DE19518830B4 - Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Stabilisierung des Untergrunds und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in standfeste Bereiche, insbesondere des Untergrunds von Verkehrswegen und Bauwerken oder seitlich davon, bei dem nicht ausreichend tragfähiges Bodenmaterial ausgehoben und tragfähiges Bodenmaterial aufgefüllt wird zur Erstellung einer Bodensäule, mit den folgenden Schritten:
– an diskreten Stellen wird ein Mantelrohr in den Boden eingebracht und das nicht ausreichend tragfähige Bodenmaterial aus dem Mantelrohr entfernt;
– in das Mantelrohr wird eine zugfeste vorgefertigte rohr-, schlauch- oder sackartige Hülle aus Geotextilmaterial eingebracht;
– als tragfähiges Bodenmaterial wird besonders hartes kornabgestuftes Material wie Kiessand, Gestein oder dergleichen in die Hülle gefüllt, wobei das tragfähige Material durch Vibration des Mantelrohrs beim Ziehen verdichtet wird nach Patent DE 4408173 , dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus dehnbarem, filterfähigem Material besteht und die Verdichtung des tragfähigen Materials eine Aufweitung der Hülle bewirkt derart, daß der umgebende Boden durch Teilverfestigung einen Teil...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in standfeste Bereiche nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Flächen, die der Bebauung oder dem Verkehr gewidmet sind, müssen so beschaffen sein, dass sie den statischen und dynamischen Belastungen durch die Eigen- und Verkehrslasten bzw. den Gebrauchslasten des Bauwerkes dauerhaft schadlos standhalten, d.h. dass diese Belastungen ohne nennenswerte Setzungen, Setzungsunterschiede und/oder Schwingungen aufgenommen werden.
• Bei Neubauten ist hierzu häufig eine Stabilisierung des nicht ausreichend tragfähigen Untergrundes sowie der Lastabstrahlungsbereiche und eine Abtragung der Lasten in tiefere, standfeste Bereiche des Untergrundes erforderlich.
• Bestehende Auffüllungen, Dämme u.Ä., insbesondere auf nicht ausreichend tragfähigem Untergrund entsprechen meist nicht den o.g. Anforderungen. In diesen Fällen ist eine Stabilisierung der vorhandenen Auffüllungen, Dämme o.Ä. und die Abtragung der Bauwerks- und Gebrauchslasten in den tieferen, standfesten Untergrund erforderlich.
• Nach dem Stand der Technik sind verschiedenartige Vorgehensweisen zur Verbesserung des Untergrundes bekannt. Bei einer Gruppe von Verfahren wird mit oder ohne Austausch von Bodenmaterial Bindemittel in einen säulenförmigen Bereich eingebracht und dieser Bereich damit verfestigt. Bei einem weiteren Verfahren wird Material wie Schotter o.Ä. in den zu verbessernden Boden eingerüttelt. Diese Vorgänge werden in räumlichen Abständen wiederholt, so dass eine Reihe von Säulen entsteht, auf denen der Verkehrsweg oder das Bauwerk gegründet wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 170 503 offenbart. Diese Verfahren erfordern einen großen Aufwand an Bindemitteln oder anderem Material, an baulichen Maßnahmen etc. Diese Verfahren haben aber auch technische Nachteile für die darauf zu gründenden Verkehrswege und Bauwerke.
• Nach den Zulassungsvorschriften für diese Verfahren sind sie für einen Untergrund mit sehr weichem Boden nicht geeignet.
• Andere Verfahren sehen den vollständigen Austausch von Bodenmaterial meist bis auf den festen Untergrund vor. Dabei wird der nicht ausreichend tragfähige Boden entnommen und durch ausreichend tragfähiges Material, meist Kiessand o.Ä., ersetzt.
• Aus Patent Abstracts of Japan M-884 Okt. 26, 1989 Vol. 13/No. 473 oder Patent Abstracts of Japan M-874 Sept. 27, 1989 Vol. 13/No. 432 ist bekannt, eine Hülle in eine Bohrung im Boden einzubringen und diese mit einem hydraulischen Bindemittel zu füllen. In letzterer Druckschrift ist auch beschrieben, die Hülle entlang ihrer Länge mit unterschiedlichem Dehnungsvermögen auszustatten, insbesondere den unteren Teil dehnungsfähiger zu machen. Die Hülle dient zur Herstellung der Säulenform vor dem Aushärten des hydraulischen Materials und gleichzeitig als Filter für den Hindurchtritt von Wasser aus dem härtenden Material.
• Aus US 961 492 ist auch bekannt, ein Mantelrohr in den Boden einzubringen und mit Hilfe einer Kolbenanordnung hydraulisches Material über das Mantelrohr in einen Sack einzufüllen, der zuvor eingebracht wurde.
• Aus GB 13 15 075A ist bekannt geworden, in einen Bodenkörper ein Rohr einzutreiben, anschließend zu leeren und in das Rohr eine Hülle einzubringen, die anschließend mit Beton gefüllt wird. Das Rohr wird mit zunehmender Befüllung gezogen, wodurch die Hülle sich im Bodenkörper birnenartig ausdehnt. Aus GB 410 280A ist ein ähnliches Verfahren bekannt geworden, wobei versucht wird, mit Hilfe einer gezielten Aufweitung im Fußbereich einen Fußkörper aus Beton herzustellen.
• Aus DE 36 30 96 C2 ist bekannt geworden, zur Stabilisierung rutschgefährdeter Erdmassen Löcher zu formen, wobei eine Bewehrung in den Löchern eingebracht wird. Anschließend wird ein Füllstoff in Form von Schotter, Kies oder Schlacke in die jeweiligen Löcher eingebracht, wobei als Bewehrung eine elastisch verformbare Kunststoffmatte verwendet wird.
• Aus DE 37 00 866 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kaimauer bekannt geworden, bei der, ausgehend vom anstehenden Boden, zunächst im Bereich unterhalb der zu erstellenden Stahl-Beton-Konstruktion eine dünne bindige Schicht entfernt und stattdessen zunächst eine nur annähernd ebenso dicke Lage aus Sandboden aufgebracht wird. In einem vorgegebenen Raster werden durch die dünne Sandlage und die darunter verbliebenen bindigen Schichten hindurch bis in den gewachsenen nicht bindigen Untergrund hinein Sandpfähle eingebracht. Schließlich wird zwischen einer zwischenzeitlich eingerahmten Spundwand eine restliche Sandauffüllung vorgenommen, wobei das Raster für die Sandpfähle so eng ist und deren Durchmesser so groß bemessen ist, daß sie einen erheblichen Teil der Last der Sandauffüllung aufnehmen.
• Daneben werden im Stand der Technik weitere konstruktive Lösungen angewandt, wie z.B. Einbringen von vorgefertigten Pfählen oder die Herstellung von Pfählen oder Säulen aus Beton o.Ä. im nicht ausreichend tragfähigen Untergrund mit Hilfe von Bohrrohren o.Ä.
• Bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent DE 44 08 173 C2 wird an diskreten Stellen ein Mantelrohr eingebracht und das nicht ausreichend tragfähige Bodenmaterial ausgehoben.
• In das leere Mantelrohr wird eine rohr-, oder sackförmige Hülle aus zugfestem Geotextil-Material eingebracht, in die tragfähiges Material eingefüllt wird. Das Material der Säule wird beim Ziehen des Mantelrohrs verdichtet. Die Horizontalspannungen nach dem Verdichten bzw. dem Aufbringen einer Last werden weitgehend von dem Material der Ummantelung aufgenommen. Der umgebende Boden braucht keine tragende Funktion zu übernehmen. In manchen Fällen ist jedoch erwünscht, auch den umgebenden Boden zur Lastabstützung heranzuziehen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes von Verkehrswegen und Bauwerken zu schaffen, bei dem eine relativ geringe Menge an Bodenmaterial ausgetauscht wird und die Bauwerks- und Verkehrslasten wirksam abgetragen werden.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Bei dem Verfahren zur Verbesserung des Untergrundes und zur Übertragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in den festen Untergrund werden nach der vorliegenden Erfindung an diskreten Stellen vornehmlich rasterartig Säulen hergestellt, die aus tragfähigem Material wie Kiessand, Gestein o.Ä. bestehen und mit einem relativ zugfesten dehnbaren Material wie Geotextil o.Ä. ummantelt sind und bis in den tragfähigen Untergrund abgesetzt werden.
• Die Säulen werden mit Hilfe eines Mantelrohrs im Untergrund hergestellt. Aus diesem wird der nicht ausreichend tragfähige Boden ausgehoben. Dies kann durch Ausgreifern, Ausbohren oder Ausspülen erfolgen. Der Aushub erfolgt um ein bestimmtes Maß in den festen Untergrund hinein. Vor Auffüllung mit tragfähigem Material wie Kiessand, Gestein o.Ä. wird das Mantelrohr mit der Hülle aus dehnbarem zugfestem Material, das in Ring- bzw. Schlauchform eingebracht wird, ausgekleidet. Durch das Einfüllen des Materials wird die Hülle vollständig ausgefüllt und bis zu einem gewissen Grad gestreckt. Dadurch füllt die Säule den Innenraum des Mantelrohrs nahezu vollständig aus. Während des Ziehens des Mantelrohrs wird gleichzeitig das eingefüllte tragfähige Material durch Vibration verdichtet. Soweit entspricht das Verfahren dem nach DE 44 08 173 C2 .
• Unter der Wirkung dieser Verdichtung und des Eigengewichts des eingefüllten Materials und infolge der Dehnbarkeit des filterfähigen Geotextils wird eine Erweiterung der Säule in den umgebenden Boden hinein bewirkt. Dabei wird eine horinzontale Streckung der Ummantelung erreicht.
• In dem umgebenden, nicht ausreichend tragfähigen Boden entsteht eine Materialsäule mit großer Steifigkeit, die in den tragfähigen Untergrund abgesetzt ist. Die Bauwerks- und Verkehrslasten werden zum einen in den tragfähigen Boden übertragen und zum anderen teilweise durch Lastabstrahlung in den umgebenden Boden. Die Aufweitung der Hülle durch Verdichtung erfolgt derart, dass der umgebende Boden teilweise mit verdichtet und dadurch teilverfestigt wird und daher Horizontalkräfte aufzunehmen in der Lage ist. Die ummantelten Säulen können daher sowohl Vertikalspannungen im eingebauten Material abtragen als auch Horinzontalspannungen auf den umgebenden Boden leiten.
• Bei der Herstellung der Säulen wird das eingefüllte Material so verdichtet, dass dadurch eine ausreichend große horizontale Ausdehnung erzeugt wird und damit eine horizontale Spannung, die unabhängig von der vorhandenen Auflast erhalten bleibt. Die durch die Verdichtung erzeugte und bleibende horizontale Spannung ist immer größer als die für die Aufnahme der Gebrauchslasten erforderliche. Es kommt daher nicht zu nachträglichen Verformungen und Setzungen unter der Gebrauchslast.
• Für das Flachmaterial der Hülle kommen in Betracht: bewehrte oder unbewehrte Geotextilien in ein- oder mehrlagiger Fabrikation, Verbundmaterial aus Metall und Kunststoff, sowie vielerlei Kombinationsmaterial aus Geokunststoffen und hochzugfestem Band- und/oder Fasermaterial.
• Bei dem tragfähigen Material der Verfüllung handelt es sich bevorzugt um ein an sich besonders hartes, kornabgestuftes Material wie Kiessand, Gestein, Brechkorn, Schlacken, Bergematerial, Recyclingstoffe oder dergleichen, das ggf. auch mit polymerem oder hydraulisch wirkendem Bindemittel versehen sein kann.
• Das Verdichten des eingefüllten tragfähigen Materials kann durch Rütteln bzw. Vibrieren des Mantelrohrs bewirkt werden.
• Bei der Erfindung ist ferner eine Dränwirkung in die Säulen integriert, um einen Porenwasserabfluss aus dem nicht ausreichend tragfähigen Boden des Untergrundes zu ermöglichen, ohne dass dabei Feinteile des Bodens durch die Ummantelung in das Material der Säulen einwandern. Das Material des Mantels hat demzufolge eine Filterwirkung aufzuweisen. Dem Material der Säule wird Wasser entzogen. Dies kann z.B. durch eine Vakuumpumpe geschehen. Hierdurch kann langfristig eine Stabilisierung des umgebenden Bodens erreicht werden, der dadurch eine zusätzliche stützende Wirkung auf das Gesamtsystem ausüben kann.
• Das Maß der Stabilisierung des Untergrundes kann durch Variation der Säulendurchmesser, des Abstandes der Säulen bzw. des Rastermaßes und der Materialwahl bestimmt werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert, in denen:
• 1 einen Bereich des stabilisierten Bodens in einem vertikalen Schnitt,
• 2 einen stabilisierten Bodenbereich in der Draufsicht und
• 3 bis 6 das Einbringen einer Stabilisierungssäule vor dem Setzen des Mantelrohres (3) nach dem Ausheben des nicht ausreichend tragfähigen Bodenmaterials (4) nach dem Einsetzen der Hülle und Auffüllen mit tragfähigem Material (5) und beim Ziehen des Mantelrohres (6) in vertikalem Schnitt und
• 7 einen schematisch dargestellten Anwendungsfall für die Erfindung zeigen.
• 1a und 1b zeigen einen stabilisierten Untergrundbereich mit nicht ausreichend tragfähigem Bodenmaterial 10 und einem festen Untergrund 12. In dem Bodenbereich befinden sich Säulen 14 aus tragfähigem Material, die eine Hülle in Form eines Geotextilschlauches haben. Die Säulen 14 sind in Löchern 18 angeordnet, die sich im nicht ausreichend tragfähigen Bodenmaterial 10 und bis in den festen Untergrund 12 hinein erstrecken. Das tragfähige Material 14 ist verdichtet, so dass der Geotextilschlauch bis in den angrenzenden Bodenbereich 10, 12 aufgeweitet ist und den angrenzenden Boden teilverfestigt. Die Säulen 14 schließen etwa bündig mit dem Arbeitsplanum 20 ab, so dass eine von oben ausgeübte Last durch die Säulen 14 in den standfesten Bereich 12 und in den angrenzenden Boden abgetragen wird.
• 2 zeigt einen stabilisierten Untergrund eines Verkehrsweges 22 zwischen parallelen Seitenrändern 24. Die Stabilisierung erfolgt mittels drei Reihen gleichmäßig voneinander beabstandeter zylindrischer Säulen 26, die jeweils tragfähiges Material 14 mit einer Hülle 16 aus dehnbarem Geotextil aufweisen. Die Säulen 26 sind in einem regelmäßigen Muster gleichmäßig über die Breite des Verkehrsweges 22 verteilt, so dass insgesamt ein Bruchteil des gesamten Bodenmaterials unter der Verkehrswegfläche ausgetauscht ist.
• Anhand der 3 bis 6 wird nachfolgend beispielhaft das Erstellen einer Säule 26 erläutert.
• Hierfür kommt ein Mantelrohr 30 zum Einsatz.
• Das Verfahren wird mit Hilfe eines Baggers 40 als Trägergerät für die Vibrationseinrichtung durchgeführt, der mit einem Mäkler 42 bestückt ist. Der Mäkler 42 trägt einen Zangenkopf 44 zum Ergreifen des Rohres 30 und ist mit einem Vibrationsrüttler 46 bestückt.
• Die 4 zeigt das Ende einer ersten Arbeitsphase, in der der Bagger 40 das Mantelrohr 30 in das nicht ausreichend tragfähige Bodenmaterial 10 und in den festen Untergrund 12 bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 m gerüttelt hat. Ferner ist bereits das in dem Mantelrohr 30 enthaltene Bodenmaterial ausgehoben, und zwar bis zu einer Tiefe von 0,5 m in den festen Untergrund. Je nach den Erfordernissen ist das Mantelrohr 30 teilweise mit Wasser gefüllt.
• Gemäß 5 hat der Bagger 40 in einer zweiten Phase das Innenrohr 32 mit einer Hülle 16 in Form eines aufgezogenen Geotextil-Sacks in das durch das Mantelrohr 30 gestützte Loch eingesetzt, das mit Kiessand 14 oder dergleichen aufgefüllt, das den Geotextil-Sack 16 füllt und nach außen drückt.
• 6 zeigt eine dritte Phase, in der der Bagger 40 das Mantelrohr 30 unter gleichzeitigem Vibrieren zieht. Durch die Vibrationswirkung wird das Geotextil 16 gedehnt. Im Beispiel wird das Geotextil bis zu 5% gedehnt.
• In 7 ist ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäß hergestellten Säulen angedeutet. In 7 ist eine Brücke 50 angedeutet im Zuge eines Damms 52 aus relativ wenig tragfähigem Material. Vor Errichtung der tragenden Bauwerksabschnitte 54, 56 auf beiden Seiten der Brücke wird in den Bodenbereich 58 eine Reihe von Säulen 60 eingebracht, wie dies anhand der 1 bis 6 beschrieben wurde. Die Säulen 60 werden nach einem vorgegebenen Muster eingebracht, wobei sich ihr Abstand von der Brücke 50 fort vergrößert. Auf diese Weise wird nicht nur eine wirksame Flachgründung für die Brücke 50 erhalten, sondern auch verhindert, dass der Damm 50, 52 sich gegenüber der Brücke 50 absenkt. Vielmehr wird zwischen dem starren Bauwerk der Brücke 50 und den angrenzenden Dammbereichen ein angepasstes Setzungsverhalten erreicht.

Claims (3)

1. Verfahren zur Stabilisierung des Untergrunds und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in standfeste Bereiche, insbesondere des Untergrunds von Verkehrswegen und Bauwerken oder seitlich davon, bei dem nicht ausreichend tragfähiges Bodenmaterial ausgehoben und tragfähiges Bodenmaterial aufgefüllt wird zur Erstellung einer Bodensäule, mit den folgenden Schritten: – an diskreten Stellen wird ein Mantelrohr in den Boden eingebracht und das nicht ausreichend tragfähige Bodenmaterial aus dem Mantelrohr entfernt; – in das Mantelrohr wird eine zugfeste vorgefertigte rohr-, schlauch- oder sackartige Hülle aus Geotextilmaterial eingebracht; – als tragfähiges Bodenmaterial wird besonders hartes kornabgestuftes Material wie Kiessand, Gestein oder dergleichen in die Hülle gefüllt, wobei das tragfähige Material durch Vibration des Mantelrohrs beim Ziehen verdichtet wird nach Patent DE 4408173 , dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus dehnbarem, filterfähigem Material besteht und die Verdichtung des tragfähigen Materials eine Aufweitung der Hülle bewirkt derart, daß der umgebende Boden durch Teilverfestigung einen Teil der Horizontalspannung auffängt und daß daurch ein Porenwasserabfluß aus dem umgebenden Boden in die Säule hinein verursacht wird, und daß dem Material der Säule Wasser entzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Material der Säule mit einer Vakuumdränage Wasser entzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ziehen des Mantelrohrs weiteres tragfähiges Material eingefüllt wird.