DE10324161A1

DE10324161A1 - Arrangement for improving bearing characteristic of underwater foundations, anchorages artificially reduces pore water pressure in sediment bounding structure with soil drainage arrangement

Info

Publication number: DE10324161A1
Application number: DE2003124161
Authority: DE
Inventors: Jens Schupp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-25
Filing date: 2003-05-25
Publication date: 2004-12-16

Abstract

The arrangement artificially reduces the pore water pressure in the sediment (A4) bounding on the foundation or anchorage structure with a soil drainage arrangement consisting of a hollow dewatering body (A5) and a filter (A2) and connected to a pump (A3). The hollow dewatering body can be attached outside or inside the pile pipe (A1).

Description

Anwendungsgebiet field of use

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Stand der Technik State of the art

Aufgrund der Baugrundverhältnisse und der großen Belastungen neigen Gründungs- und Verankerungsbauwerke im submarinen Bereich zu großen Verformungen welche die Gebrauchstauglichkeit der Bauwerke leicht gefährdet. Dieser Umstand betrifft in besonderem Maße die Gründung von Offshore Windenergieanlagen – hier ist die Wirtschaftlichkeit der Anlagen auf Grund des dementsprechend hohen Gründungsaufwandes gefährdet, wodurch sich zwangsläufig erhebliche Einschränkungen bei der Standortwahl ergeben.by virtue of the ground conditions and the big one Loads tend to start-up and anchoring structures in the submarine area to large deformations which slightly endangers the fitness for purpose of the buildings. This Circumstance particularly affects the establishment of offshore wind turbines - here is the economic viability of the systems accordingly high foundation effort endangered, which inevitably turns out to be significant restrictions result in the choice of location.

Die bisherige Vorgehensweise zur Bewerkstelligung einer angemessenen Tragfähigkeit submariner Gründungsbau-werke untergliedert sich hauptsächlich in drei Verfahren:

A) Vergrößerung der Gründungsdimension oder Aus weichen auf andere Gründungssystem.
B) Injektion von bodenverfestigenden Mitteln im Grün dungsbereich.
C) Drainierung des Bodens im Gründungsbereich.

The previous procedure for achieving an adequate load-bearing capacity of submarine foundation structures is mainly divided into three processes:

A) Enlargement of the foundation dimension or switch to another foundation system.
B) Injection of soil stabilizing agents in the green area.
C) Drainage of the soil in the foundation area.

Zu C) Aus Veröffentlichungen sind diverse Verfahren bekannt, die eine Verbesserung der Gründungseigenschaften mit Hilfe einer Drainage anstreben. Das Wirkprinzip der Drainierung lässt sich prinzipiell in zwei Kategorien untergliedern:

1) Reduzierung der Verflüssigungsanfälligkeit von Böden durch den Abbau von Porenwasserüberdrücken mit einer Drainage. Diese Verfahren finden hauptsächlich ihr Einsatzgebiet in erdbebengefährdeten Gebieten und beziehen sich nicht ausschließlich auf Gründungsbauwerke. Die Drainierung erfolgt ausschließlich passiv, d.h. die Porenwasserflüsse im Boden folgen dem natürlichen Druckgradienten – es wird kein künstlicher Unterdruck in der Drainage erzeugt. Vgl.: JP01226921A , JP62146315A , JP01239219A , JP2002322637A , JP11001921A , JP11001922A , JP02300412A , JP01125413A , JP04115011A , JP04302610A , JP61200216A .
2) Beschleunigung der Konsolidierung und damit Verfestigung von Böden im Bereich des Gründungskörpers durch die Reduzierung von Porenwasserdrücken mit einer Drainage. Hier gibt es zusätzlich zu einer passiven auch eine aktive Variante, die mit Hilfe einer Pumpe einen künstlichen Druckgradienten zur Drainage hin erzeugt. Allerdings ist die Druckdifferenz hier konstruktionsbedingt auf ca. 100 kPa begrenzt, da die hierfür verwendete Pumpe nur gegen den Atmosphärendruck arbeitet. Passive Variante vgl.: JP60250117A . Aktive Variante vgl.; JP01105813A , JP06264432A , JP01304215A .

Regarding C) Various processes are known from publications which aim to improve the foundation properties with the aid of drainage. The principle of action of drainage can basically be divided into two categories:

1) Reducing the susceptibility to liquefaction of soils by reducing pore water pressures with a drainage. These methods are mainly used in earthquake-prone areas and do not refer exclusively to foundation structures. The drainage is only passive, ie the pore water flows in the soil follow the natural pressure gradient - no artificial negative pressure is generated in the drainage. See.: JP01226921A . JP62146315A . JP01239219A . JP2002322637A . JP11001921A . JP11001922A . JP02300412A . JP01125413A . JP04115011A . JP04302610A . JP61200216A ,
2) Accelerated consolidation and thus consolidation of soils in the area of the foundation body by reducing pore water pressures with drainage. In addition to a passive version, there is also an active version that uses a pump to create an artificial pressure gradient for drainage. Due to the design, however, the pressure difference is limited to approx. 100 kPa, since the pump used for this only works against atmospheric pressure. Passive variant see: JP60250117A , Active variant cf. JP01105813A . JP06264432A . JP01304215A ,

Nachteil des Standes der TechnikDisadvantage of the state of the technology

Zu A) Eine Vergrößerung der Gründungsdimension kann an die Grenze der technischen Realisierbarkeit stoßen. Für Offshore Windenergieanlagen bedeutet das beispielsweise, dass unter gewissen Bedingungen (Belastungsintensität, Wassertiefe, Baugrund) anstelle der kostengünstigeren Monopile-Konstruktion auf die teurere Tripod-Konstruktion zurückgegriffen werden muss. Für beide Fälle, Gründungsdimension und Gründungsvariante gilt, dass sie die Wirtschaftlichkeit des Bauwerks beeinträchtigen.To A) An enlargement of the founding dimension can reach the limit of technical feasibility. For offshore For example, wind turbines means that under certain Conditions (load intensity, Water depth, subsoil) instead of the cheaper monopile construction the more expensive tripod construction has to be used. For both Cases, founding dimension and foundation variant applies that they affect the economy of the structure.

Zu B) Dieses Verfahren findet seine Anwendungsgrenze in der Durchlässigkeit des zu injizierenden Bodens. Es muss zudem der Nachweis der Umweltverträglichkeit erbracht sein.To B) This method has its application limit in permeability of the soil to be injected. There must also be proof of environmental compatibility be accomplished.

Zu C) Die Drainierung sieht nur eine Abwendung von Bodenverflüssigungen oder eine Bodenverfestigung vor. Der Stand der Technik im Bezug auf aktive Drainierungen sieht nicht vor, durch das künstliche erzeugen eines Porenwasserunterdrucks die effektiven Spannungen im Boden zur Verbesserung des Tragverhaltens der Gründung gezielt zu erhöhen.To C) The drainage sees only averting soil liquefaction or ground consolidation. The state of the art in relation does not provide for active drainage through the artificial create a pore water negative pressure the effective tensions targeted in the ground to improve the load-bearing behavior of the foundation to increase.

Aufgabe der Erfindung Object of the invention

Aufgabe der Erfindung ist eine wirtschaftliche und umweltverträgliche Verbesserung des Kurzzeit- und Langzeittragverhaltens submariner Gründungs- und Verankerungssysteme zu bewerkstelligen.task the invention is an economical and environmentally friendly improvement the short-term and long-term carrying behavior of submarine foundation and anchoring systems.

Lösung der Aufgabe Solution of the task

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 gelöst.This Task is achieved by a device according to the preamble of claim 1 solved.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die Erfindung macht sich die Gewichtskraft der überlagerten Wassersäule für die Tragkraftsteigerung submariner Gründung zu nutze. Aus bodenmechanischer Sicht hat der im Sediment herrschende Porenwasserdruck primär keine tragende Wirkung. Wird jedoch im Gründungsbereich der Porenwasserdruck künstlich abgesenkt so findet eine Spannungsumlagerung statt – der Wasserdruck aus der überlagerten Wassersäule wird jetzt von den Korn zu Korn Spannungen (effektive Spannungen) aufgenommen. Eine Steigerung der effektiven Spannungen erhöht einerseits die Steifigkeit und Bruchfestigkeit des Sediments und anderseits die mobilisierbare Mantelreibung zwischen Boden und Bauwerk. Dieses Verfahren wird mit zunehmender Wassertiefe immer effektiver, da mit zunehmender Wasserüberlagerung auch die realisierbare Spannungsumlagerung zunimmt.The invention makes use of the weight of the superimposed water column to increase the load capacity of the submarine foundation. From a soil mechanics point of view, the pore water pressure prevailing in the sediment primarily has no supporting effect. However, if the pore water pressure is artificially reduced in the foundation area, a stress redistribution takes place - the water pressure from the superimposed water column now changes from grain to grain tension (effective tension) added. An increase in the effective stress increases the rigidity and breaking strength of the sediment on the one hand and the mobilizable casing friction between the floor and the structure on the other. This method becomes more and more effective with increasing water depth, since the realizable stress redistribution also increases with increasing water overlay.

Der Vorteil der Erfindung liegt nun darin, dass mit zunehmender Wassertiefe dementsprechend auch die Wirkung des Verfahrens zunimmt. Da mit zunehmender Wassertiefe in der Regel auch die Belastungen auf submarine Gründungsbauwerke zunehmen stellt diese Gründungsmethode ein wirkungsvolles Verfahren dar, mit dem Gründungsbauwerke in größeren Tiefen wirtschaftlicher als bisher realisiert werden können.The The advantage of the invention is that with increasing water depth the effect of the method accordingly increases. In order to increasing water depth usually also affects the submarine establishment of structures this foundation method increases an effective process with which foundation structures at greater depths can be realized more economically than before.

Wird das submarine Gründungsbauwerk nicht nur statischen Belastungen sondern auch zyklischen und/oder dynamischen Schwell- bzw. Wechselbelastungen unterworfen ergibt sich ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens. Unter veränderli chen Lasten neigen nahezu bis vollständig wassergesättigte Böden sich im bodenmechanischen Sinne zu verflüssigen. Diese Erscheinung äußert sich in großen Deformationen des Bodens und ist allgemein auf das Auftreten von Porenwasserüberdrücke mit der gleichzeitigen Reduzierung der effektiven Spannungen zurückzuführen. Durch das Verfahren wird hier der Entstehung von Porenwasserüberdrücke wirkungsvoll entgegengewirkt. So werden die potentiellen Deformationen des Bodens im Gründungsbereich, welche die Gebrauchstauglichkeit gefährden bis hin zum Tragfähigkeitsverlust, effektiv verhindert.Becomes the submarine foundation structure is not only static loads but also cyclical and / or dynamic Subject to threshold and alternating loads there is another advantage this procedure. Under changeable Loads tend to be almost to complete water-saturated soils to liquefy in the soil mechanical sense. This phenomenon manifests itself in large Deformations of the floor and is generally due to the appearance of Pore water pressures with the simultaneous reduction of the effective tensions. By the process is effective in creating pore water pressures counteracted. So the potential deformations of the floor in the foundation area, which endanger usability up to loss of load capacity, effectively prevented.

Bei dauerhaftem Betrieb der aktiven Drainage ergibt sich im Bereich von Böden mit einem ausgeprägten Zeit-Setzungsverhalten (z.B. Ton) zusätzlich noch der Vorteil, dass der Boden im Gründungsbereich auf höheres effektives Spannungsniveau konsolidiert wird und hierdurch die Tragfähigkeit nachhaltig verbessert wird.at permanent operation of the active drainage results in the area of floors with a pronounced Time-setting behavior (e.g. sound) additionally Another advantage is that the soil in the foundation area is more effective Stress level is consolidated and thus the sustainability sustainable is improved.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist seine uneingeschränkte ökologische Verträglichkeit.On Another advantage of the process is its unrestricted ecological Compatibility.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.embodiments the invention are illustrated in the drawings and are in following closer described.

Es zeigenIt demonstrate

1: einen vertikalen Schnitt durch eine submarine Pfahlgründung (Anwendungsbeispiel A) und 1 : a vertical section through a submarine pile foundation (application example A) and

2: horizontale Schnittzeichnungen durch den Pfahlgründungskörper (Anwendungsbeispiel A) und 2 : horizontal sectional drawings through the pile foundation body (application example A) and

3: einen vertikalen Schnitt durch eine submarine Pfahlgründung (Anwendungsbeispiel B) und 3 : a vertical section through a submarine pile foundation (application example B) and

4: horizontale Schnittzeichnungen durch den Pfahlgründungskörper (Anwendungsbeispiel B). 4 : horizontal sectional drawings through the pile foundation body (application example B).

Anwendungsbeispiel A erläutert die Vorrichtung nach Anspruch 1 an einer Pfahlgründung, bestehend aus einem Stahlrohr (A1) in einem submarinen Sediment (A4). Bei dem Pfahl (A1) sind an der äußeren Mantelfläche längliche Entwässerungshohlkörper (A5) angebracht, die zur Entwässerung der Drainage (A2) dienen. Die Hohlkörper (A5) können aus Winkel- (A9) bzw. Kastenprofilen oder gewölbten Blechen (A10) bestehen, die über Öffnungen (A12) eine Verbindung zu dem Filter (A2) herstellen, der als Drainage fungiert. Der Filter (A2) besteht aus einem Filtermaterial, welches einerseits ein eindringen von Bodenpartikeln in das Entwässerungssystem minimiert und anderseits sich aber nicht zusetzt/verstopfen darf. Das Filtermaterial kann lokal oder aber auch flächendeckend am äußeren Pfahlmantel (A1) und/oder an den Entwässerungshohlkörpern (A5) angebracht werden. Je nach Bodenart können die Öffnungen (A12) so klein gewählt werden, dass der Filter (A2) entfallen kann. Für diesen Fall fungieren die Öffnungen (A12) als Filter. Die Entwässerungshohlkörper sind über Öffnungen (A11) mit der Unterdruckkammer (A6) verbunden, die ihrerseits mit einer Pumpe (A3) verbunden ist. Die Deckel (A13) und (A14) werden erst nach der Fertigstellung des Pfahles angebracht um den Pfahleinbau nicht zu behindern. Der Deckel (A13) verfügt über ein Verbindung (A7) zum Pfahlinneren. Über die Verbindung (A7) kann der Zwischenraum zwischen Deckel (A13) und Meeresbodenoberfläche mit aushärtenden Mitteln verpresst werden. Die Unterdruckkammer ist nach oben mit dem Deckel (A14) verschlossen, der eine Verbindung mit der Pumpe (A3) besitzt. Die Unterdruckkammer (A6) ist nach der Fertigstellung für Montage- und Wartungszwecke noch über die Luke (A8) zu erreichen. Abhängig von den Eigenschaften des anstehende Sedimentes (A4), kann ein Bedarfsweiser oder auch dauerhafter Betrieb der Pumpe (A3) vorgesehen werden.example A explains the device of claim 1 on a pile foundation consisting of a Steel pipe (A1) in a submarine sediment (A4). At the stake (A1) are elongated on the outer surface Drainage hollow body (A5) attached to the drainage serve the drainage (A2). The hollow body (A5) can be made of angular (A9) or Box profiles or domed Sheets (A10) consist of openings (A12) Connect to the filter (A2), which acts as a drainage acts. The filter (A2) consists of a filter material, which on the one hand penetration of soil particles into the drainage system minimized and on the other hand not clogged / clogged. The filter material can be local or also covering the entire outer surface of the pile (A1) and / or on the drainage hollow bodies (A5) be attached. Depending on the type of floor, the openings (A12) can be selected so small that that the filter (A2) can be omitted. In this case, the openings function (A12) as a filter. The drainage hollow bodies are over openings (A11) connected to the vacuum chamber (A6), which in turn with a pump (A3) is connected. The covers (A13) and (A14) are attached to the pile installation only after completion of the pile not to hinder. The cover (A13) has a connection (A7) to the inside of the pile. About the Connection (A7) can the space between cover (A13) and Seabed surface with curing Means are pressed. The vacuum chamber is up with the Cover (A14) closed, which connects to the pump (A3) has. The vacuum chamber (A6) is after completion for assembly and maintenance purposes still over to reach the hatch (A8). Dependent of the properties of the pending sediment (A4), a signpost or permanent operation of the pump (A3) can also be provided.

Anwendungsbeispiel B: Verfahren analog zu dem Anwendungsbeispiel A nur mit innenliegenden Entwässerungshohlkörpern (B5), die über die Öffnungen (B11) mit der Unterdruckkammer (A6) verbunden sind.example B: Process analogous to application example A only with internal drainage hollow bodies (B5), the above the openings (B11) are connected to the vacuum chamber (A6).

Für beide Anwendungsbeispiele (A und B) gilt, dass die Abmessungen des Pfahlrohres (A1) beliebig gewählt werden können.For both Application examples (A and B) applies that the dimensions of the pile tube (A1) chosen arbitrarily can be.

Anwendungsbeispiel C: Bei einer submarinen Flachgründung wird an die Unterseite des Gründungsbauwerkes eine Vorrichtung analog zu den Anwendungsbeispielen A und B angebracht. Durch die Steigerung der effektiven Spannungen im anstehenden Boden und der effektiven Spannungen des Bodens gegenüber der Bodenfläche des Gründungsbauwerkes wird die Sicherheit gegen Gleiten, Kippen und Grundbruch erhöht.example C: With a submarine shallow foundation is at the bottom of the foundation structure a device analogous to the application examples A and B attached. By increasing the effective tension in the soil and the effective stresses of the ground against the ground surface of the founding Bauwerkes the security against sliding, tipping and breaking is increased.

Claims

Device for improving the load-bearing behavior of submarine foundation and anchoring structures , characterized in that with a floor drainage consisting of a hollow drainage body (A5 or B5) and a filter (A2), which is connected to a pump (A3), the pore water pressure in the foundation - or anchoring structure adjacent sediment (A4) is artificially lowered.

Device according to claim 1, characterized in that the drainage hollow body (A5) outside or the drainage hollow bodies (B5) within of the pile tube (A1) are attached.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that execution the hollow drainage body (A5) in the form of welded-on angle profiles (A9) can be done.

Device according to one of the preceding claims characterized that execution the hollow drainage body (A5) in the form of welded on Shaped sheets (A10) can be made.

Device according to one of the preceding claims characterized that the drainage hollow bodies (A5) or (B5) a connection via the openings Have (A12) with the filter (A2).

Device according to one of the preceding claims characterized that the drainage consists of a filter (A2), the flat or locally on the pile casing (A1) and / or on the drainage hollow bodies (A5) is attached.

Device according to one of the preceding claims marked that the openings (A12) can also be used as drainage without a filter (A2) can.

Device according to one of the preceding claims characterized that the filter (A2) made of expanded metal, perforated metal, Wire mesh, sintered material, textile fabric can exist.

Device according to one of the preceding claims characterized that the drainage hollow body (A5 or B5) about the openings (A11 or B11) are connected to the vacuum chamber (A6).

Device according to one of the preceding claims characterized that they are about has a vacuum chamber (A6), which in turn is connected to the pump (A3) and through the cover (A13) and (A14) is closed up and down.

Device according to one of the preceding claims characterized in that the cover (A13) is a lockable connection (A7) to the inside of the pile.

Device according to one of the preceding claims characterized in that the lid (A14) is a lockable hatch (A8).

Device according to claim 1, characterized in that the design of the foundation or Anchoring structure is a pile (A1), which is manufactured as a tube which is open at least at its lower end.

Device according to claim 1, characterized in that the design of the foundation or Anchoring structure is a pile that is manufactured as a tube or solid body and is closed at its lower end.

Device according to claim 1, characterized in that the design of the foundation or Anchoring structure is a suction pole.

Device according to claim 1, characterized in that the design of the foundation or Anchoring structure is executed as a floor anchor.

Device according to claim 1, characterized in that the design of the foundation structure a shallow foundation corresponds, which is carried out with or without aprons and in which the device according to claim 1 either to the side and or below the foundation structure is attached.