Variantenuntersuchung zum Bau von Verkehrswegen auf gering tragfähigen Untergrund

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziele der Arbeit

2 Bauverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigen Untergrund
2.1 Abgrenzung der Bauverfahren
2.2 Konsolidationsverfahren
2.2.1 Statische Methoden
2.2.2 Dynamische Konsolidation
2.2.3 Hilfsmaßnahmen zur Unterstützung der Konsolidierung
2.3 Bodenersatzverfahren
2.3.1 Bodenaustausch
2.3.2 Bodenverdrängung
2.4 Verfahren mit aufgeständerten Gründungspolstern
2.4.1 Methode ohne verdrängender Wirkung
2.4.2 Methode mit verdrängender Wirkung
2.5 Zusammenfassende Darstellung der Baugrundverbesserungsmaßnahmen

3 Variantenuntersuchung im Rahmen des Neubaus der B 247 / B 249 in der Ortslage von Mühlhausen
3.1 Projektbeschreibung
3.2 Der Vorbemessungsdamm
3.3 Analyse der Verfahren hinsichtlich ihrer Ausführbarkeit
3.4 Vorbemessung der Verfahren
3.4.1 Überschüttverfahren mit Konsolidierungshilfe
3.4.2 Rüttelstopfverdichtung
3.4.3 Verfahren mit aufgeständerten Gründungspolstern
3.5 Vergleichende Betrachtung der Baugrundverbesserungsverfahren
3.6 Verfahrensauswahl zur genaueren Untersuchung

4 Analytische und numerische Untersuchung der ausgewählten Gründungsverfahren
4.1 Berechnungsquerschnitte und Baugrundmodelle
4.2 Standsicherheitsuntersuchungen zum Überschüttverfahren
4.2.1 Ergebnisse der Konsolidationsberechnung
4.2.2 Ergebnisse der Standsicherheitsberechnungen
4.2.3 Numerische Berechnungen zum Zeit-Setzungsverhalten
4.3 Standsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen für das Verfahren mit aufgeständerten Gründungspolstern
4.3.1 Nachweis der Tragfähigkeit der Säulen
4.3.2 Bemessung der Geokunststoffbewehrung
4.3.3 Standsicherheitsuntersuchungen des aufgehenden Dammbauwerkes
4.3.4 Numerische Verformungsberechnungen

5 Vergleichende Betrachtung der vorgestellten Gründungsvarianten
5.1 Allgemeines
5.2 Bewertungskriterien
5.2.1 Einsatzbereich, Anwendbarkeit, geotechnische Eignung
5.2.2 Bauzeiten
5.2.3 Baukosten
5.2.4 Standsicherheit
5.2.5 Gebrauchstauglichkeit und Langzeitbeständigkeit
5.2.6 Verfahrensrisiko
5.2.7 Bewertungsmatrix

6 Zusammenfassung

7 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Im Zuge der Planung für den Neu- und Ausbau von Strassen ist ein schwieriger Entscheidungsprozess hinsichtlich der bautechnisch und ökologisch wirtschaftlichsten Maßnahme zu durchlaufen. Dieser Entscheidungsprozess erzwingt häufig die Trassenführung über wenig tragfähigen Baugrund mit geringer Scherfestigkeit und großer Verformbarkeit. Für die Durchführung des bautechnisch wirtschaftlichsten Verfahrens sind intensive und umfangreiche Vorarbeiten erforderlich. Aus bau- und verkehrstechnischen Gesichtspunkten werden setzungsarme Lösungen angestrebt. Dafür wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die sich nach der Art der Lastabtragung unterscheiden:

- Verfahren zur Konsolidierung des wenig tragfähigen Baugrundes (durch Vorbelastung wird der Boden soweit konsolidiert, dass die zu erwartenden Lasten aus dem Verkehrsweg schadlos aufgenommen werden können),
- Bodenersatzverfahren (der wenig tragfähige Boden wird ganz oder teilweise ausgetauscht),
- Verfahren mit aufgeständerten Gründungspolstern (Lasten aus dem Verkehrsweg werden über lastverteilende Tragschichten und Tragelemente in tragfähigen Baugrund eingeleitet)
- Verfahren zur Baugrundverbesserung aus der Kombination der vorgenannten Verfahren miteinander.

Die Wahl der auszuführenden Lösung richtet sich aber nach einer Vielzahl objekt- und umweltbezogener Faktoren. Wichtige objektbezogene Faktoren sind zum Beispiel die Verkehrsbedeutung der Straße, Profilgestaltung, Baukosten, Erhaltungsaufwand und Bauzeit. Im zunehmenden Maße sind auch umweltbezogene Faktoren, wie Natur- und Landschaftsschutz, Grenzbebauung und Grundwasserschutz zu berücksichtigen. Es wird deutlich, dass im Hinblick auf die Erfüllung aller Randbedingungen oftmals Kompromisse nötig sind. Um einen hinsichtlich der technischen und wirtschaftlichen Anwendung aussagefähigen Verfahrensvergleich zu ermöglichen, sind alle erforderlichen Randbedingungen zu erfassen und zu bewerten. Die Auswahl des geeignetsten Verfahrens lässt sich in der Regel nur an einem konkreten Anwendungsfall mit einem ausgearbeiteten technischen und auch wirtschaftlichen Vergleich erzielen.

1.2 Ziele der Arbeit

Um eine sinnvolle Verfahrensauswahl beim Verkehrswegebau auf gering tragfähigem Untergrund zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Vielfalt der Verfahren sowie deren Anwendungsbereiche zu kennen. Ein übergeordnetes Ziel dieser Arbeit ist es daher, die derzeit existierenden und ausgeführten Verfahren zur Baugrundverbesserung zu erfassen und in eine Gesamtübersicht zu integrieren. Dazu werden zunächst alle relevanten Baugrundverbesserungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Haupteigenschaften zugeordnet. Im Anschluss daran erfolgt die genauere Betrachtung der benannten Verfahren hinsichtlich der Anwendungsbereiche, Verfahrensbeschreibung, Vor- und Nachteile sowie deren Anwendungskriterien.

Ausgehend von der Betrachtung der verschiedenen Verfahren wird für den Neubau der Südumgehung von Mühlhausen im Rahmen einer Vorbemessung die vergleichende Betrachtung verschiedener Baugrundverbesserungsvarianten durchgeführt. Ausgehend von dieser Vorbemessung werden die wirtschaftlich und gebrauchstauglich sinnvollsten Verfahren für eine intensivere Betrachtung ausgewählt. Auf Grundlage der gewählten Verfahren werden erdstatische Berechnungen zur Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit durchgeführt. Des Weiteren wird anhand numerischer Berechungen das Setzungsverhalten in Abhängigkeit von den verfahrensspezifischen Eigenschaften untersucht und bewertet.

Im Anschluss daran erfolgte unter anderem eine Bewertung der verschiedenen Verfahren hinsichtlich der Standsicherheit, der Gebrauchstauglichkeit, der Wirtschaftlichkeit und der Ausführungszeit. Dazu werden verschiedene Kriterien benannt und für diese Verfahren vergleichend gegenüber gestellt.

2 Bauverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigen Untergrund

2.1 Abgrenzung der Bauverfahren

Für den Verkehrswegebau auf wenig tragfähigen Untergrund steht eine Vielzahl von Bauverfahren zur Verfügung. Ziel aller dieser Verfahren ist die Erhöhung der Scherfestigkeit, die Verringerung der Kompression und die Beeinflussung der Durchlässigkeit und damit insgesamt eine Verbesserung des Baugrundes. Die Mannigfaltigkeit dieser Verfahren, teilweise mit Mehrfachwirkung und / oder Verfahrensüberschneidungen macht eine Gliederung der Baugrundverbesserungsverfahren sehr schwierig. Grundsätzlich lassen sich jedoch alle Verfahren in drei Gruppen katalogisieren, siehe dazu Bild 2–1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–1: Gliederung der Baugrundverbesserungsmaßnahmen

a) Konsolidationsverfahren

Konsolidationsverfahren beruhen auf dem Grundgedanken, den wenig tragfähigen Boden insoweit zu ertüchtigen, dass die Lasten aus dem Verkehrsweg vollständig und allein aufgenommen werden können. Dies geschieht durch Aufbringen einer Belastung, die ein Auspressen des Porenwassers bewirkt. Bei nicht vollständig gesättigten Böden wird neben dem Wasser auch Porenluft ausgepresst. Dieser Konsolidierungsprozess führt aufgrund der Verringerung des Porenvolumens zu Setzungen, die mit der Zunahme der Scherfestigkeit cu und des Steifemoduls ES einhergehen. Je nach Art der Belastung erfolgt die Unterteilung in statische und dynamische Konsolidation, siehe Bild 2–1. Vorteil dieser Verfahren ist, dass der anstehende weiche Untergrund entweder gar nicht oder nur im geringen Umfang für die Baumaßnahme bewegt werden muss. Nachteilig sind hierbei die zum Teil sehr langen Konsolidationszeiten, die bis zur endgültigen Fertigstellung des Straßenbauwerkes benötigt werden. Um diese Liegezeit (Konsolidationszeiten) zu verkürzen, bieten sich verschiedene Hilfsmaßnahmen an, welche entwässernd, bewehrend oder gewichtsreduzierend wirken. Auch eine Kombination verschiedener Bauverfahren mit Hilfsverfahren ist möglich. Die verschiedenen Maßnahmen beeinflussen den Konsolidationsvorgang auf unterschiedliche Art und Weise, daher wurden diese Hilfsverfahren im nachfolgenden Kapitel getrennt von den Baugrundverbesserungsmaßnahmen beschrieben.

b) Bodenersatzverfahren

Bei den Verfahren dieser Gruppe wird der wenig tragfähige Boden vollständig oder teilweise entfernt und durch tragfähigen Baugrund ersetzt. Grundsätzlich ist dabei in „Bodenersatz durch Austauschen“ und in „Bodenersatz durch Verdrängen“ zu unterscheiden. Bei den Bodenaustauschverfahren wird zunächst der wenig tragfähige Boden in mehr oder weniger großen Umfang entfernt und durch tragfähiges Ersatzmaterial ersetzt. Dagegen wird beim Verdrängungsverfahren tragfähiges Bodenmaterial auf die Oberfläche aufgeschüttet und infolge Eigengewicht mit oder ohne unterstützender Hilfsmaterialien (Abgraben, Fallplatten etc.) durch Eintreten des Grundbruches im Untergrund versenkt. Anhand dieser Beschreibung wird der grundsätzliche Qualitätsunterschied zwischen den beiden Verfahren deutlich, welcher die Steuerung der Querschnittshomogenität des Bodenersatzkörpers und damit auch dessen erdstatische Eigenschaften betrifft. Während beim Bodenaustausch die Geometrie und Profilierung des Straßendamms bereits im Vorfeld anhand der vorgegebenen Randbedingungen bestimmt werden kann und prinzipiell jedes erdbautechnische Ersatzmaterial eingebaut werden kann, so ist beim Verdrängungsverfahren eine Abstimmung des Ersatzmaterials auf den wenig tragfähigen Untergrund erforderlich. Das heißt, der vorhandene wenig tragfähige Baugrund hat einen Einfluss auf die Qualität des Ersatzmaterials und damit auch auf den Straßendamm.

c) Verfahren mit aufgeständerten Gründungspolstern

In Deutschland wurden bisher nur wenige Verkehrswege (vor allem im Bahnbau) mit aufgeständerten Gründungspolstern durchgeführt. Die Abgrenzung der Verfahren zwischen aufgeständerten Gründungspolstern und allenfalls konstruktiven Bodenverbesserungsmaßnahmen wird von der Ausbildung eines Gewölbes in der mineralischen Tragschicht abhängig gemacht. Als Vorraussetzung, das sich eine Gewölbewirkung einstellen kann, ist eine ausreichende Überdeckung des Gründungspolsters erforderlich, daher sollte das Verhältnis Überdeckungshöhe hü zum Pfahlachsabstand s die Randbedingung hü/s ≥ 1erfüllen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Betrachtung der aufgeständerten Gründungspolster als „echte“ Tragelemente, auf ihren Einfluss als konstruktive Bodenverbesserungsmaßnahmen wird nur am Rande eingegangen.

Aufgeständerte Gründungspolster sind Verbundkonstruktionen aus lastverteilenden mineralischen Tragschichten und vertikalen Tragelementen und umgebenden Boden. Im Bereich der Dammaufstandsfläche werden die Bauwerkslasten über die horizontale Tragschicht in vertikale Tragelemente und den tiefer liegenden tragfähigen Baugrund eingeleitet. Bei diesen Verfahren wird der wenig tragfähige Untergrund je nach gewähltem Tragsystem nur bedingt zur Lastabtragung herangezogen. Der Grad der erzielbaren Bodenverbesserung hängt von den bodenmechanischen Eigenschaften des wenig tragfähigen Baugrundes und des Säulenmaterials ab.

Rein qualitativ betrachtet beruht die Verbesserung des wenig tragfähigen Baugrundes (Weichschicht) mit aufgeständerten Gründungspolstern auf der Verkürzung der Konsolidierungszeit, Verminderung der Zusammendrückbarkeit, Erhöhung der Tragfähigkeit und Vergrößerung der Scherfestigkeit des umgebenden Bodens. Die eingebrachten vertikalen Tragelemente vermindern die Setzung des Baugrundes, da sie steifer sind als der umgebende Boden. Der Grad der Lastverteilung auf die Tragelemente hängt ganz wesentlich von der seitlichen Stützung dieser ab. Zur Mobilisierung dieser Stützwirkungen sind horizontale Verformungen erforderlich, die auch zu Setzungen an der Oberfläche führen. Da sich beim „Nachgeben“ der Tragelemente die Lasten auf die Weichschicht umlagern, kommt es zu Setzungen in der Weichschicht. Diese führen wiederum dazu, dass die seitliche Stützung der Tragelemente erhöht wird und somit wieder mehr Last aufgenommen werden kann. Schließlich kommt es zu einem lastabhängigen Gleichgewichtszustand. Letztendlich führt diese Interaktion zwischen Weichschicht und Tragelement zu einem flexiblen und selbstregulierenden Tragverhalten. Insgesamt ergeben sich bei diesen Verfahren nach der Bauzeit nur noch geringe Setzungen, was einerseits auf die Spannungsreduzierung über der Weichschicht und andererseits auf die eingetretene Konsolidierung der Weichschicht infolge der Tragelemente (Vertikaldräns) zurückzuführen ist.

2.2 Konsolidationsverfahren

2.2.1 Statische Methoden

2.2.1.1 Vorbelastungsverfahren

Beim Vorbelastungsverfahren wird der Damm in einer oder mehreren Schüttlagen aufgetragen und anschließend der Konsolidierungsvorgang abgewartet. Dieser ist aus baupraktischen Gesichtspunkten abgeschlossen, wenn der entstandene Porenwasserüberdruck infolge Damm-auflast um 90 % abgebaut ist. Dabei wirkt während der Liegezeit genau die Last, die später im Betrieb zu erwarten ist. Im bodenmechanischen Sinne hat dies zur Folge, dass sich der Boden zu jeder Zeit im Erstbelastungsbereich der Druck - Setzungskurve belastet wird. Je nach Auflast und Mächtigkeit des anstehenden Untergrundes ist mit Liegezeiten bis zu mehreren Jahren zu rechnen. Der Einbau des Oberbaus ist aufgrund der Setzungsdifferenzen erst nach der Beendigung der Liegezeit einzubauen. Das Abklingen der Setzungen ist durch baubegleitende Messungen zu belegen. Das Prinzip des Vorbelastungsverfahrens ist schematisch in Bild 2–2 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–2: Prinzip des Vorbelastungsverfahrens nach Koch (2001)

Die Größe der zu erwartenden Setzung ist bei der Festlegung der Höhe des Dammkörpers zu berücksichtigen. Weiterhin sind das Eigengewicht des Oberbaus und die Verkehrslast einzubeziehen. Schließlich wird noch ein Aufschlag von 0,5 m aufgebracht, dieser resultiert aus der Differenz der Wichten des Dammmaterials und des Oberbaus sowie aus der Verkehrsbelastung. Somit ergibt sich die Vorbelastungsdammhöhe aus der Höhe der Gradiente zuzüglich der zu erwartenden Setzung, dem Lastanteil aus der Verkehrslast und einem Zuschlag von 0,5 m.

Der Wert der zu erwartenden Setzung ist von der Belastung, den Abmessungen des Dammkörpers, die Dicke der wenig tragfähigen Schicht und dem Steifemodul abhängig. Für die Setzungsberechnung im Zuge der Voruntersuchungen genügt es, die Gesamtsetzung unter der Dammmitte abzuschätzen. Diese ergibt sich aus den Anteilen Sofortsetzung, Primärsetzung und Sekundärsetzung. Zur Berechnung der Setzungsanteile wird auf das Merkblatt über Straßenbau auf wenig tragfähigen Baugrund verwiesen. Für einen homogenen Bodenaufbau und bekannten Zusammendrückmodul kann auch mit den geschlossenen Formeln nach DIN 4019 die Setzungsberechnung durchgeführt werden.

Die Höhe der Dammschüttung ist durch die erforderliche Sicherheit gegenüber Böschungs- und Geländebruch sowie Grundbuch begrenzt. Die Sicherheit gegen Böschungs- und Geländebruch ist gemäß DIN 4084 oder nach neuem Sicherheitskonzept nach DIN 4084 - 100 nachzuweisen. Die Böschungsbruchberechnung, für Regelböschungsneigung mit gut geeignetem Dammmaterial ist im Normalfall nicht maßgebend. Vielmehr ist in den meisten Fällen ein Geländebruch durch Überschreiten der Scherfestigkeit im Untergrund zu erwarten. Zum Nachweis der erforderlichen Standsicherheit werden Momente aus treibenden und haltenden Kräften gegenüber gestellt. Das erforderliche Sicherheitsniveau hängt vom vorliegenden Lastfall ab und ist nach DIN 1054 zu ermitteln. Ein Grundbruch tritt ein, wenn sich unter dem Damm Gleitbereiche einstellen in denen die Scherfestigkeit des Untergrundes überwunden ist und der Damm im Untergrund versinkt. Der Nachweis ist nach DIN 4017 bzw. DIN 4017 - 100 zu führen. Dabei wird angenommen, dass sich der Dammkörper starr verhält.

Zur Berechnung der Standsicherheit des Dammes sind der Anfangs-, der Endzustand und alle relevanten Zwischenbauzustände zu untersuchen. Hierbei ist die Änderung der bodenmechanischen Eigenschaften der Baustoffe zu berücksichtigen.

Die Anwendung des Verfahrens ist besonders für Böden geeignet, deren Zeitsetzungsverhalten ein rasches Abklingen der Setzungen erwarten lässt. Dies ist zum Beispiel bei schluffigen Böden der Fall. Da der Untergrund vollständig zum Lastabtrag herangezogen wird und die erreichbare Scherfestigkeit begrenzt ist, sind hohe Dämme nur mit großem Aufwand herzustellen. Die zur Verfügung stehende Bauzeit stellt bei Konsolidierungsverfahren in der Praxis meist ein einschränkendes Kriterium dar. Die erforderliche Liegezeit kann in vielen Fällen aufgrund haushaltsrechtlicher Belange und politischer Bestrebungen nicht eingehalten werden. Die dadurch nötig werdenden Maßnahmen zur Beschleunigung der Konsolidierung sind dann wiederum mit erhöhtem Kostenaufwand verbunden. Problematisch sind auch die zu erwartenden Sekundärsetzungen der Weichschicht nach Verkehrsfreigabe. Hierbei sind besonders die Übergänge von Kunstbauwerken zu den aufgeschütteten Dämmen zu erwähnen, deren Instandhaltung mit erhöhtem Erhaltungsaufwand verbunden ist.

2.2.1.2 Überschüttverfahren

Wie das Vorbelastungsverfahren beruht auch das Überschüttverfahren auf der Konsolidierung des Untergrundes. Gegenüber dem Vorbelastungsverfahren wird jedoch der Konsolidierungsvorgang durch eine größere Schütthöhe als tatsächlich benötigt beschleunigt. Nach der Beendigung der Liegezeit erfolgt, wie beim Vorbelastungsverfahren, ein Erdabtrag bis auf Planumshöhe und der anschließende Einbau des Oberbaus. Angestrebt wird dabei ein überkonsolidierter Zustand des Bodens, so dass unter Betriebsbedingungen der Wiederbelastungsast der Spannungs- Verformungskurve des Untergrundes nicht hin zum Erstbelastung Zustand überschritten wird. Dies hat zum Vorteil, dass bereits während der Liegezeit Sekundärsetzungen erzwungen werden. Im Bild 2–3 ist das Prinzip des Überschüttverfahrens im zeitlichen Verlauf dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–3: Prinzip des Überschüttverfahrens nach Koch (2001)

Wie der obigen Darstellung zu entnehmen ist, wird zu der Schütthöhe hP, welche sich aus geplanter Dammhöhe und der zu erwartenden Setzung ergibt, ein Anteil hÜ hinzugerechnet. Empfohlen wird eine Überschüttung von 0,25 bis 0,5 hP, je nach maximal zulässigen Setzungen nach Verkehrsfreigabe. Aus bisher gewonnen Erkenntnissen ist, je nach Baugrundprofil, mit Abtragsfaktoren nach Beendigung der Liegezeit von a = 0,2 bis 0,33 hS zu rechnen (hS = hP+hÜ). Dieser Anhaltswert sollte aber mit den angestellten Setzungsprognosen verglichen werden.

Die Nachweise zur Standsicherheit und Berechnung der Setzungsprognosen erfolgt analog zu den Berechnungen beim Vorbelastungsverfahren. Hinsichtlich der Berechnung der Sekundärsetzung ist jedoch die bereits vorweggenommene Sekundärsetzung bei der Liegezeit zu berücksichtigen.

Im Bezug auf die Anwendungsgrenzen gelten die gleichen Bedingungen wie beim Vorbelastungsverfahren. Als vorteilhaft erweißt sich jedoch die teilweise Vorwegnahme der Sekundärsetzung durch Überkonsolidierung des Baugrundes und der damit verbunden geringeren Sekundärsetzungen, welche sich positiv auf den Erhaltungsaufwand des Verkehrsweges ausübt. Die Anwendung des Überschüttverfahrens findet dort seine Grenzen, wo hohe Dämme aufgeschüttet werden müssen und die Standsicherheit auch bei lagenweiser Schüttung nicht ausreichend erfüllt ist.

2.2.1.3 Grundwasserabsenkung

Durch Grundwasserabsenkung wird der Auftrieb des vorab unter Grundwasser stehenden Untergrundes aufgehoben. Die sich hierdurch ergebende zusätzliche Auflast (Eigengewicht des Bodens) führt dazu, dass der Konsolidationsvorgang eingeleitet wird. Da gleichzeitig mit der Lastzunahme der Boden entwässert, wird der Konsolidationsvorgang zusätzlich beschleunigt. Durch die Grundwasserabsenkung bzw. Trockenlegung kann es auch zu zusätzlichen Setzungen aus Schrumpfdehnungen und chemischen Prozessen kommen. Zur Optimierung des Konsolidationsvorganges kann parallel zur Entwässerung mit dem Aufschütten des Dammes begonnen werden.

Üblicherweise werden für die Entwässerung Gravitationsbrunnen eingesetzt. Die Herstellung erfolgt von einem 0,5 m starken Arbeitsplanum aus. Von dieser Arbeitsebene werden verrohrte Bohrungen bis in den tragfähigen Untergrund abgeteuft und die Auskleidung des Brunnens hergestellt. Die Anzahl der Brunnen sowie deren Durchmesser und Leistungsfähigkeit ist entsprechend der Bodenstruktur zu dimensionieren. Jeder Entwässerungsvorgang ist daher auf den jeweilig anstehenden Baugrund sowie der umliegenden Bebauung abzustimmen. Entsprechende Berechnungsansätze zur Dimensionierung sind ausführlich in Smoltczyk (2001) oder Herth (1994) beschrieben.

Die Wirksamkeit der Grundwasserabsenkung wird im Wesentlichen von der Durchlässigkeit der zu entwässernden Bodenschichten bestimmt. Dies kann ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen zu sehr langen Liegezeiten (Bauzeiten) führen. Daher sind bei sehr geringen Durchlässigkeiten entsprechend kleine Brunnenabstände zu wählen. Gravitationsbrunnen sind nicht für Böden mit hohen Schluff- und Tonanteil geeignet, da hier das Wasser durch Adsorption gebunden ist (siehe auch Bild 2–4). Bei angrenzender Bebauung ist ein ausreichender Abstand zur Bebauung einzuhalten, da die sonst zusätzlichen Lasten zu Setzungen und Schiefstellungen führen können. Aus ökologischer Sicht stellt die Grundwasserabsenkung einen großen Eingriff in den Naturhaushalt dar. Infolge der Absenkung kann es zu Schädigung der Vegetation kommen. Besonders in ökologisch sensiblen Gebieten ist die Anwendung daher begrenzt.

2.2.1.4 Vakuumkonsolidierung

Bei Böden mit hohen Schluff- und Tonanteilen versagt eine Entwässerung über die Schwerkraft infolge der Bindungskräfte zwischen Wasser und Bodenteilchen. Für diesen Fall wurde das Verfahren der Vakuumkonsolidierung entwickelt. Wie auch bei der Grundwasserabsenkung wird durch die Verringerung des Auftriebes der Boden infolge Eigengewichts belastet und die Konsolidierung eingeleitet. Die Entwässerung erfolgt über eingespülte oder eingetriebene vertikale Lanzen oder in seltenen Fällen auch durch horizontal in der Tiefe verlegte Dräns. Dazu wird ein gut durchlässiges Sandpolster über der Weichschicht aufgebracht, von dem aus die Lanzen in den Baugrund eingebracht werden. Nach Herstellung der Oberflächenabdichtung, bestehend aus einer dichten Kunststofffolie, wird mittels einer Vakuumpumpe ein Unterdruck auf die Lanzen und damit auf den Untergrund aufgebracht. Die Abdichtungsarbeiten sind sehr sorgfältig auszuführen und sind in den Randbereichen luftdicht auszubilden. Abhängig von der Wasserdurchlässigkeit der Schichten ist ein wirksamer Unterdruck von mindestens 0,3 bar notwendig. Bei der Dimensionierung der Anlagen ist zu beachten, dass ein Teil des Unterdrucks durch die Gewichtskraft der entstehenden Wassersäule im Dränageelement aufgebraucht wird. Die Wirkungstiefe liegt in Abhängigkeit vom aufgebrachten Vakuum bei ca. 6 m unter der Pumpe. Die Berechnung der Entwässerungswirkung bzw. des Konsolidationsgrades kann zum Beispiel nach Feuerstein (1965) geschehen.

Die Vakuumkonsolidation kann insbesondere bei sehr weichen Böden (Böden mit hohem Schluff- und Tonanteil, siehe Bild 2–4) eingesetzt werden, wenn aus Stabilitätsgründen keine großen Auflasten aufgebracht werden können. Von entscheidender Bedeutung für die Wirksamkeit der Dränage ist die regelmäßige Kontrolle und Wartung durch Spülvorgänge. Ein Vorteil des Verfahrens ist die deutlich kürzere Konsolidationszeit. Eine Beschleunigung der Konsolidation durch zusätzliche Auflast, ist aufgrund der Oberflächenabdichtung, nur für Zwischenbauzustände möglich. Ein wichtiger Punkt ist auch die Beachtung der angrenzenden Bebauung sowie ökologische Gesichtspunkte, die den Einsatz speziell für lang gestreckte Linienbaustellen in Frage stellen. Aufgrund des hohen finanziellen Aufwand, den das Verfahren mit sich bringt, wird es nur selten eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–4: Anwendungsbereiche von Entwässerungsverfahren nach Szechy (1965) und Rappert (1980)

2.2.1.5 Elektroosmose

Bei feinkörnigen Böden mit Wasserdurchlässigkeiten von k ≤ 10-7 m/s bleibt aufgrund der elektrostatischen Bindungskräfte eine Entwässerung mit herkömmlichen Verfahren (Grundwasserabsenkung und Vakuumkonsolidation) wirkungslos. Bei der Entwässerung mit Elektroosmose wird im Boden eine Gleichspannung angelegt, welche die Wanderung des freien ungebundenen Wassers von der positiven Anode zur negativen Kathode bewirkt. Die Kathoden sind als Filterbrunnen auszubilden, an denen das sich ansammelnde Wasser abgepumpt werden kann. Die Geschwindigkeit des Wassertransportes ist dabei von der angelegten Spannung abhängig. Elektroosmose ist umso ergiebiger, je mehr ungebundenes Porenwasser zur Verfügung steht. Eine totale Entwässerung ist jedoch aufgrund der Anziehungskraft der Tonminerale nicht möglich. Zur Entwässerung mit Elektroosmose werden die Filterbrunnen reihenförmig angeordnet. Zwischen jeweils zwei Brunnen werden Stahlstäbe bis auf die Tiefe der Brunnen in den Boden eingebracht. Die Anbringung der Spannung ist unter strenger Einhaltung aller Schutzvorschriften sorgfältig durchzuführen.

Zur Bemessung der Entwässerungsleistung kann auf Steinfeld (1951), Franke (1962) und für einfache Fälle auf Schaad (1958) zurückgegriffen werden. Für die erfolgreiche Anwendung sind aber bestimmte Mindestvoraussetzungen erforderlich. So sollte der Durchlässigkeitsbeiwert unter k ≤ 10-5 m/s liegen und der pH-Wert sollte nicht sehr von 7 abweichen. Das Verfahren ist dann wirtschaftlich wenn der Wassergehalt bei nicht zu großer Plastizität IP in der Nähe der Atterberg´schen Fließgrenze liegt.

Das Verfahren der Elektroosmose eignet sich für die Gründung von Straßendämmen nur beschränkt, da eine vollständige Entwässerung nicht möglich ist. In Verbindung mit anderen Verfahren, wie den Schüttverfahren, ist es als Hilfsverfahren zur Gewährleistung der Anfangsstandsicherheit denkbar.

2.2.1.6 Verdichtungsinjektionen

Nachdem die bisherigen Verfahren durch Aufbringen einer statischen Auflast darauf abzielten, den vorhandenen Porenraum bei gleichzeitiger Abführung des Porenwassers und Porenluft zu verringern, wird beim Verdichtungsinjektionsverfahren durch zusätzliches Einpressen von Verpressmörtel der Porenraum durch Verdrängung des umgebenden Bodens verringert. Bei diesem Verfahren (auch als Compaction Grouting oder Stabilisierungssäulen-System Keller bekannt) wird über ein zuvor abgeteuftes Bohrloch Mörtel mit hohen Drücken in den Boden gepresst. Der Mörtel dringt dabei aufgrund seiner Grobkörnigkeit und Fließeigenschaften nicht in die Poren des Bodens ein, sondern verdrängt und verdichtet ihn gleichzeitig. Durch mehrmaliges Zurückziehen des Verpressrohres und anschließender Neuverpressung lässt sich eine säulenartige Aneinanderreihung von Mörtelplomben erzeugen.

Die erforderliche Verpressmenge ist in Abhängigkeit der Abstände der Verpresspunkte, Verpresstiefe und der angestrebten Bodenverbesserung zu ermitteln. Hier wird auf die Veröffentlichungen von Smoltczyk (2001) oder Graf (1992) verwiesen. Der Erfolg der Maßnahme lässt sich aber nur durch Sondierungen, Belastungsversuche vor und nach der Maßnahme sowie durch baubegleitende Verformungsmessungen überprüfen.

Die Injektionstechnik eignet sich besonders für Sand und Schluffböden die sich durch die Einpressung des Mörtels verdichten lassen, ohne dass dabei Porenwasserüberdrücke entstehen. Diese hätten wiederum zur Folge, dass bei deren Abbau mit zusätzlichen Setzungen zu rechnen wäre. Das Verfahren hat sich besonders bewährt für die Vermeidung von Setzungen und wird daher häufig im Umfeld bestehender Bebauung eingesetzt.

2.2.2 Dynamische Konsolidation

2.2.2.1 Rütteldruckverdichtung

Seit mehr als 40 Jahren wird zur Verbesserung der Tragfähigkeit des Baugrundes die Methode der Tiefenverdichtung eingesetzt. Eines der bekanntesten und ältesten dynamischen Tiefenverdichtungsverfahren ist das Rütteldruckverfahren (im englischen Sprachgebrauch auch als Vibro Compaction oder Vibroflotation bezeichnet). Das Rütteldruckverfahren wird in diesem Zusammenhang oft auch mit dem Rüttelstopfverfahren in Verbindung gebracht. Hierbei sind jedoch große Unterschiede hinsichtlich des Tragverhaltens, Entwurf, Bemessung und Kontrolle zu beachten. Die Einordnung der Rüttelstopfverdichtung erfolgt im Rahmen dieser Arbeit zweckmäßigerweise zu der Gruppe der Baugrundverbesserung mit Bodenersatzverfahren und wird dort auch ausführlich behandelt. Die Anwendungsbereiche der Verfahren sind in Bild 2–5 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–5: Anwendungsbereiche für Rütteldruck- und Rüttelstopfverdichtung

Der Tiefenrüttler besteht aus einen horizontal schwingenden, im Durchmesser etwa 30 - 40 cm, in seiner Länge ca. 4 m langen zylindrischen Körper und wird in Arbeitsstellung hängend am Kran eingesetzt. Als Antrieb dient ein Elektro- oder Hydraulikmotor, dieser treibt die im unteren Teil des Rüttlers befindlichen Unwuchten an und erzeugt eine mit der Rüttelfrequenz umlaufende Horizontalkraft. Gleichzeitig wird der Rüttler in horizontale Schwingung versetzt.

Der Rüttler dringt unter Einfluss seines Eigengewichtes (je nach Ausführung 15 bis 25 kN) mit Hilfe von Wasserspülung und von ihm erzeugten Schwingungen senkrecht bis zu der gewünschten Tiefe in den Boden ein. Der Rüttler wird dann unter Drosselung des Spülwassers stufenweise aus dem Boden gezogen. Durch die horizontalen Schwingungen wird der umgebende Boden zeitweise verflüssigt, umgelagert und spannungsfrei zu einem zylindrischen Bodenkörper verdichtet. Infolge der Verdichtung bildet sich um den Rüttler ein Trichter (dient auch zur Kontrolle des Verdichtungsvorganges) zu dessen Ausgleich zusätzliches Material zugeführt werden muss. Dies ist in der Regel Material gleicher Körnung, kann aber auch aus Sand oder Fehlkörnung bestehen. Sind der Senk- und Verdichtungsvorgang beendet, wird der Tiefenrüttler am nächsten Verdichtungspunkt erneut versenkt. So lassen sich durch rasterförmige Anordnung beliebige verdichtete Erdkörper mit horizontaler und vertikaler Ausrichtung herstellen. Nach erfolgter Tiefenverdichtung muss die Arbeitsfläche mit Oberflächenrüttlern nachverdichtet werden.

Zur Überprüfung des Verdichtungserfolges werden während der Ausführung der Arbeiten alle wichtigen Daten, wie Registrierung der Tiefe, Zeitaufwand, Energieverbrauch, Mengenmessung des Zugabematerials aufgenommen sowie Nivellements durchgeführt. Zur späteren Kontrolle eigenen sich vor allem Ramm- und Drucksondierungen. Eine besondere Bedeutung kommt dabei dem Alterungseffekt zu. So konnte festgestellt werden, dass sich die Festigkeitseigenschaften von Sanden um 50 bis 100 % innerhalb weniger Wochen verbessern. Als Ursache dafür, ist die Wiederherstellung der physikalischen und chemischen Bindungskräfte im Korngerüst zu nennen. Daher sind Verdichtungskontrollen frühestens eine Woche nach Beendigung der Verdichtungsarbeiten durchzuführen.

Um wie viel die Lagerungsdichte des Bodens bei der Rütteldruckverdichtung verbessert wird, hängt nicht nur von den schwer einzuschätzenden Bodenparametern, sondern auch vom eingesetzten Gerät ab. Entsprechende Verbesserungen sind daher nur schwer prognostizierbar. Dieser Mangel wird durch leicht durchführbare Sondierungen behoben. Daher empfiehlt es sich für großflächige Verdichtungsarbeiten Probeversuche durchzuführen, anhand derer die Baugrundverbesserung zahlenmäßig bestimmt werden kann. Grobe Anhaltswerte für die Verbesserung sind auch in Kirsch (1979) angegeben.

Für die Anwendung des Verfahrens ist sicherzustellen, dass die Kohäsion des Bodens klein ist und er sich durch Schwingungen verdichten lässt. Solche Böden sind, wie in Bild 2–5 zu sehen ist, Sande und Kiese mit geringer Plastizität und Schluffanteil unter 10%. Wirtschaftliche Anwendungsgrenzen liegen zwischen 4 und 25 m, wobei sich die Verdichtungstiefe nach den zulässigen Setzungen richtet.

2.2.2.2 Tiefenverdichtung mit Aufsatzrüttlern

Als Alternative zum Rütteldruckverfahren hat sich auf dem amerikanischen Markt in den 60-ziger Jahren das Verfahren der Tiefenverdichtung mit Aufsatzrüttlern entwickelt. Anderweitige Bezeichnungen sind auch Vibro - Wing - Methode oder wohl die bekannteste MRC - Methode (Müller Resonant Compaction). Kern des Verfahrens ist die Erzeugung von Resonanzschwingungen in den zu verdichtenden Bodenschichten. Dies geschieht über eine spezielle Rüttelbohle (Verdichtungsbohle), die mit Hilfe schwerer Aufsatzrüttler in Schwingungen versetzt wird und somit in den Boden eingerüttelt wird. Durch begleitende Messung wird versucht die Rüttlerfrequenz der Eigenfrequenz des Bodens anzupassen und somit optimale Verdichtungsergebnisse zu gewährleisten. Der Verdichtungsvorgang setzt sich aus den drei Phasen; Einbringen der Bohle, dem eigentlichen Verdichtungsvorgang und dem Ziehen der Bohle zusammen. Die optimale Verdichtungsfrequenz ist dabei bodenabhängig und liegt zwischen 10 und 22 Hz.

Die MRC - Methode kommt im praktischen Einsatz nur für Verdichtungstiefen bis etwa 15 m in Betracht und ist, wie das Rütteldruckverfahren, auf die Verdichtung von kohäsionslosen, rolligen Boden beschränkt.

2.2.2.3 Fallplattenverdichtung

Die Verdichtung mit Fallmassen gehört zu den ältesten Verfahren der Baugrundverbesserung, wobei mit der technischen Weiterentwicklung die Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert werden konnte. Aufgrund der erheblichen Energien die beim Aufprall auf den Boden einwirken, wird das Verfahren auch „Dynamische Intensivverdichtung“, oder im speziellen Fall für feinkörnige Böden „Dynamische Konsolidation“ genannt. Bei der dynamischen Intensivverdichtung werden schwere Fallplatten von 20 bis 200 Tonnen aus Stahl oder Beton aus einer vorher festgelegten Fallhöhe von 5 bis 15 m mehrmals (5- bis 20-mal) fallengelassen. Die Fallplatten haben in der Regel eine quadratische oder achteckige Form. Um ein lokales Versagen der Oberfläche zu verhindern, ist vor Beginn der Verdichtungsarbeiten eine ausreichend verdichtete Arbeitsebene aus grobkörnigem Steinmaterial herzustellen. Der Verdichtungsvorgang wird in der Regel im Rechteckraster mit Abstandspunkten von 5 bis 10 m durchgeführt. Die entstanden Verdichtungskrater sind wieder mit Material zu verfüllen, bevor ein erneute Verdichtung der Fläche erfolgen kann. Je nach erreichtem Verdichtungszustand können bis zu zehn Wiederholungsvorgänge erforderlich sein. Die zeitliche Reihenfolge der Bearbeitung der Flächen ist dabei vom Abbau des entstandenen Porenwasserüberdruckes bestimmt.

Der hohe Energieeinsatz bei der Verdichtung führt zu einer Umstrukturierung und Verdichtung des Bodens. Bei feinsandigen Böden wird die Bodenstruktur entfestigt und das Porenvolumen dabei verringert. Hingegen ist bei bindigen Böden mit einem Anstieg des Porenwasserüberdruckes zu rechnen. Jeder Aufprall erhöht den Porenwasserdruck in den Bodenschichten, der schließlich bis zu einer Verflüssigung führt. Die Abnahme des Porenwasserüberdruckes geht schneller als es die Durchlässigkeit des Bodens erlauben würde. Grund dafür sind die, durch die dynamische Einwirkung entstandenen, Scher- und Zugrisse, die den Dränweg des Porenwassers verkürzen.

Aufgrund von Voruntersuchungen im Labor und laufender Messungen während der Bauausführung werden in Abhängigkeit von der zu verdichtenden Bodenart, die Fallmasse, der Fallkörper, die Abstände der Verdichtungspunkte und die Anzahl der Verdichtungsschläge dem Ziel einer größtmöglichen Verdichtung angepasst. Dazu werden die entstehenden Trichter sowie Hebungen vermessen und anhand dieser Daten Rückschlüsse auf den Verdichtungszustand getroffen. Die Tiefenwirkung kann nach den Verfahren von Stiegler (1995) oder Lukas (1992) abgeschätzt werden. Der Verdichtungserfolg ist aber auf jeden Fall anhand von Sondierungen nachzuweisen.

Für das Verfahren zur Verdichtung mit Fallplatten liegen zurzeit keine Empfehlungen und Richtlinien vor. Der Einflussbereich der dynamischen Intensivverdichtung zu angrenzenden Bebauung ist zu berücksichtigen. Je nach Ausführung und Empfindlichkeit der Nachbarbebauung sind 10 bis 50 m einzuhalten. Gegen eine Ausführung dieser Baugrundverbesserungsmaßnahmen in dicht besiedelten Gebieten spricht die unter umständen enorme Staubentwicklung sowie Gesichtspunkte des Unfallschutzes und der Erschütterungseinfluss. Verdichtbar sind natürliche und künstliche Aufschüttungen wie Industrie- und Hausmülldeponien. Dabei verringert sich die Verdichtungsleistung mit zunehmenden Feinkornanteil und Wassergehalt. Aus geotechnischer Sicht sind Anwendungsgrenzen bei Schichtdicken von mehr als 10 m sowie Durchlässigkeiten der zu verdichtenden Schicht von k ≤ 10-7 m/s zu sehen. Weiterhin ist das Verfahren unter Grundwasser nicht einsetzbar. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist das Verfahren bei Flächen unter 5000 m² aufgrund der hohen Baustelleneinrichtungskosten unrentabel. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens liegt im Zeitgewinn, da erforderliche Verdichtungsarbeiten schnell und ohne Berücksichtigung der Konsolidierungszeiten, durchgeführt werden können.

2.2.2.4 Impulsverdichtung

Erst im Laufe der letzten Jahre wurde das Luft-Impuls-Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Kombination aus Horizontalbohrtechnik und Airgun-Technik. Bei der Airgun - Technik handelt es sich um ein Gerät, mit dessen Hilfe, an beliebigen Stellen im Boden eine definierte Luftmenge, die unter hohem Druck steht, unter kontrollierten Bedingungen intermittierend freigesetzt werden kann. Die durch die Freisetzung austretende Luftmasse übt auf den umgebenden Boden einen Stoß bzw. Impuls aus und verursacht damit eine Hohlraumaufweitung. Die Verdichtungsvorgänge ähneln denen der Rütteldruckverdichtung. Durch Erhöhung des Porenwasserüberdruckes infolge der Hohlraumaufweitung kommt es zu Verflüssigungen und damit verbundenen Kornumlagerung im Boden. Die sich einstellenden Setzungen sind an der Oberfläche sichtbar.

Die Vorteile des Verfahrens liegen vor allem in der schonenden Durchführung der Arbeiten, da eine vorhandene Vegetation nicht entfernt werden muss. Daher liegt der Einsatzbereich überwiegend im Bereich der Stabilisierung von bestehenden Erdbauwerken. Die Anwendung des Verfahrens ist auf locker gelagerte Böden ohne kohäsiven Anteilen beschränkt, da die Verdichtungsleistung bei Vorhandensein von feinkörnigen Anteilen erheblich reduziert wurde. Aufgrund der noch jungen Entwicklungsgeschichte liegen bisher noch keine gesicherten Kenntnisse für die Anwendung vor, daher empfiehlt es sich im Vorfeld der Baumaßnahme entsprechende Verdichtungsversuche durchzuführen.

2.2.3 Hilfsmaßnahmen zur Unterstützung der Konsolidierung

2.2.3.1 Vertikaldräns

Die zuvor behandelten Maßnahmen zur Verbesserung des Baugrundes zielen alle auf eine Ertüchtigung des vorhandenen Baugrundes ab. Die damit verbundene Volumenverminderung des Baugrundes zur Erreichung einer dichteren Lagerung kann nur durch die Verdrängung des Porenwassers erreicht werden. Zur Beschleunigung des Vorgangs bedient man sich der Hilfe von Dränelementen, die rasterförmig in den Baugrund eingebracht werden. Zur besseren Erläuterung der Zusammenhänge wird nachfolgend kurz auf die Konsolidationstheorie eingegangen.

Wird auf eine bindige Bodenschicht eine großflächige Belastung aufgebracht, so erfolgt der Lastabtrag zunächst über den entstehenden Porenwasserüberdruck Δu (σ = σ´ + Δu). Mit zunehmender Zeit wird der Porenwasserüberdruck durch Abströmen des nicht gebundenen Wassers abgebaut und die Last wird auf das Korngerüst umgelagert. Dadurch tritt eine zeitabhängige Verformung auf. Der zeitliche Verfestigungsvorgang des Bodens wird als Konsolidierung bezeichnet und setzt sich aus den Anteilen Primär- und Sekundärkonsolidation zusammen. Im eindimensionalen Fall kann dieser Vorgang mit der Konsolidationstheorie von Terzaghi beschrieben werden. Hierfür ergibt sich die Differentialgleichung nach Terzaghi unter der Annahme der Gültigkeit des Darcy’schen Gesetzes (v = k · i) und der Gültigkeit des Hooke’schen Gesetzes (e = s’/ES) wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Ausdruck cV wird Konsolidationsbeiwert genannt und wird von Terzaghi als konstant angenommen. Die Berechnung ergibt sich aus dem Steifemodul ES des Bodens, dem Durchlässigkeitsbeiwert der Bodenschicht k und der Wichte des Wasser zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den eindimensionalen Fall mit konstantem Porenwasserdruckverlauf zum Zeitpunkt t = 0 existiert eine geschlossene Lösung, siehe z.B. Smoltczyk (2001).

Anhand dieser Zusammenhänge ist es möglich, die zu erwartenden Setzungen sowie die erforderlichen Konsolidationszeiten für einen homogenen einschichtigen Boden unter einer ausgedehnten Belastungsfläche zu berechnen. Neben der analytischen Berechnung kann auch eine numerische Lösung mit dem Differenzenverfahren berechnet werden. Dies finden häufig ihre Anwendung bei Systemen mit mehreren Bodenschichten und bei ungleichmäßig verteilten Porenwasserdruckverteilungen zum Zeitpunkt t = 0.

Um den Konsolidationsvorgang zu beschleunigen ist der Einsatz von Vertikaldränagen erforderlich. Die zusammendrückbare Schicht entwässert beim Vorhandensein von vertikalen Dränageelementen in horizontaler Richtung zu den Vertikaldräns hin. Damit wird die Länge des Entwässerungsweges verkürzt und die Konsolidationsgeschwindigkeit erhöht.

Für die Betrachtung des Konsolidierungsvorganges bedient man sich einfacher geometrischer Modelle, welche auf der Betrachtung einer Einzelsäule mit ihrem zugeordneten Einflussbereich beruht. Die mathematische Berechnung geht aus der Konsolidationstheorie von Terzaghi hervor. In diesem Fall findet laut der theoretischen Zusammenhänge der Abbau des Porenwasserüberdrucks nur horizontal zu den Dränagen statt (rotationssymmetrisch), so dass Entwässerungsbedingungen nur für die horizontale Richtung angegeben werden müssen. Dafür muss jedoch der Durchmesser des Einflussbereiches de des Dräns und der Radius dw des Dräns bekannt sein bzw. vorgegeben werden. Die erste vollständige Lösung wurde von Barron (1948) vorgestellt und später von Richart (1959) erweitert und zusammengefasst. Auf die vollständige Wiedergabe sei an dieser Stelle verzichtet, vielmehr wird nur das Ergebnis von Barron (1948) ohne Berücksichtigung einer ungestörten Zone angegeben. Der mittlere Verfestigungsgrad ergibt sich danach zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

cvr horizontaler Konsolidationsbeiwert

Auf numerischem Wege ist auch hier die Lösung für ein mehrschichtiges Bodensystem möglich. Zusätzlich kann dann auch mit Lastzunahmen gerechnet werden, die den wirklichen Belastungsverlauf besser wiedergeben.

Entsprechend der Konsolidationstheorie hängt der zeitliche Abbau des Porenwasserüberdruckes von der Durchlässigkeit des Bodens und der 2. Potenz der Schichtdicke der zu entwässernden Schicht ab. Um den Konsolidationsvorgang zu beschleunigen werden daher in Verbindung mit den statischen Konsolidationsverfahren Vertikaldräns eingesetzt. Diese beschleunigen den Konsolidierungsvorgang, indem sie zum einen die Wasserdurchlässigkeit des Bodens erhöhen und zum anderen die Strömungswege verkürzen. Die Verkürzung der Wasserwege ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn die Abstände der Vertikaldräns kleiner als die Schichtdicke bei einseitiger Entwässerung, bzw. kleiner als die halbe Schichtdicke bei beidseitiger Entwässerung sind. Die Dränelemente werden als Sand- oder Kunststoffdräns rasterförmig in den Baugrund eingebracht. Tabelle 2–1 gibt eine Übersicht über die wichtigsten Dränelemente sowie deren Herstellung. Bei der Auswahl der Dränelemente sollten die zu erwartenden Verformungen aus Baugrundsetzungen berücksichtigt werden, so dass die Funktionstüchtigkeit unter Verformung weiterhin gewährleistet bleibt.

Tabelle 2–1: Übersicht über Vertikaldrän - Typen aus Smoltczyk (2001)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Prinzipiell gilt für alle eingesetzten Dränelemente, dass deren hydraulische und mechanische Filterstabilität gewährleistet ist und sie den Anforderungen der Technischen Lieferbedingungen der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen entsprechen.

Für die Herstellung der vertikalen Dräns ist eine standsichere Arbeitsfläche notwendig. Diese besteht zweckmäßigerweise aus sehr gut durchlässigem Material, in welche die Vertikaldräns einbinden und entwässern. Die Schichtdicke sollte zwischen 0,3 und 0,5 m liegen. Von dieser Arbeitsfläche aus werden die Dränelemente rasterförmig in regelmäßigen Abständen in den zu entwässernden Baugrund eingebracht. Nach Beendigung dieser Arbeiten ist die Belastung in Abhängigkeit von der Standsicherheit lagenweise aufzubringen. Die Wirkung der Konsolidierung und die zeitliche Entwicklung der Porenwasserüberdrücke sind durch Setzungsmessungen zu überprüfen.

Für die Berechnung und Bemessung der Konsolidierungszeit mit Vertikaldräns kann auf die Lösung von Barron (1948) zurückgegriffen werden. Die Leistungsfähigkeit eines Dräns hängt dabei vom möglichen Zufluss, der Durchlässigkeit des Dränelementes, dem Abflussvermögen des Dräns sowie der Dränwasserabführung ab. Alle diese Faktoren sind bei der Bemessung aufeinander abzustimmen.

2.2.3.2 Reibungsfüße und Entwässerungsschlitze

Eine weitere Möglichkeit, die Konsolidierung der Weichschichten unter dem Dammbauwerk zu beschleunigen, ist die Anordnung von Reibungsfüßen bzw. Entwässerungsschlitzen. Diese werden in Abhängigkeit von der Dammaufstandsbreite und der Dammhöhe vor der Schüttung des Dammes bis auf den tragfähigen Baugrund eingebaut. Eine mögliche Anordnung der Reibungsfüße ist im Bild 2–6 zu sehen. Nach dem Aushub der Schlitze erfolgt die Wiederverfüllung mit Schüttmaterialien. Hierfür eignen sich besonders Materialien mit einer hohen Reibung und guter Durchlässigkeit. Zur Sicherstellung der mechanischen und hydraulischen Filterstabilität sind gegebenenfalls Zwischenfilter oder Geotextilien einzubauen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–6: Reibungsfüße und Entwässerungsschlitze aus Striegler (1998)

Reibungsfüße sind besonders an kritischen Dammhöhen erforderlich, wo die Konsolidierung der Weichschichten aufgrund der geringen Auflasten (Dammhöhe < 2 m) nicht eintreten kann.

Durch die Anordnung der Reibungsfüße wird die Anfangsstandsicherheit durch die Erhöhung der Reibung in der Dammaufstandsfläche erhöht. Dies ermöglicht einen zügige Dammschüttung bei gleichzeitiger Abführung des Porenwassers. Die Anwendung des Verfahrens ist auch bei starken Wasserandrang und großen Setzungsbeträgen möglich. Dazu sind die Reibungsfüße abschnittsweise bei sofortiger Wiederverfüllung herzustellen und für eine ausreichende Abführung des Wassers in eine Vorflut zu sorgen. Die Anwendungsgrenzen des Verfahrens liegen bei Schichtdicken von mehr als 6 m, da der Aufwand zur Herstellung der Reibungsfüße sehr groß wird und wirtschaftlich nicht vertretbar ist.

2.2.3.3 Bodenbewehrung

Bodenbewehrungen sind Geotextilien, Geogitter oder Stahleinlagen die vor der Aufschüttung des Dammes flächig auf dem Boden ausgelegt werden. Sie dienen als Hilfsmaßnahme zur Erhöhung der Anfangsstandsicherheit des Dammes, indem sie die entstehenden Spreizspannungen infolge der Schüttung in der Dammaufstandsfläche aufnehmen. Die Einlage der Geogitterbewehrung zielt also darauf ab, das Tragvermögen der Bodenschichten zu verbessern bzw. zu vergleichmäßigen und die Horizontalverformungen zu reduzieren. Je nach Auswahl des Geogitters können auch filternde und trennende Funktionen zugeschrieben werden. Diese können unter Umständen sogar erforderlich werden, wenn zum Beispiel das Schüttmaterial gegenüber dem Untergrund nicht filterstabil ist oder der weiche Untergrund in den Damm eindringt. Mit dem Einsatz der Bewehrung lässt sich nur die Sicherheit gegen Geländebruch erhöhen. Die Erhöhung der Sicherheit gegen Grundbruch lässt sich nicht beeinflussen, da die Wirkung des Geogitters hierfür nicht aktiviert wird.

Ziel des Einsatzes der Bewehrung ist die Erhöhung der Standsicherheit des Dammes während der Konsolidierung. Mit zunehmender Konsolidierung verbessern sich die bodenmechanischen Eigenschaften des Untergrundes und die Standsicherheit ist ohne Bewehrung gewährleistet. Die Berechnung der Standsicherheit eines Dammes mit Bewehrungseinlagen kann mit dem Lamellenverfahren nach DIN 4084 erfolgen. Hier wird für die Anfangsstandsicherheit die Wirkung des Geogitters als rückhaltende Ankerkraft berücksichtigt. Beim Nachweis der Endstandsicherheit ist die Berechnung ohne die Wirkung der Bewehrung durchzuführen. Die eingesetzte Bewehrung muss während der ihr zugedachten Wirkungsdauer ein ausreichendes Zeitstandsverhalten aufweisen. Dies beinhaltet die Einhaltung der zulässigen Kriechdehnung und der Zeitstandfestigkeit. Neben den Nachweisen zur Geländebruchsicherheit, Grundbruchsicherheit und Setzungsberechnungen sind zusätzlich Berechnungen zum Zugbruch der Bewehrung, den Herausziehwiderstand der Bewehrung und zur Sicherheit gegen Gleiten des Dammes durchzuführen. Hierzu sind die Empfehlungen zum Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen EBGEO (1997) des Arbeitskreises der Deutschen Gesellschaft für Erd- und Grundbau zu berücksichtigen.

Die Anwendung der Geogitter ist aufgrund der individuellen Anpassungsfähigkeit und Vielseitigkeit der Produkte in den vergangenen Jahren verstärkt zum Einsatz gekommen. Speziell bei der Anwendung mit pfahlartigen Gründungselementen sind sie als tragende Bauteile unverzichtbar geworden. Bei der Anwendung in Verbindung mit Konsolidationsverfahren werden sie aufgrund der einfachen und kostengünstigen Bauweise oft eingesetzt, wobei deren Einsatz nur in Verbindung mit Entwässerungsmaßnahmen wie Vertikaldräns oder Entwässerungsschlitzen als sinnvollen erachtet wird.

2.2.3.4 Leichtbaustoffe

Durch den Einsatz von Leichtbaustoffen kann die Belastung des wenig tragfähigen Untergrundes verringert oder in speziellen Fällen sogar entlastet werden. Hierfür kommen zwei verschiedene Bauweisen in Betracht, zum einen der Einbau der Leichbaustoffe in Verbindung mit Vorschüttverfahren oder dem Überschüttverfahren und zum anderen der Teilbodenaustausch des wenig tragfähigen Untergrundes und Ersatz mit Leichtbaustoffen. Die zuletzt genannte Bauweise zählt eigentlich zu den Bodenersatzverfahren und wurde nur aus Gründen der Vollständigkeit genannt. In Verbindung mit dem Vorschütt- und Überschüttverfahren erfolgt nach dem Abklingen der Setzungen der Einbau der Leichtbaustoffe. Der Einbau der Leichtbaustoffe zielt darauf ab, durch das geringere Eigengewicht des Dammes, die Untergrundsetzungen zu minimieren und die Gefahr eines Grundbruches zu verringern. Daher eignet sich diese Bauweise besonders bei hohen Dämmen und im Übergangsbereich von Dämmen zu Kunstbauwerken (Brücken etc.).

Als Ersatzmaterialien für den Dammbaustoff sind theoretisch alle Materialien mit geringer Dichte und ausreichender Standfestigkeit denkbar. Zusätzlich sind jedoch noch Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und die wasserwirtschaftliche Unbedenklichkeit zu stellen. Aufgrund seiner geringen Dichte ist expandiertes Polystyrol (kurz EPS) als Baustoff gut geeignet. Anhand umfangreicher Untersuchungen und langjähriger positiver Erfahrung im Ausland konnte die Eignung bestätigt werden. In Deutschland ist die Anwendung seit 1995 durch das Merkblatt für die Verwendung von EPS - Hartschaumstoffen beim Bau von Straßendämmen geregelt und wird seitdem auch häufiger eingesetzt. Das mechanische Verhalten von EPS - Dammbaustoffen wird durch dessen Rohdichte bestimmt. Unter Belastung weist EPS ein viskoelastisches / viskoplastisches Materialverhalten auf. Die zur Beschreibung maßgebenden Kenngrößen sind das Kriechmaß unter Dauerbeanspruchung, die Druckspannung bei 10% Stauchung sowie die Biegezugfestigkeit. EPS – Dammbaustoffe sind als ökologisch unbedenklich einzustufen, jedoch wird EPS durch Lösungsmittel (Kraftstoffe, organische Lösungsmittel) angelöst bzw. zersetzt. Daher ist auf eine ausreichende Überdeckung durch wenig durchlässige Schüttmaterialien zu achten.

Innerhalb des Dammquerschnittes kann der Einbau der Leichtbaustoffe in verschiedenen Höhenlagen erfolgen, beispielhaft sind im Bild 2–7 verschiedene mögliche Dammquerschnitte aufgezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–7: Einbau von Leichtbaustoffen in unterschiedlichen Höhenlagen aus Merkblatt für die Verwendung von EPS - Hartschaumplatten beim Bau von Straßendämmen

Auf einer Ausgleichsschicht aus Kies oder bewehrten / unbewehrten Beton erfolgt die Verlegung der EPS - Elemente lagenweise von Hand. Die anschließenden Lagen sind versetzt aufzubringen. Im Übergangsbereichen sind die EPS - Elemente stufenweise anzuordnen, für den Einzelfall empfiehlt sich die Anfertigung von Verlegeplänen. Ab einer Höhe von 3 m wird empfohlen eine Zwischenlage aus Beton einzufügen, um horizontale Fugen zu schließen und insgesamt die Verbundwirkung zu erhöhen. Oberhalb der EPS - Elemente ist für eine ausreichende Überdeckung mit Dammbaustoff zu sorgen. Dies dient zum einen, um die Spannungsspitzen aus Verkehrslasten abzubauen, und zum anderen als Schutz vor eindringenden Lösungsmitteln. Bei geringer Überdeckung sind weitere Schutzmaßnahmen erforderlich, nähere Angaben sind den Ausführungsdetails aus dem Merkblatt für EPS - Hartschaumstoffen beim Bau von Straßendämmen (1995) zu entnehmen.

Hinsichtlich der Standsicherheit des Gesamtsystems sind die üblichen Nachweise zu erbringen. Dabei sind die jeweils ungünstigsten Zustände (auch Bauzustände) zu berücksichtigen. Für die Setzungs- und Standsicherheitsberechnung ist mit einer Wichte von 1 kN/m³ zu rechnen. Neben Geländebruchsicherheit, Grundbruchsicherheit und Gleitsicherheit ist in Böden mit anstehendem Grundwasser auch der Nachweis gegen Auftrieb zu führen. Beim Nachweis der Auftriebssicherheit darf für die Wichte, nur mit dem der Rohdichte entsprechenden Wert gerechnet werden. Grundsätzlich empfiehlt es sich EPS - Elemente nur oberhalb des mittleren Grundwasserspiegels einzubauen.

2.3 Bodenersatzverfahren

2.3.1 Bodenaustausch

2.3.1.1 Bodenaustausch im Baggerschüttverfahren

Örtlich begrenzte und inhomogene abgelagerte Erdstoffe mit geringen Mächtigkeiten können als nichttragfähiger Boden ausgehoben und durch geeignete Dammbaustoffe ersetzt werden. Der Bodenaustausch kann in trockener Baugrube oder durch Unterwasserbaggerung erfolgen. Das Arbeiten in trockenen Baugruben ist dann möglich, wenn der Grundwasserspiegel unterhalb der Baugrubensohle liegt. Ist dies nicht der Fall, so kann durch Wasserhaltungsmaßnahmen der Grundwasserspiegel künstlich niedrig gehalten werden.

Der Bodenaustausch erfolgt bei trockenen Baugruben üblicherweise im Bagger - LKW - Betrieb. Dabei werden die nicht tragfähigen Bodenschichten vom Bagger gelöst und mittels LKW abtransportiert. Anschließend ist die Baugrube wieder lagenweise mit Ersatzmaterial zu verfüllen und zu verdichten. Bei diesem Verfahren, auch Baggerschüttverfahren genannt, wird die Leistung im Wesentlichen vom Zusammenspiel Bagger - LKW bestimmt. Der Aushub und der Einbau erfolgt im Allgemeinen vor Kopf. Bei der Mengenberechnung sind der technologisch bedingte Mehraushub und die Mehrverfüllung zu berücksichtigen (Bild 2–8). Der Mehraushub und die Mehrverfüllung sind von der Standfestigkeit des auszubaggernden Bodens abhängig. Erfahrungsgemäß wird mit Böschungsneigungen zwischen 30 und 60° gerechnet. Als grober Anhaltswert kann zwischen Aushub- und Verfüllmasse mit einer Differenz von 30 % gerechnet werden.

Besonders wirtschaftlich ist Bodenaushub in trockener Baugrube, wenn die auszutauschende Schicht geringe Schichtdicken von 3 bis 4 m besitzt und eine Grundwasserabsenkung nicht erforderlich ist. Die Ausführung mit Bodenaushub in trockener Baugrube in Verbindung mit Wasserhaltung wird im Rahmen des Verkehrswegebaus als nicht sinnvoll betrachtet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2–8: Baggerschüttverfahren a) Aushub b) Einbau nach Striegler (1998)

Ist ein Bodenaustausch in trockener Baugrube nicht zu realisieren, so kann das Unterwasserbaggerverfahren eingesetzt werden. Mit diesem Verfahren, welches ebenfalls zu den Baggerschüttverfahren gezählt wird, erfolgt der Bodenaustausch mit Unterwasserbaggerung. Der Unterschied besteht darin, dass der hoch anstehende Grundwasserspiegel nicht abgesenkt wird und somit der Aushub der Weichschicht und der Einbau des Dammmaterials unter Wasser erfolgt.

Zum Aushub werden Bagger mit langen Gitterauslegern eingesetzt, die je nach Arbeitsweise auf dem eingefüllten oder dem abzutragenden Boden stehen. Während des Aushubes ist eine laufende Kontrolle der Aushubtiefe durchzuführen, um festzustellen, ob die gewünschte Tiefe erreicht ist. Gemäß der ZTVE-StB (1994) sind für die Schüttungen unter Wasser beständige Schüttmaterialien einzusetzen. Die Verdichtung erfolgt dann oberhalb der Wasserlinie und ist mit einer Tiefenwirkung bis 1 m unterhalb der Wasserlinie durchzuführen. Alternativ kann der Boden auch durch dynamische Konsolidationsverfahren (Rütteldruckverdichtung, Fallplattenverdichtung) nach Beendigung der Schüttarbeiten verdichtet werden. Der Verdichtungserfolg ist anhand von Druck- und Rammsondierungen zu bestätigen. Ein Bodenaustausch mit Unterwasserbaggerung hat sich bis etwa 6 m bewährt. In jüngerer Zeit ist die Ausführung aufgrund der hohen Lohnkosten und kostenintensiven Baustelleneinrichtung mit Baustraßen und großen Fuhrpark auf wenige Baumaßnahmen beschränkt.

Für die Standsicherheitsberechnung sind alle maßgebenden Bauzustände zu untersuchen. Ein spezielles Augenmerk ist auf die Böschungsbruchsicherheit der Weichschicht in Einschnittbereich der Baugrube zu legen. Auch der Einfluss horizontaler Verschiebung der Böschungskante auf eventuell vorhandene bauliche Anlage ist zu untersuchen. Für den neu zu errichtenden Damm sind die üblichen Standsicherheitsnachweise zu erbringen. Hierzu gehören die Standsicherheiten jeder Schüttstufe sowie Setzungs- und Verformungsberechnungen.

2.3.1.2 Bodenaustausch mit Rüttelkasten

Beim Bodenaustausch mit Rüttelkasten erfolgt der Austausch der wenig tragfähigen Bodenschichten im Schutze eines speziellen Verbausystems. Die bisher zur Anwendungen gekommenen Grundrissabmessungen des Verbausystems betragen 1,5 m × 3,0 m. Der Einbau der Rüttelkästen erfolgt von einem Arbeitsplanum aus, welches zunächst durch einen geringfügigen Bodenaustausch vorbereitet wird. Von diesem Arbeitsplanum werden die Rüttelkästen mit einen speziellen Mäklergerät in den Boden bis auf tragfähigen Untergrund einvibriert und nach Beendigung der Arbeiten wieder gezogen. Innerhalb dieses Verbaus erfolgt der Bodenaustausch, dazu werden die wenig tragfähigen Schichten gegen tragfähiges Ersatzmaterial ausgetauscht. Eine ausreichende Verdichtung des Ersatzmaterials wird lagenweise durch die Kombination von Oberflächenverdichter und Vibration der Rüttelkästen erzielt. Nach Fertigstellung des Bodenaustausches wird der Rüttelkasten gezogen und an dem nächsten Absetzpunkt beginnt der Vorgang von Neuen, so wird durch die Anwendung des Pilgerschrittverfahrens nach und nach Boden ausgetauscht. Der Bodenaustausch ist sowohl im Trocken- als auch im Unterwasserbetrieb möglich. Um die Gefahr eines hydraulischen Grundbruches zu vermeiden ist nach Aushub mit sofortiger Wiederverfüllung zu beginnen.

In Abhängigkeit von den Bodeneigenschaften und der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Maschinen können mit dem Verfahren derzeit Tiefen bis ca. 7,0 m erreicht werden. Die Anwendung kommt besonders dann in Betracht, wenn der Abstand zu baulichen Anlagen oder bestehenden Verkehrswegen gering ist und somit der herkömmliche Bodenaustausch nicht möglich ist. Zu berücksichtigen sind hierbei die durch die Vibration erzeugten Bodenschwingungen auf die bestehenden Bauwerke (DIN 4150).

2.3.1.3 Bodenaustausch mit Rüttelrohren

Analog zu dem Verfahren aus 2.3.1.2 erfolgt hier der Bodenaustausch im Schutze von eingerüttelten Stahlrohren mit großen Durchmessern von 1,5 m bis 3,0 m. Die Verdichtung erfolgt hier ausschließlich durch abschnittsweises ziehen und vibrieren der Rohre. Geometrisch bedingt kann bei der Anwendung mit Rüttelrohren, nur ein teilweiser Bodenaustausch stattfinden. Gemeint ist hierbei der Teilersatz, bezogen auf die Breite, nicht auf die Dicke der Weichschicht. Selbst bei tangierender Anordnung der Bodenaustauschkörper verbleibt in den Zwickeln zwischen den Rohren eine Restmenge an nicht tragfähigen Boden.

Im Vergleich zum Verfahren mit Rüttelkasten lassen sich hierbei größere Tiefen über und unter Grundwasser austauschen. Der Bodenaustausch erfolgt dann durch Seilbagger mit angehängten Schalengreifern. Aufgrund des nur teilweisen Bodenaustausches kann es erforderlich sein, über dem Arbeitsplanum eine bewehrte oder unbewehrte Trag- bzw. Ausgleichsschicht anzuordnen. Damit sollen Setzungsdifferenzen aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeiten vermieden werden.

2.3.1.4 Bodenaustausch mit Vorschubgerät

Der Bodenaustausch mit Seitenschild und Vorschubspezialgerät ist ein speziell für den flachen Bodenaustausch entwickeltes Gerät. Das Vorschubspezialgerät ist ein rahmenartig geschlossenes allseitig abstützendes Verbausystem, welches mit Hilfe hydraulischer Pressen vorwärts bewegt wird. Im Schutze des Verbaus erfolgt der gleichzeitige Aus- und Einbau der Böden mittels konventioneller Baggertechnik. Nachdem der Ersatzboden lagenweise eingebaut und verdichtet wurde und der Aushub des gering tragfähigen Bodens beendet ist wird das Gerät vorgeschoben. Dies geschieht mit hydraulischen Pressen die sich gegen den eingebauten Boden abstützen. Dabei wird der ausgebaggerte Bereich ständig seitlich gestützt. Nach Beendigung des Vorschubes erfolgt der nächste Ein- und Ausbauvorgang. So ergeben sich jeweils Arbeitsbereiche von 2,0 m bis 2,5 m.

Mit dem Vorschubgerät lassen sich variable Arbeitsbreiten von 4,0 m bis 6,0 m abdecken. Besonders ist das Gerät für die Verbreiterung bestehender Straßen geeignet. Die Aushubtiefen sind auf 5,0 m begrenzt.

2.3.2 Bodenverdrängung

2.3.2.1 Rüttelstopfverdichtung

Bei der Ausführung von Verdichtungsarbeiten mit dem Rütteldruckverfahren findet bei stark schluffhaltigen, wassergesättigten Böden mit mehr als 15 % Schluffanteil keine spürbare Eigenverdichtung mehr statt. Bei derartigen Böden stößt das Rütteldruckverfahren an seine Grenzen. Diese Böden werden seit Beginn der 1960-er Jahre mit den Tiefenrüttlern nach Rüttelstopfverfahren verbessert. Die Anwendungsbereiche für die Verfahren wurden bereits in Bild 2–5 dargestellt.

Die Verfahrensweise verläuft zunächst analog zur Rütteldruckverdichtung. Der Tiefenrüttler wird mit Hilfe von Druckluft im Boden bis auf tragfähigen Untergrund versenkt. Dabei entsteht im Wesentlichen durch Verdrängung ein Hohlraum der nun schrittweise von unten nach oben mit grobkörnigem Material aufgefüllt wird. Die Zufuhr des Materials erfolgt heute durch den Einsatz von modernen Schleusenrüttlern, bei denen das Zugabematerial durch ein im Rüttler eingebautes Rohr zur Spitze gelangt. Nach dem Auffüllvorgang wird der Rüttler erneut abgesenkt und verdichtet bzw. verdrängt dabei das zugeführte Material. Durch diesen Arbeitsvorgang entsteht eine Säule aus grobkörnigem Material, das in sich verdichtet und mit dem umgebenden Boden verspannt ist. Bei diesem Verfahren, auch Trockenverfahren oder displacement method genannt, wird die Stabilität des Bohrlochs durch zugeführte Druckluft an der Rüttlerspitze gewährleistet. Dies ist bei bindigen Böden mit hohen Wassergehalten allerdings nicht möglich, um auch unter diesen Baugrundverhältnissen zuverlässig das Verfahren anzuwenden wird das Bohrloch unter der Zugabe von Wasser stabilisiert. Bei diesem Herstellverfahren, auch als Nassverfahren oder replacement method bekannt, wird der Rüttler unter Zugabe von Wasser im Boden versenkt. Das austretende Wasser stützt dabei seitlich den Boden und spült die gelösten Bestandteile nach oben. Die Herstellung der Schottersäule erfolgt analog der bekannten Vorgehensweise. Die Tiefenrüttler werden heutzutage überwiegend an einem Mäklergerät geführt. Dies gewährleistet einerseits die lotrechte Herstellung der Säulen zum anderen kann damit eine vertikale Druckkraft ausgeübt werden, die den Eindring- und Verdichtungsvorgang beschleunigt.

Es ist offensichtlich, dass der Rüttler den umgebenden Boden bei diesem Stopfverdichtungsverfahren in erster Linie nicht mehr verdichtet, sondern seitlich verdrängt. Der Durchmesser einer so hergestellten Schottersäule hängt im Wesentlichen von der Konsistenz des anstehenden Bodens und der aufgewendeten „Stopfarbeit“ ab. Übliche Durchmesser für Schottersäulen liegen zwischen 0,6 m und 1,0 m.

Beim Trockenverfahren bei dem der bindige Boden mindestens eine Scherfestigkeit von cu = 20 kN/m² haben sollte, können Schottersäulen bis ca. 8,0 m noch zuverlässig ausgeführt werden. Für das Nassverfahren liegen die Anwendungstiefen bei ca. 20,0 m, diese Grenze beruht aber eher auf technischen Überlegungen. Ein wirtschaftlicher Bereich liegt in der Regel bei Säulenlängen von 6,0 m bis 10,0 m. Für wassergesättigte Böden wird in der Literatur oftmals der Wert der Mindestfestigkeit von cu = 15 kN/m² angegeben. Die Höhe des Grundwasserstandes hat auf die Herstellung der Säulen keinen Einfluss. Die Tragfähigkeit der Säulen ist aufgrund ihrer geringen Scherfestigkeit auch von der seitlichen Stützung des Bodens abhängig. In weichen und breiigen Böden ist der Anwendung daher Grenzen gesetzt. Ein nützlicher Nebeneffekt ist die verbesserte Dränagewirkung der Säule gegenüber dem Boden im Hinblick auf den Abbau von Porenwasserüberdruck infolge von Belastung. Dieser Entwässerungseffekt (Konsolidation) kann die Setzung zusätzlich beschleunigen. Wenn dieser Effekt genutzt werden soll, ist in Abhängigkeit vom anstehenden Boden, entsprechend weitgestuftes Filtermaterial einzubauen.

Die Überprüfung der Schottersäulen nach der Herstellung wird am sinnvollsten über Belastungsversuche vorgenommen. Bei der vertikalen Belastung versagen die Säulen entweder durch den Mangel seitlicher Stützung, durch das Abscheren des Säulenmaterials oder durch das Versinken im Baugrund. In den meisten Fällen ist dieses mit sehr großen Verformungen verbunden, die für den Gebrauchszustand nicht mehr vertretbar sind. Deshalb findet eine Bemessung auf Grundlage der zulässigen Verformungen statt. Für die Bewertung der erzielbaren Verbesserung wurden in der Vergangenheit verschiedene Wege beschritten. In Soyez (1987) ist eine Zusammenfassung der veröffentlichten Bemessungsverfahren herausgegeben. In Deutschland hat sich das Verfahren nach Priebe (1995) für die Bemessung durchgesetzt und ist dort auch ausführlich beschrieben. Bei der Bemessung der Säulen ist gegebenenfalls auch deren Horizontalbeanspruchung zu berücksichtigen, dies gilt vor allem für Säulen unter und vor Dammböschungen.

2.3.2.2 Verdrängung durch Auflast

Eine besondere Art des Bodenaustauschs stellt das Verdrängen von sehr weichen bis flüssigen Böden durch Aufschütten von Ersatzmaterial dar. Der weiche Untergrund wird entweder vor Kopf oder seitlich verdrängt. Die Verdrängung kann annährend vollständig oder teilweise erfolgen. Bei der vollständigen Verdrängung wird angestrebt, den wenig tragfähigen Boden über den gesamten Querschnitt des Bodenersatzkörpers und über die komplette Höhe der weichen Schicht zu verdrängen. Der Ersatzkörper steht dann unmittelbar auf der tragfähigen Schicht (technologisch bedingt bleibt immer ein geringer Anteil Weichschicht unter dem Verdrängungskörper). Hingegen wird der Ersatzkörper bei der teilweisen Verdrängung im Bereich der Weichschicht gegründet, womit der Straßendamm eine schwimmende Gründung erhält.

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