DE4114193A1 - Verfahren und vorrichtung zum stabilisieren von reibungsbodenschichten und angrenzenden kohaesionsbodenschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Stabilisieren von Reibungsbodenschichten und angrenzenden Kohäsionsboden­ schichten, wobei eine in Längsrichtung im wesentlichen gleich­ bleibenden Querschnitt aufweisende Verdichtungsbohle mit Hilfe eines auf deren oberes Ende aufgesetzten Vibrationsantriebes an mehreren Stellen in zumindest eine Reibungsbodenschicht sowie eine benachbarte Kohäsionsbodenschicht einvibriert und an­ schließend wieder gezogen wird, und andererseits eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, mit einer in Längs­ richtung im wesentlichen gleichbleibenden querschnittaufweisenden Verdichtungsbohle und einem auf deren oberes Ende aufsetzbaren Vibrationsantrieb. - Derartige Maßnahmen sind aus EP-B 02 03 137 bekannt.

Bauwerkslasten werden oft durch Pfahlgründungen von der Ober­ fläche in tiefergelegene, tragfähige Schichten übertragen. Die dazu verwendeten Pfahlelemente können beispielsweise durch Bohren, Rammen oder Vibrieren in den Boden eingebracht werden. Da in vielen Fällen die Pfähle während des Rammvorganges am stärksten belastet werden, ist diese kurze Belastungsphase oft für die Dimensionierung und die Materialwahl der Pfähle aus­ schlaggebend und nicht die Langzeitbelastung durch das Bauwerk. Pfahlgründungen sind daher bei großen konzentrierten Bauwerks­ lasten ökonomisch. Bei oft vorkommenden leichteren Belastungen, wie durch mittlere Wohnhäuser, Industriebauten oder Schüttungen für Dämme, wird die hohe Tragfähigkeit von Pfählen dagegen oft nicht voll ausgenutzt. In diesen Fällen wäre es ökonomischer, den anstehenden Boden durch andere Stabilisierungsmaßnahmen zu verbessern.

Bei der Bodenverbesserung wird zwischen feinkörnigen, wasser­ undurchlässigen Böden, sogenannten Kohäsionsböden, und grob­ körnigen, wasserdurchlässigen Böden, sogenannten Reibungsböden unterschieden. Während sich im feinkörnigen Boden bei der Be­ lastung die Setzungen über einen langen Zeitraum (mehrere Jahre) erstrecken, treten in grobkörnigen Böden die Setzungen innerhalb von kurzer Zeit (Minuten bis Tage) ein. Diese unterschiedlichen Bodeneigenschaften haben großen Einfluß auf die Wahl der opti­ malen Methode der Bodenverbesserung.

Zur Bodenstabilisierung sind entsprechend den Anforderungen unterschiedliche Methoden entwickelt worden. In Reibungsböden werden hauptsächlich Ramm-, Vibrier- oder Rüttelverfahren ange­ wendet. Die erhöhte Tragfähigkeit von solchen Böden wird durch die dynamischen Kräfte erzielt, die z. B. mittels Tiefenrüttler oder Resonanzverdichtung im Boden erzeugt werden. Bei der Reso­ nanzverdichtung wird eine besonders ausgeführte Bohle vertikal in den Boden einvibriert. Die Schwingungsenergie am aufgesetzten Vibrationsantrieb wird den Resonanzfrequenzen des Bodens ange­ paßt, um eine möglichst effektive Bodenverdichtung zu erreichen.

Die Festigkeit von feinkörnigen Böden, wie Schluff oder Feinsand, kann durch Zuführen von Material mit besseren Tragfähigkeits­ eigenschaften, z. B. Sand oder Kies, sowie gleichzeitige mecha­ nische Bearbeitung, z. B. durch Rammen oder Vibrieren, erhöht werden. Dabei entstehen pfahlähnliche Säulen aus Kies oder Sand, sogenannte Rüttelsäulen, deren Tragfähigkeit jedoch begrenzt ist. Um Böden größerer Mächtigkeit mit diesem Verfahren herstellen zu können, wurden verschiedene Geräte entwickelt, die durch Rütteln, Spülen oder andere mechanische Verfahren (Einpressen oder Einschrauben) in die zu verfestigenden Schichten eindringen können, so daß dort die verfestigten Bodensäulen hergestellt wer­ den können.

In Kohäsions- bzw. Tonböden sind Rüttel- oder Vibrierverfahren nicht anwendbar. Es können jedoch stabilisierende Substanzen, wie Zement, Flugasche oder Kalk, in den Boden eingemischt wer­ den, die mit dem umgebenden Boden chemisch reagieren und ver­ festigte Bodensäulen erzeugen. Diese Methode ist vor allem bei zunehmender Verdichtungstiefe teuer und außerdem nur für gewisse feinkörnige Bodenarten geeignet.

Auch Dränageverfahren können zur Verbesserung von feinkörnigen Böden verwendet werden. Dabei werden dränierende Elemente (Dräns) vertikal in den Boden eingebracht. Diese Dränelemente haben im allgemeinen unzureichende Steifigkeit, um selbst Be­ lastungen aufnehmen zu können oder den Boden direkt zu sta­ bilisieren. Sie dienen nur zur Erhöhung der Bodendurchlässigkeit, um einen eventuellen Porenwasserüberdruck schneller ausgleichen zu können. Daher muß die Dränage mit anderen Verfahren, wie der statischen Vorbelastung, kombiniert werden, wobei die Boden­ setzung beschleunigt wird. Erst nach deren Abklingen kann das eigentliche Bauwerk ausgeführt werden. Diese Methode ist sehr zeitraubend, aber relativ billig. Dräns werden beispielsweise aus grobkörnigen Böden (Sand), Abfallprodukten der Industrie, wie Gips oder Flugasche, oder aus künstlichem Material (Kunststoff, versteifter Karton) hergestellt. Diese Dränelemente können durch Einpressen, Einvibrieren, Rammen, Einspülen oder eine Kombi­ nation dieser Maßnahmen im Boden installiert werden.

In der Baupraxis kommen jedoch oft Mischböden vor, die sowohl aus grob- als auch feinkörnigen Bodenschichten bestehen. In diesen Fällen ist es regelmäßig sehr schwierig, mit Hilfe einer einzigen Methode technisch und ökonomisch optimale Baugrundver­ besserungen durchzuführen. Als Beispiel kann das Rüttelverfahren angeführt werden, das zwar Sandschichten effektiv verstärkt, aber dazwischenliegende Ton- oder Schluffschichten nicht oder nur ungenügend verbessert.

Eine in der Bauindustrie neue Entwicklung der Bodenverbesserung ist die sogenannte Bodenvernagelung, die bisher hauptsächlich zur Stabilisierung von Böschungen, Hängen oder Baugruben an­ gewendet worden ist. Dabei handelt es sich um eine Bodenver­ festigungsmethode, bei der steife Elemente aus Stahl oder Beton mit kleinem Durchmesser in den Boden eingerammt oder eingebohrt werden. Diese Bodennägel werden in dichtem Abstand von etwa 0,5 bis 1,5 m eingebaut. Im Unterschied zu konventionellen Pfahl­ gründungen, bei denen Bauwerkslasten durch die kompressiblen Böden in feste Schichten übertragen werden, ohne diese dabei zu belasten, wird beim Bodenvernageln ein Armierungseffekt bzw. eine Bodenbewehrung angestrebt. Die Belastung wird teilweise durch den Boden und teilweise durch die Vernagelung getragen. Es entsteht ein neues Gründungsmaterial, nämlich Boden mit zu­ sammenwirkenden Nägeln, dessen Eigenschaften den gegebenen geo­ technischen und bautechnischen Erfordernissen besser angepaßt werden können. Die Hauptursache, warum die Bodenvernagelung bisher überhaupt nicht für übliche Gründungsprobleme angewendet worden ist, liegt in der Schwierigkeit, die bis zu 20 m langen, aber schlanken Bodennägel mit einem Durchmesser von 20 bis 40 mm schonungsvoll und mit Präzision in den Boden einzubauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie man im Rahmen der eingangs genannten Maßnahme geschichtete Böden auf einfacheWeise wirkungsvoll zu stabilisieren.

In verfahrensmäßiger Hinsicht besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß die Bodenschichten miteinander vernagelnde Bodennägel von der Verdichtungsbohle bei deren Einvibrieren in die Boden­ schichten mit eingezogen und bei deren Ziehen in den Boden­ schichten belassen werden. Vorzugsweise bestehen die Bodennägel aus Stangen aus Stahl, vorgespanntem oder schlaff bewehrtem Beton, Kunststoff, Holz oder Bambus. Um eine günstige Kraftein­ leitung in den festeren Bodenschichten in die weicheren Böden zu ermöglichen, sollten die Bodennägel an ihrem oberen und/oder unteren Ende mit Verbreiterungen versehen sein. Auf jeden Fall empfiehlt es sich, die Anordnung so zu treffen, daß die Boden­ nägel beim Ziehen der Verdichtungsbohle selbsttätig freigekoppelt werden.

Wie oben bereits ausgeführt worden ist, ist Gegenstand der Erfin­ dung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Hier besteht die Erfindung darin, daß die Verdichtungsbohle Halterungen für Bodennägel aufweist, welche die Bodennägel beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle mitnehmen, beim Ziehen der Verdichtungsbohle aber im Boden belassen. Die Halterungen können aus geschlossenen oder auch längsgeschlitzten Mitnahmehülsen bestehen. Sie sollten jedenfalls zumindest im Bereich des unteren Endes der Verdichtungsbohle vorgesehen sein. Für eine optimale Bodenverdichtung empfiehlt es sich ferner, wenn die Verdichtungs­ bohle einen durch mehrere Arme gebildeten offenen Querschnitt aufweist. In diesem Zusammenhang hat sich in der Praxis eine Ausführungsform als besonders günstig herausgestellt, bei der die Verdichtungsbohle einen gedoppelt V-förmigen Querschnitt mit die V-Spitzen verbindendem Quersteg aufweisen; die freien Enden der V-Arme bilden dann eine gleichsam rechteckige Umhüllende, die bei rasterförmigem Einvibrieren der Verdichtungsbohle einen besonders gleichmäßigen Verdichtungsgrad sicherstellt. Die Halterungen für die Bodennägel sind nach bevorzugter Ausfüh­ rungsform an den freien Enden der Arme vorgesehen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei den in der Baupraxis oft vorkommenden Reibungsböden, wie Kies oder Sand, mit Schichten aus feinkörnigen Böden, wie Schluff oder Ton, durch eine Kombination von Vibrationsverdichtung im Reibungs­ boden und Bodenvernageln im Kohäsionsboden sich eine neue, effektive Möglichkeit eröffnet, diese schwierigen Bodenschichten zu verbessern. Die Resonanzverdichtung ist eine effektive Methode zur Verbesserung der Reibungsbodenschichten. Bei der Resonanz­ verdichtung wird die Verdichtungsbohle z. B. in Form einer dünn­ wandigen Stahlbohle mittels des am oberen Ende befestigten Vibrationsantriebes in den Boden einvibriert. Durch die dabei erzeugte Schwingungsenergie wird der Reibungsboden effektiv ver­ dichtet. Die Bohle gibt außerdem die Möglichkeit der Dränage von Porenwasser, was vor allem bei Vorkommen von geschichteten Böden von großem Vorteil ist. Die feinkörnigen Bodenschichten werden durch die Vibration jedoch kaum beeinflußt. In diesen Boden­ schichten ist dagegen die Bodenvernagelung effektiv. Das für die Resonanzverdichtung entwickelte Gerät aus Verdichtungsbohle und Vibrationsantrieb wird auch zum Einbringen eben der schlanken Nägel in die tiefen Bodenschichten verwendet, indem die Nägel an der Bohle befestigt und dann in den Boden einvibriert werden. Die Länge und Position der Nägel kann mittels der Verdichtungs­ bohle den jeweiligen Bodenschichten genau angepaßt werden. Die Bodennägel können in gewissen Fällen auch tiefer in den Boden reichen als die Verdichtungsbohle, wenn sich beispielsweise ein Kohäsionsboden unter einem Reibungsboden befindet. Die schlanken Nägel werden durch die Verdichtungsbohle mit hoher Präzision sowie einfach und schonungsvoll in den Boden eingezogen und durch die Verdichtungsbohle seitlich fixiert. Beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle können selbstverständlich mehrere Nägel eingebaut werden. Wenn die erforderliche Tiefe erreicht ist, werden die Bodennägel freigekoppelt, was im einfachsten Fall einfach durch Ziehen der Bohle erreicht wird. Das Auskoppeln der Boden­ nägel von der Verdichtungsbohle kann aber auch durch eine Viel­ zahl von üblichen Verankerungsmethoden erreicht werden. Außerdem können die Bodennägel am unteren Ende mit Anordnungen versehen sein, die das Anklemmen derselben an der Verdichtungsbohle, bei­ spielsweise durch eine gabelförmige Anordnung ermöglichen. Die Verdichtungsnägel können entsprechend den geologischen Erforder­ nissen zu Beginn, während oder am Ende der Bodenverdichtung eingebaut werden. Sie können rund oder flach ausgebildet sein, ihre Form kann jedenfalls innerhalb weiter Grenzen variieren. Die Verdichtungsnägel können am oberen Bohlenende angeklemmt werden, um ihre Lage zu fixieren und zu hohe Zugbelastungen in den Nagelelementen zu verringern. In gewissen Bodenschichten können die Nägel durch eine Kombination von Vibrieren, Rammen und Drücken der Verdichtungsbohle eingebaut werden. Diese Ein­ baumethode mittels der Verdichtungsbohle ermöglicht es, den Nagel­ durchmesser unabhängig vom Einbauvorgang optimal an die grün­ dungstechnischen Verhältnisse anzupassen.

Die Form der Verdichtungsbohle hat große Bedeutung, um eine effektive Bodenverdichtung und Bodenvernagelung zu erzielen. Be­ sonders günstig sind die bereits beschriebenen Ausführungsformen. Jedenfalls muß die Form der Verdichtungsbohle entsprechend den geotechnischen Verhältnissen so ausgeführt werden, daß eine homogene bzw. dichte Vernagelung erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 das Einvibrieren einer Verdichtungsbohle,

Fig. 2 die Verdichtungsbohle gemäß Fig. 1 nach dem Ein­ vibrieren,

Fig. 3 einen Abschnitt der Verdichtungsbohle und

Fig. 4a, b, c verschiedene Querschnittsformen der Verdichtungs­ bohle.

Wie sich aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 ergibt, wird eine Verdichtungsbohle 2 mit Hilfe eines aufge­ setzten Vibrationsantriebes 1 in den Boden einvibriert. Dabei sind an der Verdichtungsbohle 2 Bodennägel 3 befestigt. Nach dem Er­ reichen der Absenktiefe im feinkörnigen Boden wird die Verdich­ tungsbohle 2 wieder gezogen, wobei die Bodennägel 3 zurück­ bleiben. Fig. 3 entnimmt man, daß die Bodennägel 3 in hülsen­ förmige Halterungen 4 eingesetzt sind und beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle 2 mit Hilfe von am unteren Nagelende befestig­ ten Querrippen 5, die sich an die Halterungen 4 unten anlegen, mit eingezogen werden.

Fig. 4 zeigt verschiedene Querschnittsformen für die Verdichtungs­ bohle 2 mit längsgeschlitzten bzw. geschlossenen Halterungen 4 an Bohlenarmen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Stabilisieren von Reibungsbodenschichten und angrenzenden Kohäsionsbodenschichten, wobei eine in Längsrich­ tung im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweisende Verdichtungsbohle mit Hilfe eines auf deren oberes Ende aufge­ setzten Vibrationsantriebes an mehreren Stellen in zumindest eine Reibungsbodenschicht sowie eine benachbarte Kohäsionsbodenschicht einvibriert und anschließend wieder gezogen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bodenschichten miteinander vernagelnde Bodennägel von der Verdichtungsbohle bei deren Einvibrieren in die Bodenschichten mit eingezogen und bei deren Ziehen in den Bodenschichten belassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodennägel aus Stangen aus Stahl, vorgespanntem oder schlaff bewehrtem Beton, Kunststoff, Holz oder Bambus bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodennägel an ihrem oberen und/oder unteren Ende mit Verbreiterungen versehen sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bodennägel beim Ziehen der Verdichtungsbohle selbsttätig freigekoppelt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweisenden Verdichtungsbohle (2) und einem auf deren oberes Ende aufsetzbaren Vibrationsantrieb (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungsbohle (2) Halterungen (4) für Bodennägel (3) auf­ weist, welche die Bodennägel (3) beim Einvibrieren der Verdich­ tungsbohle (2) mitnehmen, beim Ziehen der Verdichtungsbohle (2) aber im Boden zurücklassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (4) aus Mitnahmehülsen bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (4) zumindest im Bereich des unteren Endes der Verdichtungsbohle (2) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verdichtungsbohle (2) einen durch mehrere Arme gebildeten offenen Querschnitt aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungsbohle (2) einen gedoppelt V-förmigen Querschnitt mit die V-Spitzen verbindendem Quersteg aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (4) an den freien Enden der Arme vorgesehen sind.