DE19648604A1 - Verfahren zur Herstellung einer auftriebssicheren Sohle speziell für eine Baugrube im Grundwasser, unter Zuhilfenahme der dichtenden Eigenschaften natürlicher Bodenschichten sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Für die Herstellung von Baugruben, besonders in Bereichen mit hohem Grundwasserspiegel (z. B. Berlin) oder wechselndem Grundwasserspiegel (z. B. Rheinebene) gibt der Stand der Technik im wesentlichen zwei Verfah­ ren für die Herstellung einer Sohle an, mittels derer der Einbruch von Grund­ wasser von unten in die Baugrube verhindert wird:

Einmal werden künstliche Dichtschichten eingebracht, z. B.

• a.) eine hoch liegende Dichtungssohle (Düsenstrahlverfahren, Unterwasser­ beton), die über Zugglieder nach unten verankert ist, oder
• b.) eine tiefliegende Dichtungssohle (Weichgel, Düsenstrahlverfahren, Feinstzement) mit ausreichender Überlagerung und tiefergeführten Bau­ grubenwänden.

Andermal wirken natürliche, tief liegende, bindige und daher dichtende Schichten, über denen sich so viel Bodenmaterial befindet, daß keine Auf­ triebsbewegung erfolgt, als Dichtungsschicht.

Verfahren dieser Art sind z. B. bei U. Smoltczyk (Gundbau-Taschenbuch; Ernst und Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, Ber­ lin) beschrieben.

Nachteil des ersten Verfahrens, wie es in ähnlicher Form z. B. auch in der DE 22 40 935 angegeben wird, ist der hohe Aufwand, eine mit Sicherheit dich­ tende Schicht kostengünstig herzustellen. Eventuelle Lecks sind nachträglich nur schwer zu verschließen und noch schwieriger sicher zu erkunden.

Nachteil des zweiten Verfahrens ist, daß nur sehr tiefliegende Schichten, über denen genug auftriebsverhinderndes Material liegt, dafür genutzt wer­ den können, was sehr tiefreichende seitliche Dichtungswände erfordert.

Es besteht also auch weiterhin der Bedarf für ein Verfahren, welches es er­ laubt, das Eindringen von Grundwasser durch die Sohle der Baugrube zuver­ lässig zu unterbinden.

Die Erfindung sieht dazu vor, naturgegebene auch höherliegende dichtende Schichten als Dichtungsschichten zu verwenden und diese gegen den un­ vermeidlichen Auftrieb durch Verankerung des über ihr befindlichen Materials zu sichern. Das über der dichtenden Schicht befindliche Material selbst muß dabei keine dichtenden Eigenschaften aufweisen.

Es kann entweder das über der dichtenden Schicht natürlich vorhandene Material selbst als Deckschicht eingesetzt werden, indem der Druck, der von der dichtenden Schicht auf dieses über ihr befindliche Material ausgeübt wird, auf Verankerungselemente (z. B. Pfähle, Anker, Nägel, Dübel) übertra­ gen wird, die nach unten durch die dichtende Schicht hindurch, im Unter­ grund verankert sind.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, oberhalb der dichtenden Schicht eine künstliche feste Deckschicht zu schaffen, z. B. mittels Düsenstrahlverfahren (Soil-Jet, HDI, Soilcrete . . . ), die mittels Verankerungselementen im Unter­ grund befestigt wird.

In einer Variante kann auch eine Möglichkeit realisiert werden, die zwischen den angegebenen Möglichkeiten liegt und bei der einzelne, aber größere Körper/Plomben/Kopfelemente die Last aufnehmen, die von der dichtenden Schicht bis zur Baugrubensohle reichen können oder sich auch nur über ei­ nen Bereich davon erstrecken. Die einzelnen lastaufnehmenden Teile des Verankerungselementes haben bevorzugt einen Durchmesser von größen­ ordnungsmäßig 1,5 Metern und können teilweise untereinander zu größeren Konglomeraten verknüpft sein. Die künstliche durchgehende Deckschicht ist als ein besonders geordneter Spezialfall vollständig konglomerierter Elemen­ te einer bestimmten Form anzusehen.

Der Durchstoß der verankernden Elemente durch die Dichtungsschicht erfor­ dert keine zusätzliche Dichtmasse, wenn das die dichtende Schicht durchset­ zende Element aus nachträglich aushärtender Masse, z. B. Betonsuspension, besteht, die sich von selbst der Öffnung des Durchstoßes durch die dichten­ de Schicht anpaßt.

Die künstliche Deckschicht muß nicht direkt auf der Dichtungsschicht liegen, sondern es darf sich noch anderes Bodenmaterial zwischen dichtender Schicht und Deckschicht befinden, welches als kräfteübertragendes Medium fungiert. Bevorzugt ist dabei eine Schichtdicke dieses Bodenmaterials, die größenordnungsmäßig nicht dicker als 1 Meter ist, weil dann, trotz der bei der Herstellung nicht vorgespannten Ankerelemente, nach dem Entfernen der Auflast beim Ausheben der Bausohle, beim Unterspannungsetzen durch die Auftriebskräfte nur eine geringfügige Anhebung der dichtenden Schicht statt­ finden kann.

Das allgemeine Wirkungsprinzip betrachtend, wird durch die Erfindung unter Zuhilfenahme einer natürlich vorhandenen undurchlässigen Schicht Wasser­ druck in Bodenspannungen transformiert. Während Wasserdruck zur Ge­ gendruckerzeugung eine dichtende Schicht erfordert, ist, als den Boden­ spannungen entgegenstehendes Mittel, auch eine durchlässige Schicht mög­ lich. Das zwischen dichtender Schicht und Deckschicht befindliche Material, u. U. auch das Material der dichtenden Schicht selbst, wirkt dabei als kraftübertragendes Medium auf die Deckschicht, bzw. das Material, in dem die Lasteinleitung in die Verankerungselemente erfolgt.

Eine künstliche Deckschicht kann z. B. aus sich überschneidenden, nach dem Düsenstrahlverfahren hergestellten Säulen gefertigt werden (siehe Fig. 1 und 2). Der so entstehende Trägerrost kann über Zugglieder in tiefere Boden­ schichten rückverhängt werden. Die Säulen müssen nicht unbedingt überall Kontakt haben und einen regelmäßigen Trägerrost bilden: Es können auch einzeln stehende Säulen verwendet werden oder solche, die nur teilweise untereinander eine Verbindung aufweisen.

Die Kombination einer verankerten Druckaufnahmeschicht mit einer darun­ terbefindlichen natürlichen dichtenden Schicht hat folgende entscheidenden Vorteile:

• - Die natürliche, sehr hochwertige Dichtungsschicht bleibt erhalten und kann genutzt wer­ den. Die bis unter die dichtende Schicht hergestellten Verankerungselemente (z. B. Auf­ triebspfähle) führen aufgrund der Verformbarkeit dieser Schicht zu keiner Beeinträchti­ gung ihrer Dichtigkeit.
• - Die Anforderungen an den im Beispiel beschriebenen Trägerrost sind gegenüber einer künstlichen Sohle eines herkömmlichen Verfahrens wesentlich geringer, da keine Was­ serdichtigkeit erforderlich ist.
• - Da bei zunehmender Tiefe der Verbauwand die Abweichungen von der Vertikalen herstel­ lungsbedingt zunehmen, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren, welches die Verwen­ dung im Vergleich zur tiefliegenden Dichtungssohle kürzerer Verbauwände erfordert, die Lagegenauigkeit am Fuße der Wand größer.
• - Der Abbau des Strömungsdruckgradienten erfolgt planmäßig nahezu vollständig in der dichtenden Schicht (z. B. Geschiebemergel). Bei eventuell vorhandenen Schwachstellen wirkt der als Beispiel beschriebene, dichtgerasterte Trägerrost zusätzlich erosionsstabili­ sierend und unterstützt damit den Gradientenabbau.
• - Der im Beispiel beschriebene Trägerrost hat eine Doppelfunktion, da er zusätzlich für die Verbauwände ein sehr steifes, horizontales Fußauflager darstellt. Die zu erwartenden, translatorischen Verschiebungen des Verbausystems aus der Aushubentlastung und der Zusammendrückung des Bodens unter der Baugrubensohle werden damit reduziert.
• - Durch die zu erwartende hochwertige Abdichtung der Baugrube ist nur eine kleine Rest­ wasserhaltung erforderlich.
• - Bei einer tiefliegenden abdichtenden Sohle gemäß herkömmlichen Verfahren muß eine Entspannung unterhalb der natürlichen dichtenden Schicht (z. B. Mergel) gewährleistet werden. Diese technisch aufwendige und teilweise auch mit Risiken behaftete Entspan­ nung entfällt bei der neuen Lösung.
• - Die Wasserhaltung kann zu einem früheren Zeitpunkt abgeschaltet werden.

Grundsätzlich bestehen bei jeder Herstellung einer künstlichen Dichtungssohle im angewendeten Verfahren (z. B. Düsenstrahlverfahren) implizierte, ausführungstechnische Restrisiken. Diese stellen auch ein Terminrisiko für den Bau betrieb dar, da eventuell zusätzlich erforderliche Abdich­ tungsmaßnahmen und unvorhersehbare Situationen im Fall einer undichten Sohle zu Störungen des meist engen Bauzeitenplans führen.

Eine Risikoabschätzung bei der durch einen Trägerrost gesicherten, natürlichen Dichtsohle ergibt vor diesem Hintergrund auch den baubetrieblichen Vorteil einer Erhöhung der Terminsicherheit.

Die gleiche Argumentation gilt bei der Ausführung von sehr tiefen Verbauwänden. Innerhalb der Toleranz liegende Abweichungen von der Vertikalen haben bei kurzen Wänden nur geringere Auswirkungen auf die Wandfußlage.

Bei der Herstellung der beschriebenen, alternativen Auftriebssicherung entstehen im Vergleich zur tiefliegenden künstlichen Dichtsohle keine Zusatzkosten.

Ein Ausführungsbeispiel, wie es nun an einer der großen Baugruben in Berlin durchgeführt wer­ den soll, ist im folgenden als eine der möglichen Varianten ohne Beschränkung der Allgemeinheit aufgeführt:

• 1. Aufschlußbohrungen zur Überprüfung einer ausreichend vorhandenen dichten Mer­ gelschicht.
• 2. Herstellung einer Stahlbetonschlitzwand und der Dichtwand mit eingestellter Spundwand bis 1 m unter Unterkante Mergel bzw. maximal 3 m unter Oberkante Mergel. Die Mergel­ schicht befindet sich in 18 bis 20 Metern Tiefe, der Grundwasserspiegel ist ungefähr 3 Meter unter der Geländeoberfläche. Das übrige Bodenmaterial ist Sand, obenauf liegt ei­ ne Schicht Trümmerschutt aus dem 2. Weltkrieg.
• 3. Pumpversuch zur Verifizierung der vorhandenen dichten Mergelschicht und zeitlich paral­ leler Voraushub des Trümmerschutts.
• 4. Herstellung der mitteltiefliegenden Sohle im Düsenstrahlverfahren (Soil-Jet, HDI) als stei­ fer Trägerrost und Einbau der Verankerungselemente. Die Verankerungselemente sind dabei nicht vorgespannt. Sie geraten erst beim Verringern der Auflast auf der dichtenden Schicht beim Ausheben der Baugrube unter Spannung.
• 5. Grundwasserabsenkung in der Baugrube und Ausführung der Restwasserhaltung mit zwei Brunnen und Drainagegräben, über die ein stetiges Absenkziel zu erreichen ist. Nach Be­ darf können für lokal tiefere Aushubbereiche Vakuumlanzen eingesetzt werden.
• 6. Baugrubenaushub mit Rückverankerungen und Aussteifungen der Baugrubenwände.
• 7. Bodenplatte und Rohbau Untergeschoß.
• 8. Restwasserhaltung einstellen und Brunnentöpfe verschließen.

Abb. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Baugrube am Beispiel eines Bauvorhabens in Berlin im Querschnitt. Es sind nicht alle Verankerungselemente explizit ausgeführt.

Abb. 2 zeigt für das gleiche Beispiel den Ausschnitt aus dem Grundriß eines im Düsenstrahlver­ fahren hergestellten Trägerrostes mit Durchlässen.

Abb. 3 zeigt beispielhaft, wie ohne eine fegte Deckschicht der Auftrieb der Sohle verhindert wird. Es sind wieder nicht alle Verankerungselemente ausgeführt.

Es sind auch Kombinationen aus Fig. 1 und Fig. 3 möglich, bei denen sich das Verankerungse­ lement oberhalb der Deckschicht fortsetzt, u. U. bis in die Bodenplatte des späteren Bauwerks. In diesem Falle können die Verankerungselemente zudem noch zur klassischen Auftriebssicherung des späteren Bauwerks verwendet werden.

Die künstliche Deckschicht, bzw. in der nicht geschlossenen Ausführung der Trägerrost oder die einzelnen lastaufnehmenden Elemente müssen selbstverständlich nicht in der Horizontalen lie­ gen, sondern können auch geneigt sein, oder einer vorhandenen unregelmäßigen Bodenformati­ on angepaßt sein.

Bezugszeichenliste

1 Verbauwand (z. B. Schlitzwand, Spundwand, überschnittene Pfahl­ wand)
2 Baugrubensohle
3 Deckschicht
4a säulenförmiger Teil des Trägerrostes (nach Düsenstrahlverfahren hergestellt) mit Verankerungselement
4b säulenförmiger Teil des Trägerrostes (nach Düsenstrahlverfahren hergestellt) ohne Verankerungselement
5 Durchlaß in der Deckschicht
6 natürlich vorhandene dichtende Schicht (z. B. Geschiebemergel)
7 Verankerungselement (z. B. GEWI-Pfähle, Zugpfähle, Anker)
8 Geländeoberfläche
9 Grundwasserspiegel
10a Einleitungsbereich des Hauptteils der Auftriebslast in das Verankerungselement (z. B. einen nach Pfahl)
10b Lasteinleitungsbereich des Verankerungselementes (z. B. nach Düsenstrahlverfahren hergestellter Pfahl)
11 Lastabtragungsbereich des Verankerungselementes (z. B. GEWI-Pfahl)

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung einer auftriebssicheren Sohle, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Auftrieb der dichtenden Schicht bewirken wollende Kraft des Wasserdrucks, von der dichtenden Schicht auf über ihr befindliches Material übertragen, durch in diesem Material vorhandene Elemente aufgenommen wird, wobei diese Elemente derma­ ßen verankert sind, daß sie den Auftrieb des besagten Materials verhin­ dern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das über der dichtenden Schicht befindli­ che Material, in welchem die verankernden Elemente wenigstens teilwei­ se sitzen, eine feste Deckschicht ist, die direkt oder mit Abstand zur dichtenden Schicht liegt, und auf die die Kräfte von unten entweder direkt über die dichtende Schicht, oder indirekt über zwischen dichtender Schicht und Deckschicht befindliches Material einwirken.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verankernde Elemente, z. B. Pfähle, Anker, Nägel, Dübel im natürlich vorhandenen Material über der dichtenden Schicht die Auftriebskräfte über Mantelreibung oder andere geeignete Lasteinleitungskonstruktionen, wie z. B. breite Kopfelemente, aufnehmen und die verankernden Elemente im Untergrund unterhalb der dichtenden Schicht verankert sind, das heißt, dorthin die von den Lasteinleitungs­ konstruktionen aufgenommenen Auftriebskräfte übertragen.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Bodenmaterials, wel­ ches oberhalb der dichtenden Schicht und unterhalb desjenigen Teils der Verankerungselemente liegt, das den größten Teil der Auftriebskräfte aufnimmt, größenordnungsmäßig maximal ein Meter ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die über der dichtenden Schicht liegende Schicht, die die Auftriebskräfte aufnimmt, selbst nicht oder nur in geringe­ rem Maße dichtend ist.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgenützte dichtende Schicht aus ei­ nem natürlich anstehenden, als undurchlässig zu bezeichnenden Was­ serstauer besteht (z. B. Geschiebemergel).

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auftriebskräfte aufnehmende Schicht eine feste Deckschicht ist, die die Form eines Trägerrostes mit Durchbrüchen hat.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1,2, 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht durch ein Düsenstrahlver­ fahren hergestellt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Auftriebskräfte aufnehmende Deck­ schicht, aus nur teilweise oder gar nicht miteinander verbundenen Einzelelementen besteht.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht gegenüber der Horizonta­ len geneigt ist oder der Oberflächenform der dichtenden Schicht ange­ paßt ist oder eine sonstige von der horizontal planaren Grundform abge­ wandelte zweckdienliche im wesentlichen horizontal verkaufende Gestalt einnimmt.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht zur späteren Gründung des zu erstellenden Bauwerkes verwendet wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß unplanmäßige Öffnungen in der natürli­ chen dichtenden Schicht durch eine künstliche dichtende Schicht bzw. Auffüllung der Öffnungen durch Injektionsverfahren geschlossen werden.

13. Deckschicht zur Verhinderung des Auftriebes einer natürlich vorhandenen dichtenden Schicht samt des darüber befindlichen Materials, welche nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 11 hergestellt wurde.

14. Verankernde Elemente zur Verhinderung des Auftriebes einer natürlich vorhandenen dichtenden Schicht samt des darüberbefindlichen Materials gemäß mindestens einem der Ansprüche 1, 3 und 9, die, durch die dich­ tende Schicht in den Untergrund reichend und sich dort verankernd, im über der dichtenden Schicht befindlichen Bereich die Auftriebskräfte über Mantelreibung oder geeignete Verankerungskonstruktionen aufnehmen.

15. Deckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt, dadurch gekennzeichnet, daß der den größten Teil der Auftriebskraft auf­ nehmende Teil der Verankerungselemente, das sind im Falle unverknüpf­ ter Verankerungselemente die Kopfelemente derselben bzw. beim Trä­ gerrost dessen Elementarzellen, größenordnungsmäßig einen horizonta­ len Durchmesser von 1,5 Metern aufweist und daß der die Auftriebskräfte im Untergrund unter der dichtenden Schicht abtragende Teil der Verran­ kerungselemente einen horizontalen Durchmesser von größenordnungs­ mäßig 0,25 Metern hat.

17. Verankerungselement nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es in seinem unteren, die Auftriebskraft an den Untergrund abtragenden Teil, mindestens eine Verdickung aufweist, die einen horizontalen Durchmesser von größenordnungsmäßig 1,5 Me­ tern nicht übersteigt.

18. Verankerungselemente nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickungen mehrerer Verankerungs­ elemente untereinander Verknüpfungen aufweisen.

19. Verankerungselemente nach mindestens einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente nicht senkrecht, sondern um einen Winkel so geneigt sind, daß sie einen größeren Erd­ körper aktivieren.