DE4130339A1 - Verfahren zur verbesserung eines baugrundes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes aus gewachsenem Boden oder Auffüllungen nach verschiedenen als solchen bekannten Verfahren, die nachstehend benannt werden. Zu den ange­ sprochenen Verfahren zählen zum ersten das Herstellen von Rüttelstopfsäulen oder vermörtelten Stopfsäulen oder Fer­ tigmörtelstopfsäulen, bei denen jeweils ein Tiefenrüttler in den Boden niedergebracht und unter Zugabe von Schotter oder Kies (RSS) oder von Zuschlagsuspension (VSS) oder von Fertigmörtel (FSS) in Stufen nach oben gezogen und in Stopfintervallen zeitweise unter einer Auflast rüttelnd betrieben wird. Die Baugrundverbesserung besteht hierbei darin, daß im Boden Zonen erhöhter Festigkeit geschaffen werden.

Ein anderes Verfahren der hier angesprochenen Art besteht im Herstellen von Rüttelverdichtungssäulen, in dem ein Tiefenrüttler in den Boden niedergebracht und in Stufen nach oben gezogen und in Rüttelintervallen gegebenenfalls unter einer Auflast rüttelnd betrieben wird. Der hierbei wirksame Mechanismus besteht in einer reinen Verdichtung des Bodenmaterials, wobei im Bereich des Rüttlers durch die Verdichtung ein Nachrutschen von Material und ein Entstehen eines Oberflächentrichters erfolgt, der vorzugs­ weise mit Zugabematerial aufzufüllen ist.

Weitere der hier angesprochenen Verfahren bestehen im Herstellen einer Säule im Düsenstrahlverfahren (jet grouting), bei dem ein Düsenstrahlkopf niedergebracht und unter Injizieren zumindest von Suspension oder von Trockenzement und Wasser rotierend nach oben gezogen wird, sowie in einem Verfahren zum Herstellen einer Betonrüttel­ säule, bei dem ein Tiefenrüttler mit Betonierrohr verbun­ den niedergebracht und unter Einpumpen von Beton rüttelnd nach oben gezogen wird, wobei zunächst ein vergrößerter Fußbereich durch ein Einpumpen einer größeren Zugabemenge von Beton in der unteren Position rüttelnd hergestellt wird. Bei den hier genannten Verfahren besteht die Wirkung teilweise auch in einer Bodenverdichtung zwischen den so hergestellten Säulen, insbesondere sind diese aber nach der Verfestigung zur unmittelbaren Lastabtragung geeignet, wobei dies insbesondere für das letztgenannte Verfahren gilt.

Nachteil der bekannten Verfahren ist die im wesentlichen unkontrollierte Zugabe der Zuschläge bei den Verfahren der ersten und der letzten Gruppe bzw. die unkontrollierte Verdichtungsarbeit beim reinen Rüttelverdichtungsverfah­ ren. Dies hat zur Folge, daß zum einen bei den Verfahren der erstgenannten Gruppe, d. h. den Stopfverdichtungsver­ fahren, in Bodenschichten geringer Dichte gegebenenfalls die erforderliche Verdichtung nicht erreicht wird, wobei das gleiche für die reine Rüttelverdichtung im Fall von rolligen Böden gelten kann. Auf der anderen Seite ist es möglich, daß in derartigen Schichten geringer Dichte bei dem im wesentlichen förderdruckbestimmten Verfahren nach dem Düsenstrahlverfahren und dem Verfahren zur Herstellung einer Betonrüttelsäule in den genannten Bodenschichten geringer Dichte überschüssiges Material eingesetzt und verbraucht wird, das den Säulendurchmesser unerwünscht vergrößert, obwohl dieser Vergrößerungsbereich zur un­ mittelbaren Lastabtragung nichts beitragen kann.

Hiervon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung darin, Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigen­ schaften eines Baugrundes der eingangs genannten Art da­ hingehend zu verbessern, daß eine gesicherte, gegebenen­ falls verbesserte Qualität bei optimiertem Materialeinsatz erreicht werden kann.

Die Lösung besteht beim Verfahren unter Herstellung von Rüttelstopfsäulen oder von vermörtelten Stopfsäulen oder Fertigmörtelstopfsäulen darin, daß die Zugabemengen von Schotter oder Kies oder Zuschlag und Suspension oder Fer­ tigmörtel bezogen auf den Ziehfortschritt und die Zeiten der Stopfintervalle in Abhängigkeit von der Konsistenz der jeweiligen Bodenschicht gesteuert werden. Die Konsistenz der Bodenschichten kann in diesem, wie auch in den weite­ ren Verfahren, in einem vorhergehenden Verfahrensschritt durch Entnahme eines Probenkerns ermittelt werden. Daneben kann die Konsistenz der Bodenschichten beim Niederbringen der entsprechenden Vorrichtung durch örtliche Messungen, insbesondere durch Ultraschall oder Radar ermittelt wer­ den, wobei diese Meßverfahren auch zur Messung des herge­ stellten Zugabe- oder Verdichtungsbereiches herangezogen werden können. Auf diese Weise kann eine Homogenisierung der Bodeneigenschaften dadurch erreicht werden, daß in weniger tragfähigen Bodenschichten eine erhöhte Zugabemen­ ge, bezogen auf den Ziehfortschritt, eingebracht wird, indem z. B. jeweils die Schritte, um die der Rüttler gezo­ gen wird bevor das nächste Rüttelintervall beginnt, ver­ kleinert werden.

Die Zugabemengen können dabei beispielsweise über eine Höhenstandsanzeige oder eine Nettowägeeinrichtung an der Aufgabe bzw. dem Vorratsbehälter des Rüttlers erfaßt wer­ den.

In bevorzugter Weise ist für jedes Stopfintervall eine maximale Zeit vorgegeben wobei angenommen wird, daß da­ rüber hinaus keine wesentliche Verfestigungswirkung mehr möglich ist.

Zum anderen kann für jedes Stopfintervall die Zeit abge­ brochen werden, wenn eine minimale Höhendifferenz zur Endposition des vorhergehenden Stopfintervalls erreicht ist. Dadurch wird verhindert, daß Energie aufgewendet wird für die Verfestigung einer unter der gerade in Bearbeitung liegenden Bodenschicht.

Nach einer weiteren günstigen Ausführung wird für jedes Stopfintervall die Zeit dann abgebrochen, wenn eine vorge­ gebene maximale Energieaufnahme des Rüttlers erreicht ist. Da die Energieaufnahme des Rüttlers mit der erreichten Bodenverfestigung ansteigt, ist es sinnvoll, den Stopfvor­ gang abzubrechen, wenn die angestrebte Verfestigung be­ reits vor der vorgegebenen Höchstzeit des Stopfvorganges erreicht ist. Hiermit ist eine Zeit- und Energieeinsparung möglich.

In Anwendung der gleichen Überlegung kann ein Stopfvorgang in einer bestimmten Bodenschicht, d. h. von der gleichen Ziehhöhe ausgehend, ein- oder mehrfach wiederholt werden, wenn die Energieaufnahme nicht auf einen gewünschten Min­ destwert steigt.

In beiden genannten Fällen ist die absolute Größe der Energieaufnahme, die z. B. über den aufgenommenen Strom ermittelt werden kann, von der Art des Rüttlers abhängig, so daß hier spezifische Erfahrungswerte gebildet werden müssen, die durch Probeeinsätze und anschließende Boden­ überprüfungen zu ermitteln sind.

Beim Verfahren der genannten Art durch Herstellen von Rüttelverdichtungssäulen, bei dem ein Tiefenrüttler in den Boden niedergebracht und in Stufen nach oben gezogen und in Rüttelintervallen rüttelnd betrieben wird, besteht die Lösung darin, daß die Größe der Ziehstufen und die Zeiten der Rüttelintervalle in Abhängigkeit von der vorhandenen Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschicht gesteuert werden. Auch hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, daß in nachgiebigeren Bodenschichten eine größere Verdich­ tungsarbeit eingeleitet werden muß, um den gewünschten Effekt der Homogenisierung aller Bodenschichten zu erzie­ len.

Auch hier kann es wiederum sinnvoll sein, für jedes Rüttelintervall eine maximale Zeit vorzugeben, wobei gege­ benenfalls nach Erreichen dieser maximalen Zeit auf einer Stufe der Abstand zur nächsten Stufe verringert werden kann. Daneben kann es vorgesehen werden, daß jedes Rüttel­ intervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene maximale Energieaufnahme des Rüttlers erreicht wird. Hierbei kann der Abstand zur nächsten Stufe für das nächste Rüttelin­ tervall nach einem derartigen vorzeitigen Abbruch ver­ größert werden.

Die hiermit angesprochenen Grenzwerte sind jedoch nicht notwendig einzuhalten. Vielmehr besteht das Grundprinzip darin, in unterschiedlich festen Bodenschichten jeweils reziprok unterschiedliche Verdichtungsarbeiten örtlich einzuleiten. Es ist hierbei insbesondere möglich, daß die Stufen und/oder die Zeiten der Rüttelintervalle aus­ schließlich vom Ergebnis her zu regeln, wenn jeweils die Größen und Durchmesser der Verdichtungsbereiche, wie oben erwähnt, durch Radar oder Ultraschall überwacht werden. Wesentlich ist hierbei die Homogenisierung des gesamten Baugrundes.

Bei einem Verfahren der obengenannten Art zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes durch Herstellen einer Säule im Düsenstrahlverfahren, bei dem ein Düsen­ strahlkopf niedergebracht und unter Injizieren zumindest von Suspension oder zumindest von Trockenzement und Wasser rotierend nach oben gezogen wird, besteht die Lösung da­ rin, daß die Zugabemengen im Verhältnis zur Ziehgeschwin­ digkeit in Abhängigkeit von der Konsistenz der jeweiligen Bodenschicht gesteuert wird. Anders als bei den zuvor beschriebenen Verfahren bestand bei konstanter Ziehge­ schwindigkeit und konstantem Düsendruck hier der Nachteil, daß besonders lockere Böden sich mit dem Schneid- oder Düsenstrahl sehr viel leichter "aufschneiden" ließen, so daß in diesen Bodenschichten Suspensionsbereiche erheblich vergrößerten Durchmessers entstanden und damit unerwünscht viel Suspension verbraucht wurde. Hierbei ist zu berück­ sichtigen, daß bei diesem Verfahren die Bodeneigenschaften außerhalb des von der Suspension aufgeschnittenen Bodens im wesentlichen nicht verdichtet werden. Die Bodenverbes­ serung findet im wesentlichen nur im Säulenkörper selber statt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nunmehr vorgesehen, die Zugabemenge und damit den Säulendurch­ messer im Verhältnis zur Ziehgeschwindigkeit zu variieren, daß eine Säule konstanten Querschnittes entsteht. Hierzu ist es erforderlich, entweder je nach Festigkeit der ent­ sprechenden Bodenschicht durch Förderdruckregelung die Austrittsgeschwindigkeit des Schneidmediums, d. h. der Suspension oder des Wassers zurückzunehmen bzw. zu ver­ größern in Bezug auf eine Referenzbodenschicht und/oder bei unverändertem Druck und damit unveränderter Austritts­ geschwindigkeit die Zieh- und/oder Drehgeschwindigkeit des Düsenkopfes zu verändern. Auf diese Weise können ohne Qualitätsverluste die eingesetzten Mengen an Suspension bzw. Zement reduziert werden.

Bei einem Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaf­ ten eines Baugrundes durch Herstellen einer Betonrüttel­ säule, bei dem ein Tiefenrüttler mit Betonierrohr gekop­ pelt niedergebracht und unter Einpumpen von Beton nach oben gezogen wird, wobei zunächst ein vergrößerter Säulen­ fußbereich durch erhöhte Mengenzugabe von Beton in der untersten Position des Tiefenrüttlergestänges rüttelnd hergestellt wird, besteht die Erfindung darin, daß die Zugabemengen im Verhältnis zur Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Konsistenz der jeweiligen Boden­ schicht gesteuert wird. Es gilt hierbei im wesentlichen das gleiche wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren, wobei die entsprechende Mengensteuerung pro Säulenlänge durch Variation des Förderdruckes und/oder durch Variation der Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Bodenkonsistenz auf einen konstanten Wert eingestellt werden kann.

Hierbei ist wie beim zuvor beschriebenen Verfahren bei vorheriger Kenntnis der Qualität der Bodenschichten das Abfahren eines bestimmten Herstellungsprogrammes möglich; zum anderen ist jedoch auch durch die genannten Ultra­ schall- oder Radarmessungen möglich, den Durchmesser der entstehenden Säule beim Einpumpen und Ziehen aktuell zu ermitteln, so daß danach der Förderdruck und/oder die Ziehgeschwindigkeit während des Verfahrens eingeregelt werden kann.

Es versteht sich, daß die hier beschriebenen Verfahren die Möglichkeit zur Automatisierung bilden, wobei durch eine automatische Steuerung nicht nur die Qualität verbessert, sondern auch Personal eingespart werden kann, da der Vor­ gang nach Eingabe der Bodenparameter durch entsprechende Steuerungsprogramme automatisch abgefahren werden kann.

Die Beziehungen der erforderlichen Zugabemengen in Ab­ hängigkeit von der Bodenqualität ist dabei nur einmal festzulegen, wobei sich dann auch die Ziehgeschwindig­ keiten bzw. Ziehstufen und Rüttelintervalle unter Einhal­ tung der obengenannten Grenzwerte ohne weiteres ergibt. Die Umsetzung in einer automatisierte Maschinensteuerung liegt im Bereich des Fachwissens.

Bei den eingangs genannten Stopfverdichtungsverfahren kommt neben einer kontinuierlichen Messung der Zugabemengen in vereinfachter Weise auch die Erfassung und Zumessung über die Größe und Anzahl einzelner Chargen in Betracht, die in den einzelnen Stopfintervallen bzw. Tiefenstufen zugegeben werden.

Die Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes, die hier in erfinderischer Weise verbes­ sert sind, erlauben kleinere Abmessungen der Fundamente, verringern die Unterschiede der Setzungserscheinungen, wobei diese dadurch teilweise erst auf eine erträgliche absolute Größe reduziert werden und eröffnen in machen Fällen die Möglichkeit Flachgründungen auszuführen, die kostengünstiger sind als Tiefgründungen mit Pfählen. Das Anwendungsgebiet der Stopfverdichtungsverfahren erstreckt sich auf alle bindigen Böden, das sind Schluffe und Tone und ihre Mischungen, wobei auch Mischungen mit Kiesen und Sanden nicht ausgeschlossen werden.

Die Ausführungen, die sich auf die Stopfverdichtungsver­ fahren beziehen, erstrecken sich in gleicher Weise auf die vermörtelten Stopfsäulen, bei denen lediglich zusätzlich eine Bindemittelsuspension zugegeben wird, wobei die Zu­ gabemenge der Suspension mit der Zugabemenge der jewei­ ligen Zuschläge korrespondieren soll.

Bei bindigen Böden ist eines der Stopfverdichtungsver­ fahren geeignet, wobei Schotter oder Kies oder Beton mit dem Rüttler eingebracht wird. Das reine Rütteldruckver­ fahren erstreckt sich vorzugsweise auf rollige Böden, d. h. Kies und Sand und ihre Mischung. Allerdings sind Kiese und Sande mit einem Gehalt von etwa 3 oder mehr Prozent Ton oder 6 oder mehr Prozent Schluff nicht mehr verdicht­ bar und fallen bereits unter das Stopfverdichtungsver­ fahren.

Die gewünschte Homogenisierung kann je nach Art der Bebau­ ung auf unterschiedlichem Niveau eingestellt werden, d. h. es ist nicht in allen Fällen die höchstmöglich erreichbare Verfestigung anzustreben.

Claims (22)

1. Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes durch Herstellen von Rüttelstopf­ säulen (RSS) oder von vermörtelten Stopfsäulen (VSS) oder Fertigmörtelstopfsäulen (FSS), bei denen ein Tiefenrüttler in den Boden niedergebracht und unter Zugabe von Schotter oder Kies (RSS) oder von Zu­ schlägen und Suspension (VSS) oder von Fertigmörtel (FSS) in Stufen nach oben gezogen und in Stopfinter­ vallen unter einer Auflast zumindest zeitweise rüttelnd nach unten gefahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabemengen von Schotter oder Kies (RSS) oder Zuschlag und Suspension (VSS) oder Fertigmörtel (FSS) bezogen auf den Ziehfortschritt und die Zeitdauer der Stopfintervalle in Abhängigkeit von der Konsistenz bzw. Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschicht ge­ steuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabemengen über eine Höhenstandsanzeige oder über eine Nettowägevorrichtung am Aufgabe- bzw. Vor­ ratsbehälter des Rüttlers erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Stopfintervall eine maximale Zeitdauer vorgegeben ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Stopfintervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene maximale Energieaufnahme des Rüttler­ motors erreicht ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Stopfintervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene maximale Auflast auf den Tiefen­ rüttler durch Zunahme des Bodenwiderstandes erreicht ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Stopfintervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene minimale Höhendifferenz zur End­ position des vorherigen Stopfintervalls erreicht ist.

7. Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes durch Herstellen von Rüttelverdich­ tungssäulen, indem ein Tiefenrüttler in den Boden niedergebracht und in Stufen nach oben gezogen und in Rüttelintervallen rüttelnd, gegebenenfalls unter einer Auflast betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Zeitdauer der Rüttelintervalle in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschicht gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Ziehstufen in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschicht gesteuert sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Rüttelintervall eine maximale Zeitdauer vorgegeben ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Rüttelintervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene maximale Energieaufnahme des Rüttler­ motors erreicht ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Rüttelintervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene maximale Auflast am Tiefenrüttler durch Zunahme des Bodenwiderstandes erreicht ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Rüttelintervall abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene minimale Höhendifferenz zur End­ position des vorherigen Rüttelintervalls erreicht ist.

13. Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes durch Herstellen einer Säule im Düsenstrahlverfahren, bei dem ein Bohrgestänge mit einem Düsenstrahlkopf niedergebracht und unter Inji­ zieren zumindest von Suspension oder zumindest von Trockenzement und Wasser rotierend nach oben gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsmengen im Verhältnis zum Ziehfort­ schritt in Abhängigkeit von der Konsistenz bzw. Lage­ rungsdichte der jeweiligen Bodenschichten gesteuert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung durch Druckregelung des Schneid­ strahls aus Suspension oder Wasser erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Variation der Ziehgeschwindig­ keit und gegebenenfalls der Drehgeschwindigkeit erfolgt.

16. Verfahren zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eines Baugrundes durch Herstellen einer Betonrüttel­ säule, bei dem ein Tiefenrüttler mit Betonierrohr niedergebracht und unter Einpumpen von Beton nach oben gezogen wird, wobei zunächst ein vergrößerter Fußbe­ reich durch eine erhöhte Zugabe in der tiefsten Stel­ lung des Tiefenrüttlers hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabemengen im Verhältnis zum Ziehfortschritt in Abhängigkeit von der Konsistenz/Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschicht gesteuert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung durch Druckregelung des Betonstrahls erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung durch Variation der Ziehgeschwindig­ keit und/oder Rüttlerfrequenz erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsistenz/Lagerungsdichte der Bodenschichten in einem vorhergehenden Verfahrensschritt durch Ent­ nahme eines Probenkerns ermittelt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsistenz/Lagerungsdichte der Bodenschichten in einem vorhergehenden Verfahrensschritt durch Son­ dierungen, z. B. durch Druck- oder Schlagsondierungen, ermittelt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsistenz/Lagerungsdichte der Bodenschichten und/oder die Konsistenz der Säule während des Verfah­ rens durch laufende Messungen, insbesondere durch Ultraschall oder Radar ermittelt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der hergestellten Säule am untersten Teil des Tiefenrüttlers oder des Düsenge­ stänges während des Verfahrens durch laufende Messun­ gen, insbesondere durch Ultraschall oder Radar er­ mittelt wird.