Baugrundverbesserung

Tiefenverdichtung Hans-Gottfried Schmidt / Bauhaus-Universität Weimar

Zusammenfassung Tiefenverdichtungen (deep compaction) kommen in geotechnisch sensiblen Bereichen zum Ein-satz. Dabei soll die Lagerungsdichte der anstehenden Erdstoffe über einen größeren Tiefenbe-reich soweit erhöht werden, dass das geotechnische Risiko minimiert wird. Dies betrifft sowohl lo-cker gelagerte geologische Schichten als auch künstlich aufgeschüttete Böden, die z.B. infolge Grundwasseränderung, Erschütterungen oder Erdbeben setzungs- bzw. sackungsgefährdet sind und damit die bauwerksspezifischen Anforderungen nicht in ausreichendem Maße erfüllen. Für den Erfolg der Tiefenverdichtung sind die Verfahrensparameter auf die Bodeneigenschaften abzustimmen, da sich schnell Misserfolge in größeren Bodenbereichen einstellen können (Hohl-räume, Auflockerungen). Eine ausreichende Kontrolle des erreichten Standes muss durchgeführt und dokumentiert werden.

1. Vibrationsverfahren Die Verdichtung anstehender Bodens bewirkt eine Reduzierung des Porenraumes des Bodens. Bei der Tiefenverdichtung werden Bereiche verdichtet, die von der Oberfläche aus nicht mehr er-reicht werden und tiefer als etwa 2,0 m unter der Oberfläche liegen. Die geotechnischen Eigen-schaften der Böden werden gezielt entsprechend der durch eine Baumaßnahme an den Standort gestellten Anforderungen verbessert. Allgemein bewirkt eine Verdichtung eine Erhöhung der Trag-fähigkeit (Erhöhung des Reibungswinkels) bei gleichzeitiger Verringerung der Verformungsemp-findlichkeit (Erhöhung des Verformungsmoduls). In Erdbebengebieten wird die Verflüssigungsgefährdung anstehender Böden reduziert. Bei bindi-gen Böden bewirkt eine statische und bei nichtbindigen Böden eine dynamische Lasteintragung den größten Verdichtungserfolg. Verfahren der Tiefenverdichtung werden im Folgenden kurz er-läutert. Die ersten Geräteentwicklungen erfolgten um 1938 für die Rütteldruckverdichtung. Die ers-ten Schottersäulen wurden 1957/58 hergestellt (Moseley 1993). Die Verfahren der Tiefenverdichtung sind umweltverträglich, da nur natürliche Stoffe zur Boden-verbesserung Verwendung finden. Außerdem können die Verfahren sehr variabel eingesetzt wer-den wie in Bereichen mit Grundwasser und mit Kontamination (keine Bohrgutentnahme).

1.1 Rütteldruckverfahren (RDV) Bei der Tiefenverdichtung nichtbindiger Böden kommt ein Rütteldruckverfahren (deep vibration compaction, vibroflotation) als dynamisches Verfahren zum Einsatz (Bild 1). Durch Vibration des Rüttlers (Stahlbehälter, ca. 2 m Länge und 400 mm Durchmesser, Bild 2) entstehen Kornumlage-rungen in dem nichtbindigen Material. Der Vibrationsprozeß wird in den meisten Fällen unter Zu-gabe von Wasser (mit hohem Druck) durchgeführt (Nassverfahren, vibroflotation). Einer anfängli-

chen Verflüssigung des gesättigten Bodens infolge der Vibration folgt eine Verdichtung und Set-zung des Bodens bei gleichzeitigem Abbau des Porenwasserdrucks (Holeyman 2001). Die ent-stehenden Volumendefizite während der Rütteldruckverdichtung werden durch kontinuierliches Nachrutschen von Erdstoff kompensiert. Eine Wasserzugabe oberhalb des Rüttlers begünstigt das Nachrutschen und die Verdichtung. An der Geländeoberfläche entstehen Trichter (Bilder 1,2), in die weiteres nichtbindiges Material zugeführt wird. Eine gezielte Zugabe von Fehlkörnungen während der Verdichtung kann den Verdichtungserfolg entscheidend verbessern. Anstelle des Wassers kann auch Druckluft während der Vibration verwendet werden (Trockenverfahren).

Aufsetzen des Rüttlers auf GOF, durch Wassereinwirkung (Was-seraustritt mit hohem Duck unten am Rüttler; auch Einsatz von Druckluft möglich) und Vibration erreicht der Rüttler die gewünsch-te Tiefenlage unter Wirkung sei-nes Eigengewichts; Stoppen der Wasserzuflusses

Beginn der Verdichtung bei gleich-zeitigem Zurückziehen des Rütt-lers; Verdichtung durch Umlage-rung der Bodenpartikel und Was-serzugabe oberhalb des Rüttlers; fehlendes Erdreich rutscht nach, Trichterbildung an GOF; ergän-zende Materialzugabe

Schrittweises Zurückziehen des Rüttlers; Entstehung einer ver-dichteten zylindrischen Zone mit 2 bis 4 m Durchmesser. Überlap-pung der verdichteten Bereiche durch geeignete Wahl der Ab-stände der Verdichtungspunkte

Bild 1: Arbeitsgänge bei der Rütteldruckverdichtung (nach Vibro Group, Preston PR2 5NQ, England)

ld 2: Rüttler, Rüttleraufbau und Oberflächentrichter mit Verlängerungsgestänge (Bauer Spezialbau) Bild 2: Rüttler, Rüttleraufbau und Oberflächentrichter mit Verlängerungsgestänge (Bauer Spezialbau)

Die verschiedenen Phasen der Rütteldruckverdichtung sind in Bild 1 dargestellt, während Bild 2 ergänzende Informationen zum Verfahren vermittelt. Im Rüttler rotiert eine durch einen Motor an-getriebene vertikal stehende Excenterwelle (Bild 2), die Horizontalkräfte (150 bis 400 kN) und Amplituden von 5 bis 25 mm mit Frequenzen im Bereich zwischen 30 und 60 Hz erzeugt.

1.2 Rüttelstopfverfahren (RSV) Alternativ zum Rütteldruckverfahren kann das Rüttelstopfverfahren in bindigen Böden mit geringer Wasserdurchlässigkeit verwendet werden (Bild 3). Da sich der bindige Boden durch die Vibration nicht oder nur geringfügig in seinem Gefüge umlagert, entsteht beim Eindringen des Rüttlers in den Boden ein Hohlraum mit einem größeren Durchmesser als der Rüttler. In diesen Hohlraum wird während des Ziehens des Rüttlers kontinuierlich (Schleusenrüttler) oder etappenweise grob-körniges Material (z. B. Schotter) eingefüllt und verdichtet. Es entstehen separate Schottersäulen (stone columns), die von dem weniger verdichteten bindigen Erdreich umgeben werden.

Herstellen eines Hohlraums im bindigen Boden analog zum Rüt-teldruckverfahren: Vibration unter zusätzlicher Wirkung von Luft und/oder Wasser; Eindringen des Rüttlers infolge seines Eigenge-wichts und seitliche Verdrängung des Bodens; bei Wassereinsatz kommt es zusätzlich zum Aus-fluss von gestörtem Bodenmate-rials aus dem entstandenen Hohl-raum.

Schrittweises Anheben des Rütt-lers; Einfüllen von Grobkorn in den erweiterten Hohlraum in einzelnen Abschnitten von etwa 0,5 m; Ein-drücken des Rüttlers in das einge-füllte Material und Beginn der Ver-dichtung; Radialkräfte des Excen-ters drücken dabei das Material horizontal gegen denn in-situ-Boden.

Schrittweises Anheben des Rütt-lers nach Erreichen des erforder-lichen Grades der Verdichtung in jedem Abschnitt; Wiederholung der Einfüll- / Verdichtungszyklen bis zur Geländeoberfläche; Her-stellung einer verdichteten Schot-tersäule; statische und dynami-sche Wechselwirkung mit dem umgebenden in-situ-Erdreich.

Bild 3: Arbeitsgänge bei der Rüttelstopfverdichtung (nach Vibro Group, Preston PR2 5NQ, England)

1.3 Tiefennrüttlung mit Aufsatzrüttlern

Bei diesem Verfahren befindet der Rüttler am o-beren Ende eines einzurüttelnden Pfahles / Roh-res. Dieses Verfahren wurde um 1970 unter dem Namen „Terraprobe“ in den USA eingeführt (Smolt-czyk 1991). Dieses Verfahren arbeitet et-wa bei 15 Hz und ist gut geeignet für locker gela-gerte und wassergesättigte Sande. Terraprobe verdichtet in diesen Fällen schneller als das RD-Verfahren, erreicht aber nicht so hohe Verdich-tungseffekte. Eine Weiterentwicklung der Tiefenverdichtung mit Aufsatzrüttlern stellt die effizientere sogenannte „Mueller Resonanz Compaction (MRC)“ dar (Massarsch 1991, Bild 4).

Bild 4: MRC-Verfahren (Massarsch 1999)

Die Rüttlerfrequenz kann kontinuierlich verändert und die Bodenantwort mit Sensoren an der Ge-ländeoberfläche gemessen werden. Zeigen die Sensoren während des Vibrierens die größte Schwing-geschwindigkeit im Boden an, dann wird der Boden mit seiner typischen Standortfre-quenz (z.B. Eigenfrequenz einer Schicht fe = vs / 4h; vs-Scherwellengeschwindigkeit, h-Schichthöhe) angeregt. Die Übertragungsfunktionen von Körperwellen (Schmidt/Cigan 1990) ge-ben einen umfassenden Überblick über mögliche dominante Frequenzbereiche beim Übertragen von Körperwellen in geschichteten Standorten. Im Bereich einer Resonanzfrequenz werden die eingetragenen Schwingungen maximal verstärkt und ermöglichen sehr gute Verdichtungseffekte.

1.4 Anwendungsbereiche von Vibrationsverfahren Das Rütteldruckverfahren wird vorzugsweise bei nichtbindigen Böden angewendet (Bild 5). Die Abgrenzung gegen zu feine und zu grobe Kornfraktionen variiert in der Literatur. Die Feinanteile

aus Schluff und Ton sollen 15 bis 20 % und die Grobanteile im Kies nicht über 20% ansteigen (Bergado 1996; Fellin 2000). Zu große Kör-nungen können zusammen mit ei-nem geringen Ungleichförmigkeits-grad die Rütteldruckverdichtung er-schweren oder bei Tiefen von mehr als 10 m ggf. unmöglich machen. Allgemein werden Tiefen bis 35 m erreicht, in Ausnahmefällen und Sonderausstattungen auch 70 m und mehr (Beispiel in 5.1). Der Einsenkfortschritt beträgt 1 bis 2 m/min. Die oberen 1 – 2 m lassen sich wegen der mangelnden Er-dauflast schlecht verdichten.

In den übrigen Tiefenbereichen wird allgemein eine relative Lagerungsdichte von 80% erreicht. Die Rütteldruckverdichtung kann in teilgesättigten (als trockenes Verfahren) und gesättig-ten Böden (als nasses Verfahren mit Spülhilfe) angewendet werden. Mit dieser Verdichtung werden ca. 8 – 15 % der Mächtigkeit der verdichteten Schichten als Set-zung vorweg genommen. Steifezahlen von 80 bis 150 MPa werden nach der Verdichtung im Bo-den erreicht (nach Prospekt der Fa. Bauer). Die Rüttelstopfverdichtung ist grundsätzlich für alle Bodenarten anwendbar, wird aber vorzugs-weise bei feinkörnigen und bindigen Erdarten verwendet. Da die Tragwirkung der Schottersäulen aus der Scherfestigkeit der Säulen und der Stützwirkung des umgebenden Erdreichs resultiert, wird für das Erdreich eine Mindestfestigkeit von cu = 15 kPa empfohlen (FG Straßenwesen 1979). Raju (1997) und Priebe (2003) halten Steifigkeiten bindiger Böden bis etwa cu = 5 kPa (im Aus-gangszustand nicht mehr begehbar) für ausreichend, um eine RSV anzuwenden.

2. Statische Tiefenverdichtung Von der Bauer Maschinen GmbH (Stötzer/Schöpf 2003) werden Drehbohrverfahren zur statischen Bodenverdichtung vorgestellt (Bilder 6 und 7).

In beiden Fällen wird das Prinzip des Vollverdrängerbohrens zur Pfahlherstellung verwendet. Im Bild 6 ist es ein Drehbohrer mit Verdrängerkonus und Schneckenwendeln, der mit hoher Drehge-schwindigkeit in den Boden gedrückt wird und seitlich Erdstoff verdrängt. Durch die Bohrerseele kann nach Anheben des Bohrers Erdstoff eingefüllt und mit dem Drehbohrer wiederum verdichtet

Bild 5: Anwendungsbereiche der Rütteldruck- und Rüttel-stopfverdichtung (Arz 1994)

werden. In Bild 7 ist der Drehbohrer mit einem Excenterkopf ausgestattet (VIBEX-System), der bei Drehungen des Gestänges ebenfalls seitlich den Boden verdichtet. Verfüllmaterial kann wiederum durch die Bohrerseele eingebracht und verdichtet werden. Ein Vorteil dieser Verfahren ist die wei-testgehend erschütterungsfreie Durchführung der Arbeiten.

3. Dynamische Intensivverdichtung Dieses Verfahren ist von Menard „dynamische Konsolidation“ entwickelt worden und seit 1969 im Einsatz (DYNIV, dynamic compaction). Die Verdich-tung geschieht durch schwere Fallmassen (m = 10 – 200t) aus Höhen h = 5 - 40 m. Der Rasterabstand liegt bei 5 – 15 m (Bild 9, Arz 1994, Bergado 1996). Das Gewicht wird wiederholt (5 – 20 mal) fallen ge-lassen. Schlagtrichter entstehen (Bild 8, 9), die mit Material aufgefüllt werden. In geringtragfähigen Schichten mit kleiner Dicke werden auf diese Weise „Schotterpfeiler“ in einem vorgegebenen Raster her-gestellt (z.B. für ein Straßenplanum in Bild 9, Bild 8).

Neben dem Schlagpunkt werden auch die benachbarten Bereiche infolge Wellenausbreitung ver-dichtet. Die dynamische Intensivverdichtung ist von Felsschüttungen bis zu plastischem Schluff anwendbar. Es können teilgesättigte und gesättigte Böden verdichtet werden. Bei bindigen Böden nimmt die Wirksamkeit mit steigender Wasserundurchlässigkeit (k < 10-7) ab. Geringtragfähige Böden mit hohem Wassergehalt sind praktisch nicht verdichtbar. Zur Verbesserung der Lastein-tragung in diese Böden ist vor Arbeitsbeginn eine Steinschüttung auf das Erdreich aufzubringen. Eine breite Anwendung findet die Intensiverdichtung bei vorhandenen Mülldeponien, um diese wiedernutzbar für z.B. Straßen, Gleise, Freizeitanlagen, Gewerbegebiete zu machen.

Bild 9: Dynamische Intensivverdichtung (FRANKI Grundbau)

Bild 8: Schotterpfeiler mit DYNIV (FRANKI Gundbau)

1 Oberer Verdichterkonus 2 Verdichterzylinder 3 Unterer Verdichterkonus 4 Bohranfänger zum Bodenlösen Bild 6: Drehbohrer mit Verdich-terkonus und Schneckenwendeln (Bauer Maschinen) Bild 7: Drehbohrer mit Excen-terkopf zur seitlichen Verdichtung (VIBEX -System - Bauer Maschi-nen)

In feinkörnigen und bindigen wassergesättigten Böden bauen sich mit der Anzahl der Schläge Po-renwasserdrücke auf, die einem Größtwert zustreben, bei dem der Boden verflüssigt. Die Anzahl der Schläge ist für die einzelnen Boden- und Standortsituationen sehr unterschiedlich. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Schlägen benötigt der der verdichtete Boden eine Ruhephase zum Ab-bau der PWD und zum Aufbau effektiver Spannungen (Bilder 16, 18).

4. Tiefenverdichtung – Entwurfskonzepte

4.1 Rütteldruckverdichtung (RDV) Neben den unter Abschnitt 1.4 formulierten Anwendungskriterien für zu verdichtende Erdstoffe müssen zusätzlich Angaben zum Verfüllmaterial und zum Abstand der Rüttleransatzpunkte gege-ben werden. Die Zielstellung einer Tiefenverdichtung ist in der Regel das Erreichen einer dichten Lagerung, d.h. nach DIN 18126 einer relativen Dichte ID=(max e – e)/(max e-min e)>0,67. Die Verdichtungs-fähigkeit eines nichtbindigen Erdstoffes kann mit IF=(max e – min e)/(min e) beurteilt werden. Auf der Grundlage der Parameter der zu verdichtenden Erdstoffe, der verwendeten Verfüllstoffe und der eingesetzten Tiefenrüttler kann man den Verfahren Wirkungsradien zuordnen, in denen die geforderte dichte Lagerung (allgemein ID > 80%) erreicht wird (Bild 11). Entsprechend der er-reichbaren Wirkungsradien werden die Rüttleransatzpunkte in einem Verdichtungsraster (Bild 10) festgelegt.

Bild 10: Mögliche Verdichtungsraster (Fellin) Bild 11: Gemessene relative Lagerungsdichten

in enggestuftem Feinsand nach d´Appolonia (1953, in Fellin); Ausgangsdichte Ie=ID=50%

Spezifische Richtwerte liegen bei den einschlägigen Spezialtiefbaufirmen vor und werden vor dem Einsatz entsprechend der vorhandenen Standortbedingungen überprüft. Weitere Festlegungen sind nicht erforderlich. Die erreichten Verdichtungswerte müssen nach Abschluß der Arbeiten geprüft und entsprechende Bodenparameter für die Nachweise bereitgestellt werden (s. Abs. 5). Für die Auswahl des Verfüllmaterials gibt Brown (1977) eine Bewertungszahl (BZ) an:

= + +2 2 250 20 10

3 1 1(BZ) 1,7D D D

(D in mm)

D50;D20;D10 – Massenanteile bei 50%, 20%, 10 % in der Körnungslinie des Verfüllmaterials Mit der Bewertungszahl kann der Einsatz des Verfüllgutes wie folgt beschrieben werden:

(BZ) 0 – 10 10 – 20 20 – 30 30 – 50 > 50 sehr gut gut genügend schlecht unbrauchbar.

Bei sehr guter Eignung des Verfüllmaterials ist neben den guten Verdichtungseffekten auch ein kontinuierlicher Materialfluss - am Rüttler vorbei - in die Verdichtungszone gegeben. Geht man beim Rütteldruckverfahren davon aus, dass anstehender Boden und Verfüllmaterial das gleiche Material sind, dann kann man mit dieser Bewertungszahl auch den zu verdichtenden in-situ-Boden bewerten. Der schraffierte Bereich in Bild 5 hat die Bewertungszahl (BZ)=30-50. In diesem Bereich und bei weiterem Übergang zu Schluff/Ton - Gemischen ist die RDV unbrauchbar.

4.2 Rüttelstopfverdichtung (RSV) Aufbauend auf der Technologie der RDV werden zusätzlich Schottersäulen in den zu verdichten-den Boden eingebracht. Es entsteht eine sehr heterogene Konstruktion, deren statische Wir-kungsweise und Berücksichtigung in den geotechnischen Nachweisführungen schwierig ist. Gegenwärtig findet das Berechnungsverfahren nach Priebe (1995 / 2003) eine breite Anwendung. Auf der Grundlage einfacher Ansätze wird die steifigkeitserhöhende Wirkung der Schottersäulen auf das umgebende Erdreich („Bewehrung“) abgeschätzt. Für die Berechnung eines Verbesserungsfaktors n0 wird ein Rasterfeld A mit einer anteiligen Säu-

lenfläche AS betrachtet, wobei die Säule erst einmal inkompressibel (nur Scherverformungen, Ausbau-chung der Säule) und das Erd-reich elastisch angenommen wird. Bild 12 zeigt das Diagramm zur Berechnung des Verbesserungs-wertes n in Abhängigkeit vom Reibungswinkel des Schotterma-terials φS und der Querdehnzahl µB=0,33 des umgebenden Bo-dens. Dieses Ausgangsdiagramm wird von Priebe (1995) weiter bearbei-tet bezüglich der Säulen-kompressibilität (Bild 13 – Einfüh-rung eines zusätzlichen Flächen-zuschlages ∆(A/AS)zur weiteren Berücksichtigung in Bild 12) und der tiefenabhängigen Einflüsse aus der Änderung der Eigenlasten (Bild 14a – Einführung eines Tie-fenbeiwertes). Um eine zu große Stützwirkung des Bodens mit zu-nehmender Tiefe (bei Annahme linearer Druckverläufe) in den Rechnungen zu vermeiden, wird ein Grenzwert der Tiefenbeiwertes (Bild 14b) eingeführt.

Bild 12: Bemessungsdiagramm für RSV nach Priebe (1995)

Bild 13: Zuschlages ∆ zum Flächenverhältnis A / AS - Säulen-kompressibilität nach Priebe (1995)

Mit den angegebenen Kurven lässt sich nach Priebe (1995) die zu erzielende Bodenverbesserung prognostizieren. Nach Priebe (2003) ist eine Erweiterung der Betrachtungen auf „schwimmende“ Schottersäulen in sehr weichem Baugrund möglich. Die notwendigen Setzungsprognosen werden mit diesen ermittelten Verbesserungsfaktoren vorgenommen (siehe Beispiel).

Setzungsberechnungen sind im Nachweiskonzept mit partiellen Sicherheitsfaktoren dem Grenz-zustand der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) zuzuordnen, so daß hier mit den charakteristischen Werten der Bodensteifigkeiten zu rechnen ist. Die im schlecht tragfähigen Boden angegebene Steifigkeit wird durch die RSV-Maßnahme verbessert (siehe Beispiel) und der charakteristische Wert der Steifigkeit erhöht. Die Setzung für ein Streifen- oder Einzelfundament ergibt sich dann nach Priebe (1995) zu: s = σ1.b.f/(n2.Es,B) ; σ1=σ0-γh. Der größte Schwachpunkt dieser Berechnungen liegt in der Angabe eines realistischen Wertes der Steifigkeit des Bodens in Abhängigkeit vom aktuellen Dehnungsniveau (Mayne 2000, Fahay 1998, Schmidt 2002 und 2003, Bild 15). Durch die seismischen Messungen werden die Initialwerte der Steifigkeit des verbesserten Bo-dens gemessen. Die so ermittelte maximale Steifigkeit muß danach dem aktuellen Dehnungsni-veau der geotechnischen Aufgabenstellung angepasst werden.

Beispiel: Einfache Setzungsabschätzung bei Anwendung einer Rüttelstopfverdichtung

Standort: 4,0 m Lehmschicht mit γB = 20 kN/m3 ; Es,B=2 MPa über Kiesschicht

Schottersäulen mit Es,S=80 MPa; φs=40° und A/As = 4,0

Belastung p = 50 kPa

Setzung vor Bodenverbesserung mit RSV: s0 = 50 . 400 . 0,8 (f) / 2000 = 8,0 cm > szul

Verbesserung durch RSV: n0 = 2,6 (Bild 12)

Flächenzuschlag ∆(A/As) = 0,1 für Es,S/Es,B=80/2=40 >>> A/As=4,1 >> n1 = 2,5 (Bild 13)

Tiefenzuschlag ft=1/[(1-y.Σ(γB.∆t)/p] = 1/[(1-y.Σ(20.4,0)/50] = 125 nach (14a) mit y = 0,62

Grenzwert des Tiefenbeiwertes ft nach (14b) mit y=0,14 >> ft < y. Es,S/Es,B=0,14.40=5,6 < 125

Endgültiger Wert der Bodenverbesserung n2 =n1 . ft=2,5.5,6=14

Setzung nach Bodenverbesserung mit RSV: sRSV=s0/n2=8,0/14=0,6 cm < szul

Bild 14: Bestimmung des Tiefenbeiwertes fT (a) und Grenzwertes (b) nach Priebe (1995)

a b

Q – Last auf Fundament Qgr- Grenzlast der Fundamentes

Für die Grundbruchsicherheit von Einzel- und Streifenfundamenten (Grenzzustand der Tragfähig-keit) sind die Scherparameter des verbesserten Bodens abzuschätzen. Nach Priebe (1995) lässt sich angeben: tan ϕB,RSV = m´. tan ϕS + (1-m´) tan ϕB (charakteristischer Wert) c´= (1 – m´) cB (charakteristischer Wert). mit m´= (n-1)/n

Diese Werte muß man im Nachweiskonzept mit partiellen Sicherheitsfaktoren im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) ebenfalls als charakteristische Werte einführen und ggf. in Designwerte umrechnen. Bei der Berechnung der Sicherheit kann man nach den aktuellen nationalen Normen bzw. nach dem EC 7 vorgehen. Nach der deutschen Norm (DIN 1054 / 2003) kann der Nachweis mit Grenzzustand 1B erfolgen, der mit der Nachweiskombination A1 + M1 + R2 im EC 7 (2002) vergleichbar ist. Von DC-Software ist in Zusammenarbeit mit Vibroflotation GmbH das Berechnungsprogramm „DC-vibro“ auf der Grundlage der Ansätze von Priebe entwickelt worden (www.dc-software.de).

4.3 Dynamische Intensivverdichtung (DYNIV) Die Wirkungsweise des Verfahrens ist abhängig von der Größe des Fallgewichts und der Auf-schlagfläche sowie von der Fallhöhe. Diese Parameter werden entsprechend der Bodenart, der Mächtigkeit der zu verdichtenden anstehenden Schichten und der zu erreichenden Bodenparame-ter festgelegt. Wirtschaftlichkeit wird bei diesem Verfahren erst bei Flächen > 2000 m2 erreicht (Bergado et al. 1996). Mit jedem Schlag wird eine Energie E = m.h eingetragen, auf deren Grundlage sich die erreichba-re Wirkungstiefe angeben lässt zu

t = α (m . h)0,5 [m] mit α = 0,3 – 1,0 ; m – Masse des Fallkörpers; h - Fallhöhe. Für den Koeffizienten α werden bei bindigen Böden kleinere und bei granularen Böden größere Werte verwendet (Bergado 1996), bei Schotter etwa 1,0. Mit jedem Schlag pro Verdichtungspunkt wird die Wirkungstiefe erhöht (Beispiel: m=1t, h=1m, α=0,5 >> t = 0,5 m bei einem Schlag, t = 5 m bei 100 Schlägen). Mit der Anzahl der Schläge wird Energie im Boden akkumuliert, die erforderlich ist, um den Boden in gefordertem Maße zu verdichten (kontrolliert z.B. durch entsprechend große Sondierwiderstän-de). Folgende Energiegrößen sind nach Bergado (1996) je m3 zu verdichtenden Boden erforder-lich: Sand / Kies - 20-25 tm; sandiger Schluff – 15-20 tm; Schluff /toniger Schluff – 10-15 tm, Auf-füllungen – 5-10 tm. Sind die zu verdichtenden Tiefenbereiche bekannt, dann können die erforder-lichen Schlagenergien auf eine Flächeneinheit (m2) bezogen werden. Diese Werte sind dann Aus-

G0 E0

γ

Abnahme - statisch

Abnahme – dynamisch

10-610-1

Versagen s=σ1.b.f/{(n2.E0,B)[1-(Q/Qgr)0,3]}

Bild 15: Dehnungsabhängige Veränderung der Bodensteifigkeiten

gangspunkt für die notwendigen Schlagenergien, Schlagpunktabstände und die Anzahl der notwen-digen Schläge. Die Schlagzahl muß zusätzlich mit der Porenwasserdruckentwicklung abgestimmt werden, da eine eintretende Verflüssigung weitere Schläge unbrauchbar machen (Bild 16). Die Lage der Schlagpunkte wird in einem Gitter-netz festgelegt. Bei dem ersten Verdichtungs-durchgang wird mit einem größeren Abstand der Verdichtungspunkte begonnen. Dieser Anfangs-abstand sollte etwa der Tiefe der zu verdichtenden Bodenschichten betragen. Bei den nächsten Ver-dichtungsdurchgängen werden weitere Gitterpunk-te ausgewählt, wodurch mit Zunahme der Durch-gänge der Abstand zwischen den Schlagpunkten stetig verkleinert und der Boden gleichmäßig ver-dichtet wird. Die erreichte Verdichtung und die aktuellen Bo-denkennwerte können mit den Meßmethoden in Abschnitt 5 ermittelt werden, wobei bei diesem Verfahren oft auch Pressiometer (Menard) Anwendung finden. Zur Kontrolle erzeugter Erschütterungen können ebenfalls die Ausführun-gen in Abschnitt 5 gelten.

5. Tiefenverdichtung – Qualitätskontrolle, Überwachung

5.1 Qualitätskontrolle, Überwachung der erreichten Bodenparameter Eine wesentliche Komponente der Qualitätskontrolle ist die laufende Dokumentation der Arbeits-abläufe, wie die Herstellzeit der einzelnen Verdichtungsvorgänge, die erreichte Versenktiefe , die Energieaufnahme des Rüttlers, der Verbrauch an Verfüllmaterial (bei RDV und RSV). Bei der dy-namischen Intensivverdichtung sind neben den Verfahrensparamern die erzeugten Krater auszu-messen. Die Aufnahme aller Parameter gehört zu den Pflichten des ausführenden Spezialtiefbau-betriebes und macht zumindest eine vergleichende Bewertung der Arbeitsgänge möglich. Außer-dem können Störungen in den Abläufen detektiert und ausgewertet werden. Nach Beendigung der Verdichtungsarbeiten sind Nachkontrollen notwendig, um die erreichten Bodenparameter des verbesserten Bodens zu erfassen und deren Brauchbarkeit zu bewerten. In der Praxis werden für diese Kontrollen des verdichteten Bodens + Ramm– oder Drucksondierungen (Bild 17) und + Plattendruckversuche eingesetzt. Weiterhin werden Pressiometer und Dilatometer zur Kontrolle der erreichten Bodenparameter verwendet. Mit diesen Messverfahren ist allge-mein die erreichte Verdichtung der Bodenberei-che dokumentierbar. Für eine angestrebte dichte Lagerung eines Erdstoffes (ID > 0,66) muß z.B. der Spitzenwiderstand einer CPT-Sonde etwa 15 MPa betragen (Mitchell 1998).

Bild 17: DPH-Messung vor und nach einer RDV-Maßnahme (Bauer-Prospekt)

Bild 16: Bodenverhalten bei dynamischer Intensivverdichtung (Smoltczyk 1991)

Einschränkungen bei der Bewertung der Bodenverbesserung ergeben sich bei den zusammenge-setzten Schottersäulen – Boden – Strukturen der Rüttelstopfverdichtung. Da können ggf. Probe-belastungen bei einer Bewertung weiterhelfen, aber auch die im nachfolgenden Beispiel einge-setzten seismischen Meßverfahren. Bei der dynamischen Intensiverdichtung muß die Interpretation der Sondierergebnisse oder der

Pressiometermessungen bezüglich der erreichten Verdichtung bzw. der verbesserten Bodenparameter sorg-fältig erfolgen. Infolge der bei den Schlägen eingetragenen Porenwas-serdrücke (bis nahe an die Verflüssi-gung) werden unmittelbar nach der Verdichtung zu kleine Sondierwider-stände gemessen, die sich erst einige Zeit nach der Verdichtung zusammen mit den effektiven Spannungen im Boden aufbauen (Bild 16 und 18). Schwierig gestaltet sich ferner die Angabe der erreichten Bodensteifig-keiten im Sinne der Bemerkungen in Abschnitt 4.2 und des Bildes 15. Die Bestimmung der Bodensteifigkeiten

durch Korrelation zu den Sondier- und Plattendruckergebnissen sind unbefriedigend (Schmert-mann 1986). Aus dem Spitzenwiderstand qc der CPT-Sonde läßt sich z.B. nach Schmertmann (1986) für die Steifezahl ES folgende Korrelation angeben ES = α . qc, wobei der Wert α für die verschiedenen Bodenarten und Konsolidierungszustände anzupassen ist. Diese Werte α liegen z.B. für verdichtete Sande im Bereich 7 < α < 36 (nach Robertson 1983, Schmertmann 1986) und damit viel höher als in normalkonsolidierten Sanden (Baldi 1989). Eine

wesentliche Verbesserung der Interpretation der Bodensteifigkeiten würde sich mit dem Einsatz einer SCPT-Sonde ergeben, bei der gleichzeitig Spitzendruck- und seismische Messungen ausgeführt und korreliert wer-den können (Bild 19). Mit dieser Auswertung der CPT-Versuche wird der Übergang zu den dehnungsabhängigen Steifigkeiten nach Bild 15 geschaffen.

Es wird deutlich, dass die Erkundungs- bzw. Kontrollmethoden sorgfältig entsprechend ihrer Einsatzkriterien und ihres erzeugten Dehnungsniveaus zu unterscheiden sind (Jamiolkowski 1995), um Fehlinterpretatio-nen vorzubeugen. Setzt man zusätzlich zu den konventionellen Prüfverfahren seismi-sche Messungen ein, so können wesentlich zuverlässigere Bodensteifigkeiten bis in die Bereiche sehr kleiner Dehnungen ermittelt werden. Eine realitätsnahe Beschreibung des Bodenverhaltens über einen großen Be-reich der Dehnungen und letztlich für einen großen Bereich geotechnischer Anwendun-gen wird möglich (Fahay 1998, Schmidt 2002, 2003).

Bild 18: Zunahme des CPT-Spitzendruckes nach dynamischer Intensivverdichtung (Schmertmann 1986)

Bild 19: Korrelation der maximalen Steifigkeit G0 mit CPT-Spitzendruck qc nach Robertson (in Fahay 1998) pa – 100 kPa (athmos. Druck), σ´v - eff. vertikale Spannung im Boden

Eine Kombination konventioneller und seismischer Verfahren wurde zur Standorterkundung und zur Ermittlung der vorhandenen Bodenparameter auf einem Kippengelände in der Niederlausitz in Ostdeutschland eingesetzt (Bild 20). Zu bewerten waren neben den Freifeldbedingungen auf der Kippe die verbesserten Bodenbereiche unter den Fundamenten von Windkraftanlagen. Wegen befürchteter Sackungen infolge Wiederanstieg des Grundwassers um ca. 50 m wurden Rütteldruckverdichtungen bis zu extremen Tiefen von 70 m unter GOK durchgeführt Im oberen Gründungsbereich wurden zusätzlich Rüttelstopfverdichtungen bis 15 m Tiefe unter UK Funda-ment vorgenommen (Bild 20). Diese RSV-Maßnahme war neben der beabsichtigten Bodenver-besserung auch deshalb günstig, weil sich in den oberen Bereichen des anstehenden Sand-Schluff-Gemisches Auflockerungen durch die RDV-Maßnahme eingestellt hatten.

Die Ergebnisse der Messungen sind in Bild 21 dargestellt. Aus den Freifeldmessungen des Kip-pengeländes (die unteren 3 Linien) lassen sich realistische Bodensteifigkeiten ableiten, wobei eine gute Übereinstimmung bei den verschiedenen eingesetzten Meßverfahren erkennbar ist. Die obe-re Linie (Crosshole – Messung) weist die steifigkeitserhöhende Wirkung der RSV aus. Die Erhö-hung der Steifigkeit entspricht etwa der Prognose nach dem Verfahren von Priebe (1995).

Bild 20: Gründung einer Windkraftanla-ge mit Bodenverbesserung; seismi-schen Crosshole- und Oberflächenwel-lenfelder - Messungen

Shear wave velocity profiles _ S-9

0

50

100

150

200

250

300

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

depth [m]

shea

r wav

e ve

loci

ty [

m/s

]

vs[m/s]_FF

vs[m/s]_Imp

vs[m/s]_CPT

vs[m/s]_SW

Legend:FF - Freefield with Cross hole (CH)Imp - Soil improvement with CHCPT - Freefield with CPT (Robertson, Baldi, Imai)SW - Surface wave field measurement (FF)

Bild 21: Scherwellengeschwindigkeitsprofil an einer ausgewählten Windkraftanlage, abgeleitet aus Crosshole- und Oberflächenwellenfeldern sowie CPT-Messungen

Mit der Anpassung der gemessenen maximalen Steifigkeiten an das vorhandene Dehnungsniveau im Gebrauchszustand der Gründung konnten die Setzungsbeobachtungen sehr gut nachvollzogen werden. Setzungsprognosen auf der Basis herkömmlich ermittelter Bodenkennwerte erbrachten dagegen 2- bis 3-mal so große Werte gegenüber den gemessenen Setzungen.

5.2 Bewertung der Erschütterungen Die während der dynamischen Tiefendichtung erzeugten Erschütterungen werden im Boden wei-tergeleitet und können sich störend bzw. schädigend auf Mensch und Bauwerk auswirken. An-haltswerte zur Beurteilung der auftretenden Schwinggeschwindigkeiten in Gebäuden liefert z.B. DIN 4150 (Bild 22). Zur Beweissicherung sind begleitende Messungen der Erschütterungen erfor-derlich.

Die in Bild 23 dargestellte Messung wurde durchgeführt, um die Auswirkungen einer RSV-Maß-nahme (Schottersäulen mit ca. 8,0 m Länge) auf eine vorbeiführende Hochdruckgasleitung in ca. 6,0 m Abstand und ca. 2,5 m Tiefe zu bewerten. Die größten Erschütterungen wurden beim anfänglichen Einrütteln des Schleusenrüttlers (V 13, ca. 60 Hz, seitliche Amplitude 23 mm, eingetragene Erschütterung ca. 8000 mm/s) in den Boden gemessen. Die durch den Rüttler in den Boden eingetragenen Erschütterungen sind Ergebnis der dynamischen Interaktion mit dem Boden und im vorliegenden Falle unbekannt (weiterführend da-zu Fellin 2000). Im Abstand von 6,0 m vom Rüttler wurden maximale Geschwindigkeiten von 30 mm/s an der Ge-ländeoberfläche registriert. In Bild 23 ist die beobachtete Abnahme der Amplituden mit zuneh-mender Entfernung von der Quelle dargestellt. Eine rechnerische Abschätzung der Amplitudenab-nahme kann mit der Gleichung in Bild 24 erfolgen. In einem angelegten Schurf in 2,0 m Tiefe wur-den Geschwindigkeitsgrößen von max. 4,5 mm/s gemessen. Diese Größenordnungen der Er-schütterungen konnten als unbedenklich für die zu beurteilende Gasleitung angesehen werden. Insgesamt können die Ausführungen von Fellin (2000) bestätigt werden, dass bei einem Abstand über 10 m von der RD-Quelle keine Gefährdung von Gebäuden mehr auftritt. Bei Verdichtungstie-fen < 10m verkleinert sich entsprechend der Abstand, ggf. sind die auftretenden Erschütterungs-werte und deren Zulässigkeit durch Messungen abzusichern.

Bild 22: Anhaltswerte für die zulässigen Schwinggeschwindigkeiten nach DIN 4150, Teil 3

Für die dynamische Intensivverdichtung wird von Arz (1994) ebenfalls ein Mindestabstand von 10 m zur vorhandenen Bebauung ange-geben, der sich bei ungünstigen Boden- und Grundwasserverhältnissen und entspre-chend der Empfindlichkeit der Bausubstanz auch auf 50 m erhöhen kann. Gemessene Amplitudenabnahmen mit wach-sendem Abstand von der Erschütterungs-quelle (RDV, DYNIV) zeigt Bild 25. Danach klingen die eingetragenen Erschütterungen von Schlägen (obere Grenze – rolliges, unte-re Grenze – bindiges Material) wesentlich langsamer ab im Vergleich zu Vibrationser-schütterungen (obere Grenze bei ca. 30 Hz, untere Grenze bei ca. 60 Hz) Weiterhin zu beachten ist bei diesen Bauver-fahren die Erzeugung von Luftschall (Mose-ley 1993). Observationsmessungen sollten in jedem Fall erfolgen, um Kontrollwerte / Be-weismittel zu besitzen.

Referenzen: Arz,P., Schmidt,H.G., Seitz,J., Semprich,S. (1994). Grundbau, Betonkalender 1994 Bergado,D.T., Anderson,L.R., Miura,N., Balasubramaniam,A.S. (1996). Soft ground improvement, ASCE press, New York Baldi,G., Belotti,R., Ghionna,V.H., Jamiolkowski,M., LoPresti,D.C.F. (1989). Modulus of sands from CPTs and DMTs, Proc. 12th Int. Conf. on SMFE, Rio de Janeiro, vol.1, 165-170, Balkema

Schwinggeschwindigkeitsamplitude in mm/s

7x 7y 7z 6z 5z 4z 3z 2z 1z Aufnehmer (z-vertikal, x-y-horizontal)

A(r)= A0(r0) . (r / r0)-n • Referenzpunkt mit Amplitude A0 und Abstand r0 (ggf. auch Meßpunkt) • betrachteter Punkt mit Amplitude A und Ab-

stand r (Prognosepunkt) • Exponent n = 0,5 – 1,5 (für Punktquelle)

Bild 23: Gemessene Erschütterungen der Schwinggeschwindigkeiten mit zunehmendem Abstand von einer RSV-Quelle und im Schurf

Bild 24: Abschätzung der Amplitudenabnah-me bei der Wellenausbreitung (s. Empfehlung DGGT, AK 1.4 „Baugrunddynamik“)

Bild 25: Amplitudenabnahme von Erschütterungen bei Rüttel- und Intensivverdichtung (Moseley 1993)

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