Verfahren und Vorrichtung zum Stabilisieren von Reibungsbodenschichten und angrenzenden Kohäsionsbodenschichten

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Stabilisieren von Reibungsbodenschichten und angrenzenden Kohäsionsbodenschichten, wobei eine in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweisende Verdichtungsbohle mit Hilfe eines auf deren oberes Ende aufgesetzten Vibrationsantriebes an mehreren Stellen in zumindest eine Reibungsbodenschicht sowie eine benachbarte Kohäsionsbodenschicht einvibriert und anschließend wieder gezogen wird, und andererseits eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, mit einer in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibenden querschnittaufweisenden Verdichtungsbohle und einem auf deren oberes Ende aufsetzbaren Vibrationsantrieb. - Derartige Maßnahmen sind aus EP-B 0 203 137 bekannt.

[0002] Bauwerkslasten werden oft durch Pfahlgründungen von der Oberfläche in tiefergelegene, tragfähige Schichten übertragen. Die dazu verwendeten Pfahlelemente können beispielsweise durch Bohren, Rammen oder Vibrieren in den Boden eingebracht werden. Da in vielen Fällen die Pfähle während des Rammvorganges am stärksten belastet werden, ist diese kurze Belastungsphase oft für die Dimensionierung und die Materialwahl der Pfähle ausschlaggebend und nicht die Langzeitbelastung durch das Bauwerk. Pfahlgründungen sind daher bei großen konzentrierten Bauwerkslasten ökonomisch. Bei oft vorkommenden leichteren Belastungen, wie durch mittlere Wohnhäuser, Industriebauten oder Schüttungen für Dämme, wird die hohe Tragfähigkeit von Pfählen dagegen oft nicht voll ausgenutzt. In diesen Fällen wäre es ökonomischer, den anstehenden Boden durch andere Stabilisierungsmaßnahmen zu verbessern.

[0003] Bei der Bodenverbesserung wird zwischen feinkörnigen, wasserundurchlässigen Böden, sogenannten Kohäsionsböden, und grobkörnigen, wasserdurchlässigen Böden, sogenannten Reibungsböden unterschieden. Während sich im feinkörnigen Boden bei der Belastung die Setzungen über einen langen Zeitraum (mehrere Jahre) erstrecken, treten in grobkörnigen Böden die Setzungen innerhalb von kurzer Zeit (Minuten bis Tage) ein. Diese unterschiedlichen Bodeneigenschaften haben großen Einfluß auf die Wahl der optimalen Methode der Bodenverbesserung.

[0004] Zur Bodenstabilisierung sind entsprechend den Anforderungen unterschiedliche Methoden entwickelt worden. In Reibungsböden werden hauptsächlich Ramm-, Vibrier- oder Rüttelverfahren angewendet. Die erhöhte Tragfähigkeit von solchen Böden wird durch die dynamischen Kräfte erzielt, die z. B. mittels Tiefenrüttler oder Resonanzverdichtung im Boden erzeugt werden. Bei der Resonanzverdichtung wird eine besonders ausgeführte Bohle vertikal in den Boden einvibriert. Die Schwingungsenergie am aufgesetzten Vibrationsantrieb wird den Resonanzfrequenzen des Bodens angepaßt, um eine möglichst effektive Bodenverdichtung zu erreichen.

[0005] Die Festigkeit von feinkörnigen Böden, wie Schluff oder Feinsand, kann durch Zuführen von Material mit besseren Tragfähigkeitseigenschaften, z. B. Sand oder Kies, sowie gleichzeitige mechanische Bearbeitung, z. B. durch Rammen oder Vibrieren, erhöht werden. Dabei entstehen pfahlähnliche Säulen aus Kies oder Sand, sogenannte Rüttelsäulen, deren Tragfähigkeit jedoch begrenzt ist. Um Böden größerer Mächtigkeit mit diesem Verfahren herstellen zu können, wurden verschiedene Geräte entwickelt, die durch Rütteln, Spülen oder andere mechanische Verfahren (Einpressen oder Einschrauben) in die zu verfestigenden Schichten eindringen können, so daß dort die verfestigten Bodensäulen hergestellt werden können.

[0006] In Kohäsions- bzw. Tonböden sind Rüttel- oder Vibrierverfahren nicht anwendbar. Es können jedoch stabilisierende Substanzen, wie Zement, Flugasche oder Kalk, in den Boden eingemischt werden, die mit dem umgebenden Boden chemisch reagieren und verfestigte Bodensäulen erzeugen. Diese Methode ist vor allem bei zunehmender Verdichtungstiefe teuer und außerdem nur für gewisse feinkörnige Bodenarten geeignet.

[0007] Auch Dränageverfahren können zur Verbesserung von feinkörnigen Böden verwendet werden. Dabei werden dränierende Elemente (Dräns) vertikal in den Boden eingebracht. Diese Dränelemente haben im allgemeinen unzureichende Steifigkeit, um selbst Belastungen aufnehmen zu können oder den Boden direkt zu stabilisieren. Sie dienen nur zur Erhöhung der Bodendurchlässigkeit. um einen eventuellen Porenwasserüberdruck schneller ausgleichen zu können. Daher muß die Dränage mit anderen Verfahren, wie der statischen Vorbelastung, kombiniert werden, wobei die Bodensetzung beschleunigt wird. Erst nach deren Abklingen kann das eigentliche Bauwerk ausgeführt werden. Diese Methode ist sehr zeitraubend, aber relativ billig. Dräns werden beispielsweise aus grobkörnigen Böden (Sand), Abfallprodukten der Industrie, wie Gips oder Flugasche, oder aus künstlichem Material (Kunststoff, versteifter Karton) hergestellt. Diese Dränelemente können durch Einpressen, Einvibrieren, Rammen, Einspülen oder eine Kombination dieser Maßnahmen im Boden installiert werden.

[0008] In der Baupraxis kommen jedoch oft Mischböden vor, die sowohl aus grob- als auch feinkörnigen Bodenschichten bestehen. In diesen Fällen ist es regelmäßig sehr schwierig, mit Hilfe einer einzigen Methode technisch und ökonomisch optimale Baugrundverbesserungen durchzuführen. Als Beispiel kann das Rüttelverfahren angeführt werden, das zwar Sandschichten effektiv verstärkt, aber dazwischenliegende Ton- oder Schluffschichten nicht oder nur ungenügend verbessert.

[0009] Eine in der Bauindustrie neue Entwicklung der Bodenverbesserung ist die sogenannte Bodenvernagelung, die bisher hauptsächlich zur Stabilisierung von Böschungen, Hängen oder Baugruben angewendet worden ist. Dabei handelt es sich um eine Bodenverfestigungsmethode, bei der steife Elemente aus Stahl oder Beton mit kleinem Durchmesser in den Boden eingerammt oder eingebohrt werden. Diese Bodennägel werden in dichtem Abstand von etwa 0,5 bis 1,5 m eingebaut. Im Unterschied zu konventionellen Pfahlgründungen, bei denen Bauwerkslasten durch die kompressiblen Böden in feste Schichten übertragen werden, ohne diese dabei zu belasten, wird beim Bodenvernageln ein Armierungseffekt bzw. eine Bodenbewehrung angestrebt. Die Belastung wird teilweise durch den Boden und teilweise durch die Vernagelung getragen. Es entsteht ein neues Gründungsmaterial, nämlich Boden mit zusammenwirkenden Nägeln, dessen Eigenschaften den gegebenen geotechnischen und bautechnischen Erfordernissen besser angepaßt werden können. Die Hauptursache, warum die Bodenvernagelung bisher überhaupt nicht für übliche Gründungsprobleme angewendet worden ist, liegt in der Schwierigkeit, die bis zu 20 m langen, aber schlanken Bodennägel mit einem Durchmesser von 20 bis 40 mm schonungsvoll und mit Präzision in den Boden einzubauen.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie man im Rahmen der eingangs genannten Maßnahme geschichtete Böden auf einfache Weise wirkungsvoll zu stabilisieren.

[0011] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

[0012] In verfahrensmäßiger Hinsicht besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß die Bodenschichten miteinander vernagelnde Bodennägel von der Verdichtungsbohle bei deren Einvibrieren in die Bodenschichten mit eingezogen und bei deren Ziehen in den Bodenschichten belassen werden. Vorzugsweise bestehen die Bodennägel aus Stangen aus Stahl, vorgespanntem oder schlaff bewehrtem Beton, Kunststoff, Holz oder Bambus. Um eine günstige Krafteinleitung in den festeren Bodenschichten in die weicheren Böden zu ermöglichen, sollten die Bodennägel an ihrem oberen und/oder unteren Ende mit Verbreiterungen versehen sein. Auf jeden Fall empfiehlt es sich, die Anordnung so zu treffen, daß die Bodennägel beim Ziehen der Verdichtungsbohle selbsttätig freigekoppelt werden.

[0013] Wie oben bereits ausgeführt worden ist, ist Gegenstand der Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Hier besteht die Erfindung darin, daß die Verdichtungsbohle Halterungen für Bodennägel aufweist, welche die Bodennägel beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle mitnehmen, beim Ziehen der Verdichtungsbohle aber im Boden belassen. Die Halterungen können aus geschlossenen oder auch längsgeschlitzten Mitnahmehülsen bestehen. Sie sollten jedenfalls zumindest im Bereich des unteren Endes der Verdichtungsbohle vorgesehen sein. Für eine optimale Bodenverdichtung empfiehlt es sich ferner, wenn die Verdichtungsbohle einen durch mehrere Arme gebildeten offenen Querschnitt aufweist. In diesem Zusammenhang hat sich in der Praxis eine Ausführungsform als besonders günstig herausgestellt, bei der die Verdichtungsbohle einen gedoppelt V-förmigen Querschnitt mit die V-Spitzen verbindendem Quersteg aufweisen; die freien Enden der V-Arme bilden dann eine gleichsam rechteckige Umhüllende, die bei rasterförmigem Einvibrieren der Verdichtungsbohle einen besonders gleichmäßigen Verdichtungsgrad sicherstellt. Die Halterungen für die Bodennägel sind nach bevorzugter Ausführungsform an den freien Enden der Arme vorgesehen.

[0014] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei den in der Baupraxis oft vorkommenden Reibungsböden, wie Kies oder Sand, mit Schichten aus feinkörnigen Böden, wie Schluff oder Ton, durch eine Kombination von Vibrationsverdichtung im Reibungsboden und Bodenvernageln im Kohäsionsboden sich eine neue, effektive Möglichkeit eröffnet, diese schwierigen Bodenschichten zu verbessern. Die Resonanzverdichtung ist eine effektive Methode zur Verbesserung der Reibungsbodenschichten. Bei der Resonanzverdichtung wird die Verdichtungsbohle z. B. in Form einer dünnwandigen Stahlbohle mittels des am oberen Ende befestigten Vibrationsantriebes in den Boden einvibriert. Durch die dabei erzeugte Schwingungsenergie wird der Reibungsboden effektiv verdichtet. Die Bohle gibt außerdem die Möglichkeit der Dränage von Porenwasser, was vor allem bei Vorkommen von geschichteten Böden von großem Vorteil ist. Die feinkörnigen Bodenschichten werden durch die Vibration jedoch kaum beeinflußt. In diesen Bodenschichten ist dagegen die Bodenvernagelung effektiv. Das für die Resonanzverdichtung entwickelte Gerät aus Verdichtungsbohle und Vibrationsantrieb wird auch zum Einbringen eben der schlanken Nägel in die tiefen Bodenschichten verwendet, indem die Nägel an der Bohle befestigt und dann in den Boden einvibriert werden. Die Länge und Position der Nägel kann mittels der Verdichtungsbohle den jeweiligen Bodenschichten genau angepaßt werden. Die Bodennägel können in gewissen Fällen auch tiefer in den Boden reichen als die Verdichtungsbohle, wenn sich beispielsweise ein Kohäsionsboden unter einem Reibungsboden befindet. Die schlanken Nägel werden durch die Verdichtungsbohle mit hoher Präzision sowie einfach und schonungsvoll in den Boden eingezogen und durch die Verdichtungsbohle seitlich fixiert. Beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle können selbstverständlich mehrere Nägel eingebaut werden. Wenn die erforderliche Tiefe erreicht ist, werden die Bodennägel freigekoppelt, was im einfachsten Fall einfach durch Ziehen der Bohle erreicht wird. Das Auskoppeln der Bodennägel von der Verdichtungsbohle kann aber auch durch eine Vielzahl von üblichen Verankerungsmethoden erreicht werden. Außerdem können die Bodennägel am unteren Ende mit Anordnungen versehen sein, die das Anklemmen derselben an der Verdichtungsbohle, beispielsweise durch eine gabelförmige Anordnung ermöglichen. Die Verdichtungsnägel können entsprechend den geologischen Erfordernissen zu Beginn, während oder am Ende der Bodenverdichtung eingebaut werden. Sie können rund oder flach ausgebildet sein, ihre Form kann jedenfalls innerhalb weiter Grenzen variieren. Die Verdichtungsnägel können am oberen Bohlenende angeklemmt werden, um ihre Lage zu fixieren und zu hohe Zugbelastungen in den Nagelelementen zu verringern. In gewissen Bodenschichten können die Nägel durch eine Kombination von Vibrieren, Rammen und Drücken der Verdichtungsbohle eingebaut werden. Diese Einbaumethode mittels der Verdichtungsbohle ermöglicht es, den Nageldurchmesser unabhängig vom Einbauvorgang optimal an die gründungstechnischen Verhältnisse anzupassen.

[0015] Die Form der Verdichtungsbohle hat große Bedeutung, um eine effektive Bodenverdichtung und Bodenvernagelung zu erzielen. Besonders günstig sind die bereits beschriebenen Ausführungsformen. Jedenfalls muß die Form der Verdichtungsbohle entsprechend den geotechnischen Verhältnissen so ausgeführt werden, daß eine homogene bzw. dichte Vernagelung erreicht wird. Besonders geeignet ist insoweit eine Verdichtungsbohle, die einen gedoppelt V-förmigen Querschnitt mit die V-Spitzen verbindendem Quersteg aufweist; eine solche Verdichtungsbohle kann auch allein zur Bodenverdichtung, d. h. ohne gleichzeitige Bodenvernagelung eingesetzt werden.

[0016] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1

das Einvibrieren einer Verdichtungsbohle,

Fig. 2

die Verdichtungsbohle gemäß Fig. 1 nach dem Einvibrieren,

Fig. 3

einen Abschnitt der Verdichtungsbohle und

Fig. 4a, b, c

verschiedene Querschnittsformen der Verdichtungsbohle.

[0017] Wie sich aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 ergibt, wird eine Verdichtungsbohle 2 mit Hilfe eines aufgesetzten Vibrationsantriebes 1 in den Boden einvibriert. Dabei sind an der Verdichtungsbohle 2 Bodennägel 3 befestigt. Nach dem Erreichen der Absenktiefe im feinkörnigen Boden wird die Verdichtungsbohle 2 wieder gezogen, wobei die Bodennägel 3 zurückbleiben. Fig. 3 entnimmt man, daß die Bodennägel 3 in hülsenförmige Halterungen 4 eingesetzt sind und beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle 2 mit Hilfe von am unteren Nagelende befestigten Querrippen 5, die sich an die Halterungen 4 unten anlegen, mit eingezogen werden.

[0018] Fig. 4 zeigt verschiedene Querschnittsformen für die Verdichtungsbohle 2 mit längsgeschlitzten bzw. geschlossenen Halterungen 4 an Bohlenarmen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Stabilisieren von Reibungsbodenschichten und angrenzenden Kohäsionsbodenschichten, wobei eine in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweisende Verdichtungsbohle (2) mit Hilfe eines auf deren oberes Ende aufgesetzten Vibrationsantriebes (1) an mehreren Stellen in zumindest eine Reibungsbodenschicht sowie eine benachbarte Kohäsionsbodenschicht einvibriert und anschließend wieder gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die benachbarten Bodenschichten miteinander vernagelnden Bodennägel (3), deren Länge etwa der Verdichtungsbohle (2) entsprechen, von der Verdichtungsbohle (2) bei deren Einvibrieren in die Bodenschichten mit eingezogen und bei deren Ziehen in den Bodenschichten belassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodennägel (3) aus Stangen aus Stahl, vorgespanntem oder schlaff bewehrtem Beton, Kunststoff, Holz oder Bambus bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodennägel (3) an ihrem oberen und/oder unteren Ende mit Verbreiterungen versehen sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodennägel (3)beim Ziehen der Verdichtungsbohle (2) selbsttätig freigekoppelt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer in Längsrichtung im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweisenden Verdichtungsbohle (2) und einem auf deren oberes Ende aufsetzbaren Vibrationsantrieb (1), wobei die Verdichtungsbohle (2) Halterungen (4) für die Bodennägel (3) aufweist, welche die Bodennägel (3) beim Einvibrieren der Verdichtungsbohle (2) mitnehmen, beim Ziehen der Verdichtungsbohle (2) aber im Boden zurücklassen, wobei die Verdichtungsbohle (2) einen durch einen oder mehrere Arme gebildeten offenen Querschnitt aufweist, insbesondere einen gedoppelt V-förmigen Querschnitt mit die V-Spitzen verbindendem Quersteg aufweist, und wobei die Halterungen (4) an den freien Enden der Arme vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (4) aus Mitnahmehülsen bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (4) zumindest im Bereich des unteren Endes der Verdichtungsbohle (2) vorgesehen sind.

Claims

1. Method for stabilising friction soil layers and bordering cohesive soil layers, wherein by means of a vibration drive (1) attached onto its upper end, a consolidation pile (2) with an essentially constant cross-section in longitudinal direction is vibrated at several places into at least one friction soil layer and an adjacent cohesive soil layer and is then withdrawn again, characterised in that the soil nails (3) nailing the adjacent soil layers to one another, with a length corresponding approximately to that of the consolidation pile (2), are driven in by the consolidation pile (2) when it is vibrated into the soil layers, and are left in the soil layers when the pile is withdrawn.

2. Method according to Claim 1, characterised in that the soil nails (3) consist of rods made of steel, prestressed or loosely reinforced concrete, plastic, wood or bamboo.

3. Method according to Claim 1 or 2, characterised in that the soil nails (3) are provided with broader sections at their upper and/or lower end.

4. Method according to one of Claims 1 to 3, characterised in that the soil nails (3) are automatically disengaged when the consolidation pile (2) is withdrawn.

5. Device for conducting the method according to one of Claims 1 to 4, with a consolidation pile (2) with an essentially constant cross-section in longitudinal direction and a vibration drive (1) which may be attached onto its upper end, wherein the consolidation pile (2) has holding elements (4) for the soil nails (3) which carry the soil nails (3) with them when the consolidation pile (2) is vibrated in, but leave them in the soil when the consolidation pile (2) is withdrawn; wherein the consolidation pile (2) has an open cross-section formed by one or several arms, in particular a double V-shaped cross-section with a transverse web connecting the points of the Vs, the holding elements (4) being provided on the free ends of the arms.

6. Device according to Claim 5, characterised in that the holding elements (4) consist of carrier sleeves.

7. Device according to Claim 6, characterised in that the holding elements (4) are provided at least in the area of the lower end of the consolidation pile (2).

Revendications

1. Procédé de stabilisation de couches d'un sol de friction et de couches d'un sol de cohésion voisines, pour lequel, à l'aide d'un dispositif vibrant (1), placé à l'extrémité supérieure d'une palplanche de compactage (2) présentant une section essentiellement constante dans sa direction longitudinale, on fait pénétrer par vibration, en plusieurs endroits, dans au moins une couche du sol de friction ainsi que dans une couche de cohésion voisine, cette palplanche de compactage (2), puis on la retire ensuite,
   caractérisé en ce que les broches de sol (3), ancrant les unes avec les autres les couches du sol voisines, et dont les longueurs correspondent sensiblement à la palplanche de compactage (2), sont enfoncées avec la palplanche de compactage (2) dans les couches du sol, par cette dernière, lors de sa mise en place par vibration, et sont laissées dans les couches du sol lors de son extraction.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les broches de sol (3) sont constituées de barres en acier, en béton précontraint ou en béton à armature classique, en matière plastique, en bois ou en bambou.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les broches de sol (3) sont munies d'élargissements de renfort à leurs extrémités supérieures et/ou inférieures.

4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les broches de sol (3) sont automatiquement découplées lors du retirage de la palplanche de compactage (2).

5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, comportant une palplanche de compactage (2) présentant une section essentiellement constante dans sa direction longitudinale et un dispositif (1) produisant les vibrations et pouvant être installé sur l'extrémité supérieure de cette palplanche, étant entendu que la palplanche de compactage (2) présente, pour les broches de sol (3), des fixations (4) qui entraînent les broches de sol (3) lors de l'enfoncement par vibration de la palplanche de compactage (2), mais les abandonnent dans le sol quand on retire la palplanche de compactage (2), cette palplanche de compactage (2) présentant une section ouverte, formée par une ou plusieurs ailes, en particulier une section double en forme de V comportant des ailes transversales reliant les pointes du V, et les fixations (4) étant prévues sur les extrémités libres des ailes.

6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les fixations (4) sont constituées par des douilles d'entraînement.

7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les fixations (4) sont prévues au moins dans la zone de l'extrémité inférieure de la palplanche de compactage (2).

Zeichnung