Marko Winkler (geb. Hentschel)

Dichte und Tragverhalten von mit dem Rüttelstopfverfahren erstellten Schottersäulen

Einleitung

Die durch das Rüttelstopfverfahren hergestellten Schottersäulen bieten dem verantwortlichen Ingenieur eine Möglichkeit die Baugrundeigenschaften erheblich zu verbessern. Die eigentliche Verbesserung des anstehenden Bodens beruht dabei auf zwei Ursachen. Auf der einen Seite bilden die Schottersäulen vertikale Elemente mit verbesserten Eigenschaften und auf der anderen Seite wird der umgebende Boden verdichtet.
Durch die vertikalen Auflasten auf den Säulenköpfen werden Querdehnungen in horizontaler Richtung erzeugt, die im umgebenden Boden einen passiven Erddruckzustand erzeugen. Die Belastung der Geländeoberfläche führt ebenfalls zu Vertikalspannungen im Boden, wodurch dieser konsolidiert. Als Folge dessen steigen die effektiven Horizontalspannungen an und der Widerstand gegenüber einem radialen Verformen der Säule vergrößert sich. Es ergeben sich eine erhöhte Tragfähigkeit durch einen vergrößerten Reibungswinkel, reduzierte Verformungen durch eine erhöhte Steifezahl und eine verkürzte Zeitdauer bis zum Erreichen der Endsetzungen aufgrund der Drainagewirkung. Generell muss zwischen dem Verhalten einer Einzelsäule und einer Säulengruppe unterschieden werden, da sich die Säulen gegenseitig beeinflussen.
Das Trag- und Verformungsverhalten der Rüttelstopfsäulen wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst, die durch verschiedene Labor-, Feld und Modellversuche näher betrachtet werden. Der im Rahmen dieser Diplomarbeit untersuchte Einfluss der Lagerungsdichte des Schottersäulenmaterials ist im wesentlichen von der Herstellung, dem umliegenden Boden und den Materialeigenschaften des grobkörnigen Materials abhängig.

Feld- und Laborversuche

Drei ausgewählte Baustellen wurden untersucht, um Kenntnisse über die tiefenabhängige Verteilung der Lagerungsdichte zu gewinnen:

• Ústí nad Labem, Autobahnneubau D8 (A17)
• Kerspleben bei Erfurt, Neubau SB-Markt
• Bernau am Chiemsee, Neubau SB-Markt

Durchgeführte Feld- und Laborversuche:

• Ballonverfahren nach DIN 18125-2 (1999) zur Bestimmung der Lagerungsdichte
• Siebungen entsprechend DIN 18123 (1996) zur Ermittlung der Korngrößenverteilung
• Versuche zur Bestimmung der Grenzen der Lagerungsdichte nach der DIN 18126 (1996)
• Beschreibung der Kornform
• Rammsondierungen zur Abschätzung der bezogenen Lagerungsdichte

Ergebnisse:

• durch Abrasion und Kornbruch Abnahme des mittleren Korndurchmessers d50 und Zunahme der Ungleichförmigkeitszahl U=d60/d10 mit zunehmender Tiefe (siehe Abb. 2)
• Lagerungsdichte des Säulenmaterials nimmt mit der Tiefe zu und die Porenzahlen nehmen ab
• Zunahme der bezogenen Lagerungsdichte bis zu einer Tiefe von ungefähr 3 m
• bei größeren Tiefen als 3 m befindet sich die bezogene Lagerungsdichte in den Bereichen ID=0,6-0,7
• größere Säulendurchmesser bei Böden mit weicherer Konsistenz
• kein Einfluss der Frequenz bei der Säulenherstellung auf die erreichten Lagerungsdichten

Modellversuche

Mit den Modellversuchen sollte das dichteabhängige Verhalten von Sandsäulen getestet werden, die von einem Sand-Kunststoffgemisch (Soiltron) umgeben sind. Es wurden Parameterstudien mit unterschiedlichen Dichten des Säulenmaterials und variierenden geometrischen Abmessungen durchgeführt.
Neben den konventionellen Kraft-Verschiebungsmessungen durch Kraftmessdose und Messuhr kam die PIV-Methode (Particle-Image-Velocimetry) zum Einsatz.
Die Belastung erfolgte über zwei unterschiedliche Fundamentgeometrien. In der Variante A wurden die Lasten über einen Stempel übertragen, der den gleichen Durchmesser wie der Säulenkopf besaß. In Variante B hatte das belastende Fundament die gleiche Fläche wie der gesamte Kammerquerschnitt.

Ergebnisse:

Variante A

• bei Verschiebungen von 5.3 bis 17.0% des Säulendurchmessers tritt ein Spannungsmaximalwert σv.max auf (siehe Abb. 4)
• bei dichter Lagerung des Säulenmaterials σv.max bis zu 65% größer als bei lockerer Lagerung
• Ausbilden eines Versagensmechanismus ähnlich dem eines Grundbruchs (siehe Abb. 5)
• Absinken der Spannungen bei weiter zunehmenden Verschiebungen auf einen Wert von 54 bis 91% von σv.max (siehe Abb. 4)
• >bei Versuchen mit kleineren Kammerquerschnitten kein ungestörtes Entwickeln der Versagensmechanismen und somit σv.max bis zu 4.9 mal größer

Variante B

• bei gleicher Zunahme der Verschiebungen stärkere Zunahme der Vertikalspannungen bei dichter Lagerung im Bereich kleiner totaler Verschiebungsbeträge
• nehmen die Totalverschiebungen weiter zu, bleibt die Spannungsdifferenz zwischen lockerer und dichter Lagerung konstant

Ausblick

Bei den Feldversuchen ergab sich in den durch Sicherheitsvorschriften und Arbeitsaufwand limitierten Ausgrabungstiefen eine Zunahme der Lagerungsdichte. Inwieweit dies jedoch für die tieferen Bereiche ebenfalls zutrifft, konnte nicht endgültig geklärt werden und sollte bei zukünftigen Untersuchungen näher betrachtet werden.
Im Hinblick auf die Modellversuche wäre es interessant zu untersuchen, wie sich das Systemverhalten beim Einsatz unterschiedlicher Boden- und Säulenmaterialien ändert. Zusätzlich könnten Versuche an Säulengruppen durchgeführt werden, um das Gruppentragverhalten exakter zu erforschen.

Bearbeitungszeitraum:

05/2005 - 08/2005

Wissenschaftliche Betreuer:

• Dr. M. Arnold, Technische Universität Dresden
• Dr. J. Boháč, Karls-Universität Prag

Carl-Rappert-Grundbaupreis

Die Diplomarbeit von Herrn Marko Hentschel wurde auf der 29. Baugrundtagung am 28. September 2006 in Bremen mit dem zweiten Preis des von der Fa. Keller Grundbau GmbH gestifteten Carl-Rappert-Grundbaupreises ausgezeichnet.