1.7. AuflageGRUNDBAU-TASCHENBUCH Teil 2: Geotechnische VerfahrenKarl Josef Witt (Hrsg.)

2. Herausgeber und Schriftleiter: Univ.-Prof. Dr.-lng. Karl Josef Witt Bauhaus-Universitt Weimar Professur Grundbau Coudraystrae 11 C 99421 Weimar&Umschlagbild:Geogitter als Tragschichtbewehrung bei der berbauung einer ehemaligen Tagebaukippe im Zuge der A38, NAUE GmbHCo. KG, Espelkamp-Fiestel1. Nachdruck 2011Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber http:j/dnb.d-nb.de abrufbar. 2009Ernst& SohnVerlag fr Architektur und technische Wissenschaften GmbH& Co.KG, BerlinAlle Rechte, insbesondere die der bersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form -durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren- reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache bertragen oder bersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden drfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschtzte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind. Umschlaggestaltung: Sonja Frank, Berlin Satz: Drr+ Schiller GmbH, Stuttgart Druck und Bindung: Scheel Print-Medien GmbH, Waiblingen-Hohenacker Printed in Germany ISBN 978-3-433-01845-3 3. VorwortDas Grundbau-Taschenbuch, das nunmehr in der 7. Auflage in drei Bnden vollstndig vorliegt, hat ber ein halbes Jahrhundert hinweg eine konsequente Entwicklung und eine weite Verbreitung gefunden. In der 1. Auflage von 1955 formulierte Dipl.-lng. H. Sehrder als Ziel, das Fachwissen auf dem Gebiet des Erd- und Grundbaus aus vielf ltigen Ver ffentlichungen in einem umfassenden Kompendium fiir die Ingenieurpraxis zusammen zutragen. Dies wurde von Prof. Ulrich Smoltczyk als Herausgeber weitergefhrt und mit auerordentlich groem Erfolg bis zur 6. Auflage fortgesetzt. Aus dem ursprnglich hand lichen zweibndigen Taschenbuch wurde ab der 5 . Auflage von 1996 und 1997 ein drei bndiges Werk, was auch den Wissenszuwachs und die Bedeutung der Geotechnik im Baugeschehen widerspiegelt. Ulrich Smoltczyk hat hierzu den Begriff Grundbau-Akten Taschenbuch geprgt. Es ist mir als Herausgeber eine besondere Ehre, aber auch eine Verpflichtung, dieses Standardwerk der Geotechnik in seiner Aktualitt inhaltlich und thematisch weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse, Bauverfahren und Berechnungsmetho den mit den Erfahrungen der Praxis zu vereinen, ohne den Umfang zu vergrern. Auch in dieser neuen Auflage des Grundbau-Taschenbuchs behandelt Teil 2 die geotech nischen Bauverfahren mit den zugehrigen, ber Teil 1 hinausreichenden Grundlagen der Bemessung. Neue Autoren bzw. Koautoren verfassten einen Groteil der Beitrge hierfr. Die grundlegenden Kapitel der letzten Auflagen wurden vor dem Hintergrund neuer Regel werke aktualisiert und um neue Materialien und Bautechniken ergnzt. Einige traditionelle Kapitel zu weniger innovativen Themen sind in dieser Auflage aus Platzgrnden nicht enthalten, ohne dass deren Wert und Gltigkeit damit in Frage gestellt werden soll. In den Beitrag Erdbau, der auf den derzeit sehr aktiven Verkehrswegebau zielt, wurden die Themen Bodenbehandlung mit Bindemitteln und das ehemals gesondert beschriebene Kapitel Einschnitte im Festgestein integriert. Das Kapitel Unter angungen wurde gekrzt f und um das Thema Verstrkung von Grndungen ergnzt. Die Beitrge Injektions-, Anker und Bohrtechnik, wie auch Rammen bereiteten neue Autoren inhaltlich vollstndig neu auf. Unter bewhrter Autorenschaft wurden die Abdichtungen um den Schwerpunkt Tie fbaufugen erweitert. Wegen der zunehmenden Anwendung im Tunnelbau und kommunalen Tiefbau wurde die Bodenvereisung von einem neuen, kompetenten Autor breiter angelegt. Ebenfalls neu bearbeitet wurden die Themen Horizontalbohrungen und Rohrvortrieb, Grundwasser strmung und Wasserhaltung sowie Ingenieurbiologische Ver ahren zur Bschungssanie f rung. Die Anwendung von Geokunststo en im Erd- und Grundbau nimmt stetig zu. In die ff berarbeitung sind die neusten Empfehlungen zu Berechnungsmethoden eingeflossen. Die Qualitt eines solch umfassenden Werkes ergibt sich aus der Summe der vielen Bei trge zu den unterschiedlichen Themen, in denen die Autoren mit sehr groem Engage ment ihr Expertenwissen und ihre Erfahrung niedergeschrieben haben. Ihnen allen, aber auch dem Verlag Ernst & Sohn und der Lektorin, Frau Dipl.-lng. R. Herrmann, gilt mein besonderer Dank. Weimar, August 2009Kar! Jose Witt f 4. Inhaltsverzeichnis2.1E rdbauHans-Henning Schmidt und Thomas Rumpelt 1 2 3 4 4.1 4.2 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7 7. 1 7.2 7. 3 7.4 7. 5 7.6 7.7 8 8.1 8.2 8. 3 8.4 8. 5 8. 6 9 9.1 9.2 9.3 10Einleitung . . 1 Regelwerke, Gesetze des Umweltschutzes 1 Begriffe 3 Baustoffe, Klassifikation und Kennwerte 3 Allgemeines 3 Bodenkenngren 5 Entwurf und Berechnung von Erdbauwerken 8 Baugrunderkundung . 8 Nachweise 9 Regelbschungsneigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 1 1 Beurteilung der Gesamtstandsicherheit . . . 12 Entwsserungsmanahmen fr Erdbauwerke .. 14 Landschaftsplanung 16 Erdbauverfahren/Erdbaumaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . .. . . .. 1 6 Erdbaumaschinen zum Gewinnen, Transportieren und Einbauen ......... . ... 1 6 Gewinnen mit Hydraulikbagger . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Maschinen zum Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Maschinen zum Einbauen und Verteilen . 21 Verdichten . 21 Spezialgerte 24 Planung und Organisation von Erdbaustellen ........... . ... . . . . . . .. . . . . . . 25 Vermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Massenverteilung . . . 25 Leistungsermittlung . 25 Verfahren zur Gewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 Einbauverfahren . 36 Verdichtungstechniken . . . 38 Einbaukriterien . 39 Qualittssicherung: Prfungen; Anforderungen und Beobachtungen 39 Allgemeines . 39 Prfungen . 40 Verdichtungsanforderungen fr den Straenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 Prfmethoden im Straenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 Verdichtungsprfung bei Felsschttungen . 50 Beobachtungen 50 Bodenbehandlung mit Bindemitteln .. . .. . 51 Anwendungen und Reaktionsmechanismen . 51 Bodenverfestigung und Bodenverbesserung . 53 Bodenaufbereitung 54 Einseimitte . 55 ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 5. VIIIInhaltsverzeichnis10. 1 I 0. 2 11 12 1 2. 1 1 2. 2 1 2.3 13 14 15 16 17Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschnitte im Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dmme und Auffllungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugruben und Grben . . . . . . Baugruben . . . . . Grben Schmale Grben Hinterfllungen und berschttungen von Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lrmschutzwlle . . . . Abdichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kultivieren . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2B augrundverbesserung1 2 2. 1 2. 2 3 3. 1 3. 2 4Einleitung und berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrundverbesserung durch Verdichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statische Methoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamische Methoden . . Baugrundverbesserung durch Bewehren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methoden ohne verdrngende Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methoden mit verdrngender Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . .2.3InjektionenIWolf gang Hornich und Gert Stad/er..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................I0 1 103 103 1 15 132 132 14 1 153Einfhrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifizierung von Injektionsanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezialanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorspanninjektion Biologische Verfahren . . Injektion von thermoplastischen Schmelzen . Grundlagen zur Beurteilung der Injizierbarkeit von Boden und Fels Porenanteil in Sedimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hohlraumstruktur und -volumen im Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser im Boden und Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strmungsvorgnge des I njektionsgutes im Boden und Fels . . . . . . . . . . . . . . . Erkundung des Untergrundes . Injektionsmittel und Ausgangsstoffe fr Injektionsmischungen . . . . . . . . . . . . Planung von Injektionsarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten von I njektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausfhrung und berwachung von Injektionsarbeiten . Gerteausstattung, Mess-, Regel- und Steuertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verarbeitungsparameter GIN, TPA, PDA Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Injektionsmanahmen im Zuge der Bergung der TBM Amsteg . . . . . . . . . . . . . Tiefliegende Weichgelsohle, Krefeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 160 165 165 165 16 6 167 168 1 70 173 1 73 176 178 182 184 185 185 187 189 189 191Wolf gang Sondermann und Klaus Kirsch2 3 3. 1 3. 2 3.3 4 4. 1 4.2 4.3 5 6 7 8 9 10 I 0.1 10. 2 11 1 1.1 1 1. 255 55 88 90 90 90 91 92 94 94 96 97................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 6. IXInhaltsverzeichnis 1 1.3 1 1.4 12Klnbreinsperre . . . . Kompensationsinjektionen Bologna Literatur . . . ............................................................................. ...........................................................2.4..Unterfangung und Verstrkung von G r ndungenI193 . 195 198Kar! Josef Witt2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4 .1 4 .2 5 6 7Begriffe . 199 Grundstzliche berlegungen...................... . ...... . ........... 199 Unterfangungen . . . 20 1 Unterfangungswnde nach DIN 4 1 23 .................................. 20 1 Unterfangung durch Injektion und VermrteJung .. . .. . . 205 Unterfangung durch Pfahlkonstruktionen . .. . 21 1 Komplexe Konstruktionen zur Unterfangung und Unterfahrung . 216 Verstrkung von Grndungen . . . 221 Ursachen und Schadenstypen . . 221 Schadensphnomene und Verstrkungsmanahmen . 222 Schlussbemerkung . . . . . . . . 228 Literatur .. .... . . 228 Zitierte Regelwerke . . . 23 12.5BodenvereisungIWolf gang Orth1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2 .1 2 .2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4 4 .1 4 .2 5 6 6.1 6.2 6.3 6.4 7..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................Verfahrensprinzip und Anwendungen . . . . 23 3 Wirkungsweise . . 23 3 Schachtbau .. . . 23 4 Baugruben und Unterfangungen 23 4 Tunnelbau .. . . . . . . . 23 7 Probenahme . . . . . . . 240 Vereisungsverfahren . .. . . . . . 240 Stickstoffvereisung . . 240 Solevereisung . . . . 242 Frostausbreitung. . . ... ... .... 244 Grundlagen der Wrmeleitung . . .. . . . . 244 Thermische Eigenschaften von gefrorenen Bden . . . . 246 Knstlich erzeugte Frostausbreitung .. . . . . . .. 249 Klimatisch bedingte Frostausbreitung 26 6 Kontrolle der Frostausbreitung . .. . . . .. 26 9 Mechanisches Verhalten gefrorener Bden . . . 270 Grundlagen . . . . . . . 270 Deformationsverhalten gefrorener Bden ............................... 27 3 Eigenschaften von Eis............................................... 289 Frostwirkungen ..................................................... 292 Gefrieren . . . . .. . . .... ... . 292 Tauen 295 Frostempfindlichkeitskriterien ........................................ 295 Frischbeton auf gefrorenem Boden . . . . . 296 Hinweise zur Berechnung von Frostkrpern ............................. 297 .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 7. XInhaltsverzeichnis8 9Verwendete Zeichen und Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ... 299 L iteratur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3002.6Verpressanker............L utz Wichter und Wolf gang Meiniger 1 2 3 4 4. 1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6 6. 1 6.2 6.3 6.4 6.5 7 7. 1 7.2 8 8. 1 8.2 8.3 9 9. 1 9.2 10 11Prinzip von Verpressankern und Entwicklung der Ankertechnik . . ... Anforderungen an Verpressanker und Voraussetzungen f den Einbau . . . . . . r Technisches Regelwerk fr Verpressanker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ankerwerkstoffe und Ankerbauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zugglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ankerkpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verpresskrper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... ... .... Korrosionsschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abstandhalter Herstellung von Verpressankern .. .. ........ . .... . ...... Ankerbohrverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ankereinbau und Verpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachverpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage des Ankerkopfes . . . . . . . . . . . ... ..... . . ..... . Spannen und Festlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten von Verpressankern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbundanker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckrohranker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anker mit aufweitbarem Verpresskrper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anker mit ausbaubarem Zugglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anker mit der Mglichkeit zur Regulierung der Ankerkrfte . . . . . . . . . . . . . Ankerkrfte und Kraftabtragung im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tragf koh w o, b" F, oge,; ) 1 un d brei" D,mm, 2 Bsc do, Dr b) Ei" h ungsw unmo,, "hn i n, inkel. b, Ei,., o) -' "'< I D""'""" Ji,i ubre hn iu i ", h '" "G Dmmh "diom< 4 "'"' hol!;;, fll,"g ""'"" .,h,i>t ,Ji,;o/A ""'" '' iof , o o;", do ' '"'' 5 B '< , Eri>' " l H' " h oog, 6 "ko,, ggrn ;",,, D,_ 1 5 A uftr 2 "' " '"" I i G" " om , 7 ag, 1 6 3 Dm " "h io, "'"' '"' A btrag m"' "" 1 2 """" e' fu, 8 " '"Bliobo D'""" , Golifu ""' 9 do, 1 3 o;",,'""' B o"",, " 1 4 Soi " """ " "dt und Tb om asR umpelt 25. - - - - --1 -e!': _/- -L-___---____----, - -Unterbau iL f i f-nrnd ver est gter oder d verbesserter Untergrun52. 1 Erdbau-- I - - -_ _ _ .-:::; :..._ _ __ _1--__ _ _v.f'Ji!rTl_nu_ _. --b_e':---v.f'Ji!flU_rTl_ c :ee:igeo:e - - - : Untergrund verbesserter Unterbau I-------1 - - - - - - - r---------+Bild 2. Bezeichnungen flir Damm und Einschnitt gem ZTVE-StBNach Mglichkeit sind anstehende Bden, ggf. mit Zwischenlagerung, wieder zu verwenden. Hinsichtlich des Benennens, Beschreibens und der Klassifikation von Boden und Fels, siehe Kapitel 1 .3, DIN 1 8300, DIN 1 8 1 86, die ZTVE-StB sowie [36]. Angemerkt sei, dass es hufig bei den Bodenklassen 6 und 7 nach DIN 1 8300 bei der Einstufung vor Ort bauvertragsmige Streitigkeiten gibt. Ergnzend wird hier fr bauver tragliche Belange auf das Merkblatt ber Felsgruppenbeschreibungen fr bautechnische Zwecke im Straenbau [5] verwiesen. Zu Baustoffen fr den Erdbau gehren laut ZTVE-StB auch Geokunststoffe (s. Kapitel 2 . 1 2), Leichtbaustoffe wie expandierter Polystyrol Hartschaum, Bindemittel und Stoffe fr die Entwsserung und Abdichtung und andere Materialien, die fr Teilleistungen bentigt werden. Leichtbaustoffe werden z. B. eingesetzt, um die Belastung von wenig tragf higem Untergrund gering zu halten. 4.2Boden kenngrenHinsichtlich charakteristischer boden- und felsmechanischer Kennwerte sei auf Kapitel 1 .3 im Teil 1 des Grundbau-Taschenbuches verwiesen. Nachfolgend werden einige ntzliche Korrelationen fr die Einschtzung und Klassifikation von Bden aufgezeigt sowie Angaben ber die Verformbarkeil und Scherfestigkeit knstlich verdichteter Bden gemacht. Fr die Eigenschaften gewachsener Bden sei auf Kapitel 1 .4, auf DIN 1 055, Teil 2, wie auch auf die EAU [6] verwiesen. Zur Bestimmung der Konsistenz (Konsistenzzahl Ic) in Abhngigkeit vom Wassergehalt w fr die Bodengruppen TL, TM, und TA nach DIN 1 8 1 96 (s. Bild 3). Zur Abschtzung der Erreichbarkeil von Dichten im Proctorversuch bzw. des optimalen Wassergehalts hinsichtlich der Verdichtung sei auf die Bilder 45 bzw. 46 hingewiesen. Hinsichtlich der Wasser- und Luftdurchlssigkeit von Bden wird auf Kapitel 1 .3 verwiesen. Bei der Verformbarkeil knstlich eingebauter und verdichteter Bden ist zwischen Sackun gen bzw. Konsolidations- und Kriechverfommngen zu unterscheiden. Hinsichtlich mgli- 26. 6Hans-Henning Schmidt und Thomas Rumpelt w(%)so0 -------- 20 Grundlage :3550wL (%}Ic= (w - w) I I P und I P = 0,76 (w, - 1 3)Bild 3. Konsistenzbestimmung in Abhngigkeit vom Wassergehalt w und der Fliegrenze wL bzw. Plastizitt (TL, TM, TA nach DIN 1 8 1 96)eher Sackungen siehe Abschnitt 8 bzw. 1 1 . Zur Komprimierbarkeit knstlich verdichteter gemischtkrniger Bden siehe [7]. Zuordnungen der einaxialen Druckfestigkeit bzw. der undrnierten Scherfestigkeit aufberei teter und verdichteter bindiger Bden in Abhngigkeit vom Wassergehalt bzw. von der Konsistenzzahl sind in den Bildern 4 und 5 dargestellt. Der Reibungswinkel knstlich verdichteter nichtbindiger Bden, wie auch bei natrlicher Lagerung, ist von der Komverteilung, der Kornrauigkeit und vor allem von der Dichte abhngig. Er schwankt zwischen

(. () 0t!=40{; '!!.1 .85 M'35Hans-Henning Sclunidt und Thomas Rumpelt1 .80Cl1 .75 .1 .70 q>'1 .65 1 .6025 = 1 ,5---1 .55Bild 6. Charakteristische Werte der effektiven Kohsion von knstlich verdichtetem Lsslehm in Abhngigkeit von den Einbau bedingungen auf der Baustelle (nach [ I 0])Linien der charakt. Werte von c' Mittelwert der Proctorversuche Grenzwerte der Proctorkurven1 .50 51015Wassergehalt w [%]2025Nach [ 1 0] ist dagegen die effektive Kohsion knstlich verdichteter bindiger Bden von den Einbaubedingungen und der damit eingeprgten Struktur, also von der Konsistenz, der Trockendichte und vom Luftporengehalt abhngig. Fr einen knstlich verdichteten Lss lehm konnte im Proctordiagramm gezeigt werden (s. Bild 6), dass sich vor allem eine Begrenzung des L uftporengehaltes auf na :::; 5 %, also weniger als die sonst bliche Beschrn kung auf na :::; 1 2 % zur Vermeidung von Sackungen gnstig auf die effektive Kohsion auswirkt. Das heit, die Wahl und gezielte Kontrolle des Einbauwassergehaltes auf der Baustelle ist hher zu bewerten als ein durch moderne Verdichtungsgerte leicht zu errei chender Verdichtungsgrad von Drr > 1 00 %. Untersuchungen an einem stark schluffigen Sand zeigten den positiven Einfluss einer erhhten Verdichtungsarbeit auf die Scherfestigkeit, den Steifemodul und die Wasserdurch lssigkeit [ 1 1 ] .5Entwurf und Berechnung von Erdbauwerken5.1BaugrunderkundungEine ausfhrliche Baugrunderkw1dung und -beschreibung ist Voraussetzung fr den Entwurf von Erdbauwerken, siehe Kapitel 1 .2 und 1 .3. Fr die Erkundung der Lsbarkeit von Gesteinen werden hufig seismische Erkundungs verfahren eingesetzt. So werden ftir Lockergesteine Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten von < I km/s, bei Schottergesteinen unter Grundwasser und Festgesteinen zwischen I und 6 km/s gemessen. Festgesteine mit Wellengeschwindigkeiten von mehr als 2 km/s sind bedingt, mit mehr als 3 km/s nicht reibar. Fr solche Gesteine kommen Frsen, Locke rungssbohrungen und Sprengungen in Frage. Nheres dazu siehe Abschnitt 1 0.2. 29. 92 . 1 ErdbauFeld- und Laborversuche zur Klassifikation der Gesteine, der Durchlssigkeit, der Kapilla ritt, der Verdichtbarkeit und der Verformungs- und Festigkeitseigenschaften anstehender Gesteine oder eingebauter und verdichteter Materialien sind ebenfalls die Voraussetzung fr die Planung (s. Abschn. 4). 5.2NachweiseErdbauwerke sollten fr die Entwurfsbearbeitung, Ausf hrung und Beobachtung in die geotechnischen Kategorien der DTN EN 1 997- 1 und DTN I 054 eingeordnet werden. Fr den Entwurf sind Nachweise fr die entsprechenden Grenzzustnde (GZ), der Trag f higkeit (Standsicherheit) und der Gebrauchstauglichkeit zu fhren (s. Kapitel 1 . 1 ). Mit dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit sollen bei Verkehrsbauwerken in der Regel vorgegebenen Verfonnungsbeschrnkungen, bei anderen Bauwerksteilen bzw. wasserbau l iehen Anlagen hufig Kriterien fr den Grad der Wasserdurchlssigkeit von Bden, einge halten werden. Nach DIN EN 1 997- 1 und DlN 1 054 sind folgende Standsicherheitsnachweise, ggf. fr den Anfangs- und Endzustand, zu fhren: Gesamtstandsicherheit der Bschungen gem DTN 4084, siehe Tabellen I und 2 sowie Kapitel 1 .9 und 3.9. Nachweise gegen Gleiten fr Staudmme gem [ 1 2] und [ 1 3] . Hinweise z u den Nachweisen, Nachweisverfahren und Lastfllen fr Dmme a n Bundes wasserstraen sind in [94] zusammengestellt. Schubnachweis fr den Dammfu: fr den Nachweis des Sohlschubs am Dammfu wird vereinfacht auf den in Bild 7 dargestellten Schnitt und die eingetragenen Krfte Bezug genommen. Bei fehlender Drnung am Damm- bzw. Bschungsfu kann im nichtbindigen Boden nherungsweise folgender Nachweis mit Bemessungswerten gefhrt werden: tan Eah + W J..l = -'= Tvorh(Kah(Damm) ) Y(oamm) +tan 0,3020c2l [kN/m 2 ] 825-5 2,510 25 520 1 7,5 1035 10 17,5I ) Die Bschungsneigungen in Spalte 3 und 4 wurden aufgrund der in Spalte 5 bis 8 angegebenenBodenkennwerte ermittelt. Steilere Neigungen machen nach DlN 4084 Bschungsbruchberechnun gen zur Ermittlung der Standsicherheit erforderlich. 2 l Oberer Wert ftir Einschnitte, unterer Wert ftir Dmme. 32. Hans-Henning Schrnidt und Thomas Rumpelt12 5.4Beurteilung der GesamtstandsicherheitNachfolgend werden Hinweise fr die Beurteilung und Vergrerung der Standsicherheit von Bschungen aufgezeigt: Die Sicherheit einer Bschung hngt vorwiegend ab von: - der Scherfestigkeit des Bodens, - bei Felsgestein auch von der Art und Raumstellung des Trennflchengefges ( Klfte und Schichtfugen), - der Neigung der Bschung, - der Hhe h (bei kohsiven Bden), - ueren Lasten (p, W), - Einflssen bei der Herstellung, - Witterungsbedingungen und Erosionssicherung (Obertlchensicherung), - ggf. von der Unterhaltung. Prinzipiell lsst sich die Standsicherheit durch folgende Manahmen - teilweise auch in kombinierter Form - erhhen, siehe Bild 9 und nachfolgende Erluterungen: - Abtlachen der Neigung oder Wiederaufbau einer Bschung, wenn gengend Platz (Bild 9 a); - Auflasten an gnstiger Stelle, ggf. mit Bodenaustausch (besonders am Bschungsfu) (Bild 9 a); - Erhhung der Schubfestigkeit durch konstruktive Elemente (z. B. Dbel, Ngel), Einkorn betonscheiben (Bild 9 b).c)d)f)- - - - -1 -J-1 Ii ,,:: 11/' i Bild 9. Prinzipielle Sicherungsmethoden 33. 132 . 1 Erdbau- Erhhung der Scherfestigkeit mit Einpressungen (Injektionen) (s. Bild 9 c und Kapitel 2.3), Bewehrungen sowie flchigen oder scheibenartigen Sttzelementen aus hochscher festem Material (s. Bild 9 d und Kapitel 2. 1 5). Ansatz von rckhaltenden Krften mittels Ankern, in Verbindung mit Sttzkonstruktionen (Bild 9 e sowie Kapitel 2.6 und 3.9). - Entwssern (Drnieren) und somit Beseitigung von Strmungs- und Wasserdrcken (Bild 9 a, f und Kapitel 2. 1 0). Erosions- und Steinschlagsicherung durch Netze, Gitter, Spritzbeton bzw. I ngenieurbiologische Verbauweisen (siehe Kapitel 2. 1 3 und 3.9). Nachfolgend wird detailliert die Sicherung einer Eisenbahn-Dammbschung dargestellt. Alte Eisenbahndmme aus bindigem Boden zeigen hufig zunehmende Sackungen und Bewegungen an den Dammbschungen. Es kann schlielich zum Bschungsbruch kommen (s. Bild 1 0 a). Ursachen sind zu geringe Verdichtung des Dammbaustoffs bei der Herstellung, in der Folge die Bildung von "Schotterscken", unzureichende Drnmanahmen, Wasser zutritt und zunehmende Verkehrsbelastung. Bild 1 0 b zeigt den Neuaufbau einer gerutschten Bschung mit nichtbindigem, gut verdichtbarem ErdmateriaL Zur konstruktiven Sicherung rutschgef hrdeter Bschungen werden hufig Sttzscheiben (auch Sickerschlitze oder Rigolen) verwendet, die grabenartig, senkrecht zur Bschung hergestellt werden. Sie wirken durch das scherfeste, nichtbindige Bodenmaterial sttzend und dienen gleichzeitig zur Drnung des im Bschungsbereich anfallenden Wassers (s. [23) und Kapitel 3.9).a)b}Planumschutzschicht nichtbindiger Boden Oberboden (ggf. Saatmatten oder Spritzansaatverfahren)Bild 1 0. Sanierung einer Eisenbahndammrutschung 34. 14Hans-Henning Schmidt und Thomas RumpeltEine Tiefenentwsserung als Beitrag zur Stabilisierung eines rutschgef ahrdeten Hangs kann wirtschaftlich bis in grere Tiefen im Bohrpfahlverfahren als "berschnittene Wand" hergestellt werden (s. Bild 1 5 und Kapitel 2.7). An der Sohle der Bohrungen knnen Drnleitungen verlegt werden. Statt Beton wird beim Ziehen der Verrohrung Filterkies eingefllt und verdichtet. Einzelne Horizontalbohrungen mit Ausbau zur Drnleitung vom Einschnitt her ermglichen die Entwsserung zum Bschungsfu. 5.5Entwsserungsmanahmen fr ErdbauwerkeAbgesehen von den oben aufgefhrten Entwsserungsmanahmen zur Sicherung von B schungen und den in Abschnitt 7 geschilderten Entwsserungsmanahmen whrend der Bauttigkeiten ist das Sammeln und Ableiten von Oberflchen-, Sicker- und Grundwasser fr die dauerhafte Nutzung eines Verkehrsweges von grter Wichtigkeit. Aufgestautes Wasser bewirkt Aufweichungen des Unterbaus bzw. Untergrunds sowie Frostschden im Straenoberbau. Vorgaben fr die Entwsserung von Straen werden z. 8 . in ZTVE StB [ 1 ], RAS Ew [ 1 7] und ZTVEw StB [ 1 6] gemacht. Zum Sammeln von aus der Umgebung zuflieendem Wasser dienen Fanggrben oberhalb von Einschnitten (Bild 1 1 ), Bschungsrinnen (Bild 1 2) sowie Hanggrben zum Schutz von Dmmen (Bild 1 3 ) .Bild I I . FanggrabenFertigrinneBild 1 2. Bschungsrinne aus Rasenmatten und Pflaster (s. auch Kapitel 2. 1 3 ) 35. 152 . 1 ErdbauI..:2:3Bild 13. HanggrabenmDamm-r - - - - - - ----..-ursprngliches Gelnde 1 ,5 mm) und kleiner Frequenz von 8 bis 35 Hz vorteilhaft. Die statischen Linienlasten von Walzen sollten dreimal grer sein als bei nichtbindigen Bden (> 30 kN/m). 43. 2. 1 Erdbau23Gertebersicht: Vibrationsstampfer bestehen aus einem Unterteil mit Stampffu und einem Oberteil mit Antriebsmotor, Getriebe und Bedienungsbgel fr die Handbedienung (Bild 22). Vibra tionsstampfer sind infolge linearer Massenbewegungen mit Pleuelstangen wegerregte Verdichtungsgerte mit besonders groer Amplitude (Sprunghhen, teilweise verstellbar von 20 bis 80 mm). Sie werden mit Gewichten von 25 bis 1 00 kg geliefert und knnen fr Grben mit einem verlngerbaren Fu ausgestattet werden. Die Breite der Stampffe liegt etwa bei 250 bis 300 mrn . Mit Geschwindigkeiten bis 1 3 m/min ist die F lchen leistung klein. Deshalb werden Vibrationsstampfer berwiegend auf kleinen, beengten Baustellen eingesetzt. Seit neuem gibt es auch Anbaugerte, die eine Handfhrung erbrigen (Bild 23) . Die Schlagfolge betrgt 500/min bis 800/min, das entspricht einer Frequenz von 8 bis 1 3 Hz. Eine eindeutige Leistungsangabe fr Vibrationsstampfer ist die Einzelschlagarbeit in Joule. Vibrationsstampfer eignen sich fr bindige und nichtbindige Bden f verdichtete Schichtdicken von 20 bis 40 cm. Vier bis sechs bergnge reichen r in der Regel fr eine ausreichende Verdichtung (s. Abschn. 8). Vibrationsplatten sind infolge rotierender Unwuchten krafterregte Verdichtungsgerte. Sie bestehen aus der Grundplatte und der Motorplatte, die durch schwingungsdmpfende Gummipuffer voneinander getrennt sind. Es gibt Gerte mit Schleppschwingerausfh rung, bei denen der Erreger weit vorne angebracht wird, sowie Gerte mit Zentralschwin gerausfhrung, bei denen meistens zwei mittig, in entgegengesetzer Richtung, aber synchron laufende Wellen die Schwingung erzeugen. Mit Verstel lung der Zentrifugal krfte kann die Bewegungsrichtung gendert werden. Beim Gert mit Schleppschwinger ausfhrung muss dagegen mittels eines einklappbaren Fhrungsbgels, der schwingungs frei an der Motorplatte befestigt ist, die Richtungsnderung vorgenommen werden. Vibrationsplatten, neuerdings auch mit stufenlos whrend des Betriebs verstellbarer Frequenz, gibt es mit Betriebsgewichten von 45 bis ber 750 kg. Es lassen sich damit ausreichend verdichtete Lagen von 20 bis 60 cm mit 4 bis 6 bergnge herstellen.Bild 22. Vibrationsstampfer (Wacker-Werke GmbH & Co. KG, Mnchen)Bild 23. Vibrationsstampfer als Anbaugert (Fa. Lancier) [22] 44. 24Hans-Henning Sclunidt und Thomas RumpeltBild 24. Walzenzug (Bomag GmbH & Co. OHG, Boppard) Walzen gibt es als Einrad-, Doppel-, Tandem-, Anhnge- und Kombiwalzen sowie als Walzenzge. Doppel- und Tandemwalzen besitzen zwei gleich groe Bandagen, die mit je einer Enegerwel le ausgerstet sind. Diese Walzen gibt es mit Betriebsgewichten von 600 kg bis 1 0 t. Kombiwalzen sind eine Kombination von Gummiradwalze und Vibrationswalze mit G lattbandage. Anhngewalzen bestehen aus einem massivem Stahlrahmen und einer Bandage, der ber eine hhenverstel lbare Anhngekupplung an ein Zuggert gekoppelt werden kann. Walzenzge sind die moderne Weiterentwicklung des Zuggertes mit Anhngwalze in kompakter Bauweise. Sie gibt es mit Betriebsgewichten von 6 bis 25 t (Bild 24). Mit schwerstem Gert und Vibration sind verdichtete Schichten mit Dicken von 50 cm (bindiger Boden) bis zu 200 cm bei Fels mglich. Bei ausgeprgt plastischen Tonen sind f eine ausreichende Verdichtung bis zu 1 0 bergnge erforderlich. r Kleinere Walzen lassen sich heute in Grben ferngesteuert bedienen. Walzen gibt es mit unterschiedlichsten Bandagen: als Glattwalzen, als Gummiradwalzen, als Stampffu- bzw. als Schaffuwalzen mit hohen Spitzendrcken und Spaltkrften fr die Felsverdichtung und -Zerkleinerung bzw. mit hoher Knetenergie. Modeme Stampf fuwalzen werden je nach Gestein mit Standardstollen, Dreiecks- bzw. Pyramidenstumpf stol len bestckt (siehe [20]) . Durch die neuere Entwicklung von Polygonbandagen bei Walzenzgen lassen sich grere Tiefenwirkungen (bei gemischten Bden bis 2,5 m, bei feinkrnigen Bden bis 1 m) und die besserer Zerkleinerung von Felsmaterial erreichen. Zur Vermeidung einer Auflockerung der Oberflche im Nachlauf der schwingenden Bandage und zum Oberflchenschluss werden hufig Walzen mit angehngter Vibrations platte bzw. Kombiwalzen oder reine Gummiradwalzen eingesetzt. Walzenverdichtungen werden bei Bden mit Geschwindigkeiten von I bis 4 krnlh vor genommen. Fr groe Erdbaulose werden diese mit einer flchendeckenden dynami schen Verdichtungskontrolle (FDVK) und mit einer GPS-Steuerung ausgestattet (vgl. Abschn. 8 .4).6.6SpezialgerteSpezialgerte sind:Bodenfrsen und Scheibenseparatoren zum Einmischen von Bindemitteln; Pflge und Eggen zum Belften und Einmischen von Bindemitteln; 45. 2 . 1 Erdbau 25Frsen zum Lsen und Frdern von Boden und Fels, besonders auch in Grben; Fallgewichte (Dynamische Intensivverdichtung), Rttel- und Rttelstopfverdichtung zum Verdichten und Verbessern von Bden bis in groe Tiefen (s. Kapitel 2.2); Frderbnder; Meiel- und Spengwerkzeuge zum Lsen von Fels (s. Abschn. 1 0.2)7Planung und Organisation von ErdbaustellenGrundlage jeder Planung von greren Erdbaustellen ist neben der Baugrunderkundung die Vermessung, die Massenermittlung und -Verteilung, das sog. Bodenmagagement. 7.1VermessungNeben den klassischen geodtischen Messverfahren zur Gelndeaufnahme, fr die Absteck und Nivellierarbeiten sowie fr die Iage- und hhenmige Orientierung von Erdbawnaschi nen spielt heute zunehn1end die satellitengesttzte Positionierung und darauf aufbauende Satellitennavigation wie das europische System GALILEO oder das amerikanische NAVST AR-GPS eine entscheidende Rolle bei den Erdarbeiten vor Ort, siehe dazu Kap. 1 . 1 0 und 1 . 1 1 . Auerdem werden Laser-Nivellier-untersttzte automatische Hhenkontrol len bei Dozer- und Planierarbeiten genutzt. 7.2M assenverteilungFr die Massenermittlung und -vertei lung zeigt Bild 25 a den Lngsschnitt einer Linien baustel le mit Hhenlinien des Urgelndes und der geplanten Gradiente sowie die geplanten Kunstbauwerke. Dazu ist der Flchenplan in Bild 25 b mit den Auf- und Abtragsflchen aus den jeweils an bestimmten Kilometrierungspunkten ermittelten Querschnittsflchen positiv und negativ dargestellt. Der Massenplan in Bild 25 c zeigt nun die Massenlinie als SUlllillen linie der Teilmengen fr den Lngstransport. Bei Massenausgleich fallt an der Endstation die Massenlinie mit der Bezugslinie zusammen. Neben der Vermessungsaufgabe und der Massenverteilung mssen des Weiteren folgende Teilaufgaben geplant und organisiert werden: -Baustelleneinrichtung, Berumen des Gelndes, Verkehrs- und versorgungstechnische Erschlieung, Erdbewegung und Verdichtung, Rumen der Baustelle und Wiederherstellung genutzter Flchen und Verkehrswege.7.3LeistungsermittlungNachfolgend wird auf die Leistungsermittlung der Erdbewegung und Verdichtung fr im Abschnitt 6 aufgefhrte Maschinen eingegangen. Dabei geht es wn folgende Gesichts punkte: Erdbau ist in der Regel eine Massenbewegung von einer Stelle A nach einer Stelle B. Neben dem Aufwand beim Gewinnen (Lsen und Laden) und beim Einbau (Verteilen und Ver dichten) spielt die Lnge und die Beschaffenheit des Transportwegs eine groe Rolle. 46. 26Hans-Henning Schmidt und Thomas Rumpelta) Hhe[mNN]1 50 b)Flche +A [ '] m03060901 201 501 80210240270200300 Station1 00 0 - 1 00-A- 200c) Masse + Q [ m' ]4000 2000 0 - 2000x,60901 201 502701 80300Stationf-- L, - 40002L = _!S_ + 2- 6000 - 8000 -Qx,rx,+- x,_, _& 2- 1 0000L, mittlerer Frderweg L = _!S + 2 2 1..&Bild 25. Massenverteilung ftir eine Linienbaustelle; a) Lngsschnitt, b) Flchenplan, c) MassenplanAusschlaggebend fiir den wirtschaftlichen Einsatz von Erdbaumaschinen ist eine genaue Dimensionierung hinsichtlich der Art und Gre der Gerte unter Bercksichtigung der Eigenschaften des zu bewegenden Bodens, - der Erdmassen, der Frderweite, der Steigungsverhltnisse, - der Oberflchenform (eben, hgelig, steinig), der Tragf higkeit der Fahrbahn (weich, schmierig, fest), der Platzverhltnisse, - der zu erwartenden Witterungsverhltnisse, - des Sammelns und Ableitens von Oberflchenwasser, sowie des Termins, bis zu dem die Arbeiten abgeschlossen sein sollen. 47. 272 . 1 ErdbauWitterungsbedingte Leistungsgrade von Erdbaumaschinen (Verhltnis der Einsatzzeit von Gerten/vorhandenen Arbeitszeit) liegen in Deutschland fr nichtbindige Bden whrend der Monate August und September bei 1 00 %, fr bindige Bden in den Wintermonaten bei etwa 40 %. 7.3 . 1Auflockerung und VerdichtungBei Massenermittlungen muss bedacht werden, dass der gewachsene Boden beim Lsen und Laden aufgelockert und beim Verdichten hufig so komprimiert wird, dass er ein kleineres Volumen erhlt als im gewachsenen Zustand (berverdichtung). Einen Anhalt ber den Auflockerungs- bzw. Verdichtungsfaktor gibt Tabelle 4. Tabelle 4. Auflockerungs- und Verdichtungsfaktor a.TonBoden/Fels nach dem Lsen nach dem VerdichtenLehm SandKiessandKiesSchluff-/ TonsteinKalk-/ Sandstein0,75-0,85 1 ,0- 1 , 1 00,8-0,9 1 ,05-1 ,200,8-0,85 1 ,05-1 ,200,75-0,8 0,9- 1 ,00,75-0,8 0,85-1,00,65-0,75 0,75--0,9der Auflockerungsfaktor aL = V0/V LDie Faktoren sind mit den Gin. (4) und ( 5 ) definiert:der Verdichtungsfaktor av = V0/Vv(4) (5)Hierin bedeuten: V0 Volumen vor dem Lsen [fm3 ] VL Volumen nach dem Lsen [1m3] Vv Volumen nach dem Verdichten 7.3.2WiderstndeEs muss fr den Erdbaubetrieb sichergestellt werden, dass die verfgbare Zug- bzw. Schub kraft S von Erdbaumaschinen grer als der Widerstand W beim Lsen, Laden und Trans portieren (Gin. 6 und 7) und dass die Widerstnde W kleiner als der Kraftschluss der Erdbaumaschinen zum Untergrund bzw. zur Fahrbahn sind (siehe GI. 8). Fr Flachbagger gerte gelten z. B. die folgenden Gleichungen. Fr Fahrzeuge gilt nur der letzte Summand der Gleichung fr W fr den Roll- und Steigungswiderstand. W = Ws + Wr + Wr :S SW = Ws d b + Wr V y

N c Q) "'1 0050 30 20105.0 3.040302080/, l..-::...---- ././ -::: ./"" I __...-y0:::::: -;::. 1../""V[.v:::V:::::..-:__..... ::: ./i-: /' :-:::: r:::rr /' t:: ---- V I - //-r: 1. ./"" /' VI V ['. _.-.--I I V /' I I I I BA1A Gang ./""B = max. BruttogewichtA = leerI8 215 12 10 8% % % %6% 4 %2 %5Gangr051015 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 km/h GeschwindigkeitBild 26. Gesamtwiderstand - Geschwindigkeit (Gang) - Felgenzugkraft fiir SKW 769 D (Caterpiller) (aus [ 1 9] )Bruttogewicht lt] BA = leer0204060=max. Bruttogewicht80km / hGeschwindigkeitBild 27. Wirksames Gef alle - Geschwindigkeit (Gang) bei unbegrenztem Geflle flir SKW 769 (Caterpiller) (aus [ 1 9] ) 50. Hans-Henning Schmidt und Thomas Rumpelt30 7.3.4FahrbahnbelastungEs muss geprft werden, ob ein Gelnde oder eine Erdfahrbahn mit dem vorgesehenen Gert und seinem Fahrwerk ( Raupenketten- oder Reifenfahrwerke) befahrbar ist. Die Belastung bei Raupenfahrzeugen liegt etwa bei p0 = 50 kN/m2 . Der Druck fr Reifen p0 berechnet sich aus dem Innendruck Pi, multipliziert mit einem Stofaktor 8 und einem Steifefaktor k fr Reifenseitenwnde (siehe GI. 9). Der Reifendruck sollte nicht grer sein als die undrnierte Scherfestigkeit Cu des Bodens, um ein Versinken bzw. tiefe Fahrspuren zu vermeiden. Po = P i 8 k< Cu(9)Fr die Faktoren knnen folgende Anhaltswerte gegeben werden:8 = 1 , 1 (glatte Fahrbahn) bis 1 ,3 fr wellige, unebene Fahrbahnk = 1 , 1 (weiche Laufreifen) bis 1 ,2 (harte Triebreifen)Ist der anstehende Boden nicht ausreichend tragf ahig, sind besondere Baustraen anzulegen, ggf. mit dem Einsatz von Geokunststoffen (s. Kapitel 2. 1 2). Auf kleinflchigen Erdbau stellen knnen auch Baggermatratzen zur Verringerung des Reifen- bzw. des Raupenketten drucks eingesetzt werden.7.3.5Leistungen von MaschinenFr die Leistungsberechnungen gilt GI. ( I 0): Q = V AT/h = Volumen Arbeitstakt je Stunde [m3/h]( 1 0)Nachfolgend sollen beispielhaft die Ladeleistung eines Hydraulikbaggers, die Transport leistung eines Schwerlastwagens SKWs, der mit einem Radlader beladen wird, die Leistung einer Planierraupe ( Kettendozer) und die einer Walze aufgezeigt werden. Weitere Beispiele sind in [ 1 8] aufgefhrt. 7.3.5.1 Bestimmung der Ladeleistung eines BaggersFolgende Gren finden Eingang:Fllungsgrade fr die Lffel: z. B. fr Fels, stark verkeilt: 0,5 bis 0,7; Sand, Kies, feucht: 0,9 bis 1 , 1 ; Mischboden: 1 , 1 bis 1 ,3 . Basisarbeitstaktzeit Sie bercksichtigt das Fllen des Lffels, Schwenken, Beladen, Abkippen und das Rckschwenken. Je nach Gre des Baggers und bei optimalen Bedingungen werden hier fr Hoch- und Tieflffelbagger 0,25 bis 0,35 min gerechnet. Dabei wird vorausgesetzt: Bodenklasse 3; Schwenkwinkel 3 0 bis 60 ; Abkippen seitlich oder auf L KW auf tiefer Sohle. Zuschlge zur Basisarbeitstaktzeit werden fr die Bodenklassen 4 bis 6 von 0,02 bis 0, 1 0 min gemacht. Fr Grabtiefen von mehr als 2 bis 1 2 m werden Zuschlge von 0,02 bis 0, 1 2 min gerechnet. Bei groen Schwenkwinkeln und bei niedriger Stellung des Baggers im Vergleich zum LKW sind weitere Zuschlge bis zu 0,06 min ntig. Die effektive Arbeitszeit pro Stunde (Nutzungsfaktor). Sie wird im Erdbau hufig mit 0,83 = 50 min/h gerechnet. Es empfiehlt sich, den baustel lenspezifischen bzw. betrieblichen Wirkungsgrad selbst zu bestimmen.Die Addition der Basisarbeitstaktzeit und der Zuschlge ergibt die tatschliche Arbeitstakt zeit ATZ. 51. 312. 1 ErdbauBeispiel fr Leistungsberechnung eines Baggers, der einen Lffelinhalt von 2 m 3 hat und einen Boden der Bodenklasse 4 verladen soll. Der Schwenkwinkel ist 60 , die Grab- und Hubhhe 4 m. Der Lffelfllungsgrad betrgt I , 1 . Der Nutzungsfaktor betrgt 45 minlh, d. h. 0,75. Damit betrgt die ATZ wie folgt: ATZ = Basis-ATZ + Zuschlag Bodenklasse + Zuschlag Hub + Zuschlag LKW Beladung = 0,3 + 0,02 + 0,03 + 0,03 = 0,38 min Arbeitstakte pro h: 45 min/0,38 = 1 1 8 AT/hEffektiver Lffelinhalt VL = 2 1 , 1 = 2,2 m3 Effektive Leistung: Q = 2,2 m 3 1 1 8 AT!h = 260 m 3/h 7.3.5.2 Leistungsberechnung fr einen Schwerlastkraftwagen (SKW)Jedes Transportgert hat zwei Kapazittsgrenzen: die Volumen- und Gewichtskapazitt Permanente berschreitungen fhren zu Schden am Fahrzeug, sodass sie vermieden werden sollten. Ein SKW mit einem Muldeninhalt von 35 m 3 und 50 t Nutzlast kann bei voller Ausnutzung ein loses Schttgut mit einer Dichte von p = 1 ,42 t/m3 (stark aufgelocker ter Fels) transportieren. Ein feuchter Sand mit einer Dichte von 1 ,8 t/m3 wrde dagegen nur den Transport von 27,8 m 3 ermglichen. Ein weiteres wichtiges Leistungskriterium ist die Entfernung im Vergleich zur Ladekapazitt von Radladern bzw. Baggern. Die wirtschaftlichste max. Entfernung liegt fr SKW etwa bei 5000 m. Beim Vergleich verschiedener Transportmittel sollte man jedoch auch untere Entfernungsgrenzen beachten. Bei kurzen Entfernungen nehmen die Fixzeiten, die Zeiten fr Be- und Entladung im Verhltnis zu den gesamten Umlaufzeiten, stark zu. Besonders haben die Ladeleistungen und damit die erforderlichen Ladespiele von Radladern bzw. Baggern einen Einfluss auf gnstige Umlaufzeiten. Die Verhltnisse zwischen der Entfer nung, die der Lastkraftwagen zurcklegen muss, und dem Ladespiel der Ladegerte haben sich nach [ 1 8] als gnstig erwiesen (Tabelle 6).Hohe Fahrgeschwindigkeiten lassen sich nur bei ausgezeichneten breiten und gepflegten Fahrpisten erreichen. Dies erfordert in der Regel einen permanenten Einsatz von leistungs f higen Motorgradem. Weiter sollte bei der Wahl der Fahrbahnbreite bercksichtigt werden, dass auch noch andere Fahrzeuge, wie z. B. Grader, die Fahrbahnen benutzen. Fr SKW Verkehr werden Fahrbahnbreiten von 1 2 bis 1 5 m empfohlen. Bei Kurvenfahrten sind in Abhngigkeit der Radien und der geplanten Fahrzeuggeschwindigkeiten berhhungen der Fahrbahn empfohlen, um Querkrfte und Reifenschden zu vermeiden. Bei einem Radius der Fahrbahn von 60 m und einer Geschwindigkeit von etwa 50 krn/h werden berhhungen von 30 % empfohlen. Maximal erreichbare Geschwindigkeiten in Abhngigkeit vom Fahrzeuggewicht (leer oder beladen), Gesamtwiderstand (Rollwiderstand und Steigung) und sich daraus ergebende Tabelle 6. Entfernung fr Lastkraftwagen im Verhltnis zu Ladespielen der LadegerteEntfernungLadespiele RadladerLadespiele Baggerbis 500 m bis 1 000 m > 1000 m3 4 5 bis 65 7 9 52. 32Hans-Henning Schmidt und Thomas RumpeltGangeinsteilungen und die Angabe von Felgenzugkrften knnen aus Diagrammen der Hersteller ermittelt werden, siehe Bild 26. Darin wird die Linie fr den Gesamtwiderstand mit der Senkrechten A (leeres Fahrzeug) bzw. B (volles Fahrzeug) geschnitten. Von dort ergibt die Horizontale den erforderlichen Gang und die vorhandene Felgenzugkraft. Die Felgenzugkraft ist die Kraft, die am Rad zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfgung steht. Sie wird durch den Bodenschluss (Radlast Kraftschlussbeiwert aus Tabelle 5) begrenzt. Die vom Schnittpunkt mit der "Gang"-Linie errichtete Senkrechte ergibt die Geschwindigkeit. Bei Gef allestrecken sind die max. Geschwindigkeiten, die olme berforderung des Khl systems mglich sind, ebenfalls aus Diagrammen der Hersteller zu entnehmen, siehe Bild 27. Das wirksame Geflle ergibt sich dabei aus Gef alle in Prozent minus Rollwiderstand in Prozent. Dabei muss in jedem Fall aus der sich ergebenden Geschwindigkeit und der sich aus Bild 26 ergebenden Felgenzugkraft geprft werden, ob der Bodenschluss bei der Geschwin digkeit noch gegeben ist. Fr die Leistungsberechnung eines Einzelfahrzeugs sind folgende Angaben erforderlich: -Muldeninhalt und Nutzlast, Schaufelinhalt des Ladegertes, erforderliche Ladespiele und die dazu erforderliche Zeit, Dichte und Auflockerungsfaktor des Bodens/Fels, Fahrten bzw. Umlufe pro Stunde: die Arbeitstaktzeit ATZ.Die ATZ gliedert sich in folgende Einzelzeiten: -Manvrierzeit im Ladebereich, Wagenwechselzeit, Beladezeit, Transportzeit, Manvrierzeit im Entladebereich, Entladezeit, Rckfahrzeit, Wartezeiten.Beispiel einer Leistungsberechnung: Ein SKW mit 36 m 3 Muldeninhalt und einer Nutzlast von 56 t sol l mit einem Radlader mit einem Schaufelinhalt von 6 m 3 mit gelstem Fels, Auflockerungsfaktor aL = 0,75 und einer Dichte nach dem Lsen von 1 ,6 t/m3 und einem Fllgrad der Radladerschaufel von FG = 95 % beladen werden. Das Ladespiel des Radladers ist 0,6 min (das erste Ladespiel ist verkrzt, weil der Radlader whrend des SKW-Manvers schon beladen kann). Sechs Ladespiele sind vorgesehen. Die Transportentfernung ist 1 500 m. Der Transportweg ist leicht geneigt, sodass der Gesamtwiderstand mit 8 % ermittelt wurde. Aus dem zugehrigen Diagramm ergibt sich bei dem max. Bruttogewicht von 92,5 t im 4. Gang eine max. Geschwindigkeit von 20 km/h. Fr die Leerfahrt ergibt sich eine Geschwindigkeit von 30 krn/h. Der Wirkungsgrad ist 50 min!h = 83 %.Wie ist die Leistung je Stunde und wieviele Fahrzeuge werden je Ladegert bentigt? Fr die Volumina siehe Tabelle 4. 3 3 Muldeninhalt des SKW in fm : V = 6 (Spiele) 6 m 0,95 (FG) 0,75 (Auflockerung) = 25,6 fm3 3 3 3 3 Muldeninhalt des SKW in 1m : V = 6 (Spiele) 6 m 0,95 (FG) = 34 1 m < 36 m = Muldeninhalt 3 Nutzlast: 25,6 fm I ,6 ( Dichte)/0,75 = 54,6 t < max. Nutzlast = 56 t Ladezeit I 0, 1 min + 5 0,6 min = 3, 1 min Wagenwechsel: 0,4 min 53. 2. 1 33Erdbau Transportzeit 4,5 min Manvrieren und Entladen: 1 ,3 min Rckfahrt: 3 minZeit je Umlauf = I: aller Zeiten: I I ,8 min-Umlufe je Stunde: 5,08 Leistung je Stunde: Q = 5,08 25,6 fm3 0,83 = 1 08 fm3/h Leistung je Stunde: Q = 5,08 25,6 fm3 0,83 1 ,6/0,75 = 230 t/h Anzahl der SKW je Radlader = Umlaufzeit des SKW/Ladezeit = 1 1 ,8/3 , 1 = 4 7.3.5.3 Leistungsberechnung fr eine P lanierraupePlanierraupen ( Kettendozer) werden zum Abschieben, zum Transport und zur Grobvertei lung von Bden benutzt. Motorleistungen, Schildkapazitten und Fahrzeitdiagramme knnen aus H andbchern der Hersteller entnommen werden. Die Fllungsgrade fr die Schilde liegen bei Oberboden bei etwa 1 00 %, bei Bden der Bodenklassen 3 bis 5 bei 85 bis 95 %, bei kleinstckigem Fels der Bodenklasse 6 bei 75 bis 80 %, bei grobstckigem Fels der Bodenklasse 6 bei 50 bis 70 %. Abschubleistungen fr unterschiedliche Gerte und Entfernungen knnen aus Tabellen entnommen werden. Leistungsberechnungen im Zusammenhang mit eigenen Beobachtun gen auf der Baustelle knnen auch selbst vorgenommen werden, siehe nachfolgend: Es soll die Leistung eines Kettendozers ( 1 50 kW, Schildkapazitt 4,5 m 3 ) ermittelt werden. Der Fllungsgrad wird mit 90 % angenommen. Es soll ein Geschiebemergel (Bodenklasse 4) mit einem Auflockerungsfaktor von 0,8 abgeschoben und ber 50 m mittlere Entfernung zu einer Einbaustelle transportiert werden. Die Geschwindigkeiten wurden einem Fahrzeit diagramm fr den 3. Gang mit 3,5 km/h fr die Hinfahrt - beladen - und 4,5 km/h fr die Rckfahrt - leer - entnommen. Der Leistungsgrad des Gertes betrgt 50 min/h = 83 %. Berechnung:Hinfahrt: 0,86 min Rckfahrt: 0,67 min Richtungsnderung: 0, 1 min Gesamtarbeitstaktzeit 1 ,62 minArbeitstakte/h = 50 min/h 1 ,62 min/AT = 30,9 AT/h Leistung: 4,5 m 3 0,9 (Fllungsgrad) 30,9 = 1 25, I m 3/hLeistung: 4,5 m 3 0,9 (Fllungsgrad) 30,9 0,8 = 1 00 fm 3/h 7.3.5.4 Leistungsberechnung f r VerdichtungsgerteDie Leistungsberechnung fr Verdichtungsgerte kann wie folgt durchgefhrt werden: Q = v b h Leistungsgrad/ (fm 3/h)v Arbeitsgeschwindigkeit (rn/h) b wirksame Arbeitsbreite (m) h Schichtdicke des verdichteten Bodens (m) Leistungsgrad etwa 45 min/h = 0,75 Anzahl der bergnge 54. 34Hans-Henning Schmidt und Thomas RumpeltBei greren Erdbaustellen wird empfohlen, Verdichtungsversuche durchzufhren, um den optimalen Einsatz der Verdichtungsgerte zur Erreichung der geforderten Verdichtung (s. Abschn. 8) zu erkunden. 7.4Verfa h ren zur GewinnungMit Gewinnen wird das Lsen/Aufnehmen und Laden bzw. das Absetzen von Erdstoffen bzw. von Fels auf einer Zwischenlagerstelle bezeichnet. Folgende Abbaumethoden werden hufig gewhlt: Kopf- oder Frontabbau: Dabei wird der gesamte Abbauquerschnitt frontal vor Kopf vor oder rckschreitend ausgehoben. Bei groen Querschnitten wird das Rschen- oder Schlitzverfahren, oft auch in Kom bination mit dem Stufen- oder Strossenbau angewandt (Bild 28). Bei steilen Hngen oder Anschnitten kommt der Seitenabbau irrfrage (Bild 29). Der Lagenabbau ist eine speziel le Variante des Stufenabbaus (Bild 30). H ier wird der Boden nicht parallel in Stufen abgebaut, sondern von einem Punkt aus strahlenartig in mehren Lagen. Diese Methode ist typisch fr das Gewinnen mit Flachbaggergerten.Beim Gewinnen mit Baggern wird je nach Stand- bzw. Arbeitsebene des Baggers zwischen Hoch- bzw. Tiefschnitt unterschieden. Fr den Hochschnitt eignen sich Hochlffel-, fr den Tiefschnitt Tieflffelbagger oder Seilbagger.1 . 1 /1 .2 / --:"+ / ,/1 .n -{- - - - - --- --f --- - - - 2.m+-::-- 2.22.1 Rsche 2----------n - Schnitte der 1 . Stufe m - Schnitte der 2. StufeBild 28. Abbau im Rschen- und StufenverfahrenBild 29. SeitenabbauAushubsohlen TransportrichtungBild 30. Lagenabbau (Einschnitt als Lngsschnitt) 55. 352 . 1 E rdbauStandebene des BaggersHochlage Gleichlage TieflageBild 3 1 . Bezugsebene der Transportfahrzeuge zum BaggerAusfahrrampeEinfahrrampeBild 32. Zweistufiger Aushub einer BaugrubeDie Transportfahrzeuge knnen hhenmig zum Bagger in Hoch-, Gleich- oder Tieflage platziert werden (Bild 3 1 ) . Die lagemige Positionierung kann seitlich, vor oder hinter dem Bagger erfolgen. Bild 32 zeigt den Schnitt durch einen stufenartigen Abbau mit Hoch- und Tieflffelein satz. Bei grerer Flche kann eine dritte Stufe ggf. auch mit Flachbaggergerten ausgeho ben werden. Wichtig ist die rechtzeitige Planung und Ausfhrung von Entwsserungsmanahrnen. Dies ist besonders bei bindigen Bden oder vernderlich festem Gestein von entscheidender Bedeutung, siehe dazu DIN 1 8300, Abschn. 3 .3.3. 56. 36Hans-Henning Schmidt und Thomas RumpeltFanggraben--Abbaurichtung - -- -----,- - -endgltige Aushubsohle,_//1SammelgrabenBild 33. Entwsserung einer ErdbaustelleTagwasser muss durch ein ausreichendes Gef alle in Lngs- und Querrichtung, durch das Anlegen von Grben und Pumpensmpfen stndig in eine Vorflut abgeleitet werden, siehe Schemaskizze in Bild 33. Insbesondere muss nach ZTVE-StB, Abschn. 3.5.3 verhindert werden, dass Wasser von Einschnittsbschungen auf das Planum abfliet. Es ist durch Lngsentwsserungseinrich tungen ( Sammelgrben, s. Bild 33) aufzufangen und abzuleiten. Das vom Planum auf Dammbschungen abflieende Wasser soll ungehindert dem Unter lieger oder der Lngsentwsserung am Dammfu zuflieen. Bei erosionsempfindlichen Bschungen und Bermen ist das Wasser durch erosionssichere Lngsentwsserungseinrich tungen am Rande des Planums aufzufangen und abzuleiten. Bei durch Feinteile und Bindemittel verunreinigten Wssern mssen ggf. Absetz- und Ausflockbecken vorgehalten werden. Fr die Ausfhrung von Grundwasserhaltungen beim Bauen im Grundwasser wird auf Kapitel 2 . 1 0 verwiesen. 7.5Einbauverfa h renNach dem Massentransport erfolgt der Einbau von Erdstoffen entweder kompakt beim Hinterfllen von Bauwerken und beim Verfllen von Baugruben und Grben oder flchen mig. Bezeichnend fr den Kompakteinbau sind die verhltnismig kleinen Einbauflchen und das Einbauen in Lagen mit Baggern, Radladern und Kettendozern oder sogar manuell mit der Schaufel. Bei greren Einbauflchen erfolgt der Einbau flchenmig ( Flcheneinbau). Der Einbau aufwand hngt vom erforderlichen Verdichtungsaufwand ab. So kann es ausreichen, die durch Absetzen des LKW entstandenen Schttkegel zu brechen. Fr hohe Verdichtungs anforderungen, z. B. fr Frostschutzmaterial, muss dagegen mit dem Kettendozer bzw. mit dem Motorgrader ein flchenmiger Feineinbau in dnnen Lagen erreicht werden. Beim Flcheneinbau und LKW-Transport gibt es verschiedene Schttverfahren:Lagenschttung auf unverdichtetem Transportplanum ( Bild 34): Fahrzeuge fahren auf zunchst unverdichtetem Material. Vorteilhaft sind die geringe Einbauarbeit und die Vorverdichtung beim Transport. Nachteilig sind der hohe Rollwiderstand und die Auf weichgefahr von bindigem Boden durch den Fahrbetrieb. Lagenschttung auf verdichtetem Transportplanum (Bild 35): Nachteil, es mssen der Kippbetrieb und die Verdichtung aufeinander abgestimmt sein. Vorteilhaft sind die guten Fahrbedingungen. 57. 2. 1 Erdbau37 __.Schttrichtungi- - -- -- - - - - - - -------- -- - - - - - - - - - - - - ....Bild 34. Bodeneinbau mit Lagenschttung auf unverdichtetem TransportplanumBild 35. Bodeneinbau mit Lagenschttung auf verdichtetem TransportplanumBild 36. Lagenschttung auf geneigtem Transport- und Einbauplanum SchnittLagenschttungGrundrissBild 37. Kopfschttung im Wasser Lagenschttung auf unverdichteter, geneigter Schttflche (bis 1 5 % Gef lle) (Bild 36): Vorteilhaft ist, dass die LKW im Kippbereich nicht manvrieren mssen und Tagwasser gut abflieen kann. Bedingung ist ebenfalls eine gute Abstimmung zwischen Abkippen, Verteilen und Verdichten. Kopfschttung (Bild 37): hufig bei Dammschttungen im Wasser, unbefahrbarem Unter grund oder bei Haldenschttung angewandt. Es besteht die Gefahr der Entmischung. Eine Verdichtung ist nur spter von der Oberflche durch Tiefenverdichtung oder dynamische Verdichtung mglich, siehe dazu Kapitel 2.2. 58. 38Hans-Henning Schmidt und Thomas RumpeltBild 38. Seitenschttung Seitenschttung (Bild 38): Hier wird z. B. zur Verbreiterung eines Dammes Boden seitlich abgekippt. Auch hier besteht die Gefahr der Entmischung und eine Verdichtung in Lagen ist kaum mglich.7.6Verdichtungstechni ke nZiel ist der rationelle Einsatz der Verdichtungsgerte und eine ausreichende Verdichtung. Bei groem, flchenhaftem Einbau werden die Flchen ggf in Verdichtungsfelder untergliedert. Die Fahrspuren der Verdichtungsgerte mssen sich I 00 bis 1 50 mm berlappen. Fr den Arbeitsablauf wird das Ringschema oder das Weberschiffchenschema gewhlt. Das Ring schema mit stndig kleiner werdendem Wenderadius wird fr Rttelplatten und Stampfer bei kleineren Flchen gewhlt. Das Ringschema mit konstantem Wenderadius (Bild 39) wird fr Walzen bei greren Flchen bevorzugt, da sonst im Wendebereich der Boden aufgewhlt und nicht verdichtet wird.Bild 39. Verdichtung mit RingschemaDas Weberschiffchenschema wird fr linienf orrnige Erdbaustellen angewandt. Dabei liegt der Wendebereich auerhalb des eigentlichen Verdichtungsfeldes. Das Wenden kann schlau fenartig oder mit variablem Wenderadius erfolgen (Bild 40 a und b). a) r--..Vt1;b)1 1Bild 40. Verdichten mit Weber schiffchenschema; a) schlaufenartiges Wenden, b) variabler Wenderadius 59. 2.17.7Erdbau39EinbaukriterienFr den Einbau und fr die Verdichtung von Bden sind in DIN 1 8300, Abschn. 3.7, und in der ZTVE-StB, Abschn. 3.3, Kriterien festgelegt. Auf einige wichtige Aspekte soll einge gangen werden: Von Einbauflchen mssen organische, humose und nicht tragf hige Bden bzw. Teile wie Mutterboden, Torf, Schlamm, Baumstmpfe und Bauwerksreste bzw. groe Gesteins brocken beseitigt werden. Vor der ersten Schttung muss die Grndungssohle des Erdbau werks auf seine Tragf higkeit berprft werden. Es ist hier zu prfen, ob der anstehende Boden mit dem in der Baugrunderkundung angetroffenen bzw. mit dem in der Planung angenommenen bereinstimmt. Gegebenenfalls ist die Grndungssohle zu verdichten oder anderweitig zu verbessern (s. Abschn. 9 bzw. Kapitel 2.2). Bei Neigung der Auftragssohle von mehr als 1 :5 ist zu prfen, ob die Standsicherheit des Erdbauwerks eine stufenf drmige Ausbildung der Sohle erfordert (s. Abschn. 1 1 ) . Jede Art von Wasserzulauf bzw. Wasseransammlung muss, abgesehen von grobklasti schen Schttstoffen wie Gerll, verhindert werden. Beim Einbau von Felsgestein oder Gerll darf das Grtkom nicht grer als 2/3 der geplanten Schtthhe sein, sodass keine Hohlrume entstehen. Die Einbau- und Verdichtungsarbeiten sind den Witterungsbedingungen anzupassen und gegebenenfalls vorbergehend einzustellen. Bden mit zu hohem Wassergehalt, die sich nicht anforderungsgem verdichten lassen, drfen nicht eingebaut und nicht berschttet werden. Sie sind durch geeignete Ma nahmen zu verbessern. Beim Einbau von witterungsempfindlichen Erdstoffen sind die Schttlagen mit einem Quergef lle von mindestens 6% anzulegen. Jede Lage ist unmittelbar nach dem Schtten zu verdichten. Wird die Tagesleistung abgeschlossen oder sind Niederschlge zu erwar ten, ist die verdichtete Schttlage glatt zu walzen. Die Ableitung von Oberflchenwasser in Lngsrichtung bedarf der Zustimmung des Auftraggebers. Gefrorene, schwellf hige oder lsliche Bodenarten sollten im Allgemeinen nicht als Schttgut verwendet werden (DIN EN 1 997- 1 , 5 3.2 (5)). .Fr weitere Informationen zur Planung und Organisation von Erdbaustellen siehe [24-27].8Qualittssicherung: Prfu ngen, Anforderungen und Beobachtungen8.1AllgemeinesDie Anforderungen an die fr ein Erdbauwerk zu verwendenden Stoffe, die in DIN-Normen oder anderen Vorschriften gestellt sind bzw. aus dem geotechnischen Entwurf abgeleitet werden, sollten in einem "Geotechnischen Bericht" zusammenhngend und bersichtlich mit grafischen Darstellungen oder mithilfe von Tabellen dargestel lt werden. Die gestellten Forderungen beziehen sich in der Regel auf die Komverteilung, P lastizitt, Konsistenz (Wassergehalt), Dichte, Lagerungsdichte D und den Verdichtungsgrad Dp, bzw. auf den Verformungsmodul (s. Kapitel 1 .3). Die fr die Erdbaustelle in der Regel durch Eignungs-, Eigenberwachungs- und Kontrollversuche gewonnenen Ergebnisse mssen mit den An forderungen verglichen und eingehalten werden. 60. 40Hans-Henning Schmidt und Thomas RumpeltNach DIN EN 1 997- 1 , Abschn. 4, sollen zur Einhaltung der Sicherheit und Qualitt des Erdbauwerks folgende Punkte im Geotechnischen Bericht spezifiziert sein und auf der Baustelle geprft, berwacht oder aufgezeichnet werden: -die erforderliche Qualitt des Erdbaustoffs, das Bauverfahren und das Vorgehen des Baustellenpersonals, das Verhalten des Bauwerks whrend und nach dem Bauen, die Unterhaltung des Erd- bzw. Grundbauwerks.8.2P rfu ngenFr den Verdichtungsgrad Drr muss definitionsgem das Verhltnis der auf der Baustelle erreichten Trockendichte (DIN 1 8 1 25-2) zu der im Labor im Proctorversuch (DIN 1 8 1 27 ) ermittelten optimalen Trockendichte festgestel lt werden. Der Verdichtungsgrad Drn die Lagerungsdichte D, bei bindigen Bden zustzlich noch der Luftporengehalt n., sind fr die Verdichtung die bodenmechanisch magebenden Gren (s. Kapitel 1 .3). Zustzlich bzw. als Ersatz fr die aufwendigen Versuche im Labor und im Feld werden hufig sog. Indirekte Versuche angewandt. So werden z. B. Ev-Moduli aus dem Plattendruckversuch gem DIN 1 8 1 34, in der anglo-amerikanischen Praxis der CBR-Wert bzw. Widerstnde aus Druck- bzw. Rammsondierungen gem DIN 4094 (s. Kapitel 1 .2), zur Feststellung einer ausreichenden Verdichtung benutzt. In j ngster Zeit f mden auch Varianten des Plattendruck- bzw. des CBR-Versuchs in der Praxis Anwendung, die sog. Dynamischen Plattendruck- bzw. CBR-Versuche [28, 29]. Dabei werden Lastplatte bzw. CBR-Stempel mit einem leichten Fallgewicht impulsartig belastet (Bilder 4 1 bis 43). Es sind also im Labor keine Pressenrahmen bzw. im Feld keine Widerlager in Form eines beladenen LKW mehr notwendig. Durch einen Beschleunigungs aufnehmer wird die Beschleunigung der Lastplatte bzw. des CBR-Stempels elektronisch gemessen. Durch zweimalige I ntegration ber die Zeit wird die Setzung s und daraus ein dynamischer Verformungsmodul bzw. dynamischer CBR-Wert nach den beiden nicht dimensionsechten Gin. ( I I ) bzw. ( 1 2) ermittelt. wenn s in [mm] (1 1) Evd = 22,5/s (MN/m2), CBRd=0 87,3/(s 59 ) [ %],wenn s in [mm]( 12)D i e Anforderungen fr den Einsatz des Dynamischen Plattendruckversuchs und GI. ( I I ) sind in [3 1 ] aufgefhrt. Es werden danach drei Vorbelastungsste und drei Versuche in Folge ausgefhrt. Fr diese neuen Kennwerte konnten durch vergleichende Versuche schon Korrelationen zu den herkmmlichen Verformungsmoduli und CBR-Werten gefunden werden, sodass einer Anwendung in der Praxis nichts im Wege steht (s. Abschn. 8.3.3). Besonders der dynamische CBR-Versuch eignet sich fr feinkrnige Bden in Verbindung mit dem Proctorversuch als einziger Versuch fr den Erdbau sowohl als Eignungsversuch im Labor wie auch als Kontrollversuch auf der Baustelle. Die im Eignungsversuch ermittelten dynamischen CBR Werte sind auch auf der Baustelle nachzuweisen. 8.3Verdichtungsan forderungen fr den StraenbauFr Bden i m Bereich von Straen werden in der ZTVE-StB [ I ] Anforderungen hinsichtlich der Dichte (Verdichtungsgrad Drr), des Verformungsverhaltens ( Ev-Werte) und des Luft porenanteils n. gestel lt. Die geforderten Werte sind halbempirisch ermittelt [32] und gewhr leisten in der Regel standsichere und verformungsarme Verkehrswege. Andere Obere Bau- 61. 412. 1 ErdbauBuchse fr den Anschlu des Mekabels des elektronschen Setzungsmegertes ZSG 01Bild 4 1 . Gertedarstellung desleichten Fallgewichts ZFG 02 ftir den Dynamischen Plattendruckversuch [30]Bild 42. Dynamischer PlattendruckversuchBild 43. Dynamischer CBR-Versuchin einem Grabenin einem Graben 62. 42Hans-Henning Schmidt und Thomas Rumpeltbehrden haben eigene Anforderungen gestellt. Fr Bauvorhaben der Deutschen Bahn AG ist z. B. die Ril 836 [33] magebend. Fr grere Verkehrsbauten ist jedoch anzuraten, an natrlichen bzw. verdichteten Bodenproben das Verformungsverhalten und die Scherfestig keit zu bestimmen, um die Kennwerte in erdstatischen Berechnungen verwenden zu knnen (s. Abschn. 4 und 5). Fr die Qualittskontrolle auf der Baustelle sind gleichzeitig Indexversuche im Labor, z. B. dynamische CER-Versuche, auszufiihren. Die nachfolgenden Anforderungen sind im Zusammenhang mit den in den Bildern 1 und 2 aufgefhrten Begriffen zu sehen. Hinsichtlich der Verdichtungsanforderungen - fiir Trag- und Frostschutzschichten (siehe bergeordnet ZTVT-StB [3] sowie die material abhngige ZTV SoB-StB fiir Schichten ohne Bindemittel, die ZTV Asphalt-StB und die ZTV Beton StB); - fiir Leitungsgrben (siehe ZTVA-StB [2] und Abschn. 1 2.2); - fiir die Hinterfllung von Bauwerken (siehe [34] und Abschn. 1 3 ). 8.3.1Anforderungen an Untergrund und UnterbauNach ZTVE-StB sind der Untergrund und der Unterbau von Straen und Wegen so zu verdichten, dass die Anforderungen der Tabelle 7 erreicht werden. Diese Anforderungen werden hufig auch fr die Errichtung anderer Erdbauwerke, wie Auffllungen fiir Flughfen und fiir Staudmme, gestellt. Die genannten Werte sind Anforderungen an das 1 0 %-Mindest quantil. Je nach rtlichen Erfahrungen und der Bedeutung bzw. der Beanspruchung des Bauwerks knnen die Anforderungen auch hher oder niedriger gestellt werden. Das Mindest quantil ist das kleinste zugelassene Quantil, unter dem nicht mehr als der vorgegebene Anteil von Merkmalswerten (z. B. fiir den Verdichtungsgrad Dr,) der Verteilung zugelassen ist. Zur Ermittlung des Mindestquantils bzw. auch des Hchstquantils siehe Abschnitt 8.4.Zur Orientierung und berschlgigen Ermittlung des Verdichtungsgrades Dp, = pd/pp, sind in Bild 44 Erfahrungswerte aus Proctorversuchen fiir bindige und nichtbindige Materialien Tabelle 7. Anforderungen fr den Verdichtungsgrad Op, von Bodenarten im Untergrund und Unterbau(nach [ I ) und DIN 1 8 1 96) BereichgrobkrnigPlanum bis 0,5 m Tiefe0,5 m unter Planum bis Dammsohlegemischtund feinkrnigG W, Gl, G E SW, SI, SE1 00 1 00GW, G T , G E SW, SI, SE1 ,0 m unter Planum bis DammsohleI)Dp, in %BodenartenPlanum bis 1 ,0 m Tiefe bei D mmen und 0,5 m bei Einschnitten98G U, G T, SU, ST G U, GT, SU, ST U, T, OK, OU, OT G U,GT,SU,ST, OH, O K G U, G T , S U , ST U, T, OU, OT1 00 97 1 ) 97 95 1 )Bei bindigen Bden und vernderlich festen Gesteinen ist ergnzend das I 0% Hchstquantil des Luftporengehalts na = 1 2 % zu erreichen. 63. 432. 1 Erdbau ' "' E.20dw wirksamer Durchmesser des Drns F(s)= Schmiereffekteinfluss d, Durchmesser Strzone um Drn k, Durchlssigkeit Schmierzone = Flie-W iderstandsfaktor= rc z (L - z)qw vertikale Abflussleistung des Drnsk h qwund den Bezeichnungen nach Bild 3 lsst sich damit der Konsolidierungsgrad als Funktion der obigen Einflussfaktoren darstellen. In den Auswertungen von Hansbo [55] werden theoretische Bemessungsmodelle sowohl unter Annahme der Gltigkeit der Darcy' schen Gesetze als auch unter Annahme einer nicht l inearen Beziehung zwischen hydraulischem Gradienten und Porenwasserfluss entwickelt. Bei der vergleichenden Auswertung von Baustellenergebnissen kommt Hansbo [55] zu dem Resultat, dass aufgrund der immer noch groen Unsicherheiten in der Bestimmung der bodenmecha nischen und bodenhydraulischen Kenndaten als Einflussfaktoren ein berwachungs- und Kontrollprogramm f derartige Arbeiten in jedem Fall notwendig ist. Des Weiteren wird r die bessere bereinstimmung des nicht linearen Ansatzes zur Berechnung des Setzungs ablaufs mit den tatschlichen Ablufen besttigt, was aber auch auf die Reduzierung des Konsolidierungskoeffizienten mit zunehmender Verdichtung zurckzufuhren sein kann. 129. 1 092.2 Baugrundverbesserung Degleichw. Kreis DrainLungestrte Zone gestrte Zone (smear) PV DrainPV-Band-Drain(a)undurchlssige Begrenzung(b)Bild 3. Charakteristische Bezeichnungen zur Drn-BemessungUnter Bercksichtigung der vorher beschriebenen Einflussfaktoren knnen i n Bemessungs tabellen einzelner Drnhersteller Abstnde zu Auslegungen der Vertikaldrns bestimmt werden [56]. Die Auswirkungen der einzelnen Einflussfaktoren auf die Konsolidierungs ablufe sind bei Jamiolkowski [46] auch mit dem theoretischen Hintergrund ausfhrlich wiedergegeben. Da die zur Bemessung notwendigen Bodenkenndaten (cv, eH, k1" kv, E,, . . . ) in Laborversuchen nur mit erheblichen Einschrnkungen gerrau genug bestimmt werden knnen, sollte der Ausfhrungsentwurfruner aufBasis eines Feldversuchs ausgelegt werden. Fr vorgefertigte Vertikaldrns hat Yeung [57] die von Hansbo [5 1 ] u. a. beschriebenen Einflussfaktoren auf die radiale Konsolidierung von Vertikaldrns in entsprechende Bemes sungsdiagramme umgesetzt, sodass mit den dort dargestellten Bemessungsablufen obige Einflussfaktoren fr unterschiedliche Herstel lungen, Drnfabrikate und Baugrundeinflsse bercksichtigt werden knnen. Lekha et al. [58] stellen zur wissenschaftlichen Betrachtung den Konsolidierungsablauf bei der Anwendung von Sanddrns in einer nicht l inearen Theorie unter Bercksichtigung der zeitabhngigen Belastung vor, die die zeitlichen Ver nderungen der effektiven Spannungen, des Porenvolumens und der Durchlssigkeit mit in die Betrachtung einbezieht. Die Einflsse des "smear effect" sind bei Chai et al. [59] in i hren Auswirkungen auf die Wirkungsweise der Vertikaldrns in rechnerischen Modellen nach vollzogen. Zusammenfassend wird ein bilinearer Ansatz der Durchlssigkeit in der Strzone fr angebracht erachtet und es werden praktische Anwendungshinweise daraus abgeleitet. Zur Auswahl des entsprechenden Drntyps sind je nach Aufgabenstellung folgende Para meter von Bedeutung: -quivalenter wirksamer Durchmesser des Drns dw , Frderkapazitt des Drns qw, Filtermanteleigenschaften in Verbindung mit anstehendem B augrund kgeotex :2: 1 0 ksocten Durchlssigkeit des Filtermantels, Materialfestigkeit, Flexibilitt, DauerbestndigkeitZur Auswahl des Filtermaterials sind in [53] die verschiedenen Aspekte bei Anwendung unterschiedlicher Filtergesetze und -regeln zusammengestellt und in ihren Auswirkungen in 130. 1 10Wolfgang Sondennann und Klaus KirschAbhngigkeit von zu konsolidierendem Boden dargestellt. Bei Auswahl der Materialeigen schaften sollte gerade bei greren zu erwartenden Verformungen bercksichtigt werden, dass das Drnmaterial diese Verformungen ( Biegung, Stauchung) mitmachen muss, ohne seine Wirkungsweise zu verlieren. Sowohl in [52] als auch in [53] sind sehr ausfUhrlieh Feldversuche mit unterschiedlichsten Drntypen in verschiedensten Bden zusammengetragen. In der Regel wurde dabei die Wirkungsweise der Konsolidierung durch Setzungs- und Stauchungsmessungen sowie durch Messungen der Entwicklung der Porenwasserdrcke berprft.Balasubramaniam et al. [60] berichten ber die erfolgreiche Anwendung von Vertikaldrnsauch in weichem Bangkak-Ton mit Wassergehalt nahe der Fliegrenze und undrnierten Scherfestigkeiten von i. M. 1 0 kN/m2 bei 3 m Tiefe zunehmend auf i. M. 30 kN/m2 in ca. 1 5 m Tiefe. In [52] wird ebenfalls die erfolgreiche Anwendung auch in weichen, plastischen Tonen mit mittleren undrnierten Scherfestigkeiten von 9 kN/m2 geschildert, wobei hier noch verschiedene Drntypen nebeneinander untersucht wurden. H ierbei traten bei den verschiedenen Banddrns im Vergleich keine nennenswerten Unterschiede auf, bei gre rem Drnabstand fhrten diese jedoch zu einer besseren Konsolidierung als Sanddrns. An gleicher Stelle wird ber ein Projekt in China berichtet, wobei hier Vakuum- und Belastungs Methode parallel in einem sehr weichen Ton (cu "' 5 kN/m2) angewendet wurden. Es war festzustel len, dass in diesem weichen Ton die Kombination mit der Vakuum-Methode erfolgreich war. Gerade bei stark wasserbindenden Komponenten im Baugrund, in denen geringe Druckgradienten aus Auflasten nicht mehr ausreichende Fliekrfte bewirken, da diese aufgrund der Limitierung durch die Standsicherheit begrenzt sind, bietet die Kom bination eine erfolgreiche Alternative. 2. 1 .3VerdichtungsinjektionenNachdem bisher eine Verdichtung des Baugrundes durch Aufbringen einer statischen Ein wirkung und damit Verringerung des Porenraums bei gleichzeitiger Abfhrung des im Porenraum befindlichen Mediums behandelt wurde, wird bei der Verdichtungsinjektion ein zustzliches Material in den zu verbessernden Baugrund eingebracht, sodass eine Verdrngung des umgebenden Bodens stattfindet. Bei der Verdichtungsinjektion (Compaction Grouting) wird ber ein im zu verbessernden Baugrund eingebrachtes Bohrrohr (drehend, dreh-schlagend, schlagend) oder Bohrgestnge Mrtel unter Druck verpresst, wobei der Mrtel aufgrund seiner Zusammensetzung und Fl ieeigenschaften nicht in die Poren des Baugrundes eindringt. Mit diesem Verfahren sind alle Bden verbesserbar, in denen die whrend des Verpressvorgangs auftretenden Poren wasser- und Porenluftdrcke ohne nennenswerte zeitliche Verzgerungen abgebaut werden knnen, oder aber auch durch Reduzierw1g der Einpressgeschwindigkeit oder zustzliche Entwsserungsmanahmen ein Druckaufbau minimiert wird.Nach Dupeuble [6 1 ] und Robert [62] knnen Bden mit Grenzdrcken von Pe 500 kN/m2 beim Pressiometertest bzw. mit einem Spitzenwiderstand qc 4000 kN/m2 aus Druckson dierungen durch Verdichtungsinjektionen verbessert werden. Verdichtungsinjektionen knnen zur Unterfangung und Abfangung von Grndungen und Bauwerken bei Setzungsunterschieden, Erhhung der Tragf higkeit von Bodenschichten, Reduzierung des Verflssigungspotenzials locker gelagerter Sande, Kompensation von Verformungsunterschieden aus Baumanahmen (z. B. Tunnel vortrieb), - Stabilisierung von Hangrutschungen 131. 1112.2 Baugnmdverbesserungeingesetzt werden. Die generellen Anwendungen des Compaction Grouting in den Ver einigten Staaten sind bei Rubright/Bandimere [63] mit entsprechenden Ausf hrungsbei spielen zusammengefasst. Zur Durchfhrung der Arbeiten werden Anlagenkomponenten zur Mrtelaufbereitung und -mischung, Mrtelpumpen und eine Bohrausrstung zur Abteufung der Verpressrohre bentigt, wobei vor allem die Art der Mrtelpumpe mit ihrer Pumpmenge, Pumpgeschwin digkeit und ihrem maximalen Pumpdruck auf die j eweilige Aufgabenstellung abgestimmt werden muss. Das Abteufen bzw. Herstellen der Bohrlcher wird in der Regel drehend oder schlagend vorgenommen, wobei nach Erreichen der Endteufe ber dieses B ohrrohr nach Montage eines Verpressstutzens Mrtel verpumpt wird. Durch mehrfaches stufenweises Zurckziehen des Verpressrohrs mit jeweils erneutem E inpressen von Mrtel wird so von unten nach oben eine sulenartige Aneinanderreihung von Mrtelplomben erreicht (bottom up-method), siehe Bild 4. Im Gegensatz dazu werden bei der top-down-method d i e Mrtelmengen nach jeweiligem Durchbohren der zuvor hergestellten Verpressungen von oben nach unten eingebracht, wobei nach Beobachtungen von Graf [64] und Warner [65] beide Methoden zu keinen nennenswerten Unterschieden bei den Verbesserungsresultaten fhren. Der Verpressvorgang wird durch den Verpressdruck, die Verpressmenge und die Verpress geschwindigkeit bestimmt. Der maximal zulssige Einpressdruck an der Verpressstelle ist dabei unter Bercksichtigung des im System (Pumpe, Verpressschlauch, Verpressrohr) auftretenden Reibungsverlustes zu bestimmen, wobei der Anfangsverpressdruck zur ber windung der Scherspannungen im zu verbessemden Bodenbereich in der Regel hher ist. Der Einpressdruck wird des Weiteren wesentlich von der Verpressgeschwindigkeit des Mrtels (1/min) mitbestimmt, sodass unter Variation der Verpressgeschwindigkeit sich unterschiedliche Einpressdrcke einstellen. Franceson !Twine [66] weisen bei Anwendung des Verfahrens zur Baugrundverbesserung auch in oberflchennahen Bereichen auf die Auswahl der Verpresspumpen hin, um Druckspitzen und Druckste zu vem1eiden und damit kontrollierbare Verpressvorgnge zu gestalten. Als Beurteilungskriterien fr den Verpressvorgang haben sich die Messungen von Verschiebungen als Indikator zur Steuerung der Ablufe durchgesetzt [64] . Die Verpressmenge pro Stufe ist durch die Abstnde der Verpresspunkte, dem damit den Punkten zugeordneten Bodenvolumen und der angestrebten Verbesserung (in der Regel Reduzierung des Porenvolumens) zu bemessen. Das Verpressmaterial wird in der Regel aus natrlichen, schwach schluffigen Sanden unter Zugabe von Wasser, hydraulischen B indemitteln und Flugaschen sowie ggf. Verflssigem zur Verbesserung der Flieeigenschaften aufgebaut. Qualittstests und Anforderungen anVerprerohrBild 4. Prinzip der Verdichtungs-Injektion 132. 1 12Wolfgang Sondermann und Klaus Kirsch/j . / I I / I; ' I J j/ I /80 70I / I / I /! /60 50 40 30 20 10 0'I% 1 00 90Ton/ / '/ / /'/ L. /-/;/Schluff-Sand0,0006 0,006 0,06 0,2 0,002 0,020,6Kies2620mmheutige obere und untere Grenze - - heutige Ideal-Linie - - frhere obere Grenze60 200Bild 5. Mrtelzusammensetzung ftlr Verdichtungs-Injektionen (nach [70])den Mrtel sind bei Greenwood [67], Moseley [52], Chang et al. [68] und Warner [69] zusammengestellt. Bei allen Beurtei lungen wird vornehmlich auf den Slumptest, wie vom ASCE, Committee on Grouting zusammengefasst, zurckgegriffen, wobei Setzmae von 2 bis I 0 cm als blich angegeben werden. Heute gebruchliche Mrtelzusammensetzungen sind in Bild 5 zusammengestellt. Da der Wassergehalt des Mrtels fr die Pumpf higkeit aber auch f die Filtratwasser lir abgabe beim Verpressen im Boden eine entscheidende Rolle spielt, wird in neueren Unter suchungen auf die Auswahl des Mrtels entsprechend seines Wassergehalts in Abhngigkeit von den Einpressbedingungen ( Bodenzusammensetzung, Pumpgeschwindigkeit, . . . ) hinge wiesen ( Katzenbach et al. [7 1 ], Iagolnitzer [72]). Zur berprfung des Erfolgs einer Compaction-Grouting-Manahme sind Verformungsmessungen auch baubegleitend zur Steuerung des Bauablaufs, - Sondierungen zur Bestimmung der Lagerungsdichten vor und nach der Baumanahme, - Belastungsversuche vor und nach Durchfhrung der Manahme als sinnvolle Kontrollmechanismen geeignet. Bei Nieholsan et al. [73] werden die Mglichkeiten der Nachrechnung von Kontrol lmes sungen mit der FE-Methode beschrieben und die Mglichkeiten der rechnerischen Model Iierung zur Vorhersage der Verformungsablufe aufgezeigt. Ausfhrungsbeispiele und Erluterungen zum technischen Konzept sowie der Vorgehens weise sind fr die flchenhafte Verbesserung und Reduzierung der Verflssigungsgefahr des Baugrundes fr ein Grokraftwerk bei Wegner [74] , fr Unterfangungen bei bestehenden A ltbauwerken bei Byte [75], Rckstellung von Verformungen aus beeinflussenden Bau aktivitten (Tunnelbau) bei Moseley /Kirsch [52] dokumentiert, wobei diese Verbesserungs manahmen in reinen Tonbden bis zu Sanden erfolgreich waren. In allen beschriebenen Ausfhrungsbeispielen wird auf vorausgehende intensive geotechnische Untersuchungen und Beurteilungen zur erfolgreichen Anwendung des Verfahrens hingewiesen. 2 . 1 .4GrundwasserbeeinflussungIn den vorhergehenden Zusammenstellungen wurde eine B augrundverbesserung durch statische Einwirkungen von auen, ggf. unter Anwendung weiterer Manahmen zur Be schleunigung des Verbesserungsvorgangs beschrieben. Die gezielte Grundwasserabsenkung 133. 1 132.2 Baugrundverbesserungbietet die Mglichkeit, eine Baugrundverbesserung auch ohne zustzliche Manahmen zu erzielen. Durch die gezielte Absenkung des Grundwasserspiegels verndern sich im durch die Grund wasserabsenkung betroffenen B odenkrper die Gewichts- und Druckverhltnisse sowohl i n den entwsserten a l s auch i n den darunter liegenden Bodenschichten. D i e Auswirkungen der Grundwasserabsenkung auf die Vernderung der effektiven Spannungen im Boden sind bei Herth /Arndts [76] fiir unterschiedlichste Baugrundaufbauten und Durchlssigkeitsverhlt nisse zusammengestellt und beschrieben. Die Vernderung der Druck- und Gewichtsverhltnisse durch Grundwasserabsenkung i n grobkrniger, gut durchlssiger Bodenart fuhrt je Meter Absenkung zu einer Erhhung der Bodenspannung von etwa 1 0 kN/m2 Diese Zusatzspannung bewirkt dann eine Verdichtung des Bodenkrpers, wobei zu beachten ist, dass bei schwankendem Grundwasserstand Ver formungen nur fr Absenkungen unter dem niedrigsten vorkommenden Grundwasserstand wirksam werden. Aufgrund dieser Rahmenbedingung ist die alleinige Anwendung von Grundwasserabsenkung zur Bodenverbesserung nur sehr beschrnkt wirksam und effektiv einsetzbar. In gemischt- bis feinkrnigem, schwach durchlssigem Boden kann die Grund wasserabsenkung in Kombination mit anderen Methoden (Vorbelastung, Vertikaldrns, . . . ) aber erfolgreich zur Beschleunigung und Untersttzung der Baugrundverbesserungsma nahme eingesetzt werden. Als Methode zur Untersttzung der Entwsserung (Konsolida tionsbeschleunigung) ist in gemischt- und feinkrnigem Boden die Entwsserung durch Unterdruck oder durch E lektroosmose anwendbar. Die Beschreibung dieser Verfahren ist dem Kapitel 2 . 1 0 "Grundwasserstrmung-Grundwasserhaltung" zu entnehmen, wo ebenfalls der theoretische H intergrund und ctie Dimensionierung der Verfahren wiedergegeben sind. Eine weitere Vorbelastung kann auch durch Anlegen eines Vakuums erzeugt werden, und macht dann weitere Vorbelastungen nicht mehr erforderlich. Bei der Vakuum-Methode wird ein Unterdruck in den Drnageelementen erzeugt, was aber das Vorhandensein eines quasi luftdichten Verschlusses der Drnageelemente gegen die Atmosphre erfordert. Einige Ausfiihrungsbeispiele sowie Details zu Auslegung sind bei Schiff et al. [77] und Punma er lainen et al. [78] beschrieben. Gerade diese Methode kann von grerem Interesse bei Konsolidierungsaufgaben unter Wasser sein, da bei Anlegen eines Vakuums diese Wasser auflast als tatschliche konsolidierende Spannung wirksam wird. Der wirksame Aufbau des Vakuums wird dabei wesentlich von der erfolgreichen Abdichtung der Gelndeoberflche und von Bschungsbereichen bestimmt (Bild 6). Sowohl Choa [79] alseventuell erforderliche weitere Auffllung . .. honzontale Drans i'DrnschichtRandgrab nmosphrischer D rVertikaldrnsu./+ + + + + +c Q /erste Auffllung als Arbeitsplanung PV -Folie PumpSt ation-=TBild 6. Prinzip der Vakuumkonsolidierung (nach [77]) 134. 1 14Wolfgang Sondermann und Klaus Kirsch(a)25 mE0 C')--------------------- 0Sandabdeckung(b)HDPE-Membran(c)Zeit [d]0 1 00 200 g'_ 300. Ql (J)""' 2 ro 'E a.. c: QJ .>/2) eine maximale vertikale Sulenspannung von 0'0 = KP (y z + 2 Cu) zu, dabei ist q> der Winkel der inneren Reibung des Sulenmaterials (Bild 32) [28] . Obwohl dieser Ansatz die Tragf higkeit der Sule deutlich unterschtzt, zeigt er doch sehr anschaulich die Bedeutung der Interaktion zwischen Sule und Boden sowie das grundstzlich andere Tragverhalten einer Schotter sule im Vergleich zu wesentlich steiferen vertikalen Tragelementen wie beispielsweise Pf hlen. Hufig wird als Mindestwert der Scherfestigkeit des zu verbessernden Bodens ein Cu-Wert von 1 5 kN/m2 angegeben [ 1 , 1 3] , wobei jedoch die positiven Wirkungen des rumlichen Verhaltens und der gegenseitigen Beeinflussung benachbarter Sulen, der Dilatation des Sulenmaterials [29] sowie vor allem die durch die Drnwirkung der Schottersule rasch eintretende Erhhung der Scherfestigkeit des Bodens vernachlssigt wurden. Neue Arbeiten, verffentlicht bei Moseley!Kirsch [52] , zeigen, dass auch bei Cu-Werten > 5 kN/m2 das Rttelstopfverfahren erfolgreich eingesetzt wurde. So sind denn auch Grndungen nach dem Rttelstopfverdichtungsverfahren bereits in wesentlich weicheren Bden (bis zu Cu Werten > 4 kN/m2) mit gutem Erfolg durchgefhrt worden [2 1 ] . Zum besseren Verstndnis der Interaktion zwischen Sule und Boden und auch der gegenseitigen Beeinflussung der Sulen sind bereits vielfach Modellversuche durchgefhrt worden. Dabei wird einerseits der Versagensmechanismus und andererseits die Gruppenwirkung qualitativ veranschaulicht (Bild 33) [ 1 7, 1 8] . Bei vertikaler Belastung versagen Schottersulen entweder infolge mangelnder seitlicher Sttzung im oberen Drittel (Ausbauchen), durch Abscheren des Sulenmaterials oder durchBild 32. Abschtzung der Sulentragkraft aus SttzkraftwirkungenBild 33. Versagensmechanismus von Rttelstopfsulen bei Gruppen wirkung (nach [ 1 8] ) 166. 1 46Wolfgang Sondermann und Klaus KirschBild 34. Versagensmechanismen von Rttelstopfsulen bei vertikaler Belastung (nach [28])Versinken bei "schwimmenden" Grndungen (Bild 34). ln allen Fllen gehen dem Versagen jedoch so groe Verfonnungen voraus, dass sie fr den Gebrauchszustand nicht mehr zulssig sind. Von wesentlich grerer Bedeutung als die Untersuchung der Grenzlast von Schottersulen sind daher die Bemessungsanstze fr die Verf01mungen derartiger Grn dungen. Einen guten berblick ber die Vielzahl der verschiedenen Berechnungsvorschlge geben die Verffentlichungen von Soyez [30] und Bergado [3 1 ], wobei zwischen der fr die Praxis eher uninteressanten Bemessung der Einzelsule und der Berechnung von Sulen rastern unterschieden wird. Whrend sich in Europa das Berechnungsverfahren von Priebe [32] durchgesetzt hat (Bild 35), verwendet man i n den USA hufiger das allerdings nur mit grerem Aufwand handhabbare, iterative Verfahren von Goughnor/Bayuk [33]. Unter suchungen nach [ 1 5 6] zeigen, dass der innere Reibungswinkel des Stopfmaterials Werte zwischen mindestens 45 und 55 annimmt. Viele der Bemessungsanstze beruhen auf empirischen oder halbempirischen Anstzen oder basieren auf vereinfachenden Annahmen, die der Komplexitt des Verformungsverhaltens nicht gerecht werden. So existiert gegenwrtig kein befriedigender Bemessungsansatz, der alle am Lastabtrag beteiligten Mechanismen ausreichend bercksichtigt und dennoch die fr die praktische Anwendung erforderliche Einfachheit aufweist. Zur Dimensionierung einer greren Baugrundverbesserungsmanahme ist es daher empfehlenswert, Probesulen her zustellen und die erzielbaren Sulendurchmesser sowie die Ergebnisse von Probebelastun gen zur Entscheidungstindung mit heranzuziehen [34] .0Cii(llCl c2Q) (/) (/) Q)-e7 6 5 4q>8= 45.0 ---r8= 42.5-,..2 21 /3 40 . 0 37.5 E--i_l=I35.0I ..,.._ II:::00,21 ,0 0,4 0,6 0,8 Austauschverhltnis (A5/A) as =Bild 37. Verbesserungswerte bei Sand-Verdichtungspfhlen (nach [ 1 48]) 170. 1 50Wolfgang Sondermann und Klaus Kirschmit einem verlorenen Schuh versehenes, also geschlossenes Rohr noch niedergebracht werden kann. Die Grenze liegt etwa bei einem Rohrdurchmesser von 0,8 m. Bei greren Durchmessern wird das Ersatzverfahren gewhlt, d. h. das Rohr wird offen in den Boden getrieben und anschlieend fr die Sandverfllung ausgebohrt. Da hierbei die Bodenver drngung und damit die anf ngliche Sttzung der Sulen durch den Boden geringer aus fallen, ist bei Belastung mit greren Setzungen zu rechnen. Um - insbesondere im Falle des Bodenersatzes - die Setzungen zu mindern, wird neuerdings die Sandsule mit einem Geokunststoffschlauch ummantelt, der vor der Sandverfllung in das Rohr eingelegt wird [ 1 37]. Neben einer eingeschrnkten Verdichtung, weil "Pilger schritte" nur begrenzt mglich sind, liegt ein weiteres Problem der Ummantelung im nicht konvergent verlaufenden Spannungs-Dehnungsverhalten von Boden und Geokunststoff. Einerseits kann im Boden eine erhebliche VerfornlUng erforderlich sein, um eine nennens werte seitliche Sttzung der Sule zu gewhrleisten, und andererseits werden bei eher geringer Dehnung die zulssigen Ringzugkrfte der Ummantelung ausgeschpft. Als Kom promiss erhlt der Schlauch deshalb einen greren Ausgangsdurchmesser als ihn die Verrohrung aufweist. Die Bemessung geokunststoffummantelter Sandsulen ist verhltnismig komplex. In [ 1 38] werden sowohl numerische als auch analytische Verfahren beschrieben. Bei Letzteren handelt es sieb um von Rttelstopfverdichtung her bekannte Verfahren, in die die Sttzung durch die Ummantelung eingearbeitet wurde.3.2.4Mechanisches E inbringen aushrtender StoffeIn vorhergehenden Abschnitten wurden Verfahren der Baugrundverbesserung behandelt, bei denen Bindemittel oder Bindemittelgemische in verschiedener Art und Weise in den Boden eingebracht werden. Mit dem Abbinden des Materials entstehen aussteifende Grndungs elemente mit mehr oder weniger gut definierbaren Festigkeiten. Werden die Bindemittel in trockener Form in bindige Bden eingebracht und entfalten dort ihre hygroskopische Wirkung, fhrt das - auch in nur erdfeuchten Bden - nicht nur zur vlligen Durchfeuchtung und dem damit verbundenen Abbinden des eingebrachten Materials, sondern der Wasser entzug aus dem Boden beschleunigt dessen Konsolidation und bewirkt dam eine zustz liche Bodenverfestigung, die allerdings quantitativ schwer abzuschtzen ist. Der Wasser entzug beruht sowohl auf der chemischen Reaktion als auch auf Adsorption an den blicher weise sehr fein gemahlenen B indemitteln. Durch chemische Reaktionen im Zuge eines Ionenaustausches kann noch eine weitere Verfestigung des unmitt