CH621173A5

CH621173A5 - Method of soil nailing

Info

Publication number: CH621173A5
Application number: CH733777A
Authority: CH
Inventors: Gerd Prof Gudehus; Karlheinz Dr Bauer; Manfred Dr Stocker
Original assignee: Bauer Spezialtiefbau
Priority date: 1976-07-15
Filing date: 1977-06-15
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2631745A1; GB1580142A; ES460724A1

Description

Die Erfindung hat ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit von gewachsenem Boden, insbesondere bindigem Boden zum Gegenstand, dessen Stabilität durch künstliche oder natürliche Eingriffe beeinträchtigt ist. Das Verfahren ist besonders zur Verbesserung des Baugrundes für flachgegründete Gebäude, Dammschüttungen, Strassenbauten sowie zur Sicherung von Böschungen und Baugrubenwänden geeignet. The subject of the invention is a method for improving the strength and rigidity of grown soil, in particular cohesive soil, the stability of which is impaired by artificial or natural interventions. The method is particularly suitable for improving the subsoil for flat-bottomed buildings, embankments, road constructions and for securing embankments and excavation pit walls.

Die mangelnde Stabilität gewachsenen Bodens beruht regelmässig auf zu geringer Kohäsion. Zur Verbesserung der Kohä-sion sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die -sofern sie überhaupt eine dauerhafte Verbesserung der Kohäsion gewährleisten - aufwendig und damit unwirtschaftlich sind. Bekannt sind Verfahren zur Bodenverfestigung mittels Injektion von erhärtenden Flüssigkeiten wie Betonmilch. Bodenverfestigungen durch Schotterpfähle, elektro-chemische und mechanische Verfahren sonstiger Art. Zur Sicherung von Böschungen und Baugrubenwänden sind Injektionszugveran-kerungsverfahren vielfältiger Art bekannt. Die bekanntesten Verfahren haben ferner den Nachteil, dass sie sich nicht gleich-mässig für alle Bodenarten eignen. The lack of stability of grown soil is regularly due to insufficient cohesion. Various methods have been proposed for improving cohesion, which - insofar as they ensure a permanent improvement in cohesion at all - are complex and therefore uneconomical. Methods for ground stabilization by means of injection of hardening liquids such as concrete milk are known. Ground consolidation by means of ballast piles, electro-chemical and mechanical processes of any other kind. Various types of injection train anchoring processes are known for securing embankments and excavation walls. The best-known methods also have the disadvantage that they are not equally suitable for all types of soil.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Kohäsionsver-besserung insbesondere bindiger Böden zu finden, das vielseitig anwendbar und wirtschaftlich ist. The object of the invention is to find a method for improving cohesion, in particular cohesive soils, which is versatile and economical.

Die Lösung der Aufgabe wird in einem Verfahren zum Vernageln des Bodens mit Bewehrungsstäben aus Stahl, Kunststoff oder dergleichen gesehen, die mittels Schlagen, Bohren, Rütteln, Spülen oder Drücken rasterförmig über die zu verbessernde Fläche verteilt in den bestehenden Zug-, Druck- und Scherrichtungen des Bodens entsprechenden Winkeln in den Boden eingebracht werden, wodurch planmäs-sig durch den Haftungs- oder Verdübelungseffekt ein Verbundkörper mit erhöhter Schubsteifigkeit und Schubfestigkeit entsteht. The solution to the problem is seen in a method for nailing the floor with reinforcing bars made of steel, plastic or the like, which is distributed by means of hitting, drilling, shaking, rinsing or pressing in a grid pattern over the area to be improved in the existing tensile, compressive and shear directions corresponding angles of the floor are introduced into the floor, as a result of which a composite body with increased shear rigidity and shear strength is created as a result of the adhesion or dowelling effect.

Die Bewehrungsstäbe sind vorzugsweise 3-15 Meter lang. Sie können aus Vollstäben, Rohren oder Profilen beliebiger Querschnitte bestehen, in rolligen Böden können die Bewehrungsstäbe zur Erhöhung der Reibung mit erhärtenden Baustoffen umgepresst werden. Ferner kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche gegen Feuchtigkeitseinflüsse und Verwitterung mit einer Schicht abzudecken. Diese kann aus Spritzbeton bestehen. Unter Umständen ist auch eine Vorspannung der Bewehrungsstäbe von Vorteil. The reinforcing bars are preferably 3-15 meters long. They can consist of solid bars, pipes or profiles of any cross-section; in uneven floors, the reinforcement bars can be pressed with hardening building materials to increase friction. It may also be advantageous to cover the surface with a layer against the effects of moisture and weathering. This can consist of shotcrete. Prestressing the reinforcing bars may also be advantageous.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die nachstehenden Ausführungsbeispiele verwiesen. To further explain the invention, reference is made to the exemplary embodiments below.

Bei einem Boden mit überwiegender Festigkeit aus Reibung und Dilatanz, beispielsweise dichtem Kiessand mit schwach-bindigen Anteilen, kommt es ähnlich wie bei Stahlbeton vorwiegend auf Haftverbund an. In the case of a floor with predominant strength from friction and dilatancy, for example dense gravel sand with weakly cohesive components, it is primarily a question of adhesive bonding, similar to reinforced concrete.

Die Bewehrungsstäbe müssen über ausreichende Mantelreibung und Eintragungslänge eine Haftkraft übernehmen, die der Zugfestigkeit des Stabes entspricht. Zur Verwendung gelangen zweckmässig gerippte Stahlstäbe von ca. 2-4 cm Durchmesser. Die Stäbe werden bei Längen bis zu ca. 7 m mittels Druck und Erschütterung zusammen mit einem Schlauch eingetrieben und auf ganzer Länge mit Zement ver-presst. Durch die Verpressung wird die Mantelreibung erhöht und ein Korrosionsschutz erreicht. The reinforcing bars must have an adhesive force corresponding to the tensile strength of the bar over sufficient skin friction and length of entry. Appropriately ribbed steel rods of approx. 2-4 cm in diameter are used. At lengths of up to approx. 7 m, the rods are driven in with a hose by means of pressure and vibration and pressed with cement along their entire length. The surface friction is increased by the pressing and corrosion protection is achieved.

Die haltende Kraft T längs einer Gleitfuge (Gleitfugenwiderstand) setzt sich zusammen aus dem bezogenen Herausziehwiderstand Tn (kN/m) der Nägel und der haltenden Tangentialkraft Tb (kn/m) infolge Reibung und/oder Kohäsion des Bodens. The holding force T along a sliding joint (sliding joint resistance) is made up of the related pull-out resistance Tn (kN / m) of the nails and the holding tangential force Tb (kn / m) due to friction and / or cohesion of the floor.

Der auf den laufenden m Breite bezogene Herausziewider-stand Tn einer durch die Gleitfuge geschnittenen Zahl von n Nägeln errechnet sich nach The pull-out resistance Tn related to the running m width of a number of n nails cut through the sliding joint is calculated

1 n 1 n

Tn(kN/m)— — 2 Zi cos ai b i=l Tn (kN / m) - - 2 Zi cos ai b i = l

Dabei sind: Here are:

Zi (kN) = Herausziehkraft des Einzelnagels OK (°) = Winkel, unter dem die Gleitfuge den Nagel i schneidet b(m) = horizontaler Nagelabstand Zi (kN) = pull-out force of the individual nail OK (°) = angle at which the sliding joint cuts the nail i b (m) = horizontal nail distance

Herausziehkraft Zi (kN) = jt • da ■ Ii • tm Dabei sind: Pull-out force Zi (kN) = jt • da ■ Ii • tm

da (m) = Durchmesser des Zementmantels Ii (m) = Eintragungslänge des Nagels im ruhenden da (m) = diameter of the cement mantle Ii (m) = length of entry of the nail in the resting

Erdreich t m (kN/m2) = die mobilisierte Schubspannung an der Mantelfläche Soil t m (kN / m2) = the mobilized shear stress on the outer surface

Die Herausziehkraft darf die Zugfestigkeit des Stahlstabes nicht überschreiten d2 The pull-out force must not exceed the tensile strength of the steel rod d2

Zi(kN)<.it- — • OF Zi (kN) <. It- - • OF

Dabei sind: Here are:

d(mm) = Durchmesser des Stahlstabes OF(kN/mm2)= Fliesspannung des Stahles d (mm) = diameter of the steel rod OF (kN / mm2) = yield stress of the steel

Die haltende Tangentialkraft Tb (kN/m) längs der Gleitfuge wird generell ermittelt nach The tangential force Tb (kN / m) along the sliding joint is generally determined according to

Tb (kN/m) = N-tan <I> + c-L Tb (kN / m) = N-tan <I> + c-L

Dabei sind: Here are:

N (kN/m) = Normalkraft auf die Gleitfuge bezogen auf eine Einheitsbreite <E> (° ) = innerer Reibungswinkel des dränierten N (kN / m) = normal force on the sliding joint based on a unit width <E> (°) = internal friction angle of the drained

Bodens c (kN/m2) = Kohäsion des Bodens L (m) = Länge der Gleitfuge Floor c (kN / m2) = cohesion of the floor L (m) = length of the sliding joint

Bei einem Boden mit überwiegender Festigkeit aus undrai-nierter Kohäsion und sehr geringer Reibung (z.B. steifplasti-scher Seeton) hat die Bewehrung vor allem eine Dübelwirkung. Durch genügende Breite des Querschnitts und ausrei2 In the case of a floor with predominant strength made from undrained cohesion and very low friction (e.g. stiff plastic sea clay), the reinforcement primarily has a dowel effect. By sufficient width of the cross-section and sufficient2

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chende Abtragungslänge ist ein seitliches Durchpflügen der Stäbe zu verhindern. Der Querkraftbeanspruchung hat der Bewehrungsstab eine ausreichende Schub- und Biegefestigkeit entgegenzusetzen. Eine technisch und wirtschaftlich optimale Verdübelung wird mit Stäben erzielt, die bei der Verformung des umgebenden Bodens mit plastifiziert werden. Zur Ausführung eignen sich dünnwandige, breite Stahlprofile, die mittels Druck und Erschütterung eingetrieben werden. Die Ausführungslänge ist grundsätzlich nicht beschränkt, praktisch kommen jedoch Längen von ca. 5-15 m in Frage. Die Querschnittsbreite liegt zwischen ca. 20 und 50 cm. Der Satte Abschluss der Stäbe in den gewachsenen Boden bietet ausserdem einen Korrosionsschutz. appropriate length of cut must be prevented from plowing through the bars from the side. The reinforcement rod has to provide sufficient shear and bending strength to counteract the shear load. A technically and economically optimal dowelling is achieved with rods that are also plasticized when the surrounding floor is deformed. Thin-walled, wide steel profiles are suitable for the execution, which are driven in by pressure and vibration. The design length is basically not limited, but practically lengths of approx. 5-15 m are possible. The cross-sectional width is between approx. 20 and 50 cm. The full closure of the rods in the grown soil also offers corrosion protection.

Für die Dimensionierung der Nägel, die zur Verdübelung dienen, wird zweckmässigerweise von folgenden Formeln ausgegangen: For the dimensioning of the nails, which are used for dowelling, the following formulas are expediently used:

a) Ermittlung der aufnehmbaren Querkraft eines Nagels Q(kN)= 0,414 -1-p b) Ermittlung der zulässigen Querkraft eines Nagels Q (kN) < V~2p • Mf 1 a) Determination of the absorbable shear force of a nail Q (kN) = 0.414 -1-p b) Determination of the admissible shear force of a nail Q (kN) <V ~ 2p • Mf 1

Dabei sind: Here are:

1 (m) = Eintragungslänge p (kN/m) = Seitendruck (Fliessdruck) auf den Nagel Mf (mkN) = Fliessmoment des Stahlquerschnittes eines Nagels 1 (m) = length of entry p (kN / m) = side pressure (flow pressure) on the nail Mf (mkN) = flow moment of the steel cross-section of a nail

Je nach Boden beträgt p = (4 bis 10) -d-cu Dabei sind: Depending on the soil, p = (4 to 10) -d-cu where:

d (m) = projizierte Breite eines Nagels in d (m) = projected width of a nail in

B ewegungsrichtung cu (kN/m2) = undränierte Kohäsion Movement direction cu (kN / m2) = undrained cohesion

Der Gleitfugenwiderstand T (haltende Kraft in der Gleitfuge) errechnet sich aus dem Bodenanteil Tb = cu • L und dem Nagelanteil n The sliding joint resistance T (holding force in the sliding joint) is calculated from the floor portion Tb = cu • L and the nail portion n

Tu = 2 Qi • sin œ i= 1 Tu = 2 Qi • sin - i = 1

wobei cu der kleinere Winkel zwischen dem i-ten Bodennagel und der Gleitfuge ist. where cu is the smaller angle between the i-th floor nail and the sliding joint.

Bei Mischböden, deren Festigkeit zu etwa gleichen Teilen auf Reibung und Kohäsion beruht, ist die kombinierte Wirkung von Verdübelung und Haftung anzustreben. Die kombinierte Dimensionierung ist dann durch Kombination der Verfahren iterativ einem Optimum anzunähern. Zur Ausführung eignen sich Rohrquerschnitte von ca. 5—20 cm 0 und bis zu ca. 20 m Länge, je nach Dilatanz des Bodens mit oder ohne Zementverpressung. In the case of mixed floors, the strength of which is roughly based on friction and cohesion, the combined effect of dowelling and adhesion should be sought. The combined dimensioning can then be iteratively approximated to an optimum by combining the methods. Pipe cross-sections of approx. 5-20 cm 0 and up to approx. 20 m long are suitable for the execution, depending on the dilatancy of the floor with or without cement grouting.

Diejenige Oberfläche, an welcher die Vernagelung austritt, bedarf einer gesonderten Befestigung je nach dem Überwiegen von Zughaftung oder Schubverdübelung. The surface on which the nailing emerges requires a separate attachment depending on the predominance of traction or shear anchoring.

Ein überwiegend rolliger oder stark überkonsolidiert bindiger Boden erhält zweckmässigerweise eine wenige Zentimeter dicke Schale, auf der Belastungsteller zur Übertragung der Nagelkräfte aufliegen. Die Schale dient vor allem der Versiegelung des Erdreichs gegen Verwitterung und Verminderung der Kohäsion. Sofern Sickerwasser vorhanden ist, sind hinter der Schale flache Drainagestränge anzuordnen. Die Teller sind gegen Einstanzen in den Boden zu bemessen und zur Herstellung eines kraftschlüssigen Verbundes zumindest leicht anzupassen. Als Werkstoff für die Schale ist Spritzbeton vorzusehen, grundsätzlich kommen aber auch andere Werkstoffe in Frage. Die Teller sind zweckmässig vorgefertigt aus Stahl und Beton. A predominantly rolling or heavily overconsolidated cohesive expediently has a shell a few centimeters thick, on which load plates rest for the transmission of the nail forces. The shell primarily serves to seal the soil against weathering and reduce cohesion. If leachate is present, shallow drainage strands should be arranged behind the bowl. The plates must be dimensioned against punching into the floor and at least slightly adjusted to produce a non-positive connection. Shotcrete is to be used as the material for the shell, but in principle other materials are also possible. The plates are suitably prefabricated from steel and concrete.

Ein überwiegend kohäsiver Boden erfordert an der Austrittsfläche der Vernagelung eine schubsteife Scheibe. Entsprechend ihrem Material ist die Dicke der Scheibe so zu wählen, dass die gekennzeichneten Verdübelungsbedingungen eingehalten sind. Je nach der Überbauung ist diese Scheibe aus Beton oder verdichtetem Erdreich auszuführen. Bei der Überschüttung mit einem Damm nimmt auf diese Weise die Boden-vernagelung zugleich den für den Untergrund u.U. nicht tragbare Spreizschub auf. A predominantly cohesive floor requires a shear-resistant disc on the exit surface of the nailing. The thickness of the washer should be selected according to its material so that the marked pegging conditions are observed. Depending on the superstructure, this disc can be made of concrete or compacted soil. In the event of a dam being poured over the floor, the nailing of the soil may at the same time reduce that required for the subsurface. not portable spreading thrust.

Die Bodennägel sind in einem räumlichen Raster derart im Baugrund anzuordnen, dass die globale Standsicherheit und Steifigkeit in erforderlichem Masse erzielt werden. Bei den entsprechenden Nachweisen sind für den vernagelten Bereich des Baugrundes entsprechend dem gewählten Schema die erhöhten Festigkeits- und Steifigkeitswerte anzusetzen. Bei der Vernagelung wird die Bewehrung je nach überwiegender Haftung oder überwiegender Verdübelung dimensioniert. Bei gemischten Festigkeits- und Beanspruchungsbedingungen ergeben sich sinngemäss Zwischenlösungen für Nachweis und Ausführung. The floor nails are to be arranged in a spatial grid in the building ground in such a way that the global stability and rigidity are achieved to the required extent. With the corresponding verifications, the increased strength and rigidity values for the nailed-up area of the building ground must be applied in accordance with the selected scheme. With the nailing, the reinforcement is dimensioned according to the predominant liability or predominant doweling. In the case of mixed strength and stress conditions, intermediate solutions for verification and execution result.

Ein Erdkörper mit Zugbewehrung muss für alle kinematisch möglichen Bruchmechanismen mit Gleitfugen durch den unbe-wehrten und bewehrten Bereich eine ausreichende Standsicherheit aufweisen. Bei Gleitfugen im bewehrten Bereich kommt die fugenparallele Komponente der Zugkräfte aus Bewehrung zur Schubkraft aus Bodenfestigkeit hinzu. Bei bezüglich Standsicherheit ausreichender Vernagelung erhöht sich die Schubsteifigkeit bis auf den doppelten Wert des vernagelten Bodens. Eine Vorspannung würde die Steifigkeit nur unwesentlich erhöhen und braucht daher nicht angesetzt zu werden. Bei Abmessungen für Bodennägel von 3-15 m Länge erweist sich ein Rasterabstand von ca. 0,75-1,5 m als zweckmässig. An earth body with tensile reinforcement must have sufficient stability for all kinematically possible fracture mechanisms with sliding joints due to the unreinforced and reinforced area. In the case of sliding joints in the reinforced area, the joint-parallel component of the tensile forces from reinforcement is added to the shear force from floor strength. If the nailing is sufficient with regard to stability, the shear stiffness increases up to twice the value of the nailed floor. Preloading would increase the rigidity only insignificantly and therefore does not need to be applied. With dimensions for floor nails of 3-15 m in length, a grid spacing of approx. 0.75-1.5 m has proven to be expedient.

Entsprechend sind für den Standsicherheitsnachweis überwiegend kohäsiver Böden für Gleitfugen durch den Vernage-lungsbereich die Schubkräfte zusätzlich zum Schubwiderstand aus Bodenfestigkeit anzusetzen. Die Schubsteifigkeit kann ebenfalls etwa bis auf das Doppelte gesteigert werden was vor allem eine gleichmässige Setzungsmulde zur Folge hat. Accordingly, for the proof of stability, predominantly cohesive floors for sliding joints due to the nailing area, the shear forces are to be applied in addition to the shear resistance from soil strength. The shear stiffness can also be increased by up to twice, which primarily results in a uniform subsidence.

Zur Vernagelung einer 10 m tiefen Baugrube in schluffigem Kiessand leichter Lagerung zur vorübergehenden Sicherung ist mithin wie folgt zu verfahren: To nail down a 10 m deep construction pit in silty gravel sand for easy storage for temporary protection, proceed as follows:

- Bodennägel aus geripptem Stahl 0 28 mm, Rasterabstand 1,3 m, Länge 5-6 m; - Floor nails made of ribbed steel 0 28 mm, spacing 1.3 m, length 5-6 m;

- Spitzbetonschale, 5 cm dick mit Bewehrungsmatte Q 131 in Aushubabschnitten von 1,3-2,6 m Tiefe und 10-15 m Länge; - Pointed concrete shell, 5 cm thick with reinforcement mat Q 131 in excavation sections 1.3-2.6 m deep and 10-15 m long;

- Stahlteller 0 15 cm mit Gewindemuttern mit ca. 4 Mp angespannt; - steel plate 0 15 cm tensed with threaded nuts with approx. 4 Mp;

- Verpresskörper, mittlerer Durchmesser 10 cm aus Zementmilch. - grout, average diameter 10 cm made of cement milk.

Bei einer Untergrundvernagelung für den Damm einer Strasse oder Eisenbahn dient die Vernagelung dazu, die Setzungen auf dem Damm zu vermindern und zu vergleichmässi-gen, sowie die Umgebung vor seitlichen Bewegungen des Untergrundes zu schützen. Die Vernagelung besteht dementsprechend aus Bodennägeln, Spundwandprofil HL 1, Tiefe 6-8 m, Rasterabstand 2 m für eine verdichtete Dammschüttung aus rolligem Material bis 5 m Höhe. In the case of underground nailing for the dam of a road or railroad, the nailing serves to reduce and even out the subsidence on the dam and to protect the surroundings from lateral movements of the underground. Correspondingly, the nailing consists of floor nails, sheet pile wall profile HL 1, depth 6-8 m, grid spacing 2 m for a compact embankment made of rolled material up to 5 m high.

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Claims

621173 PATENT CLAIMS

1. A method for improving the strength and rigidity of grown soil, characterized in that reinforcement bars by hitting, drilling, shaking, rinsing or pressing in a grid pattern over the soil layer to be improved in the existing tensile, compressive and shear directions of the soil corresponding angles in be brought into the ground.

2. The method according to claim 1, characterized in that the reinforcing bars consist of steel.

3. The method according to claim 1, characterized in that the reinforcing bars are 3-15 meters long.

4. The method according to claim 1, characterized in that the reinforcing bars are profiled.

5. The method according to claim 1, characterized in that in the case of vertical or steeply inclined earth bodies, the surface is protected by a protective skin consisting of shotcrete, thin-walled sheet metal, prefabricated concrete parts or the like, and the protective skin is positively and non-positively connected to the reinforcing bars.