DE10242264A1

DE10242264A1 - Verfahren zur Herstellung eines interaktiven Tragsystems aus geotextilummantelten Sandsäulen und den anstehenden Böden zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten bei wenig tragfähigem Untergrund

Info

Publication number: DE10242264A1
Application number: DE2002142264
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Möbius
Original assignee: Josef Mobius Bau-Gesellschaft (gmbh & Co); MOEBIUS JOSEF BAU
Current assignee: Strabag AG
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: DE10242264B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines interaktiven Tragsystems aus geotextilummantelten Sandsäulen und den umgebenden Böden zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten bei wenig tragfähigem Untergrund mit den folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A - Oberhalb der Weichschicht wird eine Geotextillage mit trennenden und lastverteilenden Eigenschaften aufgebracht, DOLLAR A - anschließend wird eine Schicht aus körnigem Material auf die Geotextillage geschüttet, DOLLAR A - danach werden in einem vorgegebenen Raster Sandsäulen aus verdichtungsfähigem, körnigem Material mit einer Umhüllung aus dehnweichem zugfestem Textilmaterial eingebracht, wobei die Umhüllung einerseits so bemessen wird, dass die Säulen ein flexibles, selbstregulierendes Tragverhalten aufweisen, indem bei neuer Belastung durch ein Nachgeben der Säulen die Lasten zumindest teilweise auf die umgebenden Weichschichten umgelagert werden und sich ein zeit- und lastabhängiges Gleichgewicht ergibt und andererseits die Längsfäden des Geotextils eine Zugfestigkeit aufweisen, die im eingebauten Zustand eine Berücksichtigung bei der statischen Bemessung als Verdübelungselement erlauben, DOLLAR A - schließlich werden in einem vorgegebenen zweiten Raster zwischen die geotextilummantelten Sandsäulen Vertikaldränagen im Verdrängungsverfahren durch die Schicht aus körnigem Material in die Weichschichtzwickel zwischen den Säulen derart eingebracht, dass durch den erhöhten annähernd isotropen Spannungszustand im Boden eine beschleunigte Konsolidation ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Tragsystems zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in Weichschichten nach dem Patentanspruch 1.
Aus DE 44 08 173 A1 , DE 195 18 830 A1 , EP 0 900 883 A1 oder auch der Dissertation von Dr. Marc Raithel „Zum Trag- und Verformungsverhalten von geotextilummantelten Sandsäulen", Schriftenreihe Geotechnik, Universität Gh Kassel, Heft 6, Juli 1999 sind Verfahren bekannt geworden, mit denen weiche, gering tragfähige Bodenschichten stabilisiert werden können, um Bauwerks- und Verkehrslasten in den tiefer liegenden, tragfähigen Untergrund zu übertragen. Die Sandsäulen werden dadurch hergestellt, dass zunächst ein Rohr oder ein anderes Element zur Hohlraumherstellung mit vorgegebenen Durchmesser in die Weichschicht bis zum tragfähigen Untergrund eingetrieben wird. Das Rohr ist entweder ein Verdrängungsrohr, ein geschlossenes Verdrängungselement oder ein unten offenes Rohr. Im letzteren Fall muss der Boden aus dem eingetriebenen Rohr ausgehoben werden, bevor eine sackartige Umhüllung aus geeignetem Geotextilmaterial eingebracht wird. Ein derartiger Sack ist vorzugsweise im Rundwebverfahren hergestellt und geeignet, hohe Ringzugkräfte aufzunehmen. Andererseits ist das Material dehnweich, so dass die Säule nach dem Ziehen des Rohrs mit Hilfe eines geeigneten Rüttlers die Möglichkeit hat, in Abhängigkeit von der Auflast sich radial auszudehnen. Auf diese Weise wird mit dem so sich einstellenden Tragsystem eine radiale, horizontale Stützung der Säulen durch die Geotextilummantelung im Verbund mit der Stützwirkung der umgebenden Weichschicht sichergestellt.
Die Interaktivität des Tragsystems entsteht zwischen der radialen Stützwirkung aus den Ringzugkräften des Geotextils und der Stützwirkung der Weichschichten. Wie schon angeführt, ist neben den Ringzugkräften auch die Größe der interaktiven Stützwirkung des umgebenden Bodens an die Säulenverformung gebunden. Die Belastung des Systems infolge einer Überschüttung führt einerseits zu einer teil weisen Lastumlagerung auf die Säulen, andererseits bewirkt die verbleibende Last auf den Weichschichten einen Porenwasserüberdruck und damit eine Vergrößerung der Stützwirkung auf die Säulen. Je größer der Bodenwiderstand, desto größer ist die Stützwirkung.
Die Größe des Bodenwiderstands wird wesentlich vom Konsolidierungsgrad in der Weichschicht und somit von der Größe der Auflastspannungen über der Weichschicht bestimmt. Die Auflastspannungen über der Weichschicht werden jedoch infolge einer Gewölbewirkung bei einer Überschüttung vermindert, da die Säule im Vergleich zur Weichschicht ein etwas steiferes Element darstellt und näherungsweise Setzungsgleichheit zwischen Säule und umgebender Weichschicht angenommen werden kann. Da die Spannungsverteilung von dem Steifigkeitsverhältnis zwischen Säule und umgebender Weichschicht abhängt und die Steifigkeit der Säule auch durch die radiale Stützung bestimmt wird, überlagern und beeinflussen sich die verschiedenen Wechselwirkungen. Letztlich ergibt sich ein interaktives und selbstregulierendes Tragverhalten. Mit der Einbringung der Säulen im Verdrängungsverfahren wird eine Drehung der Hauptspannung im Boden bewirkt, welches dadurch zu Ausdruck kommt, dass der stützende Bodenwiderstand sich erhöht, so dass die Säulen wiederum mehr Lasten aufnehmen können und insgesamt eine Verbesserung des Tragsystems bewirkt wird.
Das Tragsystem wird so ausgelegt, dass ein großer Teil der Bauwerks- und Verkehrslasten über die Sandsäulen und der verbleibende Teil der Lasten von den, durch das Herstellungsverfahren verbesserten Weichschichten aufgenommen wird.
Das nach der vorgenannten Lehre hergestellte Tragsystem funktioniert deshalb dergestalt, dass die für das Bauwerk maßgebenden Restsetzungen (Sekundärsetzungen) nicht den normalen Konsolidierungsabläufen für weiche Schichten folgen, sondern sich durch eine fortlaufende Abnahme der für die Sekundärsetzungen maßgebenden Spannungen erheblich verringern.
Die Sekundärsetzungen sind gering, da infolge der zugfesten Ummantelung der Sandsäulen nur ein geringes Spannungsniveau in den Weichschichten herrscht und die Spannungen infolge der Stützwirkung weitgehend isotrop sind und damit nur eine geringe Kriechwirkung vorhanden ist.
Ein derartiges Trag- oder Gründungssystem hat eine Vielzahl von Vorteilen, die sich einerseits aus den herkömmlichen Wirkungen einer Bodenverbesserung durch das Säulenverfahren und andererseits durch die speziellen Eigenschaften des Gründungssystems und deren Wechselwirkungen bestimmt. So kann ein Tragsystem mit geotextilummantelten Sandsäulen in extrem weichen Böden (cu < 15kN/m²) aus geführt werden. Durch die Lastkonzentration auf die Säulen wird eine erhebliche Setzungsreduktion erreicht.
Durch Auswahl eines geeigneten Säulenmaterials, sowie die Auswahl und Dimensionierung der Ummantelung wird eine Erhöhung des Scherwiderstandes im Gesamtsystem der Weichschicht und damit eine Vergrößerung der Sicherheit gegen Grund- und Geländebruch erreicht. Dazu wird das gewebte Material nach Zugfestigkeit in Umfangs- und Längsrichtung genau bemessen und diese Parameter gehen in die statische Berechnung mit ein. Die Ummantelung stellt die Filterstabilität zwischen der Weichschicht und dem Säulenmaterial sicher.
Das Gründungssystem verhält sich flexibel und weitgehend „selbstregulierend". Starre Auflagerpunkte mit einer möglichen Durchstanzgefahr werden vermieden.
Je nach Beschaffenheit der Weichschicht nehmen derartige geotextilummantelte Säulen einen relativ großen Flächenanteil ein, von beispielsweise 15, 20 und mehr Prozent. Der Aufwand für die geotextilummantelten Sandsäulen wird maßgebend von dem Geotextilmaterial mitbestimmt. Bis zu 50% des Gesamtaufwandes kann mit diesem Material verbunden sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem das Tragsystem mit geotextilummantelten Sandsäulen dahingehend verbessert werden kann, dass der Einsatz an Geotextilmaterial reduziert und der Boden zwischen den geotextilummantelten Sandsäulen vermehrt zur Lastabtragung herangezogen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem Verfahren nach Patentanspruch 1 erfolgt zunächst die Herstellung eines Tragsystems mit geotextilummantelten Sandsäulen in herkömmlicher Weise, d.h. im „Vor-Kopf-Betrieb" werden die Säulen so hergestellt, dass das Einbaugerät auf den zuvor hergestellten Säulen fährt und nicht in die Weichschichten einbrechen kann. Der Abstand der Säulen und die Auslegung des Geotextils werden derart dimensioniert, dass jeder Bauzwischenzustand bei ausreichender Sicherheit hergestellt werden kann. Reserven für höhere Lasten sind nicht vorgesehen. In einem zweiten Arbeitsschritt wird das hergestellte Tragsystem z.B. mit einer Lage Sand überschüttet, die geringer ist, als die Last der zuvor eingesetzten Baugeräte. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne, die für eine Teilkonsolidierung der Weichschicht bemessen ist, erfolgt nach der Erfindung der Einbau von Vertikaldränagen, insbesondere von vertikalen Flach- Rund- oder Sanddräns in die Weichbodenzwickel zwischen den Sandsäulen im Verdrängungsverfahren. Durch diese Maßnahme wird der Boden in einen neuen, annähernd isotropen Spannungszustand versetzt, mit der Absicht, dass der neue Spannungszustand zu erneuter Konsolidierung und beschleunigtem Porenwasseraustritt, sowie zu einer Erhöhung der radialen Stützwirkung auf die Sandsäulen führt. Durch die weitere Konsolidierung werden die bodenmechanischen Parameter verbessert und erreichen schließlich die der Bemessung des Bauwerkes zugrunde gelegten Werte. Nach Erreichen dieser Werte ist das vordimensionierte, interaktive Tragsystem errichtet und kann sämtliche ihm zugeordneten Lasten übernehmen. Eine zusätzliche Beschleunigung der Konsolidierungssetzungen während der Bauzeit kann durch zusätzliche flächenhafte Auflasten und Überlasten bewirkt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, die oberen Enden der Vertikaldränage mit einem wasserabführenden System zu verbinden. So können z.B. an die oberen Enden von Vertikaldräns Leitungen angeschlossen werden, wobei mit Hilfe einer oder mehrerer Pumpen das austretende Wasser abgepumpt wird. Alternativ kann ein Horizontaldrän mit den Vertikaldräns verbunden werden, der das hochsteigende Wasser seitlich abführt, etwa auch unter Verwendung einer Pumpe.
Anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird ein Verfahren nach der Erfindung nachfolgend näher erläutert.
1 zeigt schematisch das Einbringen von geotextilummantelten Säulen von einem Arbeitsplanum aus.
2 zeigt das Raster, in dem die Säulen eingebracht werden.
3 zeigt die Überschüttung der Säulenköpfe mit Sand nach 1.
4 zeigt das Einbringen von Vertikaldränagevorrichtungen in den Bodenkörper gemäß 1.
5 zeigt die Überschüttung bis zur Endhöhe des Bauwerks im Anschluss an 4.
6 zeigt das Raster der Anordnung der Säulen und der Vertikaldränagevorrichtungen dazwischen.
7 zeigt ein Beispiel für ein ähnliches Raster wie in 6.
8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Rasters für die Vertikaldränage wie in 6.
Gemäß 1 wird auf eine Weichschicht 10 ein leichtes Trennvlies 12 aufgebracht und auf diesem eine erste Sandlage 14 von z.B. einer Dicke von 0,5 mm. Die erste Sandlage 14 bildet das Arbeitsplanum für ein Eintreibgerät 16 zum Eintreiben eines Verdrängungsrohrs in die darunter liegenden Schichten in an sich bekannter Weise.
Ein derartiges Verfahren soll daher nicht beschrieben werden. In das Verdrängungsrohr wird in bekannter Weise ein Sack aus Geotextilmaterial eingebracht, das eine vorgegebene Festigkeit und Elastizität aufweist und vorzugsweise im Rundwebverfahren hergestellt ist. Ein derartiger Sack oder eine derartige Umhüllung ist aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik an sich bekannt. Er hat z.B. einen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des nicht gezeigten Verdrängungsrohrs. In den Sack im Verdrängungsrohr wird z.B. Sand eingefüllt. Anschließend wird das Verdrängungsrohr gezogen und es findet eine Interaktion statt zwischen den Kräften innerhalb der gebildeten Sandsäule und der umgebenden Weichschicht. Je nach Belastung und Höhe der Spannungen in der Umhüllung und den umgebenden Weichschichten wird die Säule zunächst radial gering gestaucht und dehnt sich anschließend radial unter Aufbau einer Gegenspannung im Boden aus. Die auf diese Weise gebildeten geotextilummantelten Säulen sind in 1 mit 20 bezeichnet. Sie werden im Vor-Kopf-Verfahren hergestellt, d.h. das Gerät 16 stützt sich auf bereits erstellten Säulen 20 ab, so dass keine Gefahr besteht, dass es in der Weichschicht 10 versackt.
In 1 ist ferner dargestellt, dass eine zweite Sandlage 22 von einer Dicke von 0,5 m auf die erste Lage 14 aufgebracht ist. Dies geschieht unmittelbar im Anschluss an das Einbringen der Säulen.
Die Säulen 20 werden nach einem vorgegebenen Raster erstellt, wie es in 2 dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Säulen einer Reihe beträgt zum Beispiel 2,4 m. Der Abstand zwischen zwei Reihen beträgt z.B. etwa 2 m. Bei einem Durchmesser der Säulen von 80 cm ergibt sich hieraus einen Flächenanteil der Säulen 20 von ca. 10%.
In 3 ist dargestellt, wie auf die kombinierte Schicht aus den Lagen 14 und 22, welche in 3 mit 26 bezeichnet ist, eine dritte Sandlage 28 aufgeschüttet wird mit einer Dicke von z.B. 1,0 m. Aus den 1 und 3 ist zu erkennen, dass die Säulen 20 mit ihren Köpfen aus der Weichschicht 10 hervorstehen. Die erste Sandlage 14 schließt bündig mit der Oberkante der Säulenköpfe ab. Nach dem Ausbringen der dritten Sandlage steht die Weichschicht 10 unter einer erheblichen Auflast, welche einen entsprechenden Bodendruck erzeugt. An Stellen, die mit 30 bzw. 32 bezeichnet sind, können so genannte Setzungsmessungen vorgenommen werden.
Von der Oberfläche der Sandlage 28 oder einem tiefer liegenden Sandhorizont, z.B. der Sandlage 26 werden mit Hilfe eines Eintreibgerätes 34 gemäß 4 so genannte Vertikaldräns in die Zwischenräume zwischen den Säulen 20 eingebracht. Vertikaldräns sind an sich bekannt als Flach- Rund- oder Sanddräns, die mit Hilfe eines Hohlprofils, insbesondere eines Rohres entsprechenden Durchmessers in den Boden eingetrieben werden. Aufgrund des Bodendrucks durch die Auflast wird das Wasser über die Vertikaldräns nach oben gedrückt. Es kann mit Hilfe eines Wasserabführsystems zur Seite abgeleitet werden. Hierauf soll im Einzelnen nicht näher eingegangen werden. Anstelle der erwähnten Dräns können auch Sand- oder Schottersäulen geringen Durchmessers eingebracht werden, und zwar wiederum mit einem Verdrängungsrohr geeigneten Durchmessers von z.B. 40, 60 oder 80 cm. Nach dem Eintreiben eines Verdrängungsrohrs wird Sand oder Schotter eingefüllt und anschließend das Verdrängungsrohr mit geöffnetem Bodenverschluss wieder gezogen. Auf diese Weise wird eine Säule gebildete, die ebenfalls eine Vertikaldränage darstellt. Es versteht sich, dass der Aufwand zur Herstellung derartiger Vertikaldräns oder Dränsäulen ohne Ummantelung signifikant kleiner ist als der für die Herstellung geotextilummantelter Sandsäulen nach dem Stand der Technik.
Die beschriebene Vertikaldränage führt in den Bereichen zwischen den Sandsäulen 20 zu einer Konsolidierung der Weichschicht 10. Mit Hilfe von Widerstandsmessungen, z.B. an den Orten 40, 42, lässt sich feststellen, wie weit sich die Tragfähigkeit der Schicht 20 verbessert hat.
Nach der Verlegung einer zugfesten Geotextillage 44 und durch anschließendes Aufbringen weiteren Sandlagen 46 gemäß 5 von z.B. einer Dicke von 2 m wird die Endhöhe des Bauwerks erhalten oder auch eine temporäre Überlast aufgebracht, um eine entsprechende Auflastspannung für das beschriebene System zu erzeugen. An den Stellen 50, 52 oder 54 können Boden-Widerstandsmessungen vorgenommen werden, um das Tragverhalten des Bodens zu untersuchen.
In 6 ist noch einmal das Raster der Sandsäulen 20 angedeutet. Außerdem ist das Raster der Vertikaldräns 60 zu erkennen. Es ist zu erkennen, dass in jedem Dreieck, das von Sandsäulen 20 aufgespannt wird, jeweils mittig ein Vertikaldrän angeordnet ist.
7 zeigt wiederum das Raster der Sandsäulen 20 nach 6 mit den Abmessungen des Rasters, wobei jeweils nur in jedem zweiten Dreieck, das von benachbarten Sandsäulen 20 aufgespannt ist, ein Vertikaldrän eingebracht ist.
Das Raster von geotextilummantelten Sandsäulen 20 einerseits und von Vertikaldräns 60 andererseits in 8 entspricht annähernd dem von 6, wobei wiederum bezüglich der beiden Raster die Maße angegeben sind. Es versteht sich, dass die Maße lediglich beispielhaft sind. Auf jeden Fall ergibt sich auch hieraus, dass der Flächenanteil der Sandsäulen 20 nur etwa 10% ausmacht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines interaktiven Tragsystems aus geotextilummantelten Sandsäulen und den anstehenden Böden zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten bei wenig tragfähigem Untergrund mit den folgenden Verfahrensschritten: – in die Weichschicht werden Säulen aus verdichtetem körnigen Material mit einer Umhüllung aus dehnweichem, zugfestem Geotextihnaterial eingebracht, wobei die Umhüllung so bemessen wird, dass die Säulen Lasten von Bauzwischenzuständen abtragen und nach Herstellung des vollständigen Tragsystems ein flexibles, selbstregulierendes Tragverhalten aufweisen, indem bei einem Nachgeben der Säulen bei Belastung die Lasten zumindest teilweise auf die umgebende Weichschicht umgelagert werden und sich ein zeit- und lastabhängiges Gleichgewicht ergibt – anschließend werden zwischen den Säulen, vorzugsweise nach einem vorgegebenen Raster, Vertikaldränagen eingebracht – zur Herstellung des vollständigen Tragsystems werden sowohl die umhüllten Säulen, wie auch die Dräns mit einer Schicht aus rolligem Material, vorzugsweise Sand, überdeckt, sodass ein interaktives, selbst regulierendes Tragsystem aus Sandsäulen, Dränagen und dem umgebenden Boden entsteht, das bei Erhöhung der Belastung mit einem Nachgeben der Säulen reagiert, wodurch die Lasten zumindest teilweise auf die umgebende Weichschicht umgelagert werden und sich ein zeit- und lastabhängiges Gleichgewicht ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass vor Herstellung des Arbeitsplanums aus rolligem Material eine Geotextillage mit trennenden und lastverteilenden Eigenschaften auf die Weichschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder/und nach dem Einbringen der Vertikaldränagen eine Schicht aus körnigem Material auf die Weichschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vertikaldränagen Flach-, Rund- oder Sanddräns verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vertikaldränagen Säulen aus Sand, Schotter oder dergleichen mit oder ohne geotextiler Ummantelung im Verdrängungsverfahren in die Weichschicht eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Dränagesäulen kleiner als der oder gleich dem der geotextilummantelten Säulen ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dränagesäulen dadurch hergestellt werden, dass zunächst ein Verdrängungsrohr in die Weichschicht eingetrieben wird, das anschließend mit Sand oder Schotter oder dergleichen, vorzugsweise ohne Umhüllung, gefüllt und bei geöffnetem Bodenverschluss anschließend wieder herausgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Enden der Vertikaldränagen mit einem wasserabführenden System verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Vertikaldränagen eine Lage aus luftundurchlässigem Material aufgebracht und unterhalb der Lage ein Unterdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der von den geotextilummantelten Sandsäulen eingenommene Flächenanteil kleiner als 12% ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fertigstellung des Bauwerkes auf eine lastverteilende, zugfeste Geotextillage mindestens eine Überschüttung bis zur Endhöhe des Bauwerkes ausgeführt wird.
Ummantelung aus Geotextil zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein speziell für den jeweiligen Anwendungsfall dimensioniertes Geotextil für die Ummantelung hergestellt wird, bei dem die Längsfestigkeit der Kettfäden derartig bemessen ist, dass das Tragsystem aus Sandsäulen, Dränagen und umgebendem Boden durch die Wirkung des rolligen Materials in den Säulen und die Längsfestigkeit des Ummantelungsmaterials die erforderliche Sicherheit gegen Gelände- und Grundbruch schon in der Bauphase gewährleistet.