DE4408173A1 - Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sta­ bilisierung von bestehenden Auffüllungen, Dämmen u.ä. und deren häufig nicht ausreichend tragfähigen Untergrund, so­ wie zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrs- bzw. Ge­ brauchslasten in den tieferen, standfesten Untergrund nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Flächen, die der Bebauung oder dem Verkehr gewidmet sind, müssen so beschaffen sein, daß sie den statischen und dy­ namischen 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 auf­ genommen werden.

Bei Neubauten ist hierzu häufig eine Stabilisierung des nicht ausreichend tragfähigen Untergrundes sowie der Last­ abstrahlungsbereiche und eine Abtragung der Lasten in tie­ fere, 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 Stabili­ sierung der vorhandenen Auffüllungen, Dämme o. ä. und die Abtragung der Bauwerks- und Gebrauchslasten in den tiefe­ ren, standfesten Untergrund erforderlich.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedenartige Vorge­ hensweisen zur Verbesserung des Untergrundes bekannt. Bei einer Gruppe von Verfahren wird mit oder ohne Austausch von Bodenmaterial Bindemittel in einen säulenförmigen Be­ reich 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 bei­ spielsweise in der EP 0 170 503 offenbart. Diese Verfahren erfordern einen großen Aufwand an Bindemitteln oder ande­ rem Material an baulichen Maßnahmen etc. Diese Verfahren haben aber auch technische Nachteile für die darauf zu gründenden Verkehrswege und Bauwerke.

Nach der Zulassung für diese Verfahren sind sie für einen Untergrund mit sehr weichem Boden nicht geeignet.

Daneben werden konstruktive Lösungen angewandt, wie z. B. Einbringen von vorgefertigten Pfählen oder die Herstellung von Pfählen oder Säulen aus Beton o.a. im nicht aus­ reichend tragfähigen Untergrund mit Hilfe von Bohrrohren o. ä.
Andere Verfahren sehen den vollständigen Austausch von Bo­ denmaterial 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.

Nach der DE 90 13 563.6 wird eine Reihe von oben und unten offenen rohrartigen Behältern mit rechteckigem Querschnitt benutzt, der jeweils vordere Behälter wird in den Boden eingetrieben, in dem mittleren Behälter wird Bodenmaterial ausgetauscht, und der hintere Behälter wird aus dem Boden herausgezogen.

In der DE 42 30 533 wird ein weiteres Verfahren zum fort­ laufenden Austausch von Bodenmaterial vorgeschlagen, wo­ nach eine Schalungsanordnung aus zwei parallelen, beab­ standeten vertikalen Schalungswänden in den Boden einge­ bracht wird und die Schalungswände in Arbeitsrichtung ho­ rizontal vorgeschoben werden, nach vorausgehendem Entfer­ nen des nicht ausreichend tragfähigen Bodens im vorderen Bereich zwischen den Schalungswänden, wobei der hintere Bereich zwischen den vorgeschobenen Schalungswänden mit neuem besonders geeignetem Bodenmaterial bei intensiver Verdichtung aufgefüllt wird. Dieses Verfahren hat ausfüh­ rungstechnisch und wirtschaftlich besondere Vorteile, al­ lerdings müssen größere Mengen des nicht ausreichend trag­ fähigen Bodens ausgehoben und abtransportiert sowie geeig­ neter Boden antransportiert und eingebaut werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah­ ren 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 mittelbar in den tragfähigen Untergrund abgetragen werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen 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 herge­ stellt, die aus tragfähigem Material, wie Kiessand, Ge­ stein o. ä., bestehen und mit einem zugfesten Material, wie Geotextil o. ä., ummantelt sind und bis in den tragfähigen Untergrund abgesetzt werden.

Die Säulen werden mit Hilfe einer temporären Schalung, Verrohrung o. ä. im Untergrund hergestellt. Aus dieser Ver­ schalung wird der nicht ausreichend tragfähige Boden aus­ gehoben. Dies kann durch Ausgreifern, durch Ausbohren oder Ausspülen erfolgen. Der Aushub erfolgt mit einem bestimm­ ten Maß in den festen Untergrund hinein. Vor Auffüllung der Verschalung mit tragfähigem Material, wie Kiessand, Gestein o. ä., wird die Verschalung mit einem zugfesten Ma­ terial, das in Ring- bzw. Schlauchform eingebracht wird, ausgekleidet. Durch das Einfüllen des Materials wird die Ummantelung vollständig ausgefüllt und bis zu einem gewis­ sen Grade gestreckt. Dadurch füllt die Säule den Innenraum der Verschalung nahezu vollständig aus. Während des Zie­ hens der Verschalung bzw. des Mantelrohres wird gleichzei­ tig das eingefüllte, tragfähige Material verdichtet. Unter der Wirkung dieser Verdichtung und des Eigengewichtes des eingefüllten Materials wird eine zusätzliche Erweiterung der Säule in den umgebenden Boden bewirkt. Dabei wird eine zusätzliche 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 direkt in den tragfähigen Boden übertragen, ohne daß eine nennenswerte Lastabstrahlung in den umgebenden Boden erfolgt. Die zugfest ummantelten Säu­ len sind aufgrund ihrer Tragwirkung geeignet, Lasten in den tragfähigen Untergrund abzutragen, auch bei nicht aus­ reichend tragfähigen Böden weicher, auch schlammartiger Konsistenz.

Die zugfest ummantelten Säulen können Vertikalspannungen im eingebauten Material abtragen. Die Horizontalspannungen werden durch die Zugfestigkeit der Ummantelung aufgenom­ men. Werden bei der Herstellung die Lasten erhöht, treten geringe vertikale Verformungen auf, die sich aus der Volu­ menverschiebung in die im Umfang größer werdende Säule er­ geben. Dabei baut sich infolge der Streckung der Ummante­ lung eine größere Zugkraft auf, die die Tragfähigkeit der Säule selbstregelnd erhöht.

Bei der Herstellung der Säulen wird das eingefüllte Mate­ rial so verdichtet, daß dadurch eine ausreichend große ho­ rizontale Spannung erzeugt wird, die unabhängig von der vorhandenen Auflast erhalten bleibt. Die durch die Ver­ dichtung erzeugte horizontale Spannung ist immer größer als die für die Aufnahme der Gebrauchslasten erforder­ liche. Es kommt daher nicht zu nachträglichen Verformun­ gen und Setzungen unter der Gebrauchslast.

Bei der Herstellung der Säule wird die Ummantelung nur so weit belastet und gedehnt, daß einerseits die erforder­ liche Spannung erreicht wird, andererseits jedoch aus­ reichende Zugkraftreserven vorhanden sind und damit die dauerhafte Tragwirkung gewährleistet ist.

Durch Fernhalten der Gebrauchslasten, insbesondere der dy­ namischen Schwingungswirkungen von dem schlechten, d. h. nicht ausreichend tragfähigen Boden des Untergrundes, der sich in der Regel dadurch verschlechtert, wird ein in sich stabiles, rückkopplungsfreies Tragsystem erstellt.

Für das Flachmaterial der Ummantelung kommen in Betracht: Bewehrte oder unbewehrte Geotextilien in ein- oder mehrla­ giger Fabrikation, engmaschiges Drahtgeflecht, vorgefer­ tigte, dichte oder durchlässige Rohre aus Stahlblech, Ver­ bundmaterial aus Metall und Kunststoff, sowie vielerlei Kombinationsmaterial aus Geokunststoffen und hochzugfestem Band- und Fasermaterial.

Bei dem tragfähigen Material der Verfüllung handelt es sich bevorzugt um ein an sich besonders hartes, kornabge­ stuftes Material, wie Kiessand, Gestein, Brechkorn, Schlacken, Bergematerial, Recyclingstoffe oder dgl., das ggf. auch mit polymerem oder hydraulisch wirkendem Binde­ mittel versehen sein kann.

Das Verdichten des eingefüllten tragfähigen Materials kann durch Rütteln, Vibrieren oder Schlagen der Schalung und/ oder des Innenrohres bewirkt werden sowie durch Stampfen mit Fallgewicht oder Rammeinrichtungen o. ä.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Idee basiert auf der Möglichkeit, eine Drainwirkung in die Säulen zu integrieren, um einen Porenwasserabfluß aus dem nicht aus­ reichend tragfähigen Boden des Untergrundes zu ermög­ lichen, ohne daß dabei Feinteile des Bodens durch die Um­ mantelung in das Material der Säulen einwandern. 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 Va­ riation der Säulendurchmesser, des Abstandes der Säulen bzw. des Rastermaßes und der Materialwahl bestimmt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der bei liegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert, in denen:

Fig. 1 einen Bereich des stabilisierten Bodens in einem ver­ tikalen Schnitt,

Fig. 2 einen stabilisierten Bodenbereich in der Draufsicht und

Fig. 3 bis 8 das Einbringen einer Stabilisierungssäule vor dem Setzen des Mantelrohres (3) nach dem Aus­ heben des nicht ausreichend tragfähigen Bo­ denmaterials (4), nach dem Einsetzen der Um­ mantelung und Auffüllen mit tragfähigem Mate­ rial (5), beim Ziehen des Mantelrohres (6), beim Ziehen des Innenrohres und Nachfüllen des tragfähigen Materials (7) und beim voll­ ständigen Herausziehen des Innenrohres (8) in einem vertikalen Schnitt zeigen.

Fig. 1 zeigt 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 Ummantelung in Form eines Geotextilschlauches 16 haben. Die Säulen 14 sind in Löchern 18 angeordnet, die sich im nicht aus­ reichend tragfähigen Bodenmaterial 10 und bis in den festen Untergrund 12 hinein erstrecken. Das tragfähige Material 14 ist verdichtet, so daß der Geotextilschlauch 16 bis in den angrenzenden Bodenbereich 10, 12 aufgeweitet und auf Zug belastet ist. Die Säulen 14 schließen etwa bündig mit dem Arbeitsplanum 20 ab, so daß eine von oben ausgeübte Last durch die Säulen 14 unter Belastung der Um­ mantelung 16 auf Zug in den standfesten Bereich 12 abge­ tragen wird.

Fig. 2 zeigt einen stabilisierten Untergrund eines Ver­ kehrsweges 22 zwischen parallelen Seitenrändern 24. Die Stabilisierung erfolgt mittels drei Reihen gleichmäßig voneinander beabstandeter zylindrischer Säulen 26, die je­ weils tragfähiges Material 14 mit einer Ummantelung 16 aus Geotextil aufweisen. Die Säulen 26 sind in einem regel­ mäßigen Muster gleichmäßig über die Breite des Verkehrs­ weges 22 verteilt, so daß insgesamt ein Bruchteil des ge­ samten Bodenmaterials unter der Verkehrswegfläche ausge­ tauscht ist.

Anhand der Fig. 3 bis 8 wird nachfolgend beispielhaft das Erstellen einer Säule 26 erläutert:
Hierfür kommen ein Mantelrohr 30 und ein etwas kürzeres und einen geringeren Durchmesser aufweisendes Innenrohr 32 zum Einsatz. Das Innenrohr 32 kann beispielsweise mit ei­ ner Vielzahl von Löchern versehen sein.

Das Verfahren wird mit Hilfe eines Baggers als Trägergerät für die Vibrationseinrichtung durchgeführt, der mit einem Mäkler 42 bestückt ist. Der Mäkler 42 trägt einen Zangen­ kopf 44 zum Ergreifen der Rohre 30 bzw. 32 und ist mit ei­ nem Vibrationsrüttler 46 bestückt.

Die Fig. 4 zeigt das Ende einer ersten Arbeitsphase, in der der Bagger 40 das Mantelrohr 30 in das nicht aus­ reichend tragfähige Bodenmaterial 10 und in den festen Un­ tergrund 12 bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 m gerüttelt hat. Ferner ist bereits das in dem Mantelrohr 30 enthal­ tene Bodenmaterial ausgehoben, und zwar bis zu einer Tiefe von 0,5 m in den festen Untergrund. Je nach den Er­ fordernissen ist das Mantelrohr 30 teilweise mit Wasser gefüllt.

Gemäß Fig. 5 hat der Bagger 40 in einer zweiten Phase das Innenrohr 32 mit einem aufgezogenen Geotextil-Sack 16 in das durch das Mantelrohr 30 gestützte Loch eingesetzt. Außerdem ist das Innenrohr 32 mit Kiessand 14 oder dgl. aufgefüllt, wobei der Sand durch die Löcher 34 in den Zwischenraum gelangen kann und den Geotextil-Sack 16 füllt und nach außen drückt.

Fig. 6 zeigt eine dritte Phase, in der der Bagger 40 das Mantelrohr 30 unter gleichzeitigem Vibrieren zieht. Durch die Vibrationswirkung gelangt der Kiessand durch die Löcher 34 des Innenrohres 32 in den umgebenden Ringraum und dehnt das Geotextil 16. Im Beispiel wird das Geotextil bis zu 5% gedehnt.

In einer vierten Phase gemäß Fig. 7 wird das Innenrohr 32 auf eine bestimmte Höhe gezogen, in der Kiessand 14 nach­ gefüllt wird.

Schließlich zeigt die Fig. 8 eine fünfte Phase, in der der Bagger 40 das Innenrohr 32 unter Vibration vollständig herauszieht. Durch die Vibrationswirkung des gelochten Innenrohres 32 wird der Kiessand 14 verdichtet, und der Geotextilsack 16 dehnt sich in die umgebenden Bodenbe­ reiche 10, 12 aus. Die Verdichtung kann durch Ändern der Vibrationsfrequenz und der Ziehgeschwindigkeit gesteuert werden.

Nach dem vollständigen Ziehen des Innenrohres 32 ist die Säule 26 im Boden fertiggestellt.

Weitere Verfahrensmöglichkeiten zur Herstellung der Säulen sind beispielsweise:

• a. Einführen des aufgestülpten Geotextil-Sackes/Schlauches mit Hilfe eines Rohres geringen Durchmessers. Durch dieses Rohr wird das Verfüllmaterial eingebracht, und zwar durch langsames Anheben des Rohres bei gleichzei­ tigem Nachfüllen von weiterem Material von oben. Durch vibrierende oder schlagende Wirkung auf das Verfüllrohr wird ein stetiges Nachfließen des Materials und dessen Verdichtung in der herzustellenden Säule bewirkt.
• b. Einstellen eines vorgefertigten Rohres mit einer äußeren hochzugfesten Umbänderung in den durch das Außenrohr gebildeten Hohlraum. Ziehen des Außenrohres, während unterhalb des Fußes des Außenrohres das eingefüllte Ma­ terial so verdichtet wird, daß der oben erwähnte Span­ nungszustand im Innenraum erreicht wird.

Claims (23)

1. Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in stand­ feste Bereiche, insbesondere des Untergrundes von Ver­ kehrswegen und Bauwerken oder seitlich davon, bei dem nicht ausreichend tragfähiges Bodenmaterial ausgehoben und tragfähiges Material aufgefüllt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an diskreten Stellen ein säulenförmi­ ger Bereich nicht ausreichend tragfähigen Bodenmate­ rials ausgehoben wird, in das ausgehobene Loch eine Um­ mantelung aus zugfestem Material eingebracht wird und eine Säule tragfähigen Materials in die Ummantelung ge­ füllt und darin unter Aufweitung der Ummantelung ver­ dichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorspannungszustand in dem säulenförmigen Aus­ tauschbereich bewirkt wird, der durch die Spannungen des Gebrauchszustandes nicht überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß an den diskreten Stellen eine Schalung einge­ bracht und das nicht ausreichend tragfähige Bodenmate­ rial aus der Schalung entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mantelrohr als Schalung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schalung eine zugfeste vorgefertigte Hülle mit Hilfe eines Innenrohres eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Innenrohr tragfähiges Material in die vorge­ fertigte Hülle eingebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einfüllen von Material in die Ummantelung das Mantelrohr gezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das tragfähige Material beim Ziehen der Schalung ver­ dichtet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das tragfähige Material in der Umman­ telung bis zu deren Aufweitung in den umgebenden Boden­ bereich verdichtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine rohr-, schlauch- oder sackför­ mige Ummantelung verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Ummantelung aus einem Flachma­ terial verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Flachmaterial ein Textilmaterial, insbesondere ein Geotextilmaterial, verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Flachmaterial ein Drahtgeflecht verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ummantelung auf einem Kern ein­ gebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trag- und Verfüllrohr als Kern verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trag- und Verfüllrohr eine Vielzahl Löcher auf­ weist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das tragfähige Material Kiessand, Gestein oder dgl. ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das tragfähige Material durch Vib­ ration der Schalung und/oder des Trag- und Verfüllroh­ res beim Ziehen verdichtet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ziehen der Schalung und/oder des Innenrohres weiteres tragfähiges Material einge­ füllt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verdichten des Bodenkör­ pers eine Dehnung der Ummantelung eintritt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Dehnung des Mantelmaterials hervorgeru­ fenen Tangentialspannungen eine bleibende Verspannung des Materials der Säule bewirken.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß durch die dynamische Verdichtung ein Vorspannungszu­ stand im Bodenkörper und der Ummantelung erreicht wird, der größer ist als die unter Gebrauchslast ein­ tretenden maximalen Spannungen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß Setzungen unter Gebrauchslast nicht erfolgen.