erwies sich dieser Wert aber als zu konservativ. Priebe (2003) legte den Mindestwert auf cu = 5 kPa fest und stützte sich dabei auf Verkehrsprojekte im südostasiatischen Raum. Modellversuche der TU Kaiserslautern zeigen sogar, dass eine Schottersäulenherstellung bei einem Wert der undrainierten Kohäsion von etwa cu = 4 kPa möglich ist (vgl. Becker, 2012). Ab einen Wert von cu = 50 kPa besitzt der Boden eine ausreichende Tragfähigkeit und die Anwendung von Schottersäulen ist nicht mehr notwendig (vgl. Barksdale und Bachus, 1983).
Die Hauptanwendungen in der Baupraxis sind schematisch in Abb. 2.8 dargestellt. Sie dienen der Abtragung von Einzel- und Flächenlasten, sowie der Sicherung gegen Grund- und Böschungsbruch. Sie kommen überwiegend bei Einzel- und Streifenfundamten, Dammschüttungen, Bahn- und Gleisanlagen und leichten Hallenbauten zum Einsatz. Die zulässige Sohlpressung liegt etwa zwischen 150 und 400 kPa. (vgl. Keller Grundbau, 2002).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.8: Anwendungsfälle für Schottersäulen in weichem Untergrund (Brauns, 1978)
„In allen dargestellten Fällen dient der Einbau der Schottersäulen der Bereitstellung eines ausreichend tragfähigen und verformungsarmen uflagers“ (Brauns, 1978)͘ Ist der Untergrund bis in große Tiefe sehr weich und nicht tragfähig, können Schottersäulen auch als „schwebende“ Säulen ausgeführt werden. (vgl. Abb. 2.9).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.9: „Schwebende“ Schottersäulengründung, schematisch (Brauns, 1978)
Ein weiterer Einsatzbereich von Schottersäulen sind erdbebengefährdete Gebiete. Durch die Erhöhung der Dränierung, werden die durch Erdbebenlasten plötzlich verursachten Porenwasserüberdrücke in der unmittelbaren Umgebung von Schottersäulen abgebaut und die Gefahr der Bodenverflüssigung reduziert. Die seitliche Stützung bleibt bestehen und die Einsturzgefahr des Bauwerks wird verringert. Somit besteht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten mit verschiedenen bodenmechanischen Beanspruchungen.
Für ein Streifenfundament ist eine Schottersäulenanordnung beispielhaft in Abbildung 2.10 gegeben. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Schottersäulen unter den Randbereichen des Fundamentes angeordnet werden, um ein Verkanten oder Grundbruch zu vermeiden. Zudem ist ein maximaler Achsenabstand von 1,5 m bis 2 m von benachbarten Schottersäulen einzuhalten. Bei geringer belasteten Streifenfundamten in einem Gesamtsystem sind ebenfalls Säulen anzuordnen, um Setzungsunterschiede zu vermeiden. „Ist nur eine Reihe von Schottersäulen vorgesehen, werden diese etwas gegen die Fundamentachse versetzt“ (vgl. Smoltczyk und Hilmer, 1991).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.10: Anordnung von Schottersäulen unter Streifenfundamente (Smoltczyk und Hilmer, 1991)
2.4 Tragverhalten von Schottersäulen
Die Hauptanwendungsfälle zeigen, dass eine Baugrundverbesserung mit Schottersäulen verschiedenen Belastungsituationen unterworfen werden kann (vgl. Abb. 2.11). Das jeweilige Tragverhalten wird maßgeblich von dem Zusammenwirken zwischen Säule, Lastaufbringung und Boden bestimmt.
[...]
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen.