DE4408173C2 - Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung von bestehenden Auffüllungen, Dämmen u. Ä. und deren häufig nicht ausreichend tragfähigen Unter­ grund, sowie zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrs- bzw. Gebrauchslasten in den tieferen, standfesten Untergrund nach dem Patentanspruch 1.

Flächen, die der Bebauung oder dem Verkehr gewidmet sind, müssen so beschatten sein, dass sie den statischen und dynamischen Belastungen durch die Eigen- und Ver­ kehrslasten 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 trag­ fähigem 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 erforder­ lich.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedenartige Vorgehensweisen zur Verbesse­ rung des Untergrundes bekannt. Bei einer Gruppe von Verfahren wird mit oder ohne Austausch von Bodenmaterial Bindemittel in einen säulenförmigen Bereich einge­ bracht und dieser Bereich damit verfestigt. Bei einem weiteren Verfahren wird Mate­ rial 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 gründen­ den 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 vor­ gefertigten Pfählen oder die Herstellung von Pfählen oder Säulen aus Beton o. Ä. im nicht ausreichend tragfähigen Untergrund mit Hilfe von Bohrrohren o. Ä.

Aus Patent Abstracts of Japan M-884 Okt. 26, 1989 Vol. 13/No. 473 ist bekannt geworden, in eine Umhüllung, die in ein Bohrloch im Boden eingeführt wird, hydrau­ lisches Material einzufüllen. Nach dem Aushärten bildet das Material eine starre Säule. Die Umhüllung hat die Aufgabe, vor dem Aushärten dem Material eine säulenartige Form zu verleihen und gleichzeitig das Wasser nach außen treten zu lassen. Ein ähnliches Verfahren ist in Patent Abstracts of Japan M-874 Sept. 27, 1989 Vol. 13/No. 432 beschrieben, wobei die Besonderheit darin besteht, dass die sack­ artige Umhüllung zwei verschieden dehnbare Bereiche aufweist, von denen der untere deutlich und der obere kaum dehnbar ist.

Aus US 961 492 ist ebenfalls bekannt geworden, mit Hilfe hydraulischen Materials eine Säule im Boden zu bilden. Mit Hilfe einer Kolbenanordnung findet in einem in das Erdreich eingeführten Rohr eine Auffüllung der Umhüllung im Rohr bzw. der Bohrung mit aushärtbarem Material statt.

Aus CH 635 885 A5 ist ferner bekannt geworden, einen Anker im Erdreich oder in Fels zu schaffen, indem eine aushärtbare Masse in eine Hülle injiziert wird, die sich in einer Bohrung befindet. In der Masse ist der Anker eingebettet.

Andere bekannte 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.

Nach der DE 90 13 563 U1 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 A1 wird ein weiteres Verfahren zum fortlaufenden Austausch von Bodenmaterial vorgeschlagen, wonach eine Schalungsanordnung aus zwei parallelen beabstandeten vertikalen Schalungswänden in den Boden eingebracht wird und die Schalungswände in Arbeitsrichtung horizontal vorgeschoben werden, nach voraus­ gehendem Entfernen des nicht ausreichend tragfähigen Bodens im vorderen Bereich zwischen den Schalungswänden, wobei der hintere Bereich zwischen den vorgescho­ benen Schalungswänden mit neuem besondere geeigneten Bodenmaterial bei intensiver Verdichtung aufgefüllt wird. Dieses Verfahren hat ausführungstechnisch und wirtschaftlich besondere Vorteile, allerdings müssen größere Mengen des nicht ausrei­ chend tragfähigen Bodens ausgehoben und abtransportiert sowie geeigneter Boden abtransportiert und eingebaut werden.

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 Ver­ kehrslasten mittelbar in den tragfähigen Untergrund abgetragen werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Übertragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in den festen Untergrund werden nach der vorliegen­ den Erfindung an diskreten Stellen vornehmlich rasterartig Säulen hergestellt, die aus tragfähigem Material wie Kiessand, Gestein o. Ä. bestehen und mit einem zugfesten Material wie Geotextil o. Ä. ummantelt und bis in den tragfähigen Untergrund abge­ setzt werden.

Die Säulen werden mit Hilfe einer temporären Schalung, einem Mantelrohr im Unter­ grund hergestellt. Aus dem Mantelrohr wird der nicht ausreichend tragfähige Boden ausgehoben. Dies kann durch Ausgreifern, Ausbohren oder Ausspülen erfolgen. Der Aushub erfolgt mit einem bestimmten Maß in den festen Untergrund hinein. Vor Auf­ füllung des Mantelrohrs mit besonders hartem, kornabgestuftem, tragfähigem Material wie Kiessand, Gestein o. Ä. wird es mit einem zugfesten Material, das als rohr-, schlauch- oder sackförmige Hülle 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 das eingefüllte tragfähige Material verdichtet. Unter der Wirkung dieser Verdichtung und des Eigengewichts des eingefüllten Materials wird eine zusätzliche Erweiterung der Säule in den umgebenden Boden hinein bewirkt. Dabei wird eine zusätzliche Streckung der Hülle 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 Säulen sind aufgrund ihrer Tragwirkung geeignet, Lasten in den trag­ fähigen Untergrund abzutragen, auch bei nicht ausreichend tragfähigen Böden weicher, auch schlammartiger Konsistenz.

Die zugfest ummantelten Säulen können Vertikalspannungen im eingebauten Material abtragen. Die Horinzontalspannungen werden durch die Zugfestigkeit der Hülle auf genommen. Werden bei der Herstellung die Lasten erhöht, treten geringe vertikale Verformungen auf, die sich aus der Volumenverschiebung in die im Umfang größer werdende Säule ergeben. Dabei baut sich infolge der Streckung der Hülle eine größere Zugkraft auf, die die Tragfähigkeit der Säule selbstregelnd erhöht.

Bei der Herstellung der Säulen wird das eingefüllte Material so verdichtet, dass dadurch eine ausreichend große horizontale Spannung erzeugt wird, die unabhängig von der vorhandenen Auflast erhalten bleibt. Die durch die Verdichtung erzeugte hori­ zontale Spannung ist immer größer als die für die Aufnahme der Gebrauchslasten erforderliche. Es kommt daher nicht zu nachträglichen Verformungen und Setzungen unter der Gebrauchslast.

Bei der Herstellung der Säule wird die Hülle nur so weit belastet und gedehnt, dass einerseits die erforderliche Spannung erreicht wird, andererseits jedoch ausreichende Zugkraftreserven vorhanden sind und damit die dauerhafte Tragwirkung gewährleistet ist.

Durch Fernhalten der Gebrauchslasten, insbesondere der dynamischen Schwingungs­ wirkungen von dem schlechten, d. h. nicht ausreichend tragfähigen Boden Untergrun­ des, der sich in der Regel dadurch verschlechtert, wird ein in sich stabiles rückkopp­ lungsfreies Tragsystem erstellt.

Für das Flachmaterial der Ummantelung kommen in Betracht: bewehrte oder unbewehrte Geotextilien in ein- oder mehrlagiger Fabrikation, engmaschiges Draht­ geflecht, vorgefertigte dichte oder durchlässige Rohre aus Stahlblech, Verbundmate­ rial aus Metall und Kunststoff, sowie vielerlei Kombinationsmaterial aus Geokunst­ stoffen und hochzugfestem Band- und 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 poly­ merem oder hydraulisch wirkendem Bindemittel 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 Erfindung basiert auf der Möglichkeit, eine Dränwirkung in die Säulen zu integrieren, um einen Porenwasserabfluss aus dem nicht ausreichend tragfähigen Boden des Untergrundes zu ermöglichen, ohne dass dabei Feinteile des Bodens durch die Hülle 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 aus­ üben kann.

Das Maß der Stabilisierung des Untergrundes kann durch Variation der Säulendurch­ messer, des Abstandes der Säulen bzw. des Rastermaßes und der Materialwahl bestimmt werden.

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

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

Fig. 2 einen stabilisierten Bodenbereich in der Draufsicht und

Fig. 3 bis 8 das Einbringen einer Stabilisierungssäule vor dem Setzen des Mantel­ rohres (3) nach dem Ausheben des nicht ausreichend tragfähigen Bodenmate­ rials (4) nach dem Einsetzen der Ummantelung und Auffüllen mit tragfähigem Material (5), beim Ziehen des Mantelrohres (6), beim Ziehen des Innenrohres und Nachfüllen des tragfähigen Materials (7) und beim vollständigen Heraus­ ziehen 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 Hülle in Form eines Geotextilschlauches 16 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 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 Ummantelung 16 auf Zug in den standfesten Bereich 12 abgetragen wird.

Fig. 2 zeigt einen stabilisierten Untergrund eines Verkehrsweges 22 zwischen paralle­ len Seitenrändern 24. Die Stabilisierung erfolgt mittels drei Reihen gleichmäßig von­ einander beabstandeter zylindrischer Säulen 26, die jeweils tragfähiges Material 14 mit einer Hülle 16 aus 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 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 bei­ spielsweise mit einer Vielzahl von Löchern versehen sein.

Das Verfahren wird mit Hilfe eines Baggers 40 als Trägergerät für die Vibrations­ einrichtung durchgeführt, der mit einem Mäkler 42 bestückt ist. Der Mäkler 42 trägt einen Zangenkopf 44 zum Ergreifen der Rohre 30 bzw. 32 und ist mit einem Vibra­ tionsrüttler 46 bestückt.

Die Fig. 4 zeigt das Ende einer ersten Arbeitsphase, in der der Bagger 40 das Mantel­ rohr 30 in das nicht ausreichend tragfähige Bodenmaterial 10 und in den festen Unter­ grund 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 Fig. 5 hat der Bagger 40 in einer zweiten Phase das Innenrohr 32 mit einer Hülle 16 in Form eines aufgezogenen Geotextil-Sacks 16 in das durch das Mantelrohr 30 gestützte Loch eingesetzt. Außerdem ist das Innenrohr 32 mit Kiessand 14 oder dergleichen 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 gleich­ zeitigem Vibrieren zieht. Durch die Vibrationswirkung gelangt der Kiessand durch die Löcher 34 des Innenrohres 32 in den umgebenden Ringraum und dehnt das Geotextil. 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 nachgefüllt 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 Bodenbereiche 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 fertig­ gestellt.

Weitere Verfahrensmöglichkeiten zur Herstellung der Säulen sind beispielsweise:

• a) Einführen der Hülle in Form eines aufgestülpten Geotextil-Sackes/Schlauches mit Hilfe eines Rohres geringen Durchmessers. Durch dieses Rohr wird das Ver­ füllmaterial eingebracht, und zwar durch langsames Anheben des Rohres bei gleichzeitigem 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 Umbände­ rung in den durch das Außenrohr gebildeten Hohlraum. Ziehen des Außenrohres, während unterhalb des Fußes des Außenrohres das eingefüllte Material so ver­ dichtet wird, dass der oben erwähnte Spannungszustand im Innenraum erreicht wird.

Claims (8)

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, mit folgenden Schritten:
an diskreten Stellen wird ein Mantelrohr eingebracht und das nicht aus­ reichend tragfähige Bodenmaterial aus dem Mantelrohr entfernt;
in das Mantelrohr wird eine zugfeste vorgefertigte rohr-, schlauch- oder sack­ förmige 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 Mantelrohres beim Ziehen verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorspannungs­ zustand in dem säulenförmigen Austauschbereich bewirkt wird, der durch die Spannungen des Gebrauchszustands nicht überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle in das Mantelrohr mit Hilfe eines Innenrohres eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass tragfähiges Material durch das Innenrohr in die vorgefertigte Hülle eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle auf einem Kern eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trag- und Verfüll­ rohr als Kern verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trag- und Verfüll­ rohr eine Vielzahl Löcher aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ziehen des Mantelrohrs und/oder des Innenrohrs weiteres tragfähiges Material ein­ gefüllt wird.