Übung Baugrundverbesserung 1 Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau J Baugrundverbesserung Inhaltsverzeichnis J.1 Übersicht 1 J. Rütteldruckverdichtung J..1 Beispiel 3 J.3 Rüttelstopfverdichtung 5 J.3.1 Beispiel 6 J.4 Anhang 8 J.1 Übersicht Haben Böden nicht die gewünschte Festigkeit oder eine zu große Verformbarkeit, um darauf ein Bauwerk zu gründen, kann es wirtschaftlich und technisch günstiger sein, die Baugrundeigenschaften zu verbessern, statt die Lasten eines Bauwerks z.b. mit Pfählen auf tiefere tragfähige Schichten zu führen. Je nach Anwendungsfall und Bodenart stehen hierzu vielfältige Verfahren zur Verfügung es muss im Einzelfall entschieden werden, wie das Ziel einer höheren Festigkeit bzw. geringeren Verformbarkeit am sinnvollsten erreicht wird. Nachfolgende Zusammenstellung soll eine Übersicht über die verschiedenen Möglichkeiten und Anwendungsbereiche geben. Da aber immer neue Verfahrensvarianten auf den Markt kommen, erhebt die Zusammenstellung nicht den Anspruch der Vollständigkeit. Verfahren 1. statische Verfahren Wirkungsweise geeignete Bodenarten Bodenaustausch Vorbelastung mit und ohne Konsolidierungshilfen Grundwasserabsenkung Vakuum-Drainierung Elektro-Osmose Injektionen Verdichtungsinjektion (compaction grouting) Ersatz des wenig tragfähigen Bodens durch geeignete Böden (lagenweise eingebaut und verdichtet) Beschleunigung der Konsolidierung des Bodens Erhöhung der effektiven Spannungen im Korngerüst führt zu einer Verdichtung des Bodens Aufbringen eines Luftunterdrucks an der Geländeoberfläche und im Boden zur Beschleunigung der Konsolidation Anlegen eines elektrischen Feldes im Boden, erzeugt eine Strömung des Wassers von der Kathode zur Anode Verfestigung des Baugrundes durch Verfüllen des Porenraumes mit Bindemitteln (Zementsuspensionen oder chemische Bindemittel) Verdichten des Bodens und Bildung eines Zementsteingerüstes durch Einpressen von Mörtel An/Vo/Lv Nov. 01 L:\ZG\L\Übung\Skript_EC7\J Baugrundverbesserung\J- Baugrundverbesserung.docx alle alle (breiig bis weich) (flüssig bis weich) siehe Injektionsdiagramm Bild R01.50 alle
Übung Baugrundverbesserung. dynamische Verfahren Oberflächenverdichtung Rütteldruckverdichtung Dynamische Intensivverdichtung Sprengverdichtung oberflächennahe Erhöhung der Lagerungsdichte durch Vibration tiefwirkende Erhöhung der Lagerungsdichte durch Vibration, Materialzuführung an der GOF von der GOF ausgehende Verdichtung durch schlagartigen Energieeintrag von im Boden liegenden Sprengladungen ausgehende Verdichtung durch schlagartigen Energieeintrag (Si), Sa, Gr ((U), S, G) Sa, Gr (S, G) Si, Sa, Gr (U, S, G) Si, Sa, Gr (U, S, G) 3. Verbesserungsmethoden mit Herstellen von Einzelelementen Einmischen von Bindemitteln oberflächennahe Methode des Erdbaus alle Kalk- / Zementsäulen Düsenstrahlverfahren Rüttelstopfverdichtung Vermörtelte Stopfsäulen Betonrüttelsäulen Geotextilummantelte Sandsäulen tiefwirkende Reduzierung des Wassergehaltes, Stabilisierung des Baugrundes Aufschneiden des Bodens und Vermischen mit Zementsuspension Säulenbildung Verdrängen und Verdichten des Bodens durch Einbringen stabilisierender Schottersäulen wie Rüttelstopfverdichtung; Säule wird bei zu geringer seitlicher Stützung vermörtelt; dadurch auch höhere Steifigkeit wie Rüttelstopfverdichtung; Bildung pfahlartiger Elemente aus unbewehrtem Ortbeton Sandsäulen in breiigen und weichen bindigen Boden beschleunigen den Konsolidationsvorgang und tragen Last ab. Das ummantelnde Geotextil verhindert seitliches Ausweichen des Sands, Sa, Gr (T, U, S, G) 15 c u 50 bei sehr geringem c u Im konventionellen Ingenieurbau sind die Tiefenrüttelverfahren (Rütteldruckverdichtung, Rüttelstopfsäulen) derzeit die gängigsten Methoden zur Verbesserung des Baugrundes. Deshalb wird im Rahmen dieser Übung nur auf diese Verfahren eingegangen. J. Rütteldruckverdichtung Wenn natürlich anstehende oder auch künstlich aufgeschüttete grobkörnige Böden locker oder unterschiedlich dicht gelagert sind, so dass eine Gründung darauf ungleichmäßige Setzungen erfahren würde, kann durch Tiefenrüttlung eine gleichmäßige, höhere Lagerungsdichte erzielt werden. Der Rüttler wird in den Baugrund eingebracht, die Verdichtung erfolgt beim Ziehen schrittweise von unten nach oben. Durch die Schwingungen werden die Bodenkörner in einem Einflussbereich um den Rüttler herum in eine dichtere Lagerung gebracht. Die beste Verdichtungswirkung wird meist erzielt, wenn der Rüttler im Frequenzbereich der Eigenschwingung des zu verdichtenden Bodens (ca. 30 50 Hz) arbeitet und wenn Wasser zur Verfügung steht.
Übung Baugrundverbesserung 3 Durch die Verringerung des Porenvolumens entstehen Sackungen, die ausgeglichen werden müssen. Hierzu wird sowohl während des Verdichtungsvorganges Material von oben zugegeben, außerdem müssen die Setzungen an der Geländeoberfläche im Nachhinein ausgeglichen werden. Die oberen ein bis zwei Meter unter Geländeoberfläche können nicht mit Tiefenrüttlern verdichtet werden, hier muss mit konventionellen Oberflächenverdichtungsgeräten nachgearbeitet werden. Bild J-1: Lagerungsdichte J..1 Beispiel Ein Bürogebäude soll auf einem sandigen Untergrund flach gegründet werden. Da die Lagerungsdichte des Sandes unzureichend ist, hat man sich entschlossen, den Baugrund mittels einer Tiefenverdichtung zu verbessern. Die Verdichtung erfolgt direkt von der späteren Gründungssohle (FUK -,0 m) aus; der Grundwasserspiegel liegt,0 m unter der Baugrubensohle, ab Kote -1,0 stehen feste Mergelgesteine an. Die im Labor ermittelten Bodenparameter sind Bild J- zu entnehmen. GOF ±0,0-4,0 GW -1,0 -,0 BGS Bild J-: Gründungssituation Sand w 3 % γs 6,5 kn/m³ γ 16,0 kn/m³ nmax 0,43 nmin 0,36 Mergel J..1.1 Lagerungsdichte im natürlichen Zustand Bei der folgenden Berechnung wird der Index 0 für den Zustand vor der Verdichtung, der Index 1 für den Zustand nach der Verdichtung verwendet. - Porenanteil n: γ 16 n 0 1 1 0,414 (1 + w) γs (1 + 0,03) 6,5 - Lagerungsdichte D: n n 0,43 0,414 D max 0 0 0,3 nmax nmin 0,43 0,36 Der Sand liegt in lockerer Lagerung vor.
Übung Baugrundverbesserung 4 J..1. Verdichtung Von n des beratenden Ingenieurbüros wurde empfohlen, den Boden in eine dichte Lagerung (D 1 0,7) zu bringen. Aus D n n max 1 1 folgt: n1 nmax D1 (nmax nmin) 0,43 0,7 (0,43 0,36) 0, 381 nmax nmin Die Verdichtungswirkung ist am effektivsten und verspricht die beste Vergleichmäßigung, wenn man die einzelnen Punkte in einem Dreiecksraster anordnet (Bild J-3), da die Verdichtung vom Rüttler aus radialsymmetrisch nach außen wirkt. In Bild J-6 im Anhang ist exemplarisch ein Bemessungsdiagramm gegeben. Die Verdichtungswirkung ist von den Baugrundeigenschaften und den Leistungskenndaten des Rüttlers abhängig, so dass die exakte Dimensionierung von Verdichtungsmaßnahmen dem erfahrenen Planer überlassen bleibt. Mit Bild J-6 ergibt sich in diesem Beispiel ein Abstand der Verdichtungspunkte im Dreiecksraster von a,0 m. Bild J-3: Verdichtungswirkung im Dreiecksraster J..1.3 Sackung Von n der Planer ist übersehen worden, dass der Baugrund durch die Verdichtung absacken wird. Um den Gründungsbereich wieder auf die geplante Gründungsebene aufzufüllen, muss Sand aus einem nahegelegen Baggersee entnommen werden. Der Sand steht dort in mitteldichter Lagerung an: n 0,4, n max und n min wie zuvor. - Sackung durch die Verdichtung Im natürlichen Zustand betrug das auf 1 m² Grundfläche bezogene Feststoffvolumen im Boden auf den oberen 10 m: Vs 0 0 0 h (1 n ) 10 (1 0,414) 5,86 m³/m². Da sich das Feststoffvolumen nicht verändert, kann auf die Sackung geschlossen werden: Vs1 s0 1 1 V h (1 n ), Vs0 5,86 so dass sich ergibt h1 9, 47 m, 1 n 1 0,381 1 d.h. die Arbeitsebene liegt nach der Verdichtung etwa 0,53 m tiefer.
Übung Baugrundverbesserung 5 - Zugabematerial Um auch im neu aufgeschütteten Bereich die erforderliche Lagerungsdichte zu erzielen, muss ein Feststoffvolumen von (h h ) (1 n ) 0,53 (1 0,381) 0,33 m³/m² Vs 0 1 1 zugegeben werden. Unter Annahme eines Porenanteiles von n 0,4 für den Sand muss aus dem Baggersee ein Bodenvolumen Vs 0,33 V 0,55 m³/m² ausgehoben und an die Baustelle gebracht werden. 1 n 1 0,4 Aus diesem Beispiel wird deutlich, dass eine Tiefenverdichtung nicht vom Niveau der späteren Gründungssohle aus hergestellt werden sollte, da sonst eine Wiederauffüllung notwendig ist. Da vor allem auch die Wirkung des Tiefenrüttlers in den oberen Bodenbereichen nur sehr gering ist und da die Geländeoberfläche durch die Baufahrzeuge stark beansprucht wird, ist es sinnvoll, derartige Verdichtungsarbeiten von einem Niveau auszuführen, welches 1 m bis m oberhalb des zu verdichtenden Bereiches liegt. J..1.4 Änderung des Wasserstandes Durch die Verdichtung ändert sich der Porenraum, so dass das anstehende Grundwasser entweichen muss. Im natürlichen Zustand ist unterhalb des Grundwasserspiegels folgendes Wasservolumen vorhanden: Vw0 0,w 0 h n 8 0,414 3,31 m 3 / m Die geringe Wassermenge im teilgesättigten Bodenkörper zwischen BGS und Grundwasserspiegel wird näherungsweise vernachlässigt. Das Wasser ist volumenkonstant: h Vw0 3,31 8,69 m. n 0,381 1, w 1 Der Grundwasserspiegel möchte um etwa 69 cm ansteigen. Es müssen Vw (h1,w h0,w ) n1 0,69 0,381 0,6 m 3 / m abfließen (Ausgleich mit den Grundwasserständen der Umgebung). J.3 Rüttelstopfverdichtung Bindige Böden lassen sich dynamisch nicht verdichten. Stattdessen erzeugt ein in den Boden eingesenkter Rüttler beim Ziehen einen Hohlraum, der durch Zugabe von Material gefüllt werden muss. Der Rüttler fährt in den Boden ein, wobei er diesen verdrängt. Durch eine Materialschleuse wird beim Ziehen des Rüttlers grobkörniges Material abgelassen und durch Vibration im Pilgerschrittverfahren seitlich in den Boden eingedrückt. Die entstehenden Säulen werden durch das umgebende Erdreich gestützt. Um diese Stützung sicherzustellen bzw. zu erhalten, darf der anstehende Boden nicht zu weich und nicht stark organisch (Gefahr der Zersetzung) sein. Die Tragwirkung einer Säule lässt sich gut im Mohr schen Diagramm darstellen: In einer bestimmten Tiefe herrscht im anstehenden Boden die Spannung σ z γ z. Wird die Säule belastet, so hat
Übung Baugrundverbesserung 6 sie die Tendenz auszubauchen. Der umgebende Boden wird dadurch verformt, so dass sich Säule und Boden miteinander verspannen. Die horizontalen Spannungen in der Säule müssen im Gleichgewicht mit den Horizontalspannungen im Boden stehen. Unter Ansatz des mobilisierbaren Erdwiderstandes des umgebenden Bodens und der Scherfestigkeit des Säulenmaterials kann dann auf die Belastbarkeit der Säule geschlossen werden (siehe Bild M08.40). Durch das Eindringen des Rüttlers und die anschließende Herstellung der Säulen wird der umgebende bindige Boden verdrängt, so dass hier anfangs Porenwasserüberdrücke herrschen, die abgebaut werden müssen. Hierfür wirkt die eingebrachte Rüttelsäule als Konsolidationshilfe, da das Porenwasser bevorzugt in den durchlässigen Säulen abfließen wird. Die Bemessung von Rüttelstopfverdichtungen geht auf PRIEBE zurück, der von einem elastisch isotropen Halbraum ausgeht und dem Boden (näherungsweise) eine Querdehnung von µ 1/3 zuweist. Der theoretische Ansatz ist durch viel praktische Erfahrung verbessert worden PRIEBE legt deswegen ausschließlich Bemessungsdiagramme vor. J.3.1 Beispiel In der Übung Zeitsetzung wurde die Gründung eines Straßendammes betrachtet (Bild J-4). Um die erwarteten Setzungen im Ton im Anschlussbereich einer Brücke von 60 cm zu reduzieren, wird eine Baugrundverbesserung mit Rüttelstopfsäulen vorgeschlagen. Folgende Bodenparameter sind bekannt: 15,00 60,00 15,00 Ton: ϕ 0 c 5 kn/m² E s 5 MN/m² Schotter: ϕ 40 c 0 E s 00 MN/m² 10,00-15.0-35.0 γ 0 kn/m³ Ton -9 k 5 10 m/s Es 5 MN/m² Sand Es 75 MN/m² Sandstein J.3.1.1 Setzungsreduzierung Um im Anschlussbereich von der Brücke zum Damm möglichst geringe Setzungsdifferenzen zu erwirken, wird eine maximale Setzung des Dammes von 0 cm empfohlen. Die Dammsetzung sunverbesse rt 60 muss demnach um den Faktor n 3 reduziert werden. n wird als Verbesse- s 0 rungswert bezeichnet. verbessert Aus dem Bemessungsdiagramm (Bild J-7) ergibt sich ein Verhältnis der verdichteten Gesamtfläche zur Fläche der Säulen A / A s 3,35. In den anstehenden weichen Tonen ist ein Säulendurchmesser von 80 cm realistisch, so dass sich für die Fläche einer Säule ergibt: π d² π 0,8² A s 0,50 m². 4 4 Bild J-4: Dammquerschnitt und Bodenaufbau
Übung Baugrundverbesserung 7 Die Fläche A beträgt damit: A 3,35 A s 1,7 m Bei großflächigen Verdichtungsmaßnahmen werden die Rüttelpunkte zweckmäßig im Dreiecksraster angeordnet. (siehe Bild J-5). Aus geometrischen Betrachtungen lässt sich der Säulenabstand a wie folgt ermitteln: Bei der Anordnung der Säulen im Dreiecksraster wird angenommen, dass eine Dreiecksfläche von drei Ecksäulen zu gleichen Teilen verdichtet wird. Jede Säule grenzt an sechs Dreiecke an. Auf die Gesamtfläche bezogen wird somit jeder Säule eine Fläche von zwei Dreiecken zugeordnet. Die Fläche eines verdichteten Dreiecks beträgt: A a 3 4 Bild J-5: Säulenanordnung Da zwei Dreiecke durch eine Säule verdichtet werden, ergibt sich die Fläche A zu: A a 3 4 a 3 3 a 4 0,87 a a A 0,87 1,7 In unserem Fall ergibt sich damit ein Rasterabstand von a 1, 4 m. 0,87 J.3.1. Scherparameter des verbesserten Bodens PRIEBE gibt ein Diagramm (Bild J-8) an, aus dem der Lastanteil m der Stopfsäulen abzulesen ist. Dabei geht er davon aus, dass sich der Scherwiderstand in gleichem Maße wie die Lastverteilung verbessern wird: tanϕ verb. m tanϕ s + (1 - m) tanϕ B c verb. (1 m) c B Für die Grundbruchberechnung nach DIN 4017 (siehe Übung I) ist dieser Ansatz aber nicht zulässig; hier müssen unterschiedliche Scherparameter entsprechend ihrer Wirkungslänge in der Gleitfuge berücksichtigt werden. Für das Flächenverhältnis von A / A s 3,35 ergibt sich ein Lastanteil m 0,68 und somit: tanϕ verb. 0,68 tan40 + (1 0,68) tan0 0,687 ϕ verb. 34,5 c verb. (1 0,68) 5 8,0 kn/m² Die Bemessung von Rütteldruck- und Rüttelstopfsäulen benötigt ein großes Maß an Erfahrung, da die erzielte Verbesserungswirkung von vielen Parametern abhängt. Die vorgestellten Verfahren sind aber sehr leistungsfähig und wirtschaftlich; oft stellen sie eine sinnvolle Alternative zu umfangreichen Tiefgründungen dar.
Übung Baugrundverbesserung 8 J.4 Anhang 100 90 d Lagerungsdichte D [%] 80 70 60 a 50 1,0 1,5,0,5 3,0 Abstand a [m] der Rüttelpunkte Bild J-6: Abstand der Rüttelpunkte im Dreiecksraster (Rütteldruckverdichtung) 6 Verbesserungswert n 5 4 3 φ s 45,0 φ s 4,5 φ s 40,0 φ s 37,5 φ s 35,0 µ B 1/3 1 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Flächenverhältnis A/A s Bild J-7: Verbesserungswert n bei Rüttelstopfverdichtung nach PRIEBE (1995)
Übung Baugrundverbesserung 9 Bild J-8: Lastanteil m der Stopfsäulen nach PRIEBE (1995)