DE3047808C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ver­ festigung von Schlamm- oder Tonböden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Böden durch aufeinanderfolgendes Fallen­ lassen von großen Gewichten bis zu 40 Tonnen aus Höhen bis zu 30 Metern auf den Boden zu verdichten. Bei diesen Gewichten handelt es sich üblicherweise um Betonblöcke in einem Stahlmantel, die mit Hilfe von Kränen oder anderen Hebevorrichtungen gehoben und fallengelassen werden.

Die meisten üblichen Böden bestehen aus festen Teilchen mit Leerstellen oder Poren dazwischen, die mit Gas und/oder Wasser gefüllt sind. Das Ver­ hältnis von Gas zu Wasser hängt ab von der spezifischen Beschaffenheit des Bodens. Jeder Boden weist auch eine gewisse mechanische Scherfestigkeit auf, aufgrund der Reibung zwischen den Feststoffteilchen.

Beim Verdichten derartiger Böden hat man es für wünschens­ wert gehalten, Gewichte auf den Boden fallen zu lassen, bis eine Grenze erreicht ist, bei welcher der Boden im wesentlichen nicht mehr zusammendrückbar ist. Eine der­ artige Abfolge von Fallenlassen des Gewichtes wird häufig als Verdichtungsphase bezeichnet. Die Grenze ist dann er­ reicht, wenn die Feststoffteilchen teilweise zu einer kompakteren Form umgelagert sind und wenn die Flüssigkeit alle Poren ausgefüllt hat und dadurch das Gas zusammen­ drückt. Der Boden wird dann eine Zeit lang (häufig mehrere Wochen) ruhengelassen; dabei wird das Wasser aus dem Boden in dem verdichteten Bereich aufgrund des Porenwasser-Über­ drucks des komprimierten Gases und des Druckes der ver­ dichteten Bodenteilchen auf das Wasser entfernt. Diese Zeitspanne ist als Ruhephase bekannt. Während der Ruhe­ phase lagert sich in dem Maße, indem das Wasser austritt oder verdrängt wird, der Boden in eine stärker kompakte Form um und gewinnt Festigkeit. Nach der Ruhephase kann der Boden erneut verdichtet und erneut ruhengelassen werden, wodurch eine noch weitere Verdichtung und infolgedessen eine bessere Tragfähigkeit erzielt wird. Es können mehrere Verdichtungs- und Ruhephasen aufeinander folgen, damit sich die benötigte Tragfähigkeit ausbildet.

Eine Erscheinung, die als Verflüssigung bekannt ist, kann auftreten, wenn der Boden soweit gestampft wird, daß er sich nicht mehr zusammendrücken läßt (Punkt der Inkompressibilität, Punkt der Raumbeständigkeit). Dies ist der Punkt, an dem sich die Bodenteilchen wie eine Suspension von Teilchen in dem im Boden vorhandenen Wasser verhalten und das Bodengefüge seine Scherfestig­ keit verliert. Wenn Verflüssigung eintritt, ist der Porenwasser-Überdruck gleich dem Druck der oberen Schicht bzw. des Obergesteins. Zwar führt die Verflüssigung des Bodens dazu, daß ein hoher Überdruck erzeugt wird, der zu einer schnellen Austreibung des Wassers führt. Es wurde jedoch gefunden, daß es bei manchen Bodenarten sehr lange dauern kann, bis der Boden sich restrukturiert und Festigkeit gewinnt. Beispielsweise kann es bei fetten tonigen Böden mehrere Jahre dauern, bis der Boden sich restrukturiert. Die Spannungszustände im Boden, die die Verflüssigung des Bodens bewirken, sind sehr unterschied­ lich, je nach der speziellen Beschaffenheit des Bodens; beispielsweise erreichen feuchte Böden den Zustand der Verflüssigung unter geringerem Druck als trockene Böden.

Durch die Zeitschrift "Straßen- und Tiefbau", 2/1980, S. 15-17 ist ein Verfahren zur Verfestigung von Böden der eingangs genannten Art bekannt.

Der Artikel weist allerdings an mehreren Stellen darauf hin, daß das beschriebene Verfahren sich nicht für die Anwendung auf Schlamm- und Lehmböden, die aus sehr feinen Teilchen zusammen­ gesetzt sind und einen wesentlichen Wasseranteil aufweisen, eignet.

An mehreren Stellen wird jedoch auf Probleme hingewiesen, die sich bei der Verfestigung von aus Feinteilen zusammengesetzten Böden mit erhöhter Plastizität ergeben.

Dies bekannte Verfahren ist deshalb insbesondere auf die Verdichtung von eher wasserarmen grobkörnigen Böden ge­ richtet. Sobald der Anteil der Feinbestandteile, der Wasserge­ halt und die Plastizität des Bodens hoch werden, ist dieses Verfahren nur noch beschränkt und unter Berücksichtigung beson­ derer Vorgaben einsetzbar oder versagt völlig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Ver­ fahren anzugeben, mit dem in kurzer Zeit möglich ist, Schlamm- oder Tonböden mit hohen Anteilen an Feinmaterialien und Porenwasser sowie hoher Plastizität zu verfestigen, so daß sie belast- und bebaubar werden.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten Ausge­ staltungen des Verfahrens.

Durch ein- oder mehrmaliges Fallenlassen eines Gewichtes werden zumindest momentan Spannungszustände im Boden erzeugt, welche bewirken, daß der Porenwasser-Über­ druck 50 bis 80% des Wertes erreicht, der notwendig ist, um Verflüssigung hervorzurufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Verdichten von natürlichen Böden und Aufschüttungen (einschließlich Steinschüttungen), die Schlamm oder Ton enthalten.

Durch Verdichten des Bodens auf 50 bis 80% des Druckes, welcher zu einer Bodenverflüssigung erforderlich ist, erzielt man den Vorteil, daß ein hoher Druck erzeugt wird, durch den das Wasser aus dem Boden schnell ver­ drängt wird und das gleichzeitig die Nachteile der Ver­ flüssigung vermieden werden, bei der man lange Zeit­ spannen warten muß bis der Boden sich restrukturiert hat.

Wie oben erwähnt, wird bei der Verflüssigung der Überdruck des Wassers in den Poren gleich dem Druck der oberen Schicht oder des Obergesteins, d. h. dem Druck, der durch das Gewicht des Bodens über dem Punkt, an welchem Ver­ flüssigung stattgefunden hat, bedingt ist.

Üblicherweise ist vorgesehen, daß in situ Tests während der Verdichtungsphasen vorgenommen werden mit Instrumenten, wie einem Piezometer, um festzustellen, wann 50 bis 80% des Druckes, der der Verflüssigung entspricht, erreicht worden sind. Es können mehrere Piezometer in verschiedenen Tiefen verwendet werden.

Es kann wünschenswert sein, eine Anzahl von Stoß-(Ver­ dichtungs-) und Ruhephasen auszuführen, um die benötigte Scherfestigkeit des Bodens zu erzeugen. In jedem Fall ist es jedoch notwendig, daß ein Zustand erreicht wird, in welchem der Porenwasser-Überdruck 50 bis 80% des Verflüssigungsdruckes beträgt.

Weiterhin ist es notwendig, das Grundwasser im Boden abzusenken. Das Grundwasser kann mit Hilfe von Vorrichtungen bekannter Bauart abgesenkt werden, die Wasser aus dem Boden herausholen und nun im einzelnen näher beschrieben werden. Derartige Vorrichtungen um­ fassen Rohre, die im Boden versenkt werden können und durch die Wasser herausgesaugt wird oder Rohre, die an ihrem versenkten Ende elektrisch angetriebene Pumpen aufweisen, mit welchem das Wasser durch Rohre hinaufge­ pumpt wird. Mehrere derartige Vorrichtungen können gleich­ zeitig im Umkreis um den Bodenbereich, welcher verdichtet werden soll, eingesetzt werden.

Durch das Absenken des Grundwasserspiegels werden mehrere Wirkungen auf den Boden erzielt.

Zunächst erzeugt die Abwärtsbewegung des Wassers, wenn es aus dem Boden extrahiert und der Grundwasserspiegel ge­ senkt wird, einen Sog auf die Bodenteilchen, wodurch diese verdichtet werden.

Die meisten Böden verhalten sich teilweise als plastischer Körper und teilweise als elastischer Körper, wenn sie mit Gewichten gestampft werden. Wenn ein Gewicht auf den Boden fallengelassen wird, so wird im plastischen Teil des Bodens das Volumen permanent reduziert aufgrund der Umlagerung der Teilchen und im elastischen Teil des Bodens wird das Volumen reduziert aufgrund der Verdichtung durch das Ge­ wicht. Sobald das Gewicht entfernt ist, arbeiten die elastischen Kräfte daraufhin, daß der elastische Teil des Bodens sein ursprüngliches Volumen wieder annimmt.

Eine zweite Wirkung der Absenkung des Grundwasserspiegels ist, daß die effektive Dichte des Bodens, aus dem das Wasser entfernt wurde, erhöht wird, da der Boden nicht länger in Wasser gebettet ist und infolgedessen wird auch der Druck erhöht, der auf den neuen Grundwasserspiegel ausgeübt wird, wodurch eine statische Last (Belastung) erzeugt wird.

Diese statische Last verdichtet kontinuierlich den elasti­ schen Teil des Bodens, der infolge von Kriechen dazu neigt, seine elastische Eigenschaft zu verlieren und daher dauerhaft in einen kompakteren bzw. dichteren Zustand verformt wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei Verminderung oder Verlust der elastischen Eigenschaften des Bodens die Anzahl Stöße oder Schläge, mit denen der Boden behandelt werden muß, verringert wird und damit wie oft das Gewicht fallenge­ lassen werden muß.

Ein dritter Effekt der Absenkung des Grundwassers ist, daß das Verhältnis von Gas zu Wasser in den Leerstellen oder Poren erhöht wird, da das Gas dazu neigt, die Poren auszufüllen und das Wasser dazu neigt, aus den Poren aus­ zufließen, wenn das Grundwasser abgesenkt wird. Wenn der Boden dann nach Absenkung des Grundwasserspiegels gestampft wird, zeigt sich, daß der Boden stärker zusammendrück­ bar ist, weil mehr zusammendrückbares fließfähiges Medium im Boden vorhanden ist (z. B. ein höheres Verhältnis von Gas zu Wasser). Nach Stampfen, während einer Ruhephase, neigt das Gas zum Expandieren und treibt auf diese Weise größere Mengen Wasser aus, als wenn der Boden verflüssigt worden wäre. Der Boden restrukturiert sich schnell, wenn das Wasser verteilt oder abgeleitet wird. Da eine große Menge Wasser verteilt bzw. entfernt wird, werden weniger Stöße benötigt, um den Boden zu verdichten und es wird viel Verdichtung bewirkt, bevor der Boden 80% des Druckes erreicht, der notwendig ist, damit Verflüssigung eintritt.

Eine vierte Wirkung der Absenkung des Grundwassers ist, daß der Druck des überschüssigen Porenwassers bzw. Poren­ wasser-Überdruck schneller verteilt bzw. abgeleitet wird und auf diese Weise die Dauer der Ruhephase zwischen den einzelnen Stampf-Arbeitsgängen verringert wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn der Grundwasserspiegel abgesenkt ist und die Vorrichtung zum Entfernen des Wassers nicht länger Wasser herauspumpt oder absaugt, das Wasser dazu neigt, wieder auf seinen ursprünglichen Spiegel anzu­ steigen.

Es muß zumindest ein Zyklus ausgeführt werden, vorzugsweise mindestens zwei oder mehr, in dem/denen der Grundwasserspiegel abgesenkt und anschließend das Wasser auf seinen ursprünglichen Spiegel wieder ansteigengelassen wird; hierdurch können sich die Bodenteilchen in eine dichtere Zustandsform um­ lagern. Mehrere derartige Zyklen können den gleichen Effekt haben wie Wechselbeanspruchung; dies hat einen günstigen Effekt, da es zu einer stärkeren Verdichtung des Bodens führt. Bei der Durchführung derartiger Zyklen kann es wünschenswert sein, die Geschwindigkeit zu verringern, mit der das Wasser aus der abgesenkten Lage auf den ursprünglichen Spiegel wieder ansteigt, durch Absaugen oder Abpumpen von Wasser gleich­ zeitig während das Wasser im Boden ansteigt unter Ver­ wendung der oben erwähnten Vorrichtung, so daß ein kleiner aufwärts gerichteter Sog auf die Teilchen ausgeübt wird und jeder Entfestigungseffekt vermieden wird.

Das Stampfen kann während dem Zyklus oder den Zyklen, in denen das Grundwasser abgesenkt wird, erfolgen oder nach mehreren derartigen Zyklen.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Wasserspiegel der ab­ gesenkt werden soll, berechnet werden kann, wenn man den Druck der benötigten statischen Last und die Dichte des Bodens sowie des Wassers kennt.

Eine andere Methode, eine statische Last auf dem Boden zu erreichen, besteht darin, daß auf der Oberfläche des Bereiches, der verdichtet werden soll, eine Schüttung auf­ gebracht wird.

Die beiden Methoden zur Erzeugung einer statischen Last können entweder als alternative Methoden oder gemeinsam angewandt werden.

Beispiel 1

Ein Schlammboden mit Dichte 1,9, in welchem der Grundwasser­ spiegel mit der Oberfläche zusammenfiel, wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch folgende Arbeitsweise verdichtet.

Ein Piezometer wurde in einer Tiefe von 10 Metern ange­ ordnet. Vor dem Stampfen war der auf das Piezometer aus­ geübte Druck gleich dem der Wassersäule, d. h. 0,981 bar, und der Poren­ wasserüberdruck war daher 0. Damit Verflüssigung eintritt muß der Boden über dem Piezometer als fließfähiges Medium mit einem Druck von 1,86 bar wirken. Der Gesamtporenwasserdruck beträgt dann ebenfalls 1,86 bar. Angestrebt wurden 80% des Druckes für die Verflüssigung und infolgedessen sollte der Porenwasser-Überdruck nicht mehr als 0,71 bar betragen.

Das Stampfen wurde fortgesetzt, bis der Piezometer einen Porenwasser-Überdruck von 0,71 bar anzeigte. Eine gewisse Verdichtung wurde während dieses Stampf-Arbeitsganges beobachtet und der Boden wurde während einer kurzen Zeitspanne ruhengelassen (Ruhephase). Nachdem eine schnelle Abnahme des Porenwasser-Überdrucks beobachtet wurde, wurde erneut gestampft, was zu einer weiteren Verdichtung ohne substantielle Zerstörung der Bodenmasse führte.

Beispiel 2

Es wurde wie in Beispiel 1 gearbeitet mit der Abwandlung, daß in zwei Zyklen das Grundwasser abgesenkt und wieder ansteigengelassen wurde. Gestampft wurde, während das Grundwasser sich in abgesenktem Zustand befand.

Es wurde noch eine stärkere Verdichtung als in Beispiel 1 beobachtet.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verfestigen von Schlamm- oder Tonböden zur Erzeugung von Fundamentierungs- bzw. Baugrund durch Verdichten eines Bodenbereichs durch min­ destens einen einmaligen Verdichtungsstoß, wobei man mindestens eine Stoßphase auf den Boden ausübt, indem man ein Gewicht ein oder mehrere Male auf den Boden fallen läßt, bis zumindest ein momentaner Verformungs-, Druck- und Zugbeanspruchungszustand im Boden erzeugt und ein Porenwasser-Überdruck von 50 bis 80% des zur Erzeugung einer Bodenverflüssigung erforderlichen Wertes erreicht ist, und auf jede Stoßphase eine Ruhephase folgen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einmal das Grundwasser senkt und darauf das Wasser wieder ansteigen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Stoßphase auf den Boden während eine Grund­ wasserabsenkung ausgeübt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zumindest während eines Teiles der Stoßphase zusätzlich eine statische Belastung auf den Boden einwirken läßt.

4.Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Belastung zumindest teilweise durch Aufbrin­ gen einer Schüttung auf die Oberfläche des zu verdichtenden Be­ reiches erzeugt wird.