Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau, 2. Auflage

Georg Maybaum | Petra Mieth | Wolfgang Oltmanns | Rainer Vahland Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezial...

Author: Georg Maybaum. Petra Mieth | Wolfgang Ottmanns | Rainer Vahland

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Georg Maybaum | Petra Mieth | Wolfgang Oltmanns | Rainer Vahland Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau

Georg Maybaum | Petra Mieth Wolfgang Oltmanns | Rainer Vahland

Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grundund Spezialtiefbau Baugrund – Baugruben – Baugrundverbesserung – Pfahlgründungen – Grundwasserhaltung 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 220 Abbildungen und 180 Tabellen PRAXIS

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

1. Auflage 2008 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Dipl.-Ing. Ralf Harms | Sabine Koch Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1614-6

Vorwort Das Kompendium Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau ist eine Zusammenfassung und Aktualisierung der von den Professoren Dipl.-Ing. K. Simons und Dr.-Ing. W. Schnell initiierten Reihe Verfahrenstechnik der Grundwasserhaltung, Verfahrenstechnik der Baugrundverbesserungen, Verfahrenstechnik zur Sicherung von Baugruben und Verfahrenstechnik der Pfahlgründungen. In Anbetracht der zunehmenden ökonomischen und ökologischen Bedeutung des Bauens mit und des Bauens im Boden bedurfte es zur Berücksichtigung neuer technischer Entwicklungen und geänderter monetärer Randbedingungen einer Neugestaltung der bisherigen Reihe. Das neue Kompendium soll unter Berücksichtigung zwischenzeitlicher technischer und normativer Entwicklungen sowie aktueller wirtschaftlicher und betrieblicher Bedingungen das Wissen kompakt und zusammenhängend vermitteln. Bei der jetzt vorgelegten zweiten Auflage wurden die geotechnischen, planerischen und bauwirtschaftlichen Grundlagen ergänzt und insbesondere die normativen Bezüge aktualisiert. Diese Grundlagen gelten längerfristig und sollten bei konkreten Projekten unter Beachtung geltender rechtlicher Rahmenbedingungen ingenieurtechnisch angemessen angewandt werden. Die exemplarischen bauwirtschaftlichen Berechnungen erfolgten anhand aktueller veränderlicher und projektspezifisch variabler Erfahrungswerte. Unbeschadet der Methodik müssen die genannten Kosten deshalb konkret und zeitnah zur Realisierung ermittelt werden. Die Autoren strebten auf der Grundlage ihrer langjährigen Arbeit in Forschung und Lehre sowie ihrer beruflichen Erfahrungen gut verständliche, fundierte und praxisrelevante Darstellungen an. Das Kompendium soll insbesondere Studierenden eine Hilfe zum Verständnis technisch-wirtschaftlicher Zusammenhänge und Berufstätigen eine Orientierung für optimale Lösungen sein. Für diesbezügliche Anregungen danken die Autoren mit Blick auf weitere planmäßige Neuauflagen. Dank sagen möchten wir Herrn Harms vom Vieweg + Teubner Verlag für seine ausgeprägte Geduld mit den Autoren, sein Lektorat, die professionelle Aufarbeitung des Bildmaterials sowie seine konzeptionellen und verlegerischen Anregungen. Hildesheim / Mainz / Braunschweig / Holzminden, im Mai 2011

Autorenvitae Prof. Dr.-Ing. Georg Maybaum HAWK, Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst in Holzminden ö.b.u.v. Sachverständiger für Baugrunduntersuchungen, Erd- und Grundbau, Hildesheim Studium des Bauingenieurwesens (konstruktiver Ingenieurbau) an den Universitäten Darmstadt und Dortmund mit Abschluss Dipl.-Bauingenieur, 19891990 Aufbaustudium der Wirtschaftswissenschaften an der FH Dortmund, 19901995 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Grundbau und Bodenmechanik von Professor Dr. Walter Rodatz an der Technischen Universität Braunschweig, 1996 Promotion zum Thema Erddruckentwicklung auf eine in Schlitzwandbauweise hergestellte Kaimauer, 19942009 Geschäftsführender Gesellschafter der Prof. Dr.-Ing. Walter Rodatz und Partner GmbH, Beratende Ingenieure für Geotechnik, Braunschweig, www.rup-geotechnik.com, 2000 Ruf an die Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK), Standort Holzminden, Fachgebiet Grundbau- und Bodenmechanik, 20052007 Studiendekan, seit 2003 öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Baugrunderkundung, Erd- und Grundbau, Gutachterliche Tätigkeiten, Vorbereitung von Tagungen, Internationalen summer schools, zahlreiche Vorträge und wissenschaftliche Publikationen, Mitgliedschaften u. a. in der Ingenieurkammer Niedersachsen, der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik, im Arbeitskreis Theorie und Lehre der Denkmalpflege e.V., seit 2010 im Vorstand von Netzwerk Lehm e. V. Prof. Dr.-Ing. Petra Mieth Fachhochschule Mainz Vahland, Franz und Partner GbR, Holzminden Studium des Bauingenieurwesens an der Leibniz Universität Hannover mit Abschluss zur Dipl.-Ingenieurin Vertiefungsrichtung Geotechnik. Ab 1995 Bauleiterin im Spezialtiefbau und konstruktiven Ingenieurwasserbau bei der F+Z Baugesellschaft mbH und der Bilfinger Berger AG. 1998 Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Baubetrieb und Baubetriebswirtschaft der Leibniz Universität Hannover. Ab 2004 selbständige Tätigkeit und Tätigkeiten in Kooperationen, u. a. als Sachverständige für baubetriebliche, baubetriebswirtschaftliche und bauvertragliche Fragestellungen, Personalentwicklerin und Trainerin für Auftraggeber und Auftragnehmer. 2007 Promotion zum Thema: Weiterbildung des Personals als Erfolgsfaktor der strategischen Unternehmensplanung in Bauunternehmen Ein praxisnahes Konzept zur Qualifizierung von Unternehmensbauleitern. 2008 Zusatzausbildung zur Mediatorin: seitdem auch Moderatorin und Mediatorin in Planen und Bauen, 2009 Ruf an die FH Mainz, Fachgebiet Bauwirtschaft und Baubetrieb. Mitgliedschaften u. a. im Deutschen Ingenieurinnenbund e. V., in der Ingenieurkammer Niedersachsen, im Bundesverband Mediation e. V. Fachgruppe Planen und Bauen, Mitbegründerin des regionalen Netzwerkes INQA-Bauen Niedersachsen und des Arbeitskreises Konfliktmanagement in der Bauwirtschaft/Niedersachsen

VIII

Autorenvitae

Dipl.-Ing. Wolfgang Oltmanns Prof. Dr.-Ing. Walter Rodatz und Partner GmbH, Braunschweig Studium an der TU Braunschweig mit Abschluss Dipl.-Bauingenieur, Vertiefungsfächer: Grundbau, Wasserbau und Massivbau, 19881989 Dipl.-Ingenieur im Ing.-Büro Schlegel Dr.-Ing. Spiekermann, Düsseldorf in der Abteilung Wasserbau und Umwelttechnik, 1989 1994 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Seit 1995 Geschäftsführender Gesellschafter der Prof. Dr.-Ing. Walter Rodatz und Partner GmbH, Beratende Ingenieure für Geotechnik, Braunschweig, Mitglied der Ing.Kammer Niedersachsen, Beratender Ingenieur und eingetragen in die Liste der Entwurfsverfasser; Mitglied der DGGT u. a. Vorsitz im AK 2.8 Merkblatt für die Herstellung, Bemessung und Qualitätssicherung von Stabilisierungssäulen zur Untergrundverbesserung; Sicherheits- und Gesundheitschutzkoordinator, Koordinator bei Arbeiten auf kontaminierten Standorten und mit Asbest; Gutachter bei Baugrunderkundungen sowie Projektierungen und Dimensionierungen geotechnischer Bauwerke; Fachbauleitungen sowie baubegleitende Prüfungen, Messungen und Qualitätsmanagement bei Projekten des Deponie-, Erd- und Grundbaus sowie des Spezialtief- und des Wasserbaus. Prof. Dr.-Ing. Rainer Vahland HAWK, Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst in Holzminden Vahland, Franz und Partner GbR, Holzminden Studium des Bauingenieurwesens an der Universität Hannover mit Abschluss zum DiplomIngenieur. 19811986 wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Prof. Dr. Wolfram Keil im Fachgebiet Baubetriebswirtschaft an der GH Kassel. 1986 Promotion zum Thema Entwicklung eines Informationssystems zur Planung und Lenkung von Geräteinvestitionen. 19861991 Bauleiter, Oberbauleiter und technischer Leiter in einem mittelständischen Spezialtiefbauunternehmen. 1991 Ruf an die heutige Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK), Standort Holzminden, Fachgebiet Baubetrieb und Bauwirtschaft. Seit 2007 Dekan der Fakultät Management, Soziale Arbeit, Bauen an der HAWK, Seit 1993 Tätigkeit als Sachverständiger. Seit 2001 von der Ingenieurkammer Niedersachsen öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Baubetrieb und Bauwirtschaft. Aktuell Mitinhaber des Sachverständigenbüros VFP Vahland, Franz und Partner GbR sowie der IFP Ingenieurgesellschaft für Projektmanagement im Bauwesen mbH..

Inhaltsverzeichnis 1

Einführung.................................................................................................................... 1

2

Baubetriebliche und vertragsrechtliche Grundlagen .................................... 3 2.1 Phasen während der Bauwerksentstehung ............................................................... 3 2.2 Begriffe..................................................................................................................... 4 2.2.1 Bauaufgabe, Bauleistung und Prozess .......................................................... 4 2.2.2 Bauverfahren, Verfahrenstechnik, Fertigungssystem ................................... 5 2.2.3 Weitere baubetriebliche Begriffe und Abkürzungen .................................... 7 2.3 Der Bauvertrag und die Leistungsbeschreibung ...................................................... 9 2.3.1 Das Zustandekommen eines Bauvertrages ................................................... 9 2.3.2 Die Verdingungsunterlagen ........................................................................ 10 2.3.3 Anforderungen an die Leistungsbeschreibung............................................ 12 2.3.4 Allgemeine Geschäftsbedingungen Spezialtiefbau (AGB-Spezialtiefbau) 13 2.3.5 Bestandteile der Leistungsbeschreibung..................................................... 14 2.4 Verfahrensplanung ................................................................................................. 14 2.4.1 Einleitung .................................................................................................... 14 2.4.2 Schritte der Verfahrensplanung .................................................................. 15

3

Geotechnische Grundlagen ................................................................................... 27 3.1 3.2 3.3 3.4

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

4

Allgemeines............................................................................................................ 27 Einteilung der Gesteine und Böden........................................................................ 27 Baugrunderkundung ............................................................................................... 29 Eigenschaften von Böden und ihre Bestimmung im Labor ................................... 38 3.4.1 Allgemeines ................................................................................................ 38 3.4.2 Kornverteilung, Durchlässigkeit und Filtereigenschaften .......................... 38 3.4.3 Frostempfindlichkeit ................................................................................... 40 3.4.4 Bodenphysikalische Kennwerte.................................................................. 41 3.4.5 Dichte und Wichte des Bodens ................................................................... 41 3.4.6 Lagerungsdichte .......................................................................................... 44 3.4.7 Konsistenzgrenzen ...................................................................................... 45 3.4.8 Proctorversuch ............................................................................................ 46 Wasser im Boden ................................................................................................... 47 Zusammendrückbarkeit .......................................................................................... 48 Plattendruckversuch ............................................................................................... 50 Scherfestigkeit ........................................................................................................ 50 Untersuchung benachbarter Anlagen ..................................................................... 53

Baugrubensicherung ............................................................................................... 55 4.1 Baugrubensicherung im Überblick......................................................................... 55 4.2 Technische Grundlagen.......................................................................................... 57

X

Inhaltsverzeichnis

4.3 4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

4.10

5

4.2.1 Erkundung von Boden- und Wasserverhältnissen ...................................... 57 4.2.2 Untersuchung benachbarter baulicher Anlagen .......................................... 59 Wahl einer geeigneten Verbauart ........................................................................... 59 Grundlagen der Berechnung................................................................................... 63 4.4.1 Allgemeines ................................................................................................ 63 4.4.2 Lasten .......................................................................................................... 63 4.4.3 Ansatz des Erddruckes ................................................................................ 63 4.4.4 Erforderliche Nachweise............................................................................. 67 Geböschte Baugruben ............................................................................................ 68 4.5.1 Das Bauverfahren im Überblick ................................................................. 68 4.5.2 Technische Grundlagen .............................................................................. 69 4.5.3 Das Bauverfahren........................................................................................ 71 4.5.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ............................................................. 79 Trägerbohlwand...................................................................................................... 81 4.6.1 Das Bauverfahren im Überblick ................................................................. 81 4.6.2 Technische Grundlagen .............................................................................. 82 4.6.3 Das Bauverfahren........................................................................................ 84 4.6.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ............................................................. 94 Spundwände ........................................................................................................... 94 4.7.1 Das Bauverfahren im Überblick ................................................................. 94 4.7.2 Technische Grundlagen .............................................................................. 96 4.7.3 Das Bauverfahren........................................................................................ 97 4.7.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 111 Bohrpfahlwände ................................................................................................... 114 4.8.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 114 4.8.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 116 4.8.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 117 4.8.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 130 Schlitzwände ........................................................................................................ 132 4.9.1 Die Bauverfahren im Überblick................................................................ 132 4.9.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 134 4.9.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 137 4.9.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 147 Düsenstrahlsohlen und -wände............................................................................. 148 4.10.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 148 4.10.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 150 4.10.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 152 4.10.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 163

Baugrundverbesserung ........................................................................................ 167 5.1 Grundlagen der Planung und Herstellung ............................................................ 167 5.1.1 Geotechnische Grundlagen ....................................................................... 168

Inhaltsverzeichnis

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

5.8

XI

5.1.2 Anwendungsbereiche und Abgrenzung zu anderen Bauverfahren ........... 171 5.1.3 Überblick über die Methoden der Baugrundverbesserung ....................... 174 Bodenaushub- und Bodenaustauschverfahren ..................................................... 181 5.2.1 Allgemeines .............................................................................................. 181 5.2.2 Bodenmechanische Grundlagen................................................................ 182 5.2.3 Anwendungsbereiche ................................................................................ 183 5.2.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte............................................. 184 5.2.5 Verfahrensbeschreibung............................................................................ 184 Oberflächenverdichtung ....................................................................................... 189 5.3.1 Allgemeines .............................................................................................. 189 5.3.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 190 5.3.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 190 5.3.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 198 Tiefenrüttelverfahren............................................................................................ 200 5.4.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 200 5.4.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 202 5.4.3 Anwendungsbereiche ................................................................................ 203 5.4.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte............................................. 204 5.4.5 Das Bauverfahren...................................................................................... 205 5.4.6 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 212 Rüttelstopfverdichtung ......................................................................................... 213 5.5.1 Allgemeines .............................................................................................. 213 5.5.2 Bodenmechanische Grundlagen................................................................ 213 5.5.3 Anwendungsbereiche ................................................................................ 214 5.5.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte............................................. 215 5.5.5 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 216 5.5.6 Das Bauverfahren...................................................................................... 219 5.5.7 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 223 Dynamische Intensivverdichtung ......................................................................... 224 5.6.1 Allgemeines .............................................................................................. 224 5.6.2 Bodenmechanische Grundlagen................................................................ 224 5.6.3 Anwendungsbereiche ................................................................................ 226 5.6.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte............................................. 227 5.6.5 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 227 5.6.6 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 233 Oberflächenverfestigung mit Bindemitteln .......................................................... 234 5.7.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 234 5.7.2 Bodemechanische Grundlagen.................................................................. 235 5.7.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 235 5.7.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 244 Verfestigung durch Injektionen............................................................................ 244 5.8.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 244 5.8.2 Bodenmechanische Grundlagen................................................................ 245

XII

Inhaltsverzeichnis

5.8.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 245 5.8.4 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 255

6

Pfahlgründungen .................................................................................................... 259 6.1 Grundlagen der Planung und Herstellung ............................................................ 259 6.1.1 Allgemeines .............................................................................................. 259 6.1.2 Voruntersuchungen ................................................................................... 261 6.1.3 Wahl einer geeigneten Pfahlart ................................................................. 264 6.1.4 Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle................................................ 268 6.1.5 Tragfähigkeit von Pfählen......................................................................... 269 6.2 Fertigrammpfähle ................................................................................................. 274 6.2.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 274 6.2.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 275 6.2.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 278 6.3 Bohrpfähle ............................................................................................................ 293 6.3.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 293 6.3.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 293 6.3.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 298 6.4 Vollverdrängungsbohrpfähle................................................................................ 315 6.4.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 315 6.4.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 315 6.4.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 316 6.5 Teilverdrängungsbohrpfähle ................................................................................ 322 6.5.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 322 6.5.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 322 6.5.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 323 6.6 Ortbetonrammpfähle ............................................................................................ 329 6.6.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 329 6.6.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 329 6.6.3 Das Bauverfahren...................................................................................... 329 6.7 Prüfung von Pfählen............................................................................................. 336 6.7.1 Allgemeines .............................................................................................. 336 6.7.2 Statische Probebelastungen....................................................................... 336 6.7.3 Dynamische Pfahlprüfungen..................................................................... 339

7

Grundwasserhaltungen ........................................................................................ 343 7.1 Grundlagen der Planung und Ausführung............................................................ 343 7.1.1 Einführung ................................................................................................ 343 7.1.2 Erkundung der Boden- und Grundwasserverhältnisse.............................. 344 7.1.3 Verfahren der Wasserhaltung und Wasserabsperrung .............................. 348 7.1.4 Planung der Wasserhaltung....................................................................... 350 7.1.5 Projektierung und Überwachung der Wasserhaltung ............................... 352 7.1.6 Technische Begriffe und Abkürzungen .................................................... 353

Inhaltsverzeichnis

XIII

7.2 Offene Wasserhaltung .......................................................................................... 356 7.2.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 356 7.2.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 356 7.2.3 Nachweis und Dimensionierung ............................................................... 358 7.2.4 Das Bauverfahren...................................................................................... 359 7.2.5 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 367 7.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Schwerkraftentwässerung ....................... 368 7.3.1 Anwendungsbereiche ................................................................................ 368 7.3.2 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 369 7.3.3 Technische Grundlagen ............................................................................ 370 7.3.4 Nachweis und Dimensionierung ............................................................... 372 7.3.5 Das Bauverfahren...................................................................................... 380 7.3.6 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 385 7.4 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Vakuumentwässerung ............................. 386 7.4.1 Das Bauverfahren im Überblick ............................................................... 386 7.4.2 Technische Grundlagen ............................................................................ 387 7.4.3 Nachweis und Dimensionierung ............................................................... 389 7.4.4 Das Bauverfahren...................................................................................... 392 7.4.5 Der Personalbedarf.................................................................................... 397 7.4.6 Qualitätssicherung und Kennwerte ........................................................... 399 7.5 Grundwasserabsperrung ....................................................................................... 399 7.6 Grundwassermanagement und Qualitätssicherung .............................................. 402 7.6.1 Grundwassermanagement ......................................................................... 402 7.6.2 Bauvorbereitende und baubegleitende Maßnahmen zur Qualitätssicherung ................................................................................................... 404 7.6.3 Leckageortung........................................................................................... 407

8

Beispiel: Berechnung und Kalkulation einer innerstädtischen Baugrube ................................................................................................................... 411 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Situationsbeschreibung......................................................................................... 411 Ergebnisse der Tragwerksplanung ....................................................................... 414 Leistungsverzeichnis ............................................................................................ 415 Mengenermittlung zum Leistungsverzeichnis...................................................... 417 Kalkulation mit vorbestimmten Zuschlägen ........................................................ 418 8.5.1 Festlegung der Grundlagen ....................................................................... 418 8.5.2 Einzelkosten der Teilleistung.................................................................... 418 8.6 Einheitspreisbildung und Angebot ....................................................................... 441 8.7 Bauablaufplanung................................................................................................. 444 8.8 Darstellung des Bauablaufplanes ......................................................................... 448

Sachwortverzeichnis ...................................................................................................... 451

1 Einführung

1.1 Hinweise zum Aufbau Das Buch beginnt mit den Baubetrieblichen und vertragsrechtlichen Grundlagen mit Hinweisen zu Bauphasen, Bauverfahren, Leistungsbeschreibungen und Bauverträgen. In den Geotechnischen Grundlagen werden die wesentlichen bodenmechanischen Versuche, wie sie im Labor oder in situ auszuführen sind, vorgestellt und hinsichtlich ihrer Auswertung und Bedeutung für die Baupraxis erläutert. Die nachfolgenden vier Kapitel Baugrubensicherungen, Baugrundverbesserungen, Pfahlgründungen und Grundwasserhaltung umfassen alle wesentlichen Aufgaben des Grundbaus. Sie sind durchgängig und gleichartig strukturiert: Einem Überblick folgen jeweils die technischen Grundlagen, die durch die verfahrenstechnischen Details einschließlich ihrer baubetrieblichen und bauwirtschaftlichen Bedeutung abgerundet und ergänzt werden. Um dem Leser zu ermöglichen, selektiv Kenntnisse zu vertiefen, sind die einzelnen Verfahren so vollständig wie möglich beschrieben und Querverweise nur begrenzt zur Anwendung gekommen. Auf die Erläuterung erdstatischer Berechnungen wurde konsequent verzichtet. Dies begründet sich einerseits aus der zunehmenden Verwissenschaftlichung der Normung, welche die Nutzung diesbezüglicher Literatur, die in dem erwünschten Maße inzwischen auch für die Geotechnik verfügbar ist, erforderlich macht. Andererseits würde die Aktualität angesichts möglicher Modifikationen von Teilsicherheitsbeiwerten, Streu- und Formfaktoren u. a. m. nicht in der gewünschten Dauer gegeben sein. Der Stoff wird durch zahlreiche Tabellen und Bilder ergänzt. Die Literaturhinweise wurden, zur Gewährleistung zügigen Zugriffs, am Ende jeden Kapitels aufgenommen. Das Buch wird abgeschlossen mit einem Berechnungsbeispiel, welches die in den vorangegangenen Kapiteln vorgestellten Methodiken und kalkulatorischen Ansätze anhand der Betrachtung einer innerstädtischen Baugrube verdeutlicht und konkretisiert.

G. Maybaum et al., Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau, DOI 10.1007/978-3-8348-8269-1_1, © Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

2

Baubetriebliche und vertragsrechtliche Grundlagen

2.1 Phasen während der Bauwerksentstehung Ein Bauvorhaben durchläuft von der Idee des Bauherrn bis zur Abnahme des Bauwerks folgende Phasen (Bild 2.1):

Projektentwicklung

Phase 1

Planung, Konstruktion, und Genehmigung

Phase 2

Bauvorbereitung

Phase 3

Bauausführung

Abnahme des Bauwerkes

Bild 2.1

Phasen des Bauablaufes

In diesem Buch werden Informationen zusammengestellt, die der Planer in der Phase 1 benötigt, um in Abhängigkeit vom Grundwasserstand, vom Bauwerk, der Gründung, der Bauwerksumgebung und der Bodenart ein geeignetes Verfahren zu wählen und zu dimensionieren. Zusätzlich sollen für die Phase 2 Empfehlungen zur Leistungsbeschreibung gegeben werden, um die gestellten Forderungen nach einer eindeutigen und erschöpfenden Leistungsbeschreibung (VOB/A § 7 Nr. 1) zu erfüllen. Für die Aufgaben der bauausführenden Betriebe innerhalb der Phase 2 (Angebotserstellung) und der Phase 3 (Bauausführung) werden Informationen zum Bauverfahren, zur Geräteauswahl und zur Leistungs- und Kostenberechnung zusammengestellt. G. Maybaum et al., Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau, DOI 10.1007/978-3-8348-8269-1_2, © Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

4

2 Baubetriebliche und vertragsrechtliche Grundlagen

2.2 Begriffe 2.2.1 Bauaufgabe, Bauleistung und Prozess Bauaufgabe Der Planer muss ausgehend von der Idee des Bauherrn unter Beachtung soziologischer, bautechnischer, gestalterischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Gesichtspunkte ein Bauwerk konzipieren. Auf Grundlage dieser Planung müssen die ausführenden Unternehmer das Bauwerk erstellen. Die gesamte Planung und Umsetzung wird als Bauaufgabe bezeichnet. Die Bauaufgabe wird zur Optimierung und für die konstruktive Bearbeitung in ablauforientierte Gesichtspunkte (z. B. Baugrube, Gründung, Keller) bzw. bauteilorientierte Gesichtspunkte (z. B. Baugrube, Wände, Decken, Dach) untergegliedert. Das Auffinden der endgültigen Lösung sowie die Erstellung der einzelnen Bauwerksteile werden in Teilaufgaben unterteilt. Bauleistung Nachdem die Bauwerksteile und Materialien nach Art und Umfang festgelegt wurden, wird das Bauwerk (die Bauleistung) durch eine Leistungsbeschreibung in Form eines Leistungsverzeichnisses oder eines Leistungsprogramms beschrieben. Auf dieser Grundlage ermitteln die bauausführenden Betriebe einen Preis. Die Leistungsbeschreibung mit dem dazugehörigen Preis ist ein wesentlicher Bestandteil des Bauvertrages zwischen dem Auftraggeber (Bauherr) und dem Auftragnehmer (Baubetrieb). Teilaufgaben der Bauleistung werden Teilleistungen genannt. Prozesse Der bauausführende Betrieb muss zur Verwirklichung der Bauleistung mehrere Fertigungsprozesse durchlaufen. Die Prozesse lassen sich in mittelbar und unmittelbar zur Herstellung eines Bauwerks dienende Prozesse unterteilen: • Hauptprozesse dienen unmittelbar der Durchführung einer Teilaufgabe (z. B. Herstellen und Einbauen von Beton, Bodenverdichtung, Rammen der Spundwand) • Nebenprozesse dienen mittelbar der Durchführung einer Teilaufgabe (z. B. Schalen) • Hilfsprozesse sind Voraussetzung für die Durchführung der Haupt- und Nebenprozesse (z. B. Transport, Lagerung, Schutzmaßnahmen) Bauprozesse sind durch ihre instationäre Anwendung gekennzeichnet und im Ablauf nicht vollständig vorhersehbar. Im Erd- und Tiefbau wird dies besonders durch ungenaue Kenntnisse der Bodeneigenschaften deutlich (siehe Tabelle 2.1).

2.2 Begriffe

Tabelle 2.1

5

Typische Prozesse des Erd- und Tiefbaus [1]

Erdbau Lösen Laden Transportieren Verteilen Einebnen Verdichten

Schürfen Schneiden Hacken Reißen Fräsen Greifen

Ausheben Aussteifen Rückverankern Abböschen Injizieren Umschließen Sichern

Graben Rammen Bohren Schlitzen Vortreiben Abteufen Absenken

Entwässern Verfestigen Sichern Entnehmen Deponieren Spülen Tiefbau Pumpen Entwässern Druckluft erzeugen Kälte erzeugen Fördern Heben Umsetzen Entstauben

2.2.2 Bauverfahren, Verfahrenstechnik, Fertigungssystem Bauverfahren Das Bauverfahren beschreibt die Methode bzw. die Art und Weise, wie ein Bauprozess durchgeführt wird. Ein Bauverfahren kennzeichnet den zeitlichen Ablauf sowie die kapazitative und räumliche Kombination von Produktionsfaktoren. Diese Faktoren sind aus betriebswirtschaftlicher Sicht in Werkstoffe, Betriebsmittel, Personalbedarf und leitende Arbeit gegliedert: • Werkstoffe: Baustoffe, einschließlich Boden, Grundwasser, Bauhilfsstoffe, Betriebs- und Schmierstoffe • Betriebsmittel/Geräte:

Werkzeuge für das gewerbliche Personal bzw. (Bau-) Maschinen und Geräte

• Personalbedarf:

Tätigkeit und Anzahl des gewerblichen Personals (AK)

• Leitende Arbeit:

Tätigkeit und Anzahl der Aufsicht (Polier) und der Baustellenleitung (Bauleiter)

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Verfahrenstechnik Die Verfahrenstechnik stellt eine Methode dar, ein Bauverfahren zur Lösung eines bautechnischen Problems zu finden. Ursprünglich kommt dieser Begriff aus dem Bereich der Chemie, wo ein im Labor entwickeltes Verfahren in den technischen Großbetrieb umgesetzt wird. Bei der Verfahrenstechnik wird in folgenden Schritten vorgegangen: • Zerlegen eines Vorganges in Prozesse • Untersuchen der Mechanik jedes einzelnen Prozesses • Bestimmen der maschinellen Elemente, die diesen Vorgang übernehmen können • Entwickeln bzw. Auswählen der dazugehörigen Anlage Bei der Übertragung dieser Methode auf Aufgaben des Erd- und Tiefbaus ergibt sich folgende Vorgehensweise: • Zerlegen der Teilaufgaben bzw. der Teilleistungen in notwendige Prozesse ggf. in Teilprozesse • Analyse der Prozesse hinsichtlich ihrer möglichen zeitlichen, kapazitativen und räumlichen Ausprägung • Auswahl von möglichen Arbeitsgruppen, Geräten und/oder Maschinen auf der Grundlage der ersten beiden Punkte • Festlegung der Arbeitsgruppen, Geräte und/oder Maschinen unter den Gesichtspunkten der quantitativen, qualitativen und zeitlichen Vertragserfüllung, Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit und sonstiger Kriterien Fertigungssystem Wenn ein Bauverfahren zur Verwirklichung einer Teilaufgabe gefunden wurde, wird dieses Verfahren konkret für die Anwendung auf der Baustelle ausgelegt. Dies bedeutet, dass jeder Betriebspunkt, in dem sich die verschiedenen Fertigungsprozesse vollziehen, sowie das Teilsystem Transport zwischen den einzelnen Betriebspunkten konkret ausgebildet und hinsichtlich seiner Ausstattung komplettiert wird.

2.2 Begriffe

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2.2.3 Weitere baubetriebliche Begriffe und Abkürzungen AG/AN

Abkürzungen für die in der VOB verwendeten Begriffe des Auftraggebers bzw. des Auftragnehmers Allgemeine Geschäftskosten sind Kosten für die Vorhaltung der Leistungsbereitschaft eines Unternehmens (z. B. Kosten der kaufmännischen und technischen Abteilungen, Gebäudekosten etc.). Diese Kosten fließen als umsatzbezogene Zuschläge in die Preisbildung ein Aufwandswert siehe Lohnaufwandswert Auslastung(-sgrad) eines Gerätes beschreibt die Relation, in der ein Gerät innerhalb der Einsatzzeit unter Last läuft oder sich im Stillstand befindet. Der Auslastungsgrad ist Grundlage der Energiekostenermittlung als Bestandteil der Betriebskosten eines Gerätes Baugeräteliste mit der Abkürzung BGL bezeichnet, ist eine systematische Erfassung der gängigsten Baugeräte und ihrer Kenndaten (z. B. Motorleistung, Gewicht, Anschaffungspreis, Nutzungsdauer, Vorhaltekosten etc.). Die BGL ist Grundlage der Gerätekostenermittlung für die Kalkulation Bauhilfsstoffe sind Stoffe, die hilfsweise zur Leistungserbringung erforderlich sind und nicht im Bauwerk verbleiben (z. B. Schalung, Rüstung, temporär eingesetzter Verbau etc.) Bauzinsen sind Kosten, die zur Vorfinanzierung der Ausgaben einer Baustelle dienen bis zum Eingang der durch den Bauherrn erfolgten Zahlungen Besondere Leistungen müssen in der Leistungsbeschreibung ausdrücklich erwähnt werden, falls der Auftraggeber diese Leistungen fordert Betriebskosten eines Gerätes sind alle einem Gerät zugeordneten Kosten, bezogen auf eine Betriebsstunde (Betriebsstoffkosten, Vorhaltekosten und Geräteführerkosten etc.) Betriebsstoffkosten eines Gerätes sind Stoffkosten für Energie (z. B. Strom, Diesel, Gas etc.), Schmier- und Wartungsmittel Betriebszeit eines Gerätes ist die Zeit, die ein Gerät innerhalb der Einsatzzeit unter Last läuft BGL siehe Baugeräteliste Einheitspreis ist der vertraglich festgelegte Preis für eine Abrechnungseinheit einer innerhalb einer Position beschriebenen Teilleistung Einsatzzeit eines Gerätes beschreibt die Zeitdauer in der ein Gerät für einen Arbeitsprozess eingesetzt wird Einzelkosten der Teilleistungen mit der Abkürzung EKT sind Kosten, die in der Kalkulation direkt einer Teilleistung (beim Einheitspreisvertrag einer Position) zugeordnet werden können

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EP Fremdleistungskosten Gerätekosten Geräteleistung

Geräteliste

Gesamtpreis Gewinn

GP Kostenart

Leistungsverzeichnis

Lohnaufwandswert Lohnkosten

LV Nebenleistungen

Position

Sonstige Kosten


siehe Einheitspreis sind Kosten, die durch den Einsatz eines Nachunternehmers anfallen beinhalten die Vorhaltekosten der Geräte ist die durchschnittliche Leistung eines Gerätes während eines Arbeitsprozesses, bezogen auf eine Betriebsstunde (z. B. die Aushubleistung eines Baggers = 120 m³/h) ist ein Hilfsmittel der Kalkulation, um die Gerätekosten für die einzelnen Teilleistungen oder für den Zeitraum der gesamten Baustelle als Vorbereitung der Kalkulation zu erfassen ist das Produkt aus der einer Position zugehörenden Menge (auch Vordersatz genannt) und dem Einheitspreis ist eine für die Preisbildung angenommene Zielgröße des Baustellenerfolges. Der Gewinn wird als prozentualer Zuschlag den ermittelten Kosten zugeschlagen siehe Gesamtpreis ist eine für die Kalkulation vorgenommene Unterscheidung der Kosten nach Art ihrer Entstehung (z. B. Lohnkosten, Gerätekosten etc.) ist eine bestimmte Form der Leistungsbeschreibung. Es ist der Sammelbegriff für die Positionstexte, in denen die Bauleistung beschrieben wird beschreibt den Lohnstundenverbrauch einer Prozesseinheit (z. B. Schalen 0,6 h/m²) ist die in der Kalkulation verwendete Kostenart, unter der die Lohnkosten des gewerblichen Personals erfasst werden. Diese enthalten alle Lohnbestandteile, die sich aus den gesetzlichen Vorschriften und tariflichen Vereinbarungen ergeben Abkürzung für das Leistungsverzeichnis gehören auch ohne besondere Erwähnung der Leistungsbeschreibung zum vom Auftragnehmer geschuldeten Leistungsumfang ist das kleinste Element eines Leistungsverzeichnisses. Eine Position enthält den Positionstext, der die vom AN zu erbringende Teilleistung beschreibt, die voraussichtliche Abrechnungsmenge (auch Vordersatz genannt) und die Abrechnungseinheit. Der Unternehmer ergänzt die Position mit seinem Angebot durch Zuordnung eines Einheitspreises und des Gesamtpreises ist eine Kostenart für alle Kosten, die nicht den anderen in der Kalkulation verwendeten Kostenarten zuzuordnen sind (z. B. Einbaumaterialien, Deponiegebühren etc.)

2.3 Der Bauvertrag und die Leistungsbeschreibung

Tonnage VOB Vorhaltekosten

Vorhaltezeit

Wagnis

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ist eine Bezeichnung der bei der Baustelleneinrichtung und Räumung zu transportierenden Gewichte in Tonnen Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen, bestehend aus den Abschnitten A, B und C auch als Gerätemiete bezeichnet, setzen sich zusammen aus den Kostenbestandteilen Abschreibung, Verzinsung und Reparatur beschreibt im Regelfall die Zeitdauer vom Antransport- bis zum Abtransporttag eines Gerätes. Die Vorhaltezeit enthält neben der Einsatzzeit noch Zeitanteile für Reparatur, Wartung und Stillstandzeiten auf der Baustelle ist der in der Kalkulation angesetzte wertmäßige Kostenansatz zur Abdeckung nicht konkret erfassbarer Risiken der Baustelle

2.3 Der Bauvertrag und die Leistungsbeschreibung 2.3.1 Das Zustandekommen eines Bauvertrages Der Bauvertrag ist ein Schuldvertrag, der mit Willen der Vertragsparteien zustande gekommen ist. Für den Abschluss eines Bauvertrages gelten die Regelungen des allgemeinen Schuldvertrages nach dem BGB (Bürgerliche Gesetzbuch). Dabei gilt der Vertrag über die Errichtung eines Bauwerkes als Werkvertrag nach BGB § 631 ff. Bei einem Bauvertrag, der nach der VOB abgeschlossen wird, werden die allgemeinen Regelungen des BGB durch die Regelungen der VOB/B ergänzt. In der VOB/A wird geregelt, wie ein VOB-Vertrag zustande kommt: 1. Der Bauherr erstellt nach VOB/A eine Ausschreibung mit den folgenden Vergabeunterlagen: • Anschreiben = Aufforderung zur Angebotsabgabe (VOB/A, Abschnitt 1, § 8 Absatz 1), ggf. Bewerbungsbedingungen (VOB / A, Abschnitt 1, §8 Absatz 2) • Vertragsunterlagen (VOB/A, Abschnitt 1, §§ 7 und 8 Absatz 3 bis 6) 2. Der anbietende Unternehmer trägt für die in der Leistungsbeschreibung beschriebene Bauleistung entsprechend dem Vertragstyp (Einheitspreisvertrag bzw. Pauschalvertrag) einen oder mehrere Preise ein. Die Preise sowie die Anerkennung der Teile B und C der Vertragsordnung werden durch seine Unterschrift bestätigt und an den Bauherrn übermittelt. 3. Nach der Annahme des Angebotes (Zuschlag) durch den Bauherrn wird dieses Angebot zum Bauvertrag. In der VOB/B werden die Vertragsparteien als Auftraggeber (AG) und Auftragnehmer (AN) bezeichnet. Aus Gründen der Nachweisbarkeit soll die Auftragserteilung schriftlich erfolgen.

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2.3.2 Die Verdingungsunterlagen Regelungen der VOB Die in der VOB/A, Abschnitt 1, §§ 7 und 8 beschriebenen Vertragsunterlagen gelten bei Widersprüchen in der folgenden Reihenfolge (VOB/B § 1): • Leistungsbeschreibung (LB) • Besondere Vertragsbedingungen (BVB) • Zusätzliche Vertragsbedingungen (ZVB) • Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen (ZTV) • Allgemeine Technische Vertragsbedingungen (ATV = VOB/C) • Allgemeine Vertragsbedingungen (AVB = VOB/B) Bestandteile der Verdingungsunterlagen Leistungsbeschreibung Nach der VOB/A § 7 ist eine Leistungsbeschreibung im Allgemeinen mit einem Leistungsverzeichnis (LV) zu erstellen. Alternativ kann die Leistungsbeschreibung auch mit einem Leistungsprogramm erfolgen.

Leistungsbeschreibung

Titelblatt Baubeschreibung Anlagen (z. B. Pläne, Gutachten usw.) Techn. Vorbemerkungen Leistungsverzeichnis Positionen

Bild 2.2

Gliederung der Leistungsbeschreibung (LB) nach § 7 VOB/A [2]


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Besondere Vertragsbedingungen Gemäß VOB/A, Abschnitt 1, § 8 Absatz 2, Nr. 4 sollen Besondere Vertragsbedingungen nur angewandt werden, wenn es die Eigenart der Leistung bzw. die Ausführung erfordern. Diese Bedingungen werden demnach nur bei besonderen Verhältnissen für ein Bauwerk geregelt und haben ausschließlich für dieses Bauwerk eine Bedeutung (z. B. Zufahrtswege, Regelung über Ver- und Entsorgungsanlagen, Ausführungsfristen). Zusätzliche Vertragsbedingungen Zusätzliche Vertragsbedingungen (bzw. Allgemeine Geschäftsbedingungen) werden i. d. R. von den Auftraggebern bzw. deren Erfüllungsgehilfen (Architekt, Ingenieur) aufgestellt. Die Zusätzlichen Vertragsbedingungen formulieren für unterschiedliche Bauvorhaben immer wiederkehrende Vertragsregelungen und werden in unveränderter Form bei mehreren Objekten angewandt. Bei der Aufstellung von zusätzlichen Vertragsbedingungen müssen die Regelungen gem. §§ 305 310 BGB zur Gestaltung rechtsgeschäftlicher Schuldverhältnisse durch Allgemeine Geschäftsbedingungen beachtet werden, um die Interessen der zukünftigen Vertragspartner angemessen zu berücksichtigen. Werden Vertragsklauseln verwendet, die nach diesen Regelungen unwirksam sind, bleibt der übrige Vertrag davon unberührt. Anstatt der unwirksamen Klausel gilt die entsprechende allgemeine gesetzliche Regelung bzw. die Regelung der VOB/B. Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen werden nur vereinbart, wenn die Regelungen der Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen gemäß VOB/C für die Leistungsanforderungen nicht ausreichen. Allgemeine Technische Vertragsbedingungen / Allgemeine Vertragsbedingungen Die Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen und die Allgemeinen Vertragsbedingungen sind in der VOB/C bzw. VOB/B geregelt. Der Zusammenhang zwischen Vertragsunterlagen und Bauvertrag ist der folgenden Darstellung zu entnehmen. Die Ziffern (1) bis (6) ergeben die Rangfolge der Vertragsunterlagen nach VOB/B §1 Absatz 2.

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Bauvertrag Vertragsunterlagen

Angebot

VOB/A §§ 7 und 8, Absatz 1, Nr. 2 und Absatz 2, Nr. 1 bis 6 Überwiegend technischer Inhalt

Überwiegend rechtlicher Inhalt

(1) Leistungsbeschreibung LB

(2) Besonderen Vertragsbedingungen BVB

(4) Zusätzliche Technische

(3) Zusätzliche Vertragsbedingungen ZVB

Zuschlag (§ 18 VOB/A)

Vertragsbedingungen ZTV (5) Allgemeine Technische

+

(6) Allgemeine Vertragsbedingungen VOB/B

Vertragsbedingen ATV Bild 2.3

Bauvertrag: (1) bis (6) ist die Rangfolge der Verdingungsunterlagen nach § 1 Nr. 2 VOB/B [2]

2.3.3 Anforderungen an die Leistungsbeschreibung Die Leistungsbeschreibung eines Bauwerkes bildet die Grundlage der Preisbildung in der Angebotsphase und bestimmt nach der Auftragsvergabe das vom Unternehmer zu erbringende Leistungssoll. Das Leistungssoll legt den Leistungsumfang und die Qualität der Leistung fest. Die Leistungsbeschreibung ist demnach neben den übrigen Vertragsbedingungen der bedeutendste Vertragsbestandteil. Nach VOB/A § 7 Absatz 1 ist die Leistung eindeutig und erschöpfend zu beschreiben, so dass alle Bewerber die Beschreibung im gleichen Sinne verstehen und ihre Preise sicher und ohne umfangreiche Vorarbeiten berechnen können. Dem Auftragnehmer darf kein ungewöhnliches Wagnis aufgebürdet werden für nicht zu beeinflussende Umstände und Ereignisse, deren Einwirkung auf die Preise und Fristen nicht im Voraus abschätzbar sind. Zudem sind alle Umstände, die die Leistungen beeinflussen, festzustellen und in den Vergabe- und Vertragsordnung anzugeben. Für das Aufstellen einer Leistungsbeschreibung gelten die Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen für Bauleistungen der VOB/C. Diese Grundsätze werden in dem für öffentliche Auftraggeber geltenden Vergabe-Handbuch [3] wie folgt erweitert: • Die Leistung muss eindeutig, vollständig, technisch richtig und ohne ungewöhnliches Wagnis für die Bieter beschrieben werden. • Eine Leistungsbeschreibung ist eindeutig, wenn sie Art und Umfang der geforderten Leistungen mit allen maßgebenden Bedingungen (z. B. Qualität, Beanspruchungsgrad, technische und bauphysikalische Bedingungen, Erschwernisse, besondere Ausführungsbedingungen, Regeln zur Ermittlung des Leistungsumfangs) zweifelsfrei erkennen lässt und keine Widersprüche in sich, zu den Plänen oder anderen vertraglichen Regelungen enthält.


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• Eine Leistungsbeschreibung ist vollständig, wenn sie Art und Zweck des Bauwerks bzw. der Leistung, Art und Umfang aller erforderlichen Teilleistungen und alle spezifischen Bedingungen und Anforderungen darstellt. • Eine Leistungsbeschreibung ist technisch richtig, wenn sie Art, Qualität und Modalitäten der Ausführung der geforderten Leistungen entsprechend den anerkannten Regeln der Technik, den Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen oder etwaigen leistungsund produktionsspezifischen Vorgaben zutreffend festlegt. • Die Leistungsbeschreibung darf keine ungewöhnlichen Risiken enthalten. Insbesondere dürfen dem Auftragnehmer keine Aufgaben der Planung und der Bauvorbereitung, die je nach Art der Leistungsbeschreibung dem Auftraggeber obliegen, überbürdet und keine Garantien für die Vollständigkeit der Leistungsbeschreibung abverlangt werden.

2.3.4 Allgemeine Geschäftsbedingungen Spezialtiefbau (AGB-Spezialtiefbau) Die Anwendung der Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen (VOB/C) und der Allgemeinen Vertragsbedingungen (VOB/B) sind bei Spezialtiefbauleistungen nur bedingt geeignet. Deshalb wurden vom Hauptverband der Deutschen Bauindustrie die Allgemeinen Geschäftsbedingungen Spezialtiefbau (AGB-Spezialtiefbau) entwickelt. Die AGBSpezialtiefbau setzen sich aus folgenden Teilen zusammen: • Allgemeine Bedingungen für den Spezialtiefbau (AB) • Allgemeine Technische Bedingungen für Spezialtiefbauarbeiten (ATB) • Spezielle Technische Bedingungen für Spezialtiefbauarbeiten (STB) Die AGB-Spezialtiefbau stehen Arbeitgeber und Arbeitnehmer seit Januar 1992 für insgesamt 12 Untersparten zur Verfügung: • STB-SW Schlitzwandarbeiten • STB-DWE Dichtwandarbeiten im Einmassenverfahren • STB-BP

Bohr-, Bohrpfahl- und Bohrpfahlwandarbeiten

• STB-OBR Ortbetonrammpfähle • STB-FRP

Fertigrammpfähle aus Stahlbeton

• STB-RRS

Ramm- und Rüttelarbeiten mit Stahlprofilen

• STB-TVD Tiefenverdichtungsarbeiten • STB-E

Einpressarbeiten (Injektionsarbeiten)

• STB-HDI

Hochdruckinjektionsarbeiten

• STB-VA

Verpressankerarbeiten

• STB-WH

Wasserhaltungsarbeiten

• STB-VBA Verbauarbeiten mit Ausfachung Wenn sich der Arbeitgeber zur Übernahme der AGB-Spezialtiefbau entscheidet, erhalten diese Bedingungen Vorrang vor der VOB/B und der VOB/C.

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2.3.5 Bestandteile der Leistungsbeschreibung Der Kern der Leistungsbeschreibung bildet ein nach Positionen und Gewerken gegliedertes Leistungsverzeichnis (LV). In der Regel wird das LV durch eine Baubeschreibung mit einer allgemeinen, zusammenfassenden Darstellung der Bauaufgabe ergänzt. Um dem Unternehmer kein ungewöhnliches Wagnis aufzubürden (VOB/A § 7 Absatz 1 Nr. 3), werden zusätzlich die zu beachtenden Randbedingungen beschrieben: • Zufahrtsmöglichkeit • Einzuhaltende Grenzwerte für Schall und Vibration • Einschränkung der täglichen und wöchentlichen Arbeitszeit • Standorte der Baustelleneinrichtung und Lagerplätze • Gefährdete Nachbarbebauung • Angaben zum Bauablauf • Wasserstände Weitere Informationen zu den Inhalten der Leistungsbeschreibung sind in den DIN-Normen 18 299 bis 18 451 und in der VOB/C enthalten.

2.4 Verfahrensplanung 2.4.1 Einleitung Bauaufgaben bzw. baubetriebliche Prozesse lassen sich in der Regel nach mehreren verschiedenartigen technologischen Verfahren abwickeln. Während der Entstehungsphasen eines Bauwerkes ist es teilweise notwendig, Entscheidungen bezüglich der Verwendung eines möglichen Verfahrens zu treffen. Dieses Aufgabenfeld soll nachfolgend am Beispiel eines Gründungsproblems erläutert werden. • Die Planungsphase beinhaltet die Auswahl einer Gründungsart wie Flächengründung, Einzel-, Streifenfundamente oder Sondergründungen wie z. B. Pfähle, die unterschiedliche Reaktionen hinsichtlich des Setzungs- und Verdrehungsverhaltens erwarten lässt. Außerdem differiert die Menge an Beton, Schalung sowie Bewehrung, welche zur Ausführung der verschiedenen Gründungsarten benötigt wird. Deshalb sind die Kosten eines Verfahrens schon in dieser Phase von Bedeutung. • In der Vorbereitungsphase gilt es, die Leistungsbeschreibung so zu gestalten, dass auf Unternehmerseite ein möglichst optimiertes technologisches Verfahren angeboten werden kann, damit der Anbieter im Vergleich zu konkurrierenden Betrieben in Bezug auf Qualität und Angebotspreis bestehen kann und der Nachfragende ein günstiges Angebot erhält. • Nach Auftragserteilung besteht die Aufgabe der Bauunternehmung unter Berücksichtigung der im Bauvertrag festgehaltenen Randbedingungen in der Findung einer der Bauaufgabe gerecht werdenden Verfahrenslösung.

2.4 Verfahrensplanung

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Jede Entscheidung für ein Verfahren während der o. g. Phasen bedarf einer Vorbereitung. Hierbei ist festzuhalten, dass eine Vielzahl von getroffenen Entscheidungen auf Erfahrungswerten basiert. Diese Methode kann als hinreichend genau angesehen werden, wenn die Entscheidungsträger über die notwendige Erfahrung verfügen, oder das Projekt aufgrund seines geringen Bauvolumens keine detaillierte Bearbeitung sinnvoll erscheinen lässt. Auch unter dem Gesichtspunkt der angespannten Personalsituation vieler Baubetriebe sowie der oftmals geforderten kurzen Zeiten für die Bauvorbereitung gelingt eine termingerechte Bewältigung in der Mehrzahl der Fälle nur mit Hilfe einfacher Entscheidungskriterien. Neben diesen alltäglich wahrzunehmenden Aufgaben drängen sich allerdings auch Methoden auf, die aus dem üblichen Rahmen fallen und einen fehlenden Wissens- bzw. Erfahrungsstand offen legen. Jene komplikationsbehafteten Fälle gilt es einer genaueren Betrachtungsweise zu unterziehen, um die Suche nach dem am besten geeigneten Verfahren erfolgreich zu gestalten. Im weiteren Verlauf soll nun ein Weg aufgezeigt werden, wie die Entscheidungsträger, je nach Erfahrung, durch systematische Verfahrensplanung auch selten verwendete und schwierige Kriterien einbeziehen können.

2.4.2 Schritte der Verfahrensplanung Vorgehensweise bei der Verfahrensplanung Zur Durchführung der Verfahrensplanung erweist sich eine Vorgehensweise in drei Schritten als sinnvoll, siehe (Bild 2.4). Schritte der Verfahrensplanung

3. Schritt

2. Schritt

1. Schritt

Bild 2.4

Schritte der Verfahrensplanung

Verfahrensauswahl Verfahrensvergleich Prüfen der Verfahrenseignung

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• Danach werden zunächst alle theoretisch möglichen Verfahren dahingehend überprüft, ob sie sämtliche Kriterien zur Verfahrenseignung erfüllen. • Die verbliebenen Verfahren werden anhand von einheitlichen Bewertungsmaßstäben für einen Vergleich bewertet. • Abschließend erfolgt die Auswahl des geeignetsten Verfahrens auf der Grundlage eines Verfahrensvergleiches. Verfahrenseignung Der Prozess der Feststellung der Verfahrenseignung beschreibt im Wesentlichen eine technische Analyse, um ein oder mehrere Verfahren auf ihre Tauglichkeit hinsichtlich der Lösung einer Bauaufgabe bzw. einer Teilaufgabe zu überprüfen. Ein Verfahren wird für die weitere Planung erst dann herangezogen, wenn alle aus dem Bauprojekt herrührenden Randbedingungen erfüllt sind. Das Ergebnis dieser Überprüfung spiegelt allerdings nicht die Findung des geeignetsten Verfahrens wieder, sondern führt zu mehreren technisch möglichen Durchführungsvarianten. Um die Frage beantworten zu können, ob ein Verfahren geeignet ist, empfiehlt es sich, die Durchführung einer Prüfung auf Verfahrenseignung zweistufig ablaufen zu lassen: 1. Verfahrensunabhängige Stufe: • Zusammenstellung sämtlicher Kriterien, die von allen Verfahren zur Umsetzung der konkreten Bauaufgabe einzuhalten sind. 2. Verfahrensabhängige Stufe: • Benennung des auf Eignung zu prüfenden Verfahrens. • Überschlägige Dimensionierung der Bauprozesse, die für die Durchführung notwendig sind, sowie ggf. Ergänzung der unter 1. erwähnten Kriterien. • Überschlägige Dimensionierung des Verfahrens. • Beurteilung, ob die aufgestellten Kriterien von dem untersuchten Verfahren erfüllt werden. • Entscheidung über den Ausschluss oder die Empfehlung eines Verfahrens bezüglich der Zulassung zum Verfahrensvergleich. Nachfolgend werden mögliche aus der Bauaufgabe entstehende und allgemeingültige Kriterien genannt. Aus der Bauaufgabe herrührende Kriterien Zur Findung dieser Kriterien muss die Bauaufgabe dahingehend untersucht werden, welche Einflüsse durch das Bauvorhaben selbst oder durch das reale, rechtliche und vertragliche Umfeld gegeben sind. Bereiche, aus denen solche Einflüsse herrühren, können z. B. sein: • Das Bauwerk sowie seine Konstruktion einschließlich der Gründung und der Bauwerksnutzung


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• Das Baufeld und seine Umgebung • Der Boden und das Grundwasser • Gesetzliche Rahmenbedingungen • Verträge Für diese Einflussbereiche gilt es zu untersuchen, ob hieraus Randbedingungen z. B. für die Baugrundverbesserung herrühren, die bei der Verfahrensauswahl zu berücksichtigen sind. Existieren solche Randbedingungen, so sollten dafür möglichst konkrete, bewertbare, durch das Bauverfahren einzuhaltende Kriterien geschaffen werden. In Tabelle 2.2 sind für die o. g. Einflussbereiche mögliche Randbedingungen und Kriterien zusammengestellt. Tabelle 2.2

Randbedingungen und Kriterien für mögliche Einflussbereiche

Mit der Bauaufgabe im Zusammenhang stehende Einflussbereiche

Aus den Einflussbereichen herrührende Rahmenbedingungen

Bauwerkskonstruktion einschl. - In den Boden abzuleitende der vorgesehenen GründungsKräfte art sowie der Bauwerksnutzung - Setzungen, Verdrehungen und Verformungen Baufeld und örtliche Gegeben- - Geländeverhältnisse heiten - Untergrund - Vorhandene Nachbarbebauung - Zufahrtswege - Größe des Baufeldes - Öffentlicher Verkehr Boden und Grundwasser

- Beschreibung des anstehenden Bodens - Beurteilung des Bodens in Bezug auf Bearbeitungsmöglichkeiten - Grundwasser

Verträge

- Termine - Werden zeitgleich mit der Bodenverbesserung andere Bauprozesse durchgeführt - Wird das Baufeld durch Vereinbarungen im Bauvertrag eingeengt Beschreibung der täglichen und wöchentlichen Arbeitszeiten

Gesetzliche Rahmenbedingungen

Für die Verfahrensauswahl zu beachtende Kriterien Aufnehmbare Bodenpressungen Festlegung der max. zulässigen Setzungen, Verdrehungen und Verformungen Neigungen, Ebenheit Befahrbarkeit Schallgrenzwert oder Vibrationsgrenzwerte Art und Abmessungen Vorhandener Platz für Material und Geräte Eventuelle Behinderungen z. B. bei Anoder Abtransport Bodenmechanische Kennwerte Einteilung in Bearbeitungsklassen z. B. nach DIN 18 300 in die Klassen 1 bis 7 Grundwasserstände max. Absenkmöglichkeiten Entnahmemöglichkeiten Einzuhaltende Bauzeiten Jahreszeit der Bodenverbesserung Sind Behinderungen daraus zu erwarten Sind Behinderungen daraus zu erwarten Ein- oder Mehrschichtbetrieb, Wochenendarbeit Überstunden möglich

Allgemeingültige Kriterien Die allgemeingültigen Kriterien sind abhängig von dem jeweiligen Zielsystem. Dabei kann eine optimale Abwicklung eines Bauauftrages als relevantes Oberziel angesehen werden.

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Für eine weitere Untergliederung können folgende Teilziele und daraus hergeleitete bewertbare Kriterien formuliert werden: Teilziele • Wirtschaftlichkeit • Leistungsfähigkeit • Organisatorische Eignung • Unfallsicherheit • Umweltbeeinträchtigung

Mögliche Kriterien Kosten Bauzeit, Leistungsmenge/Zeiteinheit Verfügbarkeit von Spezialgeräten Situationsbedingt Situationsbedingt

Verfahrensvergleich und Verfahrensauswahl Allgemeines Unter Verfahrensvergleich wird hier die Ermittlung von Entscheidungshilfen verstanden, anhand derer aus mehreren geeigneten Verfahren das geeignetste ausgewählt werden kann. Die Verfahrensauswahl bedeutet die Entscheidungsfindung auf der Grundlage der im Verfahrensvergleich entwickelten Entscheidungshilfe. Der Umfang bzw. die Tiefe des Verfahrensvergleichs richtet sich sicherlich nach der Bedeutung der Verfahren am Gesamtobjekt. So wird man sich im Regelfall auf Entscheidungshilfen beschränken, die die Zielgröße Wirtschaftlichkeit berücksichtigen. Darüber hinaus können aber auch die anderen genannten Zielgrößen wie z. B. Leistungsfähigkeit, organisatorische Eignung, Unfallsicherheit und Umweltbeeinträchtigung in die Entscheidungsfindung einfließen. Da die Erweiterung der Zielgrößen für die Entscheidungsfindung die Ausnahme darstellt, wird bei den Verfahrensvergleichen zwischen einem wirtschaftlichen Verfahrensvergleich und einem qualitativen Verfahrensvergleich unterschieden. Die Entscheidungshilfen, die hierbei ermittelt werden, werden in den nachfolgenden Abschnitten dargestellt. Für die Durchführung des Verfahrensvergleichs muss die Teilbauaufgabe dem Leistungsumfang nach dimensioniert sein und das in den Vergleich einzubeziehende Bauverfahren feststehen. Wirtschaftlicher Verfahrensvergleich Beim Verfahrensvergleich unter wirtschaftlichem Gesichtspunkt sind mögliche Kriterien der ausführenden Unternehmung der Kapitalbedarf, die Möglichkeit der Weiterverwendung und die Kosten des Verfahrens. Auf der Auftraggeberseite verbleiben die Kosten bzw. der Preis der Bauleistung als Kriterium. Deshalb wird nur das zuletzt genannte Kriterium näher betrachtet. Hierfür eignet sich der kalkulatorische Verfahrensvergleich, bei dem die beim Einsatz eines Verfahrens wahrscheinlich auftretenden Kosten ermittelt werden. Es werden die Methoden • Absoluter kalkulatorischer Verfahrensvergleich • Grenzkostenbestimmung durch einen kalkulatorischen Vergleich


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unterschieden. Bild 2.5 gibt einen Überblick über den wirtschaftlichen Verfahrensvergleich mit einer besonderen Betrachtung des kalkulatorischen Verfahrensvergleichs. Wirtschaftlicher Verfahrensvergleich

Art des Verfahrensvergleichs

Kapitalbedarf

Entscheidungskriterien

Verfahrenskosten

kalkulatorischer Verfahrensvergleich

Methode zur Ermittlung der Entscheidungskriterien

absoluter kalkulatorischer Vergleich (bei vorgegebener Menge und einer bestimmten Vorhaltezeit)

Gesamtkosten K (EUR)

Bild 2.5

Möglichkeit der Weiterverwendung

Kosten je Einheit k (EUR/E)

Grenzkostenbestimmung durch kalkulatorischen Vergleich (Kosten in Anhängigkeit einer Einflussgröße m)

Wirtschaftlichkeitsgrenze

Wirtschaftlicher Verfahrensvergleich

Beim absoluten Kostenvergleich werden die Kosten der Verfahren für eine bestimmte Menge und einen festgelegten Zeitraum ermittelt und zueinander in Beziehung gesetzt. Dabei können die Kosten als Gesamtkosten K [EUR] oder als Kosten je Einheit k [EUR/Einh.] angegeben werden. Vergleich der Gesamtkosten: oder der Kosten je Einheit:

K Verfahren 1 verglichen mit K Verfahren 2 k Verfahren 1 verglichen mit k Verfahren 2

Bei der Ermittlung der Wirtschaftlichkeitsgrenze werden die Wirtschaftlichkeitsbereiche zweier Verfahren voneinander getrennt. Dazu müssen die Kosten in Abhängigkeit von einer Einflussgröße (z. B. Menge, Bauzeit) dargestellt werden. Hierzu ist die Berechnung der fixen und variablen Kostenanteile eines Verfahrens notwendig. Durch die Unterscheidung in fixe und variable Kostenanteile errechnen sich die Gesamtkosten eines Verfahrens zu Kges

= Kfix + m · kvar

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Die Kosten je Einheit errechnen sich zu k = 1/m · Kfix + kvar mit Kfix

= fixe Kostenanteile [EUR]

kvar

= variable Kostenanteile bezogen auf die Einheit [EUR/E]

m

= Einflussgröße (z. B. Menge, Bauzeit)

Die Wirtschaftlichkeitsgrenze mgr errechnet sich aus der Gleichsetzung der Kostenfunktionen zweier Verfahren. K1fix + m · k1var = K2fix + m · k2var Die sich aus dieser Gleichung errechnende Grenzmenge entspricht der Wirtschaftlichkeitsgrenze (Bild 2.6 und Bild 2.7).

Gesamtkosten K ges [Euro]

mgr = (K2fix - K1fix) / (k1var - k2var)

Verfahren 2 Verfahren 1

Wirtschaftlichkeitsgrenze m gr

Bild 2.6

Gesamtkosten in Abhängigkeit von einer Einflussgröße

Einflußgröße m

Einheitskosten K [Euro/Einheit]


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Verfahren 1 Verfahren 2

mgr Einflußgröße m

Bild 2.7

Einheitskosten in Abhängigkeit von einer Einflussgröße

In der grundsätzlichen Vorgehensweise unterscheidet sich der kalkulatorische Verfahrensvergleich nicht von den im Bauwesen üblichen Methoden der Kostenermittlung, jedoch sind einige Besonderheiten zu beachten: a) Richtige Leistungskennwerte ansetzen Das Problem jeder Kalkulation ist die Richtigkeit der benutzten Leistungskennwerte. Unter Leistungskennwerten ist der Arbeits- bzw. Gerätestundenbedarf je Leistungseinheit zu verstehen. Auf die Höhe der Kennwerte wirken vielfältige Einflüsse ein, wie z. B. Baustellensituation, Bauvorhaben, Witterung und das Verfahren der Kennwertermittlung selbst. Es gehört Erfahrung und Kritikfähigkeit dazu, solche an unterschiedlichen Orten für unterschiedliche Verfahren ermittelte Kennwerte bei einem Verfahrensvergleich zu benutzen. Leistungsansätze für die Angebotskalkulation erfüllen diese Anforderungen im Regelfall nicht. b) Nur verursachungsgerechte Kostenbestandteile Unterschiedliche Verfahren werden in unterschiedlichem Maße Baustellengemeinkosten, Allgemeine Geschäftskosten und Kosten für Risiken erzeugen. Wenn man diese Kosten nicht verursachungsgerecht erfassen kann, ist es besser, sie nicht zu berücksichtigen. c) Nur unterschiedliche Kosten verfolgen Zur Vereinfachung sollte man beim kalkulatorischen Verfahrensvergleich nur die Kosten verfolgen, die tatsächlich in unterschiedlicher Höhe anfallen. So ist es z. B. unnötig, beim Vergleich von zwei unterschiedlichen Geräten bei gleicher Bauzeit die Lohnkosten für den Geräteführer zu berücksichtigen.

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d) Bewertung der Lohnkosten Die den Verfahren zuzuordnenden Lohnstunden sind mit dem Mittellohn ASL zu bewerten. Gehälter für den Polier sind nur bei unterschiedlichem Verhältnis Anzahl der Poliere / Anzahl der AK oder bei unterschiedlichen Bauzeiten einzubeziehen. Qualitativer Verfahrensvergleich und Verfahrensauswahl Der qualitative Verfahrensvergleich ermöglicht es, neben den wirtschaftlichen Gesichtspunkten noch weitere Zielkomponenten in die Entscheidungsfindung mit einfließen zu lassen. Diese Notwendigkeit kann sich auf der Bauherrenseite (z. B. Erprobung neuer Bauverfahren) oder auf der ausführenden Seite (z. B. Verfügbarkeit usw.) ergeben. Der Vergleich erfolgt in folgenden vier Schritten: 1. Festlegung der für die Entscheidungsfindung wichtigen Zielgrößen und der zugehörigen Kriterien 2. Gewichtung der Zielgrößen 3. Gewichtung der Kriterien 4. Quantifizierung der Kriterien Da der erstgenannte Schritt bereits zuvor behandelt wurde, konzentrieren sich nachfolgende Erläuterungen auf die drei verbleibenden Wertungsphasen. Zu 2: Gewichtung der Zielgrößen am Beispiel von allgemeingültigen Teilzielen (Bild 2.8). Ziel 1

Wirtschaftlichkeit Bild 2.8

Ziel 2

Leistungsfähigkeit

Ziel 3

Ziel 4

Ziel 5

Organisat. Eignung

Umweltverträglichkeit

Unfallsicherheit

Allgemeingültige Teilziele

Diese Teilziele müssen nun jedes für sich bewertet werden, so dass die Bedeutung des Einzelzieles innerhalb des gesamten Zielsystems ausgedrückt wird. z. B. V1 = 1,0; V2 = 0,8; V3 = 0,7; V4 = 0,5; V5 = 0,5. Dabei bestimmt der Faktor V1 die Bedeutung des Zieles 1, der Faktor V2 die Bedeutung des Zieles 2 usw. Diese Werte sind jedoch durch die subjektive Betrachtungsweise mit Fehlern behaftet. Aus diesem Grund hat die Unternehmensforschung (Operation Research) die Entwicklung von Methoden vorangetrieben, die zur Eingrenzung von Fehlerquellen beitragen sollen. In diesem Zusammenhang kann das so genannte einfache sowie unterteilte Rangordnungsverfahren genannt werden.


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Zu 3: Gewichtung der Kriterien Wie bereits erwähnt, ist eine Zuordnung der im zweiten Schritt aufgeführten Teilziele in Unterziele bzw. Kriterien sinnvoll. Dieses geschieht hier mit Gewichtungsfaktoren w. Nach der Wichtung der Teilziele müssen die daraus resultierenden Kriterien gewichtet werden. z. B. für das Ziel 1 mit der Gewichtung : V1 Kriterium 11 : w11 Kriterium 12 : w12 Kriterium 13 : w13 usw. Hinsichtlich einer methodischen Gewichtungsfindung wird auf Keil/Martinsen [4] verwiesen. Die Überprüfung kann ebenfalls auf der Basis des Rangordnungsverfahrens vorgenommen werden. Zu 4: Quantifizierung der Kriterien Die Frage nach der Wirksamkeit der einzelnen Kriterien lässt sich im Gegensatz zur kostenrelevanten Beurteilung (Reihenfolge nach Kostenhöhe und Risikospanne) im Hinblick auf die vorhandene Zielsetzung wegen eines fehlenden geeigneten Maßstabes nicht so ohne weiteres beantworten. Ein mögliches Punktesystem (z. B. 0 bis 10) kann zur Lösung des Problems beitragen. Hierbei profitiert die Differenzierungsmöglichkeit von einer zahlenmäßig größer angelegten Punktspanne. Aufgrund der unterschiedlichen Art der zu bewertenden Kriterien muss vielfach der Beurteilungsmaßstab allgemein formuliert sein. Aus diesem Grund wäre vor dem Hintergrund des gegebenen Zieles folgender Maßstab denkbar: uneingeschränkt positiv mit einigen Einschränkungen positiv bedingt positiv bedingt negativ in recht hohem Maße negativ uneingeschränkt negativ

10 Punkte 8 Punkte 6 Punkte 4 Punkte 2 Punkte 0 Punkte

Durch die Unterteilung in 6 Stufen von jeweils 5 Zweiersprüngen ergibt sich die Möglichkeit einer Einführung von weiteren Zwischenstufen, ohne Dezimalbrüche auftreten zu lassen. Die Zielerfüllung eines Bauverfahrens wird durch die erreichte Gesamtpunktzahl ausgedrückt. N

Gesamtbewertung = Σ Vi · wij · Punktezahl i=1

Diese für alle in den Vergleich einbezogenen Verfahren ermittelten Punktzahlen bilden eine Entscheidungshilfe für die Verfahrensauswahl.

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Modell zur Verfahrensplanung Die drei Schritte der Verfahrensplanung werden in Bild 2.9 dargestellt. Schritt 1

Prüfen der Verfahrenseignung Analyse der Bauaufgabe und Festlegung von Kriterien aus der Bauaufgabe ggf. Berücksichtigung der unternehmerischen Ziele Vorauswahl eines technisch möglichen Verfahrens Überprüfung der Erfüllung oben genannter Kriterien und Entscheidung über die Zulassung des Verfahrens zum Verfahrensvergleich

Schritt 2

Durchführung des Verfahrensvergleiches Entscheidung über die Tiefe des Verfahrensvergleiches qualitativer kalkulatorischer Vergleich Vergleich

auf Grund der Erfahrung

ggf. überschlägige Dimensionierung der Bauaufgabe und des Bauverfahrens

Verfahrenskosten aus Vergleichsobjekten

Detaillierte Dimensionierung der Bauaufgabe Detaillierte Dimensionierung des Bauverfahrens Entscheidung über weitere Ermittlung der Kosten Kriterien, die aus weiteren Teilzielen hergeleitet zur Erfüllung der werden. Diese Teilziele Bauaufgabe können sein: Leistungsfähigkeit Organisat. Eignung

Bewertung auf Grund der Erfahrung

Schritt 3 Bild 2.9

Modell zur Verfahrensplanung

Umweltverträgl. Unfallsicherheit

Bewertung der Verfahren mit Hilfe eines kalkulatorischen Verfahrensvergleiches, eventuell in Kombination mit einem qualitativen Verfahrensvergleich

Verfahrensauswahl


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Literatur [1] Kühn, G., Handbuch Baubetrieb, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991 [2] Keil/Martinsen/Vahland/Fricke, Kostenrechnung für Bauingenieure, Werner Verlag, 11. Aufl., 2008 [3] Lampe-Helbig, G., Praxis der Bauvergabe, Verlag C.H. Beck, München, 1991 [4] Keil/Martinsen, Methodische Verfahrensauswahl im Baubetrieb, Bauwirtschaft, Heft 19, Mai 1979

3 Geotechnische Grundlagen

3.1 Allgemeines Nachfolgend werden die wesentlichen geotechnischen Grundlagen für die Aufgaben des Erd-, Grund- und Tiefbaus aufgeführt. Eine vollständige oder gar detaillierte Beschreibung einzelner Labor- und Feldversuche war nicht das Ziel dieser Zusammenstellung. Vielmehr sollte ein Überblick geschaffen werden und dem praktisch tätigem Ingenieur, mit Hilfe zahlreicher Tabellen und Zahlenwerte, Lösungen der täglichen Aufgaben an die Hand gegeben werden.

3.2 Einteilung der Gesteine und Böden Die Gesteine werden üblicherweise nach ihrer Entstehung eingeteilt, wobei hier zwischen magmatischen Gesteinen (Magmatite, Erstarrungs- und Eruptivgesteine), Sedimentgesteinen (Sedimente, Ablagerungsgesteine) und metamorphen Gesteinen (Umwandlungsgesteine, Metamorphite) unterschieden wird. Magmatite entstehen aus schmelzflüssigem Magma in großer Tiefe (Tiefengesteine unter großem Druck langsam erkaltet) oder an der Oberfläche (Ergussgesteine rasch erkaltet). Die Bildung von Metamorphiten steht im Zusammenhang mit Bewegungen der Erdkruste. Beide Gesteine sind ein hervorragend tragfähiger Baugrund, aber ihre Vorkommen werden i. A. abgebaut und nicht bebaut. Sedimente die durch Ablagerung von durch Verwitterung zerstörtem Gesteinsmaterial oder durch Abscheidung aus Lösungen entstehen,. verfestigen sich im Laufe der Zeit. Entsprechend den wechselnden Ablagerungsbedingungen sind diese Gesteine oft geschichtet. Verfestigte Sedimentgesteine sind bei günstiger Lagerung i. A. ein guter Baugrund, unverfestigte Ablagerungen bilden in der Regel den "anstehenden Baugrund" und werfen bezüglich der Tragfähigkeit die verschiedensten Probleme auf. Böden sind deshalb nach dem Grad der Verfestigung zu unterscheiden. Dabei wird Fels als Sammelbegriff für alle Festgesteine verwendet. Unverwitterter Fels ist ein ausgezeichneter Baugrund, der seine Eigenschaften auch bei Freilegung nicht ändert. Lockergestein ist entweder gewachsener Boden, der durch einen abgeklungenen erdgeschichtlichen Vorgang entstanden ist, oder Boden, der durch Aufschütten oder Aufspülen hergestellt wurde. Hauptsächliche Merkmale für die Einteilung der Böden nach bodenmechanischen und bautechnischen Gesichtspunkten sind Korngröße und Kornform. Man unterscheidet dabei: Nichtbindige Böden, wie Sand, Kies, Steine und ihre Mischungen, wenn der Gewichtsanteil der Bestandteile unter 0,06 mm Korndurchmesser weniger als 15 % beträgt. Im trockenen Zustand haften die Körner nicht aneinander, für Sande und Kiese ist daher das Einzelkorngefüge charakteristisch. Die anziehenden Kräfte zwischen den Körnern sind unbedeutend.


28


Tone, tonige Schluffe, Schluffe werden als bindige Böden oder Böden mit plastischen Eigenschaften bezeichnet, wenn der Knetversuch erfolgreich ausgeführt werden kann [1]. Dies ist üblicherweise der Fall, wenn der Gewichtsanteil der bindigen Bestandteile unter 0,06 mm Korndurchmesser größer als 15 % ist. Sie bilden auch im trockenen Zustand eine zusammenhängende Masse. Organische Böden sind Torf, Faulschlamm, Schlick, Klei, Humus und anorganische Böden, wenn der Gewichtsanteil organischer Beimengen tierischer oder pflanzlicher Herkunft bei nichtbindigen Böden mehr als 3 % oder, bei bindigen Böden, mehr als 5 % beträgt. Kurzzeichen Bereich / Benennung

Grobkornbereich (Siebkorn)

Feinkornbereich (Schlämmkorn)

DIN EN ISO 14688-1

Blöcke

Y

Bo / LBo

Steine

X

Co

über 63 bis 200

Kieskorn Grobkies Mittelkies Feinkies

G gG mG fG /

Gr

über 2 bis 63 über 20 bis 63 über 6,3 bis 20 über 2,0 bis 6,3

Sandkorn Grobsand Mittelsand Feinsand

S

Sa

gS mS fS

CSa MSa FSa

Schluff

U

Si

gU mU fU

CSi MSi FSi

T

Cl

Grobschluff Mittelschluff Feinschluff Tonkorn (Feinstes)

Bild 3.1

Korngrößenbereich [mm]

DIN 4022

CGr MGr FGr

über 200 / über 630

über 0,063 bis 2,0 über 0,6 bis 2,0 über 0,2 bis 0,6 über 0,06 bis 0,2 über 0,002 bis 0,063 über 0,02 bis 0,063 über 0,0063 bis 0,02 über 0,002 bis 0,0063 unter 0,002

Korngrößenbereiche [2]

Bei der Boden und Felsklassifizierung nach DIN 18 300, VOB Teil C werden die Boden- und Felsarten entsprechend ihres Zustandes beim Lösen in Klassen eingestuft. Klasse 1: Oberboden (Mutterboden). Oberboden ist die oberste Schicht des Bodens, die neben anorganischen Stoffen, z. B. Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen, auch Humus und Bodenlebewesen enthält. Klasse 2: Fließende Bodenarten Bodenarten, die von flüssiger bis breiiger Konsistenz sind und die das Wasser schwer abgeben.

3.3 Baugrunderkundung

29

Klasse 3: Leicht lösbare Bodenarten. Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit höchstens 15 % Massenanteil von Schluff und Ton mit Korngrößen kleiner 0,063 mm und mit höchstens 30 % Massenanteil an Steinen mit Korngrößen über 63 mm bis 200 mm. Organische Bodenarten, die nicht von flüssiger bis breiiger Konsistenz sind, und Torfe. Klasse 4: Mittelschwer lösbare Bodenarten. Gemische von Sand, Kies, Schluff und Ton mit über 15 % Massenanteil der Korngröße kleiner als 0,063 mm. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind, und höchstens 30 % Massenanteil an Steinen enthalten. Klasse 5: Schwer lösbare Bodenarten. Bodenarten nach den Klassen 3 und 4, jedoch mit über 30 % Massenanteil an Steinen. Bodenarten mit höchstens 30 % Massenanteil an Blöcken. Ausgeprägt plastische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind. Klasse 6: Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten. Felsarten, die einen mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark klüftig, brüchig, bröckelig, schiefrig oder verwittert sind, sowie vergleichbare feste oder verfestigte Bodenarten, z. B. durch Austrocknung, Gefrieren, chemische Bindungen. Bodenarten mit über 30 % an Blöcken Klasse 7: Schwer lösbarer Fels. Felsarten, die einen mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Festigkeit haben und die nur wenig klüftig oder verwittert sind, auch unverwitterter Tonschiefer, Nagelfluhschichten, verfestigte Schlacken und dergleichen. Haufwerke mit großen Blöcken mit Korngrößen über 630 mm

3.3 Baugrunderkundung Die Voraussetzung zur Lösung einer Grundbauaufgabe ist eine ausreichende Baugrunderkundung. Um das Baugrundrisiko in engen Grenzen zu halten, werden allgemeine Richtlinien und Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung gestellt (s. DIN 1054 und DIN 4020). Für jede Bauaufgabe müssen Aufbau und Beschaffenheit von Boden und Fels im Baugrund sowie die Grundwasserverhältnisse ausreichend bekannt sein, um insbesondere die Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit des Bauwerkes sowie die Auswirkungen der Baumaßnahme auf die Umgebung sicher beurteilen zu können. Hierzu müssen geotechnische Untersuchungen projektbezogen ausgeführt werden [3]. Die diesbezüglichen Felduntersuchungen dienen in erster Linie den folgenden Zwecken:

30


a)

der Ermittlung des Schichtenverlaufes einschließlich der Grundwasserverhältnisse

b)

der Gewinnung von Boden- und Wasserproben zur Durchführung der Laborversuche zwecks Bestimmung der Bodenkennwerte

c)

der unmittelbaren Feststellung von Bodeneigenschaften durch Standardversuche

d)

dort, wo der Boden als Baustoff verwendet wird, der Gütekontrolle der eingebauten Bodenmassen

Die Erkundungsverfahren sowie der erforderliche Umfang der Untersuchungen sind in den nachfolgenden DIN-Normen beschrieben, die nunmehr sukzessive durch die gelisteten Europäischen Normen zu ersetzen sind: DIN 1054

Zulässige Belastung des Baugrundes

DIN 4020

Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke

DIN 4021

Aufschluss durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben

DIN 4022

Benennen und Beschreiben von Boden und Fels

DIN 4030

Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase

DIN 4094

Baugrund Felduntersuchungen - Drucksondierungen, Rammsondierungen, Flügelscherversuche und Bohrlochaufweitungsversuche

DIN 4096

Flügelsondierung

DIN EN 1997

Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Teil 1: Allgemeine Regeln Teil 2: Erkundung und Untersuchung des Baugrundes

DIN EN ISO 14688

Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden

DIN EN ISO 14689

Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels

DIN EN ISO 22475

Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Probenentnahmeverfahren und Grundwassermessungen

DIN EN ISO 22476

Geotechnische Erkundung und Untersuchung Felduntersuchungen mit den bis dato veröffentlichten Abschnitten Teil 1: Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern Teil 2: Rammsondierungen Teil 3: Standard Penetration Test Teil 4: Pressiometerversuch nach Menard Teil 5: Versuch mit dem flexiblen Dilatometer Teil 7: Seitendruckversuch Teil 8: Versuch mit dem Verdrängungspressiometer


31

Die Anforderungen an die erforderlichen Aufschlusstiefen sind nachfolgend exemplarisch für flachgegründete Ingenieurbauwerke benannt (Bild 3.2).

Hochbauten, Ingenieurbauten za ≥ 3,0 · bF und za ≥ 6m bF ist das kleinere Fundamentmaß Bild 3.2

Bei Plattengründungen und bei Bauwerken mit mehreren Gründungskörpern, deren Einfluss sich in tieferen Schichten überlagert za ≥ 1,5 · bB bB ist das kleinere Bauwerksmaß

Erforderliche Aufschlusstiefen [4]

Als Erkundungsmethode kommen allgemein infrage: Schürfgruben, Bohrungen und Sondierungen. Schürfgruben werden für die oberflächennahe Erkundung oberhalb des Grundwasserspiegels angelegt. Sie finden hauptsächlich dort Anwendung, wo die erforderliche Erkundungstiefe gering ist, z. B. im Straßen-, Eisenbahn- und Flugplatzbau, oder wo es allgemein nur um die Verbesserung oberflächennaher Schichten geht. Sie dienen der unmittelbaren Einsichtnahme in den Schichtenaufbau und zur Entnahme von Bodenproben. Die Bodenproben werden aus der Sohle, der Abtreppung oder aus der Wandung entweder in gestörter Form herausgelöst oder als Sonderproben mit Hilfe von Ausstechzylindern ausgestochen und ausgegraben. Eine umfassende Baugrunderkundung beginnt i. A. mit der Durchführung von Probebohrungen. Es wird zwischen folgenden Verfahren unterschieden: Durchgehende Gewinnung von gekernten Bodenproben: Kernbohrung, Rammkernbohrung, Druckkernbohrung Gewinnung durchgehender nicht gekernter Proben: Handdrehbohrung, Schlagbohrung, Greiferbohrung Gewinnung unvollständiger Proben: Spülbohrverfahren Kernbohrungen im Lockergestein bieten den Vorteil, dass zusammenhängende Bodenprofile als Kerne entnommen werden können. Dabei sind die einzelnen Bodenschichten zwar meist gestört, aber ein Vermischen und Aufweichen wird verhindert. Die entnommenen Kerne lassen den Kornaufbau und die Schichtung gut erkennen.

32

Bild 3.3


Typischer Baugrundaufschluss, Lagerung der Bohrkerne in Kernkisten (Frankfurt am Main) [5]

Am Untersuchungsort ist für jede Probenentnahme und für Grundwassermessungen ein Feldbericht (Bohrprotokoll, Schichtenverzeichnis, etc.) so zu erstellen, dass ein Dritter diese Ergebnisse überprüfen und nachvollziehen kann (DIN EN ISO 22 475-1). Wegen des hohen Kosten- und Zeitaufwandes, die Baugrundaufschlussbohrungen verursachen, werden für einfachere Aufschlüsse Sondierungen angewandt, welche Aufschlussbohrungen nicht ersetzen, sondern nur ergänzen können. Bei der Rammsondierung nach DIN 4094 / DIN EN ISO 22476-2 wird ein Gestänge mit einer verdickten Spitze bei gleich bleibender Fallenergie in den Boden gerammt. Es werden jeweils die Schläge gezählt, die erforderlich sind, um das Gestänge um jeweils 10 cm in den Boden einzutreiben. Die verdickte Spitze soll die Mantelreibung am Gestänge weitgehend ausschließen. Die Schlagzahl ist ein Maß für den Eindringwiderstand des Bodens und lässt Rückschlüsse auf die Lagerungsdichte bzw. die Konsistenz zu. Die Ergebnisse der Rammsondierungen werden durch Auftragen der Schlagzahlen N10 bzw. N (SPT) der Tiefe gegenüber dargestellt und z. B. anhand der Tabellen der DIN 4094 oder nunmehr prEN 1997-2 ausgewertet. Bei der Sondierung im Bohrloch (DIN EN ISO 22476-3, StandardPenetrationTest, SPT) wird ein mit einem Schneidring versehener, aufklappbarer Entnahmestutzen (Innendurchmesser 35 mm) 450 mm tief in die Bohrlochsohle gerammt und die Anzahl der für die letzten 300 mm erforderlichen Schläge gezählt. Der Vorteil besteht darin, dass gleichzeitig eine Bodenprobe entnommen werden kann. Bei Drucksondierungen werden die Sondenstäbe durch eine statische Kraft mit möglichst gleich bleibender Geschwindigkeit in den Boden eingedrückt und der Widerstand an der Spitze, die örtliche Mantelreibung und der Gesamtwiderstand gemessen. Bei der Auswertung wird der Widerstand über die Tiefe aufgetragen, wobei nach Spitzendruck und Mantelreibung getrennt wird (Bild 3.5).


Bild 3.4

Typischer Baugrundaufschluss mittels Drucksondiergerät (Krempe) [5]

Bild 3.5

Ergebnis einer Drucksondierung

33

34

a b c


Übliches Kernrohr oder Seilkernrohr Beim Rammen wird das Bohrwerkzeug mit einer besonderen Schlagvorrichtung eingetrieben. Beim Schlagen wird das Bohrwerkzeug selbst durch wiederholtes Anheben und Fallenlassen zum Eintreiben benutzt. Das Rotationstrockenkernbohrverfahren wird in der Regel dann eingesetzt, wenn die Beobachtung der Grundwasseroberfläche das wichtigste Ziel der Baugrunderkundung ist

Bild 3.6

Durchgehende Gewinnung von Proben in Böden mittels Bohrverfahren [6]


d e f

35

Hierin bedeutet De der Innendurchmesser des Bohrwerkzeugs. Die in Klammern gesetzten Angaben bedeuten, dass die jeweiligen Entnahmekategorien und Güteklassen nur bei besonderen Bodenbedingungen, die in solchen Fällen erläutert werden müssen, erreicht werden können. Entnahmekategorie B ist in manchen leicht bindigen Böden möglich.

Anmerkung:

Bild 3.7

Reine Spülbohrungen werden nicht erwähnt, da mit ihnen in der Regel nur eine Probengüte unterhalb der Güteklasse 5 erreicht werden kann.

Durchgehende Gewinnung von Proben in Böden mittels Bohrverfahren [6]

36

3 Geotechnische Grundlagen leichte Boden DIN 18 196

U 1)

Lagerungsdichte

Proctor

Rammsonde

D 2)

DPr

Schläge / 10 cm N 10

SE, GE SU, GU, GT

≤3

SE, SW, SI GE, GW, GI SU, GU 1) 2)

>3

Drucksonde Spitzendruck qc [MN/m²l

≥ 0,3 mitteldicht

≥ 95 %

5 15

≥ 7,5

≥ 0,5 dicht

≥ 98 %

> 15

≥ 15

≥ 0.45 mitteldicht

≥ 98 %

15 30

≥ 7,5

≥ 100 %

> 30

≥ 15

≥ 0,65 dicht

Nach DIN EN ISO 14 688-2 wird die Ungleichförmigkeitszahl nunmehr mit Cu bezeichnet. Sie ist ein Maß für die Steilheit der Körnungslinie im Bereich d10 bis d60 Zur Lagerungsdichte siehe Bild 3.22 und Anmerkung [12]

Bild 3.8

Abschätzung des Verdichtungszustandes kiesig sandiger Böden

Bei der Flügelsondierung wird der Widerstand des Bodens beim Abscheren längs eines senkrechten zylindrischen Körpers und der zugehörigen Kopf- und Fußfläche in verschiedenen Tiefen des Untergrundes bestimmt, und aus dem Messwert die Scherfestigkeit für schnelle Belastung ermittelt. Die Untersuchung ist geeignet für wassergesättigte bindige und organische Böden von weicher bis steifer Konsistenz.

Bild 3.9

Flügelsonde, Gerätekonfiguration und Auswertung, vgl. [7]

Zur Untersuchung wird ein Sondiergestänge, versehen mit vier Flügelblechen, in den Baugrund gedrückt und langsam gedreht. Dabei wird das Drehmoment, das am Sondengestänge auftritt, gemessen. Unter Ansatz einer gleichmäßigen Schubspannungsverteilung in der Scherfläche lässt sich die mittlere Scherfestigkeit ermitteln. Seitendrucksondierungen sind Messungen im Bohrloch zur Bestimmung der Festigkeits- und Verformungsparameter in größeren Tiefen.


37

Unter der Bezeichnung Pressiometer wurde das Verfahren von Ménard eingeführt [8]. Das Pressiometer besteht aus einer zentralen Messzelle (Länge 210 oder 370 mm, ∅ rd. 60 mm) mit Schutzzellen darüber und darunter. Über die Messzelle wird Druck aufgebracht und die Volumenänderung gemessen.

Bild 3.10 Pressiometer, Gerätekonfiguration und Arbeitslinie

Bei der Arbeitslinie (Druck-Verformungslinie) können vier charakteristische Bereiche unterschieden werden: (1) Anpassung an den Spannungszustand vor der Bohrung. (2) Pseudoelastischer Bereich infolge axialsymmetrischer Druckbelastung der Bohrlochwandung. (3) Plastischer Bereich infolge stärkerer Scherverformungen. (4) Bruchbereich mit voller Überschreitung der Scherfestigkeit des Bodens. Durch geophysikalische Untersuchungen, Refraktionsseismik, Geoelektrik, Geomagnetik, Gravimetrie und Radiometrie können Unstetigkeiten physikalischer Eigenschaften des Untergrunds festgestellt werden. Mit diesen Verfahren können die übrigen Geländeuntersuchungen nicht ersetzt, sondern nur ergänzt werden. Insbesondere sind sie für flächenhafte Untersuchungen des Baugrundes bei linien- oder rasterförmigen Messanordnungen geeignet. Ihre Anwendung und Auswertung setzt spezielle Kenntnisse der Verfahren wie auch des geologischen Aufbaus des zu untersuchenden Bereiches voraus und sollte daher nur von erfahrenen Fachleuten vorgenommen werden.

38


3.4 Eigenschaften von Böden und ihre Bestimmung im Labor 3.4.1 Allgemeines Die Eigenschaften von Böden werden durch Versuche (im Labor oder Feld) ermittelt und durch Kennwerte ausgedrückt. Der jeweils zu bestimmende Bodenkennwert legt die erforderliche Güteklasse der Probe fest. Um sicherzustellen, dass verschiedene Versuchsdurchführungen zu vergleichbaren Versuchsergebnissen gelangen, ist eine Vereinheitlichung der Versuchsdurchführungen und Versuchsauswertungen notwendig. Dem dienen die Versuchsnormen DIN 18 121 bis 18 137, in denen Begriffe definiert, sowie Abmessungen und Anforderungen für die zu verwendenden Versuchsgeräte und an das Probenmaterial festgelegt sind.

3.4.2 Kornverteilung, Durchlässigkeit und Filtereigenschaften Die Kornverteilung (Bild 3.11) gibt den Anteil der einzelnen Korngrößen, aus denen sich der Boden zusammensetzt, als Prozentsatz des Gesamtgewichtes der Probe an. Für nichtbindige Böden mit d > 0,063 mm werden die Körnungsgruppen durch Trockensiebung getrennt. Bei bindigen Böden werden die Anteile d < 0,125 mm durch die Schlämmanalyse bestimmt. Mischböden können durch eine kombinierte Sieb- und Schlämmanalyse aufgeschlossen werden. Als Ergebnisse werden gewonnen: die Benennung der Bodenart, die Ungleichförmigkeitszahl U sowie die Krümmungszahl C. Daraus können Rückschlüsse gezogen werden auf die Durchlässigkeit, die Frostempfindlichkeit, die Zusammendrückbarkeit, die Scherfestigkeit sowie die Eignung als Filtermaterial

Bild 3.11 Beispiele für Körnungslinien

3.4 Eigenschaften von Böden und ihre Bestimmung im Labor

39

Die Wasserdurchlässigkeit eines Bodens wird durch den Durchlässigkeitsbeiwert k angegeben. Er wird verwandt bei der Beurteilung von Abdichtungen, als Hilfswert für die Berechnung von Grundwasserströmungen und absenkungen und bei Injektionen, zur Beurteilung der Frostempfindlichkeit sowie als Hilfswert zur Ermittlung des ZeitSetzungs-Verhaltens. Für baupraktische Zwecke werden die Böden in fünf Durchlässigkeitsbereiche eingeteilt (Bild 3.12). Durchlässigkeitsbeiwert

Bereich

k [m/s] unter 10-8

sehr schwach durchlässig

-8

-6

schwach durchlässig

-6

-4

durchlässig

-4

-2

stark durchlässig

10 bis 10 10 bis 10 10 bis 10 über 10

-2

sehr stark durchlässig

Bild 3.12 Durchlässigkeitsbereiche in Abhängigkeit vom Durchlässigkeitsbeiwert [9]

Bodenart

Durchlässigkeitsbeiwert k [m/s] Grenzbereiche

überwiegend

Steine, Geröll Fein- bis Grobkies

> 10-1 -4 10 bis 10-2

3 ⋅ 10-2 bis 2 ⋅ 10-2

Grobsand Mittelsand Feinsand

10-5 bis 10-2 10-6 bis 10-3 10-6 bis 10-3

10-4 bis 10-3 10-4 -5 10 bis 10-4

Lehm Schluff Löß

10-10 bis 10-6 10-9 bis 10-5 10-10 bis 10-5

10-9 bis 10-8 10-9 bis 10-7 10-10

10-12 bis 10-8

10-9 (schluffig) bis 10-11 (fett)

Ton

Bild 3.13 Durchlässigkeitsbeiwerte k verschiedener Bodenarten

Zur Auswahl eines abgestuften Bodens, um z. B. Sickerwasser von baulichen Anlagen schnell abzuführen, ohne dass feine Teilchen aus dem zu entwässernden Boden ausgespült werden, ist die Bestimmung der Filtereigenschaft notwendig (DIN 4095). Dabei kann u. a. die Filterregel von Terzhagi zur Anwendung kommen (s. Kapitel 7 Grundwasserhaltungen Bild 7.3).

40


3.4.3 Frostempfindlichkeit Dringt Frost in den Boden ein, so gefriert das Wasser in ihm, wobei durch die Eisbildung eine Volumenvergrößerung auftritt. Je nach Bodenart sind die Folgen einer Frosteinwirkung, also der Grad der Frostempfindlichkeit, verschieden. Man unterscheidet deshalb zwischen homogenen Frostboden (schlufffreie Sande und Kiese) und nicht homogenen Frostböden. Bei ersterem sind eine Volumenvergrößerung und nur eine geringe Frosthebung möglich. Die Bodenhebungen sind gleichmäßig und die Tragfähigkeit des Bodens bleibt auch bei Tauwetter bestehen. Solche Böden werden als frostunempfindlich bezeichnet. Durch kapillaren Nachschub von unten oder durch versickerndes Oberflächenwasser aus zwischenzeitlich eingetretenen Tauperioden bilden sich bei nicht homogenen Frostböden Eislinsen oder Eisschichten. Es entstehen blätterteigartig getrennte Schichten von Boden und Eis mit unterschiedlichen Hebungen der Geländeoberfläche. In Tauperioden steigt zudem der Wassergehalt an, die Konsistenz verringert sich und die Tragfähigkeit nimmt ab. Solche Böden werden als frostempfindlich bezeichnet. Die ZTV E-StB [10] teilt die Böden in 3 Frostempfindlichkeitsklassen ein: Frostempfindlichkeit

Bodengruppen (DIN 18 196)

F1

nicht frostempfindlich

GW, GI, GE SW, SI, SE

F2

gering bis mittel frostempfindlich

TA OT, OH, OK ST, GT 1) SU, GU 1)

F3

sehr frostempfindlich

TL, TM UL, UM, UA OU ST*, GT* SU*, GU*

zu F 1 gehörig bei einem Anteil an Korn unter 0,063 mm von 5,0 M-% bei Cu ≥ 15,0 oder 15,0 M-% bei Cu ≤ 6,0 Im Bereich 6,0 < Cu < 15,0 kann der für eine Zuordnung zu F 1 zulässige Anteil an Korn unter 0,063 mm linear interpoliert werden (s. Bild). 1)

Bild 3.14

Frostempfindlichkeitsklassen


41

3.4.4 Bodenphysikalische Kennwerte Der Boden ist ein Mehrphasensystem, das sich aus den drei Phasen fest (Mineralbestandteil), flüssig (Wasser) und gasförmig (Luft) zusammensetzt:

Bild 3.15 Volumenverhältnisse in einer Bodenprobe

Die flüssige und die gasförmige Phase füllen den Hohlraum zwischen den einzelnen Mineralbestandteilen der festen Phase. Das Volumenverhältnis zwischen den 3 Phasen wird durch den Porenanteil oder die Porenzahl beschrieben (Bild 3.16).

Bild 3.16 Unterschied des Bezugswertes bei Porenanteil und Porenzahl

Zur Bestimmung des Wassergehaltes wird die Probe gewogen und anschließend im Trocknungsofen bei 105°C bis zur Massenkonstanz getrocknet. Die Massenabnahme der Probe entspricht der Masse des Porenwassers. Die Sättigungszahl Sr gibt an, wie viele der Poren mit Wasser gefüllt sind. Sind sämtliche Poren des Bodens mit Flüssigkeit gefüllt, liegt ein Zweiphasensystem vor (Sr = 1, wassergesättigter Boden).

3.4.5 Dichte und Wichte des Bodens Unter der ortsunabhängigen Größe der Dichte ρ des Bodens wird das Verhältnis der Masse des feuchten Bodens zum Volumen des Bodens einschließlich der mit Wasser und Luft gefüllten Poren verstanden. Der Begriff der ortsabhängigen Wichte bezeichnet das Produkt aus Dichte und Erdbeschleunigung. Für erdstatische Berechnungen wird zwischen folgenden Wichten unterschieden:

42


γα

Boden vollkommen trocken

γα = (1 − n ) ⋅ γs

γ

Boden feucht, teilgesättigt

γ = (1 − n ) ⋅ γs + Sr ⋅ n ⋅ γw γ = γd ⋅ (1 + w)

γr

Boden wassergesättigt

γr = (1 − n ) ⋅ γs + n ⋅ γw γr = γd + n ⋅ γw

γ´

Boden wassergesättigt unter Auftrieb

γ `= (1 − n ) ⋅ (γs − γw ) γ `= γr − γw

Bild 3.17

Bezeichnungen der unterschiedlichen Wichten

Bei allen Versuchen wird die Masse der Probe m bzw. md durch Wägung bestimmt. Für die Ermittlung des Volumens der feuchten Probe im Feld stehen verschieden Möglichkeiten zur Auswahl. Bei dem Ausstechzylinder-Verfahren werden nahtlose Präzisionsstahlrohre mit innen liegender Schnittkante in den Boden eingedrückt oder eingetrieben und nach der Probenentnahme luftdicht verschlossen. Das Verfahren ist nur für feinkörnige Böden (Sande, Schluffe, Tone) geeignet.

Bild 3.18

Ausstechzylinderverfahren [5]

Bei dem Sandersatzverfahren (Bild 3.19, links) wird der entstandene Hohlraum mit trockenem Sand ausgefüllt. Der verbrauchte Sand wird durch Wägung des Schütttrichters vor und nach dem Versuch ermittelt. Die erzielte Schüttdichte des Prüfsandes muss vor dem Versuch zwecks Kalibrierung bestimmt werden. Die Anwendung des Ballonverfahrens (Bild 3.19, rechts) empfiehlt sich vor allem bei feinkörnigen Böden mit eingelagerten Kiesen und Steinen sowie bei grobkörnigen Böden. Der Raum, aus dem die Probe entnommen wurde, wird hierbei durch einen mit Flüssigkeit gefüllten Ballon ausgefüllt. Bei Böden mit scharfkantigen Steinen hingegen kann die Ballonhaut beschädigt werden.


Bild 3.19

Sandersatzverfahren

43

Ballonverfahren (Densitometer)

Das Flüssigkeitsersatzverfahren (BentonitSuspensionen, Tapetenkleister o. ä.) wird angewendet bei grobkörnigen Sanden, Kiessand und bei Mischböden, in denen sich standfeste Gruben ausheben lassen. Bei dem Gipsersatzverfahren ist die fertig gestellte Grube zunächst mit in Öl getränkten Zellstoffstreifen faltenlos auszulegen, um ein Haften des Gipses am Boden zu verhindern. Der Gipsbrei muss blasenfrei eingegossen und in Höhe einer Stahlringplatte abgezogen werden. Nach der Erhärtung wird der Gipskörper frei gegraben und sein Volumen durch Tauchwägung bestimmt. Bei dem Schürfgrubenverfahren wird eine rechteckige, profilgerechte Grube von ca. 0,5 bis 1 m³ Inhalt ausgehoben. Das Volumen wird durch Ausmessen bestimmt. Das Verfahren kann angewendet werden bei grobem Kies mit Steinen, Blöcken und Felsbruchmaterial. Bodenart

bindiger Boden

nichtbindiger Boden

Verfahren gut geeignet

ungeeignet

ohne Grobkorn

Ausstechzylinder- und alle anderen Verfahren

keine

mit Grobkorn

alle Ersatzverfahren

Ausstechzylinder-Verfahren

Fein- bis Mittelsand

AusstechzylinderVerfahren und Ersatzverfahren

keine

44


Bodenart Kies-Sand-Gemisch

Verfahren gut geeignet

ungeeignet

Ballon-, Flüssigkeitsersatz-, Gipsersatz-Verfahren

Ausstechzylinder-Verfahren

Ballon-, Wasserersatz-, Gipsersatz-Verfahren

Ausstechzylinder-, Sandersatz-Verfahren, Flüssigkeitsersatz-Verfahren mit Bentonitschlämme und Tapetenkleister

Schürfgruben-Verfahren

alle anderen Verfahren

nichtbindiger Boden sandarmer Kies

Steine und Blöcke mit geringen Beimengungen

Anmerkung: Die Anwendbarkeit der Verfahren bei weichen bindigen Böden und bei locker gelagerten nichtbindigen Böden kann in Frage gestellt sein Bild 3.20 Eignung der Verfahren in Abhängigkeit von der Bodenart [11]

3.4.6 Lagerungsdichte Jeder Boden besteht aus Hohlräumen, die mit Luft und/oder Wasser gefüllt sind, sowie der Festsubstanz der Bodenteilchen. Je größer der Hohlraum im Verhältnis zum Gesamtvolumen ist, desto lockerer ist die Lagerung.

Bild 3.21 Theoretische Darstellung der lockersten und dichtesten Lagerung

Der Begriff der Lagerungsdichte ist nur auf nichtbindige Böden anwendbar. Die Kenntnis der Lagerungsdichte erlaubt Rückschlüsse auf die Verdichtung von Böden und damit ihre Tragfähigkeit und Zusammendrückbarkeit. Außerdem kann so die Verdichtungsfähigkeit z. B. durch baubetriebliche Maßnahmen beurteilt werden. D [-]

ID [-]

Bezeichnung der Lagerung

0 0,15 0,15 0,30 0,30 0,50 0,50 0,75 0,75 1,0

0,15 015 0,35 0,35 0,65 0,65 0,85 0,85 1,0

sehr locker locker mitteldicht dicht sehr dicht

Bild 3.22 Einteilung der Lagerungsdichte [12]


45

3.4.7 Konsistenzgrenzen Beim bindigen Boden ist der Wassergehalt für seine Zustandsform, also seine Konsistenz, durch die seine Tragfähigkeit bestimmt wird, von ausschlaggebender Bedeutung. Mit abnehmendem Wassergehalt geht ein bindiger Boden vom flüssigen in den bildsamen (plastischen), dann halbfesten und schließlich in den festen Zustand über. Diese Übergänge wurden von Atterberg folgendermaßen definiert: •

Die Fließgrenze wl

ist der Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur bildsamen (plastischen) Zustandsform.

•

Die Ausrollgrenze wp

ist der Wassergehalt am Übergang von der bildsamen zur halbfesten Zustandsform.

•

Die Schrumpfgrenze ws

ist der Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform.

Der Zweck der Bestimmung der Zustandsgrenzen ist, Aufschluss über die bautechnischen und bodenphysikalischen Eigenschaften bindiger Böden zu erhalten. Die Zustandsgrenzen sind ein Maß für die Plastizität des Bodens und für seine Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Wassergehaltes. Der Umfang des plastischen Bereiches zwischen wl und wp wird durch die Plastizitätszahl Ip beschrieben. Anhand der Plastizitätszahl und der Fließgrenze lässt sich der Boden mit Hilfe des Plastizitätsdiagramms (Bild 3.23) rasch einordnen. Die Zustandsform eines bindigen Bodens wird durch die Konsistenzzahl ausgedrückt. Die Gruppierung der Böden nach der Konsistenz kann nach dem Konsistenzband von Atterberg erfolgen (Bild 3.24).

Bild 3.23 Plastizitätsdiagramm nach Casagrande

46


Bild 3.24 Konsistenzband von Atterberg mit Konsistenzzahl Ic von Tonen und Schluffen [13]

3.4.8 Proctorversuch Ein Boden lässt sich in dem Maße verdichten, in dem es gelingt, seinen Porenanteil n zu verringern und damit seine Dichte zu erhöhen. Der Proctorversuch zeigt die Beziehung zwischen der Trockendichte und verschiedenen Wassergehalten bei konstanter Verdichtungsarbeit auf. Diese Verdichtungsarbeit kann mit den üblichen Verdichtungsgeräten auf der Baustelle erreicht werden [14]. Zunächst nehmen mit höherem Wassergehalt die Reibungskräfte ab, so dass die Verdichtbarkeit wächst. Ab dem optimalen Wassergehalt nimmt jedoch die Verdichtbarkeit mit zunehmender Sättigung wieder ab, weil das Porenwasser durch dynamische Kräfte, wie sie für Verdichtungsvorgänge kennzeichnend sind, nicht verdrängt werden kann. Bei dem optimalen Wassergehalt ist die Verdichtung, d. h. die erreichte Trockendichte, am größten. Um dem Einsatz von schwerem Verdichtungsgerät zu entsprechen, wird der verbesserte oder modifizierte Proctorversuch benutzt. In der Baupraxis werden je nach Anforderungen an das Bauwerk 92 bis 103 % der einfachen Proctordichte verlangt. Verdichtungsgrad DPr [%]

Verformungsmodul EV2 [MN/m²]

Verdichtungsgrad DPr [%]

Verhältniswert EV2 / EV1 [-]

GW, GI

≥ 100 ≥ 98 ≥ 97

≥ 100 ≥ 80 ≥ 70

≥ 100 ≥ 98 ≥ 97

≤ 2,3 ≤ 2,5 ≤ 2,6

GE, SE, SW, SI

≥ 100 ≥ 98 ≥ 97

≥ 80 ≥ 70 ≥ 60

Bodengruppen n. DIN 18 196

Bild 3.25 Zusammenhang: Verdichtungsgrad und Verformungsmodul

3.5 Wasser im Boden

47

3.5 Wasser im Boden Das Wasser im Boden zu betrachten, ist von besonderer Bedeutung, da viele Bauschäden auf die Wirkung des Wassers zurückgehen. Im Boden tritt Wasser als gebundenes und freies Wasser auf. Man unterscheidet: a) Absorbiertes Wasser: Es bedeckt die Oberfläche der Bodenkörner mit einer sehr dünnen Schicht und wird dort von den Oberflächenkräften festgehalten. Diese übertreffen die Massenkräfte um ein Vielfaches, so dass dieses Wasser unbeweglich ist. b) gebundenes Wasser: Es steht bereits unter dem Einfluss der elektrischen Kräfte der Ionenverbindungen, ist aber noch frei beweglich. Dichte und Viskosität sind größer als die des freien Porenwassers. c) Freies Porenwasser: Es besitzt die gleichen Eigenschaften wie das Grundwasser und folgt den geohydraulischen Gesetzen. Aus bautechnischer Sicht ist auch folgende Unterteilung sinnvoll: Haftwasser: Es umgibt die Bodenkörner mit einer Haut und haftet an ihnen wegen der Oberflächenspannung. Kapillarwasser: Es füllt einzelne oder Gruppen von Poren aus, in denen es sich infolge der Kapillarkräfte hält, bildet jedoch keine durchgehende Wasserzone (offenes Kapillarwasser).

Bild 3.26

Kapillarrohr und Kapillarkräfte

Sickerwasser: Es bewegt sich aufgrund der Schwerkraft durch die Bodenporen nach unten, benetzt trockene Bodenkörner und hinterlässt in den durchsickerten Zonen Haft- und Kapillarwasser. Es gelangt zum Teil bis zum Kapillarsaum und ergänzt das Grundwasser. Grundwasser: Das Grundwasser füllt die Poren des Bodens zusammenhängend aus. Es unterliegt nur dem Einfluss der Schwerkraft und fließt bei Gefälle entsprechend der Durchlässigkeit des Bodens. Da unterhalb des Grundwasserspiegels alle Festbestandteile in das Wasser eintauchen, stehen sie unter Auftrieb. Ihre Wichte ist daher gegenüber dem feuchten oder gesättigten Zustand geringer.

48


Bodenschichten, die Grundwasser führen, bezeichnet man als Grundwasserleiter. Durch wechselnde Lage von durchlässigen und undurchlässigen Schichten können sich mehrere Grundwasserstockwerke ergeben.

3.6 Zusammendrückbarkeit Die Zusammendrückbarkeit eines Bodens bestimmt sein Verhalten unter aufgebrachten Lasten. Wird ein Boden in der Natur oder im Laborversuch belastet, so verformt er sich elastisch und plastisch. Die elastischen Verformungen entstehen im Wesentlichen durch Volumenänderung der Körner. Sie gehen bei Entlastung zurück. Die plastischen Verformungen entstehen durch Volumenänderungen des Porenraumes, bei wassergesättigten Böden verbunden mit einer Abnahme des Wassergehaltes. Sie gehen bei Entlastung nicht zurück. Die bei der Belastung des Bodens auftretenden Erscheinungen sind bei bindigen und nichtbindigen Böden verschieden. Die Erscheinungen lassen sich mit dem von Terzaghi 1922 eingeführten mechanischen Modell (Bild 3.27) erläutern.

Bild 3.27 Mechanisches Modell von Terzaghi

Beim nichtbindigen Boden ist die Durchlässigkeit groß und das Wasser strömt nahezu ungehindert aus den Poren, der Boden setzt sich rasch bzw. wird rasch zusammengedrückt. Die Last wird sofort auf die Federn (= Korngerüst) übertragen. Beim bindigen Boden ist die Durchlässigkeit klein und der Boden setzt sich langsamer, da der Porenwasserabfluss langsamer vonstatten geht. Zum Zeitpunkt t = 0 wird die gesamte Last vom Porenwasser übernommen und erst nach und nach an das Korngerüst abgegeben. Es sind folgende Spannungen zu unterscheiden:

3.6 Zusammendrückbarkeit Totale Spannung Effektive Spannung Neutrale Spannung

49

σ = p (Auflastspannung) σ` = σeff = Spannung im Korngerüst (Effektive Spannung) u = Porenwasser(über)druck (Neutrale Spannung)

Es gilt stets:

σ = σ `+u Die Zusammendrückbarkeit ist die für die Setzungsberechnung und die Ermittlung des ZeitSetzungs-Verhaltens maßgebende Kenngröße. Um ein Maß für die Zusammendrückbarkeit eines Bodens in Abhängigkeit von der aufgebrachten Druckspannung zu erhalten, benutzt man meist den von Terzaghi eingeführten Kompressionsapparat (Ödometer), in den eine ungestörte oder aufbereitete Probe eingebaut wird [15]. Ein Metallring verhindert das seitliche Ausweichen der Probe bei Belastung, daher wird das Ergebnis des Versuchs auch als Zusammendrückung bei verhinderter Seitendehnung (Steifemodul Es) bezeichnet. Die Probe liegt zwischen zwei Filtersteinen, so dass nach oben und unten Wasser abgegeben werden kann. Die Last wird als senkrechte Kraft P über die Kopfplatte in Stufen aufgebracht. Gemessen wird in jeder Laststufe das Abklingen der Zeitsetzung s(t) bis zum Erreichen der Endsetzung. Die Ergebnisse werden dargestellt als Zeit- oder Druck-Setzungs-Linie. Aus der Zeit-Setzungs-Linie, die zur Abschätzung des zeitlichen Verlaufs der Setzungen in der Natur herangezogen wird, lassen sich die drei Setzungsanteile Sofortsetzung (volumentreue Gestaltsänderung), Primärsetzung (Konsolidierungssetzungen infolge Auspressens des Porenwassers, gestalttreue Volumenänderung) und Sekundärsetzung (Kriecherscheinungen infolge plastischer Verformungen) unterscheiden. Bei der Druck-Setzungs-Linie wird die Druckachse i. A. linear geteilt und auf der Setzungsachse die auf die Ausgangshöhe bezogene Setzung s` aufgetragen. Tabelle 3.1

Steifemoduli nichtbindiger Böden

Bodenart

Lagerungsdichte

Kornform

Steifemodul Es [MN/m2]

Sand

locker locker mitteldicht mitteldicht dicht

rund eckig rund eckig eckig

20 - 50 40 - 80 50 - 100 80 - 150 150 - 250

Kies

mitteldicht

100 - 200

50 Tabelle 3.2

3 Geotechnische Grundlagen Steifemoduli bindiger Böden Bodenart

Konsistenz

Steifemodul Es [MN/m2]

Ton

halbfest steif weich

5,0 - 10,0 2,5 - 5,0 1,0 - 2,5

Lehm

halbfest weich

5,0 - 20,0 4,0 - 8,0

Schluff

3,0 - 10,0

3.7 Plattendruckversuch Unter einem Plattendruckversuch versteht man die Durchführung von Probebelastungen des Baugrundes bzw. der fertiggestellten Erdbaumaßnahmen zur Beurteilung ihrer Tragfähigkeit, insbesondere bei sehr grobkörnigen Erdstoffen, die eine Entnahme von ungestörten Proben nicht zulassen. Der Zweck ist die Ermittlung des Verformungsmoduls Ev und des Bettungsmoduls ks, z. B. der baubegleitenden Qualitätskontrolle dienend [16]. Der Verformungsmodul Ev und der Bettungsmodul ks sind Kennzahlen für die Zusammendrückbarkeit des Bodens. Sie sind belastungsabhängig. Kriterien für die Beurteilung der Verdichtung bzw. der Tragfähigkeit sind der Verformungsmodul Ev2 der Zweitbelastung und zusätzlich der Verhältniswert Ev2 / Ev1.

3.8 Scherfestigkeit Im Boden sind unter entsprechenden Spannungszuständen Bruchvorgänge möglich. Auslösend wirkt dabei die Schub- oder Scherspannung, rückhaltend die Normalspannung auf der Gleitfläche. Die Scherfestigkeit hängt u. a. ab von der Lagerungsdichte (bei nichtbindigen Böden), der Konsistenz (bei bindigen Böden) und ggf. der Zeitdauer der Beanspruchung. Der Größtwert des Scherwiderstandes beim Bruch wird Scherfestigkeit τf genannt. Nach dem Bruch nimmt der Schwerwiderstand mit wachsendem Verschiebungsweg bis zur Gleitfestigkeit τr des Bodens ab [17]. Die Scherfestigkeit setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, nämlich Reibung und Kohäsion. Nach dem Coulombschen Reibungsgesetz besteht zwischen der Reibungskraft R und der Normalkraft N, welche auf die Trennfläche wirkt, ein linearer Zusammenhang. Die Ursache der Kohäsion sind die zwischen den tonigen Bestandteilen bindiger Böden wirkenden Haftkräfte. Die Größe dieser Haftkräfte hängt von der Art des Tonminerals ab, vom Tonanteil des Bodens und seinem Wassergehalt. Mit zunehmendem Wassergehalt und Sättigungsgrad nimmt die Kohäsion ab und wird in breiigem Boden praktisch Null.

3.8 Scherfestigkeit

51

Die Scherfestigkeit τf und die Gleitfestigkeit τr lassen sich mit der Mohr-Coulombschen Bruchbedingung für den interessierenden Spannungsbereich als Funktion der wirksamen Normalspannungen angeben: τf = c`f + σ` · tan ϕ`f (Bruchzustand) τr = c`r + σ` · tan ϕ`r (Gleitzustand) mit: σ`

=

wirksame Normalspannung in der Scherfuge

c`

=

wirksame Kohäsion

φ`

=

wirksamer Winkel der inneren Reibung

Bild 3.28 Scherdiagramm für a) nichtbindigen (rolligen) Boden und b) bindigen Boden

Die wirksamen Scherparameter c` und φ` werden durch Versuche ermittelt. Von der Art des Bodens, seiner Belastungsgeschichte und von den beabsichtigten Belastungen hängt es ab, welche Versuchsanordnung und welche Ausführungsmethode (konsolidiert, drainiert etc.) gewählt wird. Es sind dabei zu unterscheiden der Kastenscherversuch (Direkter Scherversuch) und der Triaxialversuch (s. DIN 18 137). Tabelle 3.3

Richtwerte für den Reibungswinkel ϕ in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte und der Kornform

Bodenart

Sand

Kies

Lagerungsdichte

locker locker mitteldicht mitteldicht dicht dicht mitteldicht

Kornform

rund eckig rund eckig rund eckig

Reibungswinkel ϕ EAU

DIN 1055

30,0° 32,5° 32,5° 35,0°

30,0° 32,5° 35,0°

37,5° 37,5°

37,5°

52 Tabelle 3.4

3 Geotechnische Grundlagen Scherfestigkeitsparameter ϕ, c, cu in Abhängigkeit von der Konsistenz

Bodenart

Konsistenz

Kohäsion c

[°]

[kN/m2]

Kohäsion des undränierten Bodens cu [kN/m2]

Reibungswinkel ϕ

Ton

halbfest steif weich

25 20 17

25 20 10

50 - 100 20 - 50 10 - 25

Lehm

halbfest weich

27,5 27,5

10 -

50 - 100 10 - 25

27,5

-

10 - 50

Schluff

Tabelle 3.5

Bodenparameter und ihre Bestimmbarkeit in Versuchen

Bodenparameter

Formelzeichen und Einheit

Direkt bzw. indirekt bestimmbar durch

Lagerungsdichte

D[-]

Spitzendrucksonde Rammsonde Standard-PenetrationTest

Konsistenz

Ic [ - ]

Spitzendrucksonde Rammsonde Standard-PenetrationTest

Feldversuch

Steifemodul

Es [MN/m2]

Scherfestigkeit

Endfestigkeit: ϕ [°], c [MN/m2] Anfangsfestigkeit: ϕu [°], cu [MN/m2]

Proctordichte (Verdichtbarkeit) Kornverteilung

ρpr [t/m3] wpr [ - ]

Norm

DIN 4094

Laborversuch

DIN

Lockerste Lagerung Dichteste Lagerung Porenanteil

18 126

Fließgrenze Ausrollgrenze Wassergehalt

18 122 18 121

resp.

Spitzendrucksonde Seitendrucksonde

Kompressionsversuch prEN 1997.2

Seitendrucksonde resp.

Direkter Scherversuch Dreiaxialversuch

18 137

Proctorversuch

18 127

Siebversuch Schlämmanalyse

18 123

Flügelsonde DIN EN ISO 22476

3.9 Untersuchung benachbarter Anlagen Tabelle 3.6

53

Ungefähre Kosten von Feld- und Laborversuchen

Feld- bzw. Laborversuch Bohrungen - Spülbohrungen - Schneckenbohrungen - Kernbohrungen Sondierungen - Rammsondierungen - Drucksondierungen - Seitendrucksondierungen - Flügelsondierungen Laborversuche Korngrößenverteilung - Siebung (nichtbindige Böden) - Schlämmanalyse (bindige Böden) - Kombinierte Sieb-Schlämm-Analyse Wassergehaltsbestimmung Konsistenz Lagerungsdichte Kompressionsversuch Direkter Scherversuch Triaxialversuch Organische Bestandteile Kalkgehalt

Ungefähre Kosten 30 / m 35 / m 90 / m 20 / m 20 / m 90 / Versuch 30 / Versuch (je m ein Versuch) Kosten je Versuch 40 50 80 10 80 65 225 200 300 30 25

3.9 Untersuchung benachbarter Anlagen Gerade im innerstädtischen Bereich hat die Durchführung von Baumaßnahmen häufig Auswirkungen auf benachbarte bauliche Anlagen. Das ist z. B. bei Verdichtungsverfahren der Fall, bei denen Schwingungen in den Boden eingeleitet werden, die zu Kornumlagerungen führen. Das kann Setzungen von benachbarten Gebäuden hervorrufen. Andererseits kann z. B. das Einpressen von Injektionsmitteln oder das Bodengefrieren zu Hebungen von Bauwerken führen. Bei Entwässerungsverfahren hingegen muss mit großräumigen Setzungen gerechnet werden. Daher muss der Zustand der Nachbarbebauung erkundet werden, wobei im Wesentlichen folgende Punkte zu untersuchen sind: •

Gründungstiefe Bei neueren Gebäuden lässt sich die Gründungstiefe im Allgemeinen anhand von Bauplänen feststellen, bei älteren Gebäuden sind Begehungen der Kellerräume und gegebenenfalls Schürfgruben an den Außenwänden erforderlich.

54 •

3 Geotechnische Grundlagen Art und Zustand der Fundamente Baupläne enthalten dazu meist ausreichende Informationen. Sind diese nicht oder nicht mehr vorhanden, muss nach Anlegen von Schürfgruben versucht werden, die Art der Fundamente (Einzel-, Streifen- oder Plattenfundamente) zu bestimmen, die Art der verwendeten Baustoffe (Beton, Stahlbeton, Mauerwerk, Bruchsteine) zu erkunden und den Zustand (gerissen, verschoben, verkippt) zu ermitteln.

Literatur

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]

[13] [14] [15] [16] [17]

DIN EN ISO 14 688-1 Geotechnische Erkundung und Untersuchung Benennung und Beschreibung DIN 4022 Benennen und Beschreiben von Boden und Fels. Nach DIN EN ISO 14 688-1 gelten nunmehr Kurzzeichen, die der englischen Sprache entlehnt sind. vgl. hierzu: Englert und Fuchs in Baurecht, Ausgabe 7 / 2006, S. 1047 bis S. 1058 DIN 4020 Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke Fotoarchiv G. Maybaum DIN EN ISO 22 475 Geotechnische Erkundung und Untersuchung Probenentnahmeverfahren und Grundwassermessungen, Tabelle 2 DIN 4096 Flügelsondierung DIN EN ISO 22 475 Geotechnische Erkundung und Untersuchung, Teil 4: Pressiometer und Teil 7: Seitendruckversuch DIN 18 130 Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes, vgl. DIN ISO / TS 17892-10 ZTV E-StB 09, Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau, Fassung 2009, Stand Juni 2010 DIN 18 125 Bestimmung der Dichte des Bodens, Teil 1: Laborversuche, Teil 2: Feldversuche DIN 18 126 Bestimmung der Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung DIN EN ISO 14 688-2, Tab. 4 sieht die ausschließliche Verwendung der bezogenen Lagerungsdichte vor DIN EN ISO 14 688-2, Tab. 6 DIN 18 127 Proctorversuch DIN ISO/TS 17 892-5 Geotechnische Erkundung und Untersuchung Oedometerversuch mit stufenweiser Belastung DIN 18 134 Plattendruckversuch DIN 18 137 Bestimmung der Scherfestigkeit

4

Baugrubensicherung

4.1 Baugrubensicherung im Überblick Baugruben dienen der Herstellung von Gründungskörpern, Tiefgeschossen, unterirdischen Verkehrswegen oder von Ver- und Entsorgungsleitungen. Wenn Bauarbeiten unter der Geländeoberfläche ausgeführt werden sollen, ist zunächst eine Grube auszuheben, die geböscht oder mit senkrechten Wänden hergestellt werden kann (Bild 4.1).

Bild 4.1

Ausbildung von Baugruben

Die Abmessungen und die Ausbildung einer Baugrube werden von dem geplanten Bauwerk und den örtlichen Gegebenheiten bestimmt, wie z. B.: Form und Größe des Gebäudegrundrisses

erforderlicher Arbeitsraum Tiefenlage der Gründungssohle vorgesehene Gründungsart Nutzung der angrenzenden Flächen bodenmechanische Eigenschaften des anstehenden Baugrundes Tiefenlage und Zusammensetzung des Grundwassers Belastung aus Gebäuden und Verkehr.

Die Abmessungen von Baugruben haben in den letzten Jahren immer weiter zugenommen, wobei insbesondere die größeren Tiefen eine Vielzahl von Problemen aufwarfen. Die größeren Tiefen haben verschiedene Ursachen: Die knappe Baulandsituation (insbesondere in den Innenstädten) zwingt dazu, Gebäude mit mehreren Kellergeschossen auszuführen. Neuer Parkraum kann häufig nur noch durch Tiefgaragen unter Straßen, Plätzen oder Gebäuden geschaffen werden. Die Verkehrsprobleme vieler Städte lassen sich nur durch das Anlegen mehrerer Ebenen (z. B. U-Bahn-Tunnel, S-Bahn-Tunnel oder Straßentunnel) lösen. Industrieelle Anlagen werden aus Sicherheitsgründen in zunehmendem Maße unterirdisch gebaut. G. Maybaum et al., Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau, DOI 10.1007/978-3-8348-8269-1_4, © Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

56

4 Baugrubensicherung

Die Planung und Herstellung von Baugruben ist eine komplexe Aufgabe, die im organisatorischen und technischen Bereich das enge Zusammenwirken von Fachleuten verschiedenster Fachgebiete erfordert. Da jede Baugrube ihre eigenen Besonderheiten und Probleme hat, lässt sich kein allgemeines Rezept zur Behandlung dieser Aufgaben angeben. Die wesentlichen Fragestellungen, die praktisch bei jeder Baugrube auftreten, sind im folgenden zusammengestellt: • Umleitung des Verkehrs Insbesondere in den Innenstädten sind Baugruben nicht ohne Beeinträchtigung des ruhenden und des fließenden Verkehrs herzustellen. Bei Linienbaustellen (z. B. beim U-BahnBau) muss die Verkehrsführung oft je nach Arbeitsfortschritt mehrfach geändert werden. Der Bau von Hilfsbrücken und Fahrbahnabdeckungen kann erforderlich werden. • Leitungsverlegung Baugruben liegen häufig in der Trasse von Ver- oder Entsorgungsleitungen. Die Leitungen müssen dann entweder umgelegt oder sicher über die Baugrube geführt werden, was z. B. durch das Aufhängen an der Aussteifung oder mit speziellen Leitungsbrücken geschehen kann. • Baustelleneinrichtungsfläche Im innerstädtischen Bereich ist es meist schwierig, die erforderlichen Flächen für die Baustelleneinrichtung (Lagerplätze, Magazine, Werkstatt, Plätze für Geräte, Bauleitung usw.) zur Verfügung zu stellen, so dass im Regelfall unter sehr beengten Verhältnissen gearbeitet werden muss. • Sicherung der Nachbarbebauung und sonstiger baulicher Einrichtungen Die Sicherung benachbarter baulicher Einrichtungen ist eng an die Wahl des Verbaus gekoppelt, häufig müssen aber einzelne Fundamente getrennt unterfangen oder Giebelwände abgestützt werden. • Boden- und Wasserverhältnisse Die Baugrundverhältnisse beeinflussen entscheidend die Wahl des Verbaus, bestimmen aber auch den Baufortschritt, die Aushubgeräte, die Abdichtungsmaßnahmen am Bauwerk und die Bemessung eventueller Grundwasserabsenkungsmaßnahmen. • Maßnahmen gegen Lärm und Erschütterung Jede Baumaßnahme im Baugrund ruft Lärm hervor. Ziel muss es sein, die Belästigung der Anwohner und Passanten, aber auch der auf der Baustelle Tätigen, so gering wie möglich zu halten und die bestehenden Vorschriften einzuhalten. Einige Bauverfahren (z. B. Einrammen von Spundbohlen oder Trägern) rufen Erschütterungen des Baugrundes hervor, die zu Fundamentbewegungen führen können. Daher ist im Einzelfall zu überprüfen und gegebenenfalls zu überwachen, ob diese Erschütterungen zu Schäden an baulichen Einrichtungen führen können.

4.2 Technische Grundlagen

57

4.2 Technische Grundlagen 4.2.1 Erkundung von Boden- und Wasserverhältnissen Die wesentlichste Vorraussetzung zur Lösung einer Grundbauaufgabe ist eine ausreichende Kenntnis der Baugrundeigenschaften. Um wirtschaftliche und sichere Konstruktionen entwerfen und ausführen zu können, werden allgemeine Mindestanforderungen an die Baugrunderkundung gestellt (s. Kap. 3 Geotechnische Grundlagen) Auf einige Besonderheiten bezüglich der Lage der Erkundungsstellen wird im folgenden hingewiesen. Nach DIN 4020 sind Bohrungen für einzelne Bauwerke innerhalb und in nächster Umgebung der Grundfläche des geplanten Bauwerks niederzubringen. Damit soll der Bodenaufbau unterhalb der Gründungssohle und im Lastausbreitungsbereich erkundet werden (Bild 4.2).

Bild 4.2

Durch ein Fundament beanspruchter Bodenbereich

Für die Bemessung der Baugrubenumschließung muss aber der Baugrund auch weit außerhalb der Gründungsfläche erkundet werden, was aus folgenden Beispielen hervorgeht. Für die Größe des Erddruckes auf eine Baugrubenwand sind im wesentlichen die Bodeneigenschaften des Bereichs maßgebend, der sich vereinfacht nach Bild 4.3 bestimmen lässt.

Bild 4.3

Zu erkundende Bodenbereiche bei Baugruben

58


Bei verankerten Baugruben muss der Bodenaufbau im Bereich der Verpressstrecke bekannt sein, um die aufnehmbaren Ankerkräfte abschätzen zu können. Um die Geländebruchsicherheit von Baugrubenwänden nachweisen zu können, müssen die Bodenkennwerte im Bereich möglicher Gleitflächen erkundet werden (Bild 4.4).

Bild 4.4

Lage einer möglichen Gleitfläche

Während es bei den meisten Gründungsaufgaben ausreicht, neben den Standardkennwerten der Bodenmechanik (Kornverteilung, Wassergehalt, Konsistenz, Lagerungsdichte) die Scherfestigkeit und die Zusammendrückbarkeit des Baugrundes zu ermitteln, müssen bei Baugruben häufig weitergehende Untersuchungen durchgeführt werden (Tabelle 4.1) Zwei Beispiele seien erläutert: Bei einigen Bauverfahren (z. B. Spundwand, Trägerbohlwand) spielt die Rammbarkeit des Untergrundes eine entscheidende Rolle. Die Rammbarkeit kann anhand der Kornverteilung und der Ergebnisse von Ramm- oder Drucksondierungen beurteilt werden; endgültige Aussagen über Leistung und Kosten können häufig aber erst nach einer Proberammung gemacht werden. Tabelle 4.1

Für die Berechnung und Herstellung von Baugrubenumschließungen wichtige Bodeneigenschaften

Verbau

Allgemein zu ermittelnde Bodeneigenschaften

Alle Verbauarten

Kornverteilung, Wichte Scherfestigkeit, Zusammendrückbarkeit Zusätzlich zu ermittelnde Bodeneigenschaften

Trägerbohlwand Spundwand Bohrpfahlwand (suspensionsgestützt) Schlitzwand Injektionswand Frostwand Elementwand

Rammbarkeit, Kurzzeitstandfestigkeit (Lagerungsdichte, Konsistenz) Rammbarkeit Durchlässigkeit des Bodens Organische Bestandteile Durchlässigkeit des Bodens Organische Bestandteile Durchlässigkeit des Bodens, Chemismus des Grundwassers, Porenanteil Wassergehalt, Lagerungsdichte, Wärmeleitzahl, Fließgeschwindigkeit des Grundwassers Kurzzeitstandfestigkeit (Lagerungsdichte, Konsistenz)

4.3 Wahl einer geeigneten Verbauart

59

Für die Bemessung der Abdichtungen von Gebäuden genügen im allgemeinen Kenntnisse über den Grundwasserstand und den Chemismus (Aggressivität). Um eine GrundwasserAbsenkungsanlage dimensionieren zu können oder eine Injektionssohle zu bemessen, sind aber auch Angaben über die Fließrichtung und Fließgeschwindigkeit erforderlich.

4.2.2 Untersuchung benachbarter baulicher Anlagen Im innerstädtischen Bereich hat die Herstellung einer Baugrube oft Auswirkungen auf benachbarte bauliche Anlagen. Bevor Sicherungsmaßnahmen geplant und durchgeführt werden können, muss der Zustand der Nachbarbebauung erkundet werden, wobei im wesentlichen folgende Punkte untersucht werden müssen: Bei neueren Gebäuden lässt sich die Gründungstiefe i. A. anhand von Planunterlagen feststellen, bei älteren Gebäuden sind Begehungen der Kellerräume und gegebenenfalls Schürfgruben an den Außenwänden erforderlich. Zu Art und Zustand der Fundamente enthalten Ausführungspläne meistens ausreichende Informationen. Sind diese nicht oder nicht mehr vorhanden, muss auch hier durch Anlegen von Schürfgruben versucht werden, die Art der Fundamente (Einzel-, Streifen-, Plattenfundamente) zu bestimmen, die Art der verwendeten Baustoffe (Beton, Stahlbeton, Mauerwerk, Bruchsteine) zu erkunden und den Zustand (gerissen, verschoben, verkippt) zu ermitteln. Ist die statische Berechnung des Gebäudes noch vorhanden, so lassen sich ausreichende Informationen über die minimale und maximale Beanspruchung der Fundamente entnehmen. In allen anderen Fällen muss die Belastung abgeschätzt werden, wobei die vom Boden aufnehmbaren Bodenpressungen, die Spannrichtungen der Decken, die Nutzung der Gebäude, die Zahl der Geschosse, die Abmessungen der Wände und Decken usw. zu berücksichtigen sind. Außer diesen für die statische Berechnung der Baugrubenumschließung und die konstruktiven Sicherungsmaßnahmen unerlässlichen Erkundungen empfiehlt es sich häufig, den Zustand der Nachbarbebauung durch ein Beweissicherungsverfahren feststellen zu lassen.

4.3 Wahl einer geeigneten Verbauart Die Wahl der für das Bauvorhaben geeigneten Verbauart ergibt sich aus den Randbedingungen: -

Bodenverhältnisse

-

Grundwasserverhältnisse

-

Nachbarbebauung

-

Verkehrslasten

-

Platzverhältnisse

-

Umweltschutz

60


Zunächst wird untersucht, ob die Baugrubenwände abgeböscht werden können. Bei flachen Baugruben ist dies die wirtschaftlichste Lösung; mit wachsender Tiefe nehmen die Aushubmassen und damit die Kosten für Mehraushub und Wiederverfüllung erheblich zu, so dass es schließlich wirtschaftlicher wird, nur die vorgesehene Gründungsfläche mit dem erforderlichen Arbeitsraum auszuheben und senkrechte, gestützte Baugrubenwände vorzusehen. Im Allgemeinen werden geböschte Baugruben nur oberhalb des Grundwasserspiegels angeordnet. Kombinationen von Böschungen und senkrechtem Verbau sind üblich, wobei der geböschte Teil stets oberhalb des Grundwasserspiegels liegt, und der Grundwasserbereich durch einen senkrechten Verbau, z. B. eine Spundwand, abgestützt wird (Bild 4.5).

Bild 4.5

Kombination von Böschung und senkrechtem Verbau

Die senkrechten Verbauwände werden nach ihrer Nachgiebigkeit unterschieden. Ein nachgiebiger (biegeweicher) Verbau kann dort angewendet werden, wo unmittelbar neben der Baugrube geringfügig auftretende Verformungen keine Schäden an benachbarten baulichen Anlagen hervorrufen können. Zu diesen nachgiebigen Verbauwänden zählen Trägerbohl-, Spund- und Elementwände (Bild 4.6). Die Nachgiebigkeit der Wände wird auch durch den Vorspanngrad der Anker bzw. Steifen bestimmt. Nach EAB [1] werden Baugrubenwände deren Auflagerpunkte bei Lastzunahme stark nachgeben können, z. B. bei stark geneigter Abstützung zur Baugrubensohle und bei nicht vorgespannten Ankern, als weitgehend nachgiebig bezeichnet. Wenig nachgiebig werden Baugrubenwände genannt, wenn die Steifen zumindest gut verkeilt sind bzw. die Anker auf mindestens 80 % der aufzunehmenden Last vorgespannt werden.

4.3 Wahl einer geeigneten Verbauart

61

Baugrubenwände

Waagerecht

Senkrecht

Bild 4.6

-

Geböschte Baugruben Trägerbohlwände Spundwände

-

-

Bohrpfahlwände Schlitzwände Düsenstrahlelemente

-

-

Abstützung von Baugrubenwänden Sohlabdichtungen Injektionssohlen Unterwasserbetonsohlen

Übersicht über die Verbauarten

Bei nachgiebigem Verbau ist damit zu rechnen, dass eine waagerechte Bewegung der Baugrubenwand in der Größenordnung von mindestens 1/1000 der Wandhöhe auftritt. Mit dieser Wandbewegung können Setzungen des Bodens verbunden sein, die unmittelbar hinter der Baugrubenwand doppelt so groß sind, wie die waagerechten Wandbewegungen und erst in größerer Entfernung von der Baugrubenwand abklingen. Wenn durch diese Setzungen Bauwerke beeinträchtigt werden können, muss ein verformungsarmer Verbau gewählt werden, der aus einer biegesteifen Wand (Bohrpfahlwand, Schlitzwand, Injektionswand, Frostwand) und annähernd unnachgiebigen Abstützungen (auf den Vollaushubzustand vorgespannte Steifen oder Anker) besteht. Um die Wirksamkeit der Sicherung vorhandener Bebauung zu kontrollieren, empfiehlt es sich, Messungen auszuführen, mit denen die Bewegungen der Baugrubenwand und die Setzungen der Geländeoberfläche bzw. der Gebäude ermittelt werden. Sind die Verformungen größer als die erwarteten, muss gegebenenfalls durch konstruktive Maßnahmen (z. B. Setzen zusätzlicher Anker bzw. Steifen, Erhöhung der Vorspannung, Änderung des Aushubablaufes o. ä.) ein weiteres Ansteigen der Verformungen verhindert werden. Bei der Wahl der Baugrubenumschließung muss insbesondere die Lage des Grundwasserspiegels berücksichtigt werden. Einige Verbauarten (Böschungen, Trägerbohlwände, Elementwände, tangierende Bohrpfahlwände) lassen sich nur oberhalb des Grundwasserspiegels bzw. nach dessen Absenkung anwenden, andere sind für das Abhalten des Grundwassers geeignet (z. B. Spundwände, überschnittene Bohrpfahlwände, Schlitzwände. Injektionswände, Frostwände). Im Allgemeinen wird aus den Lösungen, die unter Beachtung der Forderungen des Umweltschutzes technisch durchführbar sind, die kostengünstigste ausgewählt (Bild 4.7).

62

Bild 4.7


Wahl einer geeigneten Verbauart

4.4 Grundlagen der Berechnung

63

4.4 Grundlagen der Berechnung 4.4.1 Allgemeines Grundsätzlich muss eine Baugrubensicherung zwei Bedingungen erfüllen. Erstens muss in jedem Bauzustand die Standsicherheit des Bodenkörpers und damit auch die Standsicherheit der im Einflussbereich liegenden Bauwerke und Verkehrsanlagen gewährleistet sein. Zweitens dürfen beim Einbau und während der Standzeit nur solche Verformungen auftreten, die für die zu sichernden Bauwerke bzw. Verkehrsanlagen unschädlich sind. Zum Nachweis der Standsicherheit muss vor allem die Größe und die Verteilung des Erddruckes richtig erfasst werden. Der Erdwiderstand vor dem Wandfuß und die Tragfähigkeit der Abstützung dürfen dabei nur so weit in Ansatz gebracht werden, wie die dabei auftretenden Verformungen noch zulässig sind. Beim Nachweis der Standsicherheit bzw. des Verbausystems werden die Grenzzustände untersucht, für die es in der Erdstatik hinreichend gesicherte Berechnungsverfahren gibt [1] . Schwieriger ist die Ermittlung der beim Bodenaushub auftretenden Verformung. Wegen des komplizierten statischen Systems beim Zusammenwirken von Baugrubenwand und Baugrund können sämtliche Berechnungsverfahren die tatsächlichen Gegebenheiten nur näherungsweise erfassen. So können z. B. die Verformungsanteile beim Ein- und Ausbau von Steifen und Ankern nur abgeschätzt werden.

4.4.2 Lasten Baugrubenwände und ihre Abstützungen werden durch folgende Lasten beansprucht:

Eigengewicht der Baugrubenkonstruktion Erddruck aus Bodeneigengewicht, Kohäsion und Nachbarbebauung Wasserdruck Lasten aus Fahrzeugverkehr und Baustellenbetrieb.

In Sonderfällen müssen u. a. noch folgende Lastfälle untersucht werden: Temperatureinwirkungen (z. B. auf Steifen) Überspannen von Ankern und Steifen Zusatzlasten durch den Ausfall einzelner Tragglieder (z. B. Steifen und Anker). Empfehlungen zum Ansatz der Lasten sind in [1] gegeben.

4.4.3 Ansatz des Erddruckes Während viele Lasten, z. B. Eigengewicht und Wasserdruck, im Allgemeinen genau ermittelt werden können, kann die Größe und Verteilung des Erddruckes auf die Baugrubenwand nur annähernd ermittelt werden. Dafür gibt es mehrere Gründe:

64


• Die bei der Berechnung des Erddruckes einzusetzenden Parameter wie Wichte, Reibungswinkel, Kohäsion und Wandreibungswinkel sind i. A. aus Bodenproben gewonnen und müssen nicht repräsentativ für eine ganze Bodenschicht sein. • Die Verteilung des Erddrucks hängt von vielen Einflüssen ab, wie z. B.: − Art und Schichtung des anstehenden Bodens, − Art und Einbringung der Baugrubenwand, − Anzahl und Anordnung von Steifen und Ankern, − Tiefe des jeweiligen Aushubabschnittes vor dem Einbau von Steifen und Ankern, − Vorspannung der Steifen und Anker. Durch eine bestimmte Anordnung und Vorspannung der Abstützung lässt sich praktisch jede beliebige Erddruckverteilung erreichen. Das hängt damit zusammen, dass Größe und Verteilung des Erddruckes von den Verformungsmöglichkeiten der Wand abhängen. Die klassische Erddrucktheorie von Coulomb (1776) kennt drei Grenzzustände des Erddruckes (Bild 4.8).

Bild 4.8

Zusammenhang zwischen Wandbewegung und Erddruck (aus [1])

Hinter einer unverschieblichen Wand herrscht der Erdruhedruck E0. Verschiebt sich die Wand vom Boden weg, so wird dieser Erdruhedruck abgebaut. Schon bei Wandverschiebungen von ca. 1/1000 bis 2/1000 der Wandhöhe (bei 10 m tiefen Baugruben also 1 bis 2 cm) wird der Druck auf den unteren Grenzwert, den aktiven Erddruck Ea, abgebaut. Verschiebt sich die Wand zum Boden hin (z. B. im Fußbereich), wird ein Erdwiderstand Ep (passiver Erddruck) geweckt, der größer ist als der Erdruhedruck, und sehr stark von der Größe der Verschiebung abhängt. Die zur Mobilisierung des vollen Erdwiderstandes erforderlichen Wege liegen in der Größenordnung von ca. 5 bis 10 % der Einbindetiefe, d. h. bei 3 m Einbindetiefe sind ca. 15 bis 30 cm Fußverschiebung nötig. Da dies von der Baugrubenkonstruktion nicht schadlos aufgenommen werden kann, ist es nach den Empfehlungen des Arbeitskreises Baugrubenumschließung [1] üblich, nur Bruchteile des maximalen Erdwiderstandes anzusetzen. Nach der klassischen Erddrucktheorie nehmen aktiver und passiver Erddruck linear mit der Tiefe zu, der Erddruck kann nach folgenden Formeln berechnet werden. Aktiver Erddruck eah = γ · h · Kah - 2 c√Kah · cosδa


65

Passiver Erddruck eph = γ · h · Kph + 2 c √Kph · cos δp eah eph γ h c kah, kph

δa, δp

= horizontaler Erddruck [kN/m2] = horizontaler Erdwiderstand [kN/m²] = Wichte des Bodens [kN/m³] = Wandhöhe [m] = Kohäsion des bindigen Bodens [kN/m²] = Erddruckbeiwerte, abhängig vom Reibungswinkel ϕ des Bodens, der Geländeneigung β, der Wandneigung α und dem Wandreibungswinkel δ. Die Erddruckbeiwerte sind dimensionslos und in der Literatur für alle praktisch vorkommenden Fälle zusammengestellt = Wandreibungswinkel, abhängig von der Rauhigkeit der Wand und dem Reibungswinkel des Bodens (s. DIN 4085).

Die so berechneten Erddrücke gelten, wenn sich die Wand frei um ihren Fußpunkt drehen kann. Das ist nur bei auskragenden, unabgestützten Baugrubenwänden der Fall. In allen anderen Fällen nimmt der Erddruck nicht linear mit der Tiefe zu, sondern wird von den möglichen Verformungen der Wand bestimmt (Bild 4.9).

Bild 4.9

Aktive Erddrücke aus Bodeneigengewicht bei verschiedenen positiven Wandbewegungen

In den EAB [1] wird für viele Fälle vorgeschlagen, bei abgestützten Baugrubenumschließungen eine rechteckförmige Verteilung des Erddruckes anzusetzen. Diese Näherung entspricht bei nicht zu hoch vorgespannten verankerten Baugruben recht gut dem tatsächlichen Erddruckverlauf. Bei ausgesteiften Baugruben führt der Ansatz i. Allg. zu geringen Steifenkräften, so dass hier nach EAB rechnerische Erhöhungen erforderlich sind. Ganz allgemein gilt, dass sich der Erddruck an den festen Abstützungen konzentriert und dort verringert, wo sich die Wand frei bewegen und damit der Belastung entziehen kann (Bild 4.10).

66


Bild 4.10 Erddruckverteilung bei Spundwänden in einfachen Fällen

Aktiver Erddruck stellt sich nur ein, wenn die Wand und die Abstützungen sich ausreichend verschieben können. Das ist i. Allg. bei den nachgiebigen Verbauarten (Spundwände, Trägerbohlwände, aufgelöste Elementwände) der Fall. Bei verformungsarmen Wänden (Bohrpfahlwände, Schlitzwände, Injektionswände, Frostwände, geschlossene Elementwände), deren geringe Verformbarkeit durch die hohe Steifigkeit und mehr noch durch die hohe Vorspannung von Steifen und Ankern erreicht wird, reichen die Verformungen nicht aus, um den Erddruck auf den aktiven Erddruck absinken zu lassen. Der Erddruck liegt dann zwischen dem aktiven Erddruck und dem Erdruhedruck. Für die Berechnung wird ein so genannter erhöhter aktiver Erddruck angesetzt, der in den zumeist als Mittelwert mit

Ea Ea Ea E0

= (Ea + E0) / 2 = erhöhte aktive Erddruckkraft = aktive Erddruckkraft = Erdruhedruckkraft

[kN/m] [kN/m] [kN/m]

berechnet wird. Auch hierbei tritt eine Umlagerung zu den Abstützungspunkten hin auf. Tabelle 4.2 gibt die bei Sand erforderlichen Wandbewegungen in Abhängigkeit von Lagerungsdichte und Bewegungsmöglichkeiten an. Tabelle 4.2

Erforderliche Wandbewegungen

Sand

Wandbewegung

Lagerungsdichte

KopfverFußverschiebung schiebung 1-2H 2-4 H 2-4H 4-8 H 4-5H 8 - 10 H H = freie Wandhöhe

Dicht mitteldicht locker

Verschiebung Wandmitte 1-2H 2-4H 4-5H

Parallelverschiebung 0,5 - 1 H 1 - 2H 2 - 3H


67

Diese Bewegungen werden bei nachgiebigen Verbauarten (Spundwänden, Trägerbohlwänden, aufgelösten Elementwänden) praktisch immer erreicht.

4.4.4 Erforderliche Nachweise Bei geböschten Baugruben ist die Standsicherheit nach DIN 4084 nachzuweisen (Böschungsbruch mit kreisförmiger Gleitlinie). Bei senkrechten Baugrubenwänden müssen folgende Nachweise erbracht werden: Bemessung der Verbauelemente (z. B. Stahlträger nach DIN 18 800, Holzverbau nach DIN 1052, Bohrpfahlwände nach DIN EN 1536 und Schlitzwände nach DIN EN 1538 sowie DIN 1045)

Nachweis der Einbindetiefe Nachweis des Abtrags der lotrechten Kräfte Geländebruchsicherheit Bemessung der Steifen, Gurte, Verbände, Mittelstützen und anderer Teile des Aussteifungssystems bei ausgesteiften Baugruben Bemessung der Anker und Nachweise der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge.

In besonderen Fällen ist zusätzlich nachzuweisen: Sicherheit gegen Aufbruch der Baugrubensohle Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch Verformung verankerter Baugruben (Fangedammmodell). Bei Injektionswänden und Frostwänden, die meistens als Schwergewichtsmauern ausgebildet werden, sind noch nachzuweisen: Gleitsicherheit Kippsicherheit Grundbruchsicherheit.

68


4.5 Geböschte Baugruben 4.5.1 Das Bauverfahren im Überblick Die äußeren Umstände einer Baumaßnahme bestimmen die Verbaumethoden bei der Baugrubensicherung bzw. der Baugrubenumschließung. Die örtlichen, technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkte sind hier die größten Entscheidungsfaktoren. Die günstigste Variante, um eine Baugrube zu sichern oder zu umschließen, ist die Ausbildung von geböschten Baugruben. Entscheidend für die Wahl dieses Verfahrens ist die Größe der Baugrube, die sich aus dem Bauwerksgrundriss zuzüglich Arbeitsraum und dem Platzbedarf für die Böschungen ergibt. Weitere Grundvoraussetzungen für eine geböschte Baugrube: keine Gefährdung der Nachbarbebauung keine Gefährdung von Verkehrswegen keine Gefährdung von Versorgungs- und anderen Leitungen

Bild 4.11 Geböschte Baugrube mit entsprechenden Sicherheitsabständen [2]

Der Platzbedarf der Böschungen errechnet sich aus den Böschungsneigungen. Deren Größe wird durch die physikalischen Eigenschaften der anstehenden Bodenarten, Wasserverhältnisse, die Nutzung der angrenzenden Flächen sowie die Belastungen in der näheren Umgebung der Baugrube beeinflusst. Die Herstellung geböschter Baugruben ist ohne Zusatzmaßnahmen nur oberhalb des Grundwasserspiegels möglich. Steht dennoch Grundwasser im Bereich des Aushubes an, so muss dieses durch eine Grundwasserabsenkung, z. B. eine Brunnenanlage, abgeleitet werden. Weitere zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen können ebenfalls verhindern, dass Wasser aus den Böschungen austritt.

4.5 Geböschte Baugruben

69

Mit zunehmender Tiefe der Baugrube nehmen die Aushubmasse und damit die Kosten für Mehraushub und Wiederverfüllung beträchtlich zu. Ab einer bestimmten Tiefe ist es wirtschaftlicher, senkrecht abgestützte Baugrubenwände vorzusehen. Die Vor- und Nachteile geböschter Baugruben sind in folgender Tabelle zusammengestellt. Tabelle 4.3 Vor- und Nachteile geböschter Baugruben Vorteile

Nachteile

− Einfachste Herstellung

− Großer Platzbedarf

− Kein Einsatz von Spezialgeräten erforderlich

− Unter Grundwasser nur mit Zusatzmaßnahmen möglich

− Kein Verbaumaterial erforderlich − Lärmarme und erschütterungsfreie Bauweise

− Mit größerer Tiefe stark zunehmende Aushub- und Verfüllmassen

− Einsatz von Großgeräten sowohl beim Aushub als auch beim Herstellen des Bauwerks ungehindert − Nicht neben vorhandener Bebauung ausführbar möglich, da keine Aussteifungen vorhanden sind − Die Materialzufuhr zur Baugrube wird schwieriger

− Sofortiger Baubeginn möglich, da keine vorberei- − Krane stehen wegen der Böschung weiter vom zu tenden Arbeiten erforderlich sind erstellenden Bauwerk entfernt; es müssen entweder größere oder mehr Krane eingesetzt werden

4.5.2 Technische Grundlagen Bei der Herstellung von geböschten Baugruben sind Kenntnisse über die nachstehenden Normen und Vorschriften von großer Bedeutung. Tabelle 4.4 Übersicht über geltende Normen DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

4124

Baugruben und Gräben

1054

Baugrund, zul. Belastungen

4084

Gelände- und Böschungsbruchberechnungen

4123

Gebäudesicherung im Bereich von Ausschachtungen GDA Geotechnik der Deponien und Altlasten EAB Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Die DIN 4124 besagt, dass Baugruben bis zu einer Tiefe von 1,25 m ohne zusätzliche Sicherung senkrecht ausgeschachtet werden dürfen. Baugruben bis zu 1,75 m Tiefe dürfen senkrecht ausgeschachtet werden, wenn der ab 1,25 m über der Sohle liegende Bereich abgeböscht wird. Bei der Herstellung von Baugruben ab 1,75 m Tiefe sind die Baugrubenwände grundsätzlich abzuböschen. Zusätzlich sind Bermen in Stufen mit entsprechenden, rechnerisch nachzuweisenden Breiten anzuordnen. Sie dienen dem Begehen der Böschungen, dem Betrieb von Wasserhaltungsmaßnahmen und zum Schutz gegen herab fallende Gesteinsbrocken oder Erdschollen. Die Böschungsneigung richtet sich nach den bodenmechanischen Eigenschaften, der Dauer die sie offen zu halten sind und nach den äußeren Einflüssen, die auf die Böschung wirken.

70


Bild 4.12 Verbauter Graben mit geböschtem Voraushub [3]

Böschungswinkel, die ohne rechnerischen Nachweis der Standsicherheit nicht überschritten werden dürfen, sind in Bild 4.13 abgebildet. Bodenart

Maximaler Böschungswinkel ß [°]

nichtbindige und weiche bindige Böden

45°

steife und halbfeste bindige Böden

60°

Fels

80°

Definition des Böschungswinkels ß

Bild 4.13 Zulässige Böschungswinkel nach DIN 4124

Soll die Standzeit einer Böschung über einen längeren Zeitraum andauern, so sind Maßnahmen zur Sicherung gegen Oberflächenabtrag und Böschungsbruch zu treffen. Folgende Stoffe und Materialien haben sich für die Sicherung bewährt: Geotextilien Kunststofffolien mit Steinen oder Bohlen beschwert Schilfmatten mit Steinen oder Bohlen beschwert Spritzbetonschalen (bewehrt oder unbewehrt, verankert oder unverankert) Bewuchs (z. B. Lupinen, Gras) Gräben, um Niederschlagswasser von der Böschung fernzuhalten


71

Bild 4.14 Links: Bewehrte Spritzbetonschale mit kurzen Nägeln Rechts: Rückverankerte Verbauplatten

4.5.3 Das Bauverfahren 4.5.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die Herstellung von offenen Baugruben mit geböschten Wänden erfordert nur wenige Arbeitsprozesse: Im Regelfall das Ausheben der Baugrube einschließlich dem Herstellen der Böschung; Seltener ist der Einbau von Böschungssicherungen. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten für den Aushub der Baugrube: a) Baugrubenaushub von der Geländeoberfläche als Standebene b) Aushub aus der Baugrube mit fortschreitender Aushubtiefe In beiden Fällen erfolgt der Abtransport der Erdmassen mit Lastkraftwagen. Der Baugrubenaushub von der Geländeoberfläche mittels eines Tieflöffelbaggers ist heute das am häufigsten anzutreffende Bauverfahren. Bei sehr tiefen und engen Baugruben erfolgt der Aushub in unteren Ebenen mit einem Seilbagger. Der Aushub von der Baugrubensohle mittels eines Hochlöffelbagger ist sehr selten und findet in Randbereichen des Bauens in Steinbrüchen und im Tagebau Anwendung. Bei beengten und tiefen Baugruben kommt ein Hydraulikbagger oder ein Seilbagger mit Greifereinrichtung zum Einsatz. In der weiteren Bearbeitung dieses Verfahrens wird deshalb nur der Aushub mittels eines Tieflöffelbaggers und die technisch aufwendige Böschungssicherung mit Spritzbeton und Bodennägeln näher erläutert.

72


Bild 4.15 Baugrubenaushub mit Geländeoberfläche als Standebene [] Tabelle 4.5Prozesse zur Herstellung geböschter Baugruben mit einer Böschungssicherung

I

Prozess

Teilprozess

Gerät

Vorbereitende Maßnahmen

(1) Freiräumen des Baufeldes (2) Einmessen und Abstecken der Baugrube (1) Oberboden abtragen (2) Abschnittsweiser Aushub, Laden und Abtransportieren (3) Profilieren und Herstellen der Böschung und Bermen (1) Verlegen von Bewehrungsmatten (2) Aufbringen der Spritzbetonschale (ca. 10 bis 20 cm) (3) Einbringen der Bodennägel (4) Verpressen der Hohlräume

-

Aushub der Baugrube

II Einbau der Oberflächensicherung

III

-

-

-

Raupe, Bagger, Radlader häufig durch einen externen Vermesser Bagger, Raupen- bzw. Radlader Muldenkipper, LKW`s Seilbagger mit Schleppschaufel / Bagger mit Teleskoparm Kleinwerkzeuge Betonspritzgerät mit Zubehör, Silo, Kompressor Ankerbohrgerät Pumpe

4.5.3.2 Die Geräte Hauptsächlich werden zum Lösen des Bodens sowie zum Herstellen und Profilieren der Böschungen Hydraulikbagger eingesetzt. Nur in Einzelfällen werden für die Profilierung Spezialgeräte wie z. B. Teleskopbagger eingesetzt. Deshalb werden nachfolgend die Hydraulikbagger sowie die Geräte zur Oberflächensicherung durch Spritzbeton und Bodennägel vorgestellt.

Hydraulikbagger Heutzutage findet der Hydraulikbagger mit entsprechender Tieflöffel- Greifereinrichtung den häufigsten Einsatz bei der Herstellung von geböschten Baugruben. Durch die Vielzahl von Herstellern und verschiedenen Baggertypen kann je nach Umfang der Baumaßnahme die Art und Größe des jeweiligen Hydraulikbaggers individuell bestimmt werden. In der Tabelle 4.6 ist ein Auszug aus dem Lieferprogramm 2005 der Firma CAT/Zeppelin dargestellt.

4.5 Geböschte Baugruben Tabelle 4.6

73

Lieferprogramm 2005, Kettenbagger mit Tieflöffel [4]

Typ

Motorleistung

max. Grabtiefe / max. Reichweite

Löffelvolumen

Einsatzgewicht

307C

40 kW (54 PS)

4,6 m/8,2 m

0,090,35 m3

7,88,2 t

312C L

71 kW (97 PS)

6,1 m/8,6 m

0,230,73 m3

13,915,3 t

315C L

80 kW (109 PS)

6,4 m/9,0 m

0,350,90 m3

16,718,0 t

318C L

86 kW (117 PS)

6,8 m/9,6 m

0,411,35 m3

19,520,9 t

320C L

103 kW (140 PS)

7,5 m/10,7 m

0,401,70 m3

21,622,9 t

322C LN

123 kW (167 PS)

6,7 m/10,0 m

0,601,90 m3

24,726,1 t

325C LN ME

128 kW (174 PS)

7,1 m/10,6 m

0,601,90 m3

27,330,1 t

330C LN ME

181 kW (246 PS)

8,1 m/11,6 m

0,702,30 m3

35,336,7 t

345B-II L

239 kW (325 PS)

7,5 m/11,7 m

1,803,50 m3

47,849,0 t

Wirtschaftliches Arbeiten im Erdbau verlangt eine sorgfältige und geplante Abstimmung des Geräteeinsatzes. Beim Ladebetrieb ist es wichtig, ausgehend von der Baggerleistung, die Anzahl und Größe der Fahrzeuge so festzulegen, dass ein kontinuierlicher Ladeablauf gewährleistet ist. Für eine optimale Ladeleistung ist es Voraussetzung, dass das Fahrzeug beim Beladen so günstig zum Bagger steht, dass dieser nur geringe Hub- und Schwenkbewegungen ausführen muss. Bild 4.16 zeigt die Reichweiten und Grabtiefen für einen Raupenbagger mit Monoblockausleger und einen Raupenbagger mit Klappschaufelausrüstung vergleichbarer Größe.

Bild 4.16 Links: Reichweitendiagramme für Hydraulikbagger [5] Rechts: Kettenbagger vom Typ CAT 325 beim Erdaushub [4]

74


Rad- und Raupenlader Rad- und Raupenlader kommen im wesentlichen beim Aushub von Böden der Bodenklasse 1 bis 4 nach DIN 18 300 zum Einsatz. Durch ihren Kettenantrieb sind Laderaupen in der Lage, dichtgelagerte Böden besser lösen und laden zu können als Radlader. Einen weiteren Vorteil gegenüber dem Radlader hat die Laderaupe aufgrund des niedrigen Flächendrucks der Laufwerke. So kann sie auch auf wenig tragfähigen Böden eingesetzt werden. Von Nachteil ist der große Platzbedarf, den die Rad- bzw. Raupenlader zum Rangieren benötigen. Somit ist der Einsatz der Ladegeräte abhängig von der anstehenden Bodenart sowie den Platzverhältnissen vor Ort. In der folgenden Tabelle sind gerätespezifische Angaben zu Laderaupen aus dem aktuellen Lieferprogramm der Firma Liebherr aufgeführt. Tabelle 4.7

Gerätespezifische Angaben von Liebherr Laderaupen [6]

Typ LR 611 LR 622 Litronic LR 632 Litronic LR 641

Motorleistung 60 kW (90 PS) 97 kW (132 PS) 132 kW (180 PS) 161 kW (219 PS)

Einsatzgewicht 12000 - 13800 kg 15400 - 17000 kg 20800 - 22000 kg 24500 - 28000 kg

Schaufelinhalt 1,0...1,2 m³ 1,54...1,8 m³ 1,9...2,4 m³ 2,5...2,9 m³

Geschwindigkeit 0 9,5 km/h 0 11 km/h 0 11 km/h 0 10 km/h

Bild 4.17 Raupenlader vom Typ Liebherr LR 632 Litronic beim Erdaushub [6]

Geräte zur Böschungssicherung mittels Spritzbeton Die Baugrubenböschung wird durch eine Spritzbetonschale und eine Bodenvernagelung gesichert. Dafür sind die nachfolgenden Geräte unabdingbar: Betonspritzgerät mit Zubehör Hydraulisches Kippsilo Dieselkompressor Mischer und Injektionspumpe Kleinbohrgerät In Bild 4.18 ist ein Kleinbohrgerät der Firma Bauer abgebildet, das zur Herstellung der Bohrlöcher für die Bodennägel dient.


75

Zwei weitere Abbildungen mit unterschiedlichen Varianten, die Hohlräume für die Bodennägel herzustellen, folgen.

Bild 4.18 Kleinbohrgerät UBW 05 E der Firma Bauer [7]

Bild 4.19 Herstellen des Hohlraums für den Stahlnagel durch Bohren [7]

Bild 4.20 Herstellen des Hohlraums für den Stahlnagel durch Rammbohren [7]

4.5.3.3 Die wichtigsten Stoffe In diesem Abschnitt folgt eine Aufzählung der Stoffe und Materialien, die bei Böschungssicherungen häufig Anwendung finden.

76


Abdecken mit Geotextilien oder Folien Die Abdeckung wird von Hand verlegt und mit fortschreitendem Aushub eingebaut. Auf ausreichende Überlappung und auf einen ebenen Untergrund ist zu achten. Die Abdeckelemente schützen im Wesentlichen gegen Oberflächenerosion durch Niederschlagswasser sowie gegen Austrocknung. Spritzbetonschalen mit Bodenvernagelung Diese Sicherung besteht aus den Bodennägeln und der Spritzbetonschale. Das Stahltragglied des Bodennagels ist aus GEWI-Stahl (Betonstabstahl 500 S) in dem jeweils statisch erforderlichen Durchmesser zwischen 20 und 63,5 mm. Um eine kraftschlüssige Verbindung mit dem anstehenden Boden zu erzielen, wird die Bohrung nach Einbau des Bodennagels mit einem Zementmörtel oder Zuschlagstoff verfüllt und/oder verpresst. Die Spritzbetonschale setzt sich aus einer statisch erforderlichen Bewehrung aus geschweißten Betonstahlmatten BSt 500 M und einem Spritzbeton mit einer Festigkeit, die im Regelfall eines Betons C 25/30 entspricht, zusammen. Bei der Ermittlung des Bewehrungsanteils ist zu berücksichtigen, dass für die Überlappung ca. 25 % hinzuzurechnen sind. Bei der Berechnung der Betonmenge wird der Rückprall mit 10 % und der Mehrverbrauch für den Ausgleich von Unebenheiten mit 30 % angenommen.

Bild 4.21 Bodennagel mit Abstandshalter und Nachverpresslanze [7]

Bewuchs Soll eine Baugrubenböschung über ein Jahr oder länger gesichert werden, so kommt Bewuchs in Frage, der Ausspülungen durch Niederschlagswasser und Austrocknung verhindert. Flechtwerke, die in Schrägstreifen eingepflanzt werden, oder schnell wachsende Pflanzen wie Lupinen, die ohne Mutterbodenschicht auch in Sand- oder Kiesböden gedeihen, bieten sich an.


77

4.5.3.4 Der Personalbedarf Baugrubensicherung Der Personalbedarf für eine Baugrubensicherung dieser Art beinhaltet mindestens 2 Arbeitskräfte.

Bild 4.22 Düsenführer beim Aufbringen der Spritzbetonschale [7]

Erdarbeiten Die Arbeitskräfteanzahl ergibt sich z. B. aus der Art und Anzahl der eingesetzten Geräte und den somit erforderlichen Geräteführern. Für umfangreiche Vermessungen und Nebenarbeiten können weitere Arbeitskräfte notwendig sein.

4.5.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Grundlage der Leistungsberechnung von Baumaschinen ist das Buch von Manfred Hoffmann Zahlentafeln für den Baubetrieb [8] Einsatz- und Nutzleistungsfaktoren werden gerätespezifisch in dem oben genannten Buch im Kapitel 9 wiedergegeben. Für die Herstellung von geböschten Baugruben mit oder ohne Böschungssicherung können keine allgemeingültigen Leistungsangaben gemacht werden. Die folgende Tabelle soll helfen, die notwendigen Geräte zu klassifizieren. Diesbezüglich werden nachfolgend die gewichtigen Teilprozesse zur Herstellung von geböschten Baugruben betrachtet. Mit Hilfe der aufgeführten Leistungswerte können die Leistungen der Baumaschinen abgeschätzt werden.

78


Tabelle 4.8 Prozess

Betriebsmitteleinsatz Teilprozess

Gerät

BGL-Nr. (Hauptgruppen)

Hydraulikbagger Monoblockausleger Löffelstiel Tieflöffel oder Raupenlader Muldenhinterkipper (2) Herstellen einer Ausstattung wie II Rampe in die Baugrube (3) Profilieren und Seilbagger Herstellen der Grundausleger Böschung und Schürfkübel (Schleppschaufel) Bermen Teleskopbagger Tieflöffel (2) Aufbringen der Betonspritzgerät mit Zubehör Spritzbetonschale (ca. 10 bis 20 cm) Bohrwagen mit Rau(3) Bohren und penfahrwerk, hydrauStahlnägel lisch (oder Anker) hydr. Kraftdrehkopf einführen Bohrhammer hydraulisch (4) Verpressen der Verpresspumpe Mischgerät Hohlräume (1) Abschnittsweiser Aushub, Laden und Abtransportieren

II

III

* Abhängig vom eingesetzten Gerät

Personalbedarf

D.1.00. D.1.40. D.1.43. D.1.60. D.3.00. D.6.01.

1 Maschinist

D.0.00. D.0.30. D.0.47.

1 Maschinist

D.1.10. D.1.13. B.9.10.

1 Maschinist

K.0.10.

1 Maschinist 1 Fahrer

* 25 bis 100 m³/h

* 25 bis 200 m³/h

1 Helfer

1 Maschinist 1 Helfer

K.0.11. K.0.15. J.6.01. J.6.20.

Kalkulatorische Leistungswerte

1 Helfer

2,0 h/m²

4.5 Geböschte Baugruben Tabelle 4.9

Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten je nach Größe der Geräte und Gewicht der Geotextilien für das Herstellen von geböschten Baugruben

Herstellen der Böschung

Tätigkeit

Sonstiges

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Tätigkeits- und Rüstzeiten nach

Profilieren der Böschung mit verschiedenen Geräten: (a) Teleskopbagger 100 - 250 m²/h (z. B. EWK) (b) Seilbagger mit Schlepp50 - 125 m²/h schaufel (c) evtl. Raupe 300 - 500 m²/h Einbau von Böschungssicherungen (Oberflächenabsicherung): (a) Geotextilien 180 - 360 m²/h bei einer 3 bis 4 Mann Kolonne bewehrt und verankert: unbewehrt: (b) Spritzbetonschalen 1,5 - 2,5 m²/h 3 - 10 m²/h Baustelleneinrichtung 1 Tag Geräteausfall bzw. -wartung Räumen der Baustelle

0,5 Stunden am Tag 1 Tag

4.5.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung gibt die ATV DIN 18 300 Erdarbeiten. Diese Hinweise ergänzen die ATV DIN 18 299 Allgemeine Regelungen für Bauarbeiten jeder Art. Sie werden nicht Bestandteil eines VOB-Vertrages, beinhalten aber Anhaltspunkte zu Angaben, die in der Leistungsbeschreibung enthalten sein sollten. Nachfolgend seien nur die wichtigsten aufgeführt: Art und Umfang des vorhandenen Bewuchses in dem Baufeld sowie der Art und Beschaffenheit der Unterlage Beschreibung der anstehenden Fels- und Bodenklassen sowie der Schadstoffbelastung nach Art und Umfang im Boden Verwendung, Aufbereitung und Behandlung des Bodens Einbau von Geokunststoffen Sicherung von Böschungen, Flächen oder Halden Besondere Maßnahmen zum Schutz von benachbarten Grundstücken

4.5.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Änderungen der Wandhöhen und Regelböschungen nach DIN 4124 (Bild 4.2 bis 4.4) sind vorzusehen, wenn besondere Einflüsse die Standsicherheit gefährden. Solche Einflüsse können sein [3] :

80


a) Störungen des Bodengefüges wie Klüfte oder Verwerfungen b) zur Einschnittsohle hin einfallende Schichtung oder Schieferung c) nicht oder nur wenig verdichtete Verfüllungen oder Aufschüttungen d) Grundwasserabsenkung durch offene Wasserhaltungen e) Zufluss von Schichtenwasser f) nicht entwässerte Fließsandböden g) starke Erschütterungen aus Verkehr, Rammarbeiten, Verdichtungsarbeiten oder Sprengungen Die Standsicherheit bei unverbauten Wänden muss rechnerisch nachgewiesen werden, wenn [3] : a) bei senkrechten Wänden die vorgenannten Bedingungen nicht erfüllt sind, b) die Böschung mehr als 5 m hoch ist oder bei geböschten Wänden die oben angegebenen Böschungswinkel überschritten werden, wobei eine Böschungsneigung von mehr als 80° in keinem Fall zulässig ist, c) einer der oben genannten Einflüsse vorliegt und die zulässige Wandhöhe bzw. die Böschungsneigung nicht nach vorliegenden Erfahrungen zuverlässig festgelegt werden kann, d) vorhandene Leitungen oder andere bauliche Anlagen gefährdet werden können, e) das Gelände neben der Graben- bzw. Böschungskante stärker als 1 : 10 ansteigt oder unmittelbar neben dem Schutzstreifen von 0,60 m eine stärker als 1 : 2 geneigte Erdaufschüttung bzw. Stapellasten von mehr als 10 kN/m² zu erwarten sind, f) die nach der Straßenverkehrszulassungsordnung vom 23. 4. 1965 (StVZO) allgemein zugelassenen Straßenfahrzeuge sowie Bagger oder Hebezeuge bis zu 12 t Gesamtgewicht nicht einen Abstand von mindestens l,00 m zwischen der Außenkante der Aufstandsfläche und der Graben- bzw. Böschungskante einhalten, g) schwerere Fahrzeuge und Fahrzeuge mit höheren Achslasten, z. B. Straßenroller und andere Schwertransportfahrzeuge sowie Bagger oder Hebezeuge von mehr als 12 t Gesamtgewicht, nicht einen Abstand von mindestens 2,00 m zwischen der Außenkante der Aufstandsfläche und der Graben- bzw. Böschungskante einhalten. Um Schäden oder Herstellungsfehler beim Einbau der Böschungssicherung zu vermeiden, sind folgende Punkte zu beachten.

4.6 Trägerbohlwand

81

Tabelle 4.10 Angaben zur Qualitätssicherung bei bewehrten und verankerten Spritzbetonschalen Einmessen der Spritzbetonschale und Bohransatzpunkte Bohrgenauigkeit Spritzgut

Verpressgut Tragfähigkeit Normen Ausführung/Arbeitsablauf

Maßband, Gradwaage, Nivelliergerät, Theodolit, Horizontal- und Vertikallaser Gradwaage, Nivelliergerät Eignungsprüfung des verwendeten Materials Fremdüberwachung im Rahmen der B II - Betonüberwachung Herstellung von Probekörpern zur Überprüfung der erreichten Betonfestigkeit Messung und Überprüfung des W/Z-Wertes, der spezifischen Dichte des Zementmörtels mittels Zementwaage und Aräometer Herstellen von Rückstellproben Probebelastungen und Eignungsprüfungen Aufzeichnung der durchfahrenen Bodenschichten Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung DIN 18 551 Spritzbeton, Herstellung und Prüfung Arbeitsanweisungen gemäß Unternehmenshandbuch

4.6 Trägerbohlwand 4.6.1 Das Bauverfahren im Überblick Zur Herstellung von senkrechten Baugrubenumschließungen werden häufig Trägerbohlwände verwendet. Die Vorzüge der Trägerbohlwand ergeben sich aus: der Anpassungsfähigkeit an Hindernisse wie Leitungen, Schächte, alte Fundamente u. ä. der Einsatzmöglichkeit in nahezu allen Bodenarten die Möglichkeit der Wiedergewinnung der Bauteile der Wirtschaftlichkeit des gesamten Verbaues. Der Bohlträgerverbau gehört zu den biegeweichen Verbausystemen, d. h. dass unter Umständen Setzungen an benachbarten Bauwerken oder Verkehrswegen zu erwarten sind. Außerdem ist er nicht wasserdicht, so dass er nur oberhalb des gegebenenfalls abgesenkten Grundwasserspiegels eingesetzt werden kann. Trägerbohlwände bestehen aus senkrechten Traggliedern (i. Allg. Stahlträger) und einer Ausfachung aus Holz, Stahl, Stahlbeton oder Spritzbeton (Bild 4.23). Das Einbringen der Stahlträger (Abstand ca. 1 bis 3,5 m, Steg jeweils senkrecht zur Baugrubenwand) erfolgt im Allgemeinen durch Rammen, Einrütteln oder durch Einstellen in vorgebohrte Löcher. Im Normalfall sind die Stahlträger zwischen 4 und 18 m lang, in Sonderfällen auch bis 20 m.

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Die Ausfachung muss fest am Erdreich anliegen. Dies kann z. B. durch Ankeilen der Verbohlung erzielt werden. Nach der Art der Ausfachung unterscheidet man den waagerechten und den senkrechten Verbau. Als Ausfachung kommen in der Praxis Kanthölzer von 12 bis 16 cm Dicke zur Anwendung. Das breit gefächerte Einsatzgebiet der Trägerbohlwände und die hervorragende Anpassungsfähigkeit dieses Verfahrens an örtliche Gegebenheiten haben bis zum heutigen Tag eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Abwandlungen entstehen lassen.

Bild 4.23 Trägerbohlwand im Schnitt

4.6.2 Technische Grundlagen Die Konstruktion, Bemessung und Ausführung von Verbaumaßnahmen wird durch die DIN 4124 Baugruben und Gräben (Böschungen, Arbeitsraumbreiten, Verbau) geregelt. Mitgeltende DIN-Normen und Vorschriften sind u. a.: Tabelle 4.11

Übersicht über geltende Normen

DIN 1045 EN ISO 14688

Kurzbezeichnung DIN Beton und Stahlbeton 4123 Geotechnische Erkundung und 4084 Untersuchung Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden EAU Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassung EAB Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Kurzbezeichnung Gebäudesicherung Gelände- und Böschungsbruchberechnungen

Die Herstellung einer Trägerbohlwand besteht aus folgenden Schritten: Einbau der Träger Beginn des Aushubs mit Einbau der Ausfachung

4.6 Trägerbohlwand

83

Einbau der Abstützungen (Anker oder Steifen), sobald der Aushub eine Tiefe von ca. 0,5 m 0,8 m unter der geplanten Abstützung erreicht hat Fortsetzung des Aushubs bis zur Baugrubensohle Schrittweiser Rückbau der Ausfachung und der Abstützungen während der Herstellung des Bauwerks und der damit verbundenen Wiederverfüllung der Baugrube Ziehen der Träger nach Wiederverfüllung der Baugrube Wie eingangs beschrieben, gibt es mehrere Möglichkeiten, die Tragglieder, in der Regel Stahlträger, in den Baugrund einzubringen. Entscheidend für die Wahl der Einbringart sind die Komponenten Baugrund, zulässige Erschütterungen und zulässige Lärmentwicklung. Der Trägereinbau kann erfolgen durch: Rammen, ein sehr wirtschaftliches Verfahren, sofern der Baugrund aus bindigem bzw. grobkörnigem Boden (Sand und Kies) besteht. Nachteilig sind jedoch die erhebliche Lärmbelästigung und die möglichen Erschütterungen. Rütteln ist bei entsprechendem Baugrund (siehe Rammen) eine ebenfalls kostengünstige Methode. Die Erschütterungen können bei Anwendung des Vorbohrverfahrens erheblich reduziert werden. Einstellen in Bohrlöcher, ein Verfahren, welches in allen Bodenarten ohne wesentliche Lärmbelästigung und Erschütterung eingesetzt werden kann. Hierzu kommt aufgrund der hohen Bohrleistung überwiegend das VdW-Verfahren (Vor-der-Wand-Verfahren) zur Anwendung. Der Verfahrensablauf sowie die zugehörigen Geräte und Stoffe sind im Kapitel 3 Bohrpfähle erläutert. Nachdem das Bohrloch auf die entsprechende Tiefe abgeteuft worden ist, wird anschließend der Träger in das Loch eingestellt, ausgerichtet und fixiert. Der verbleibende Hohlraum wird mit Magerbeton, Kalkmörtel, Sand o. ä. verfüllt. Um eine gute Lastübertragung der Vertikalkräfte am Trägerfuß sicherzustellen, werden Fußplatten an die Träger geheftet, die beim späteren Ziehen der Träger im Boden verbleiben. Die Lastübertragung kann noch optimiert werden, indem die Fußplatten nicht auf die Bohrlochsohle, sondern auf Betonpfropfen (siehe Bild 4.24) gestellt werden.

Bild 4.24 Fußausbildung eingestellter Verbauträger

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4.6.3 Das Bauverfahren 4.6.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Tabelle 4.12 Prozesse zur Herstellung einer Trägerbohlwand Prozesse

Teilprozesse

Geräte


(1) Freiräumen des Baufeldes (2) Einmessen der Trägerbohlwandachse (1) Träger zur Einbaustelle transportieren und ausrichten (2) Einschlagen der Träger in den Baugrund (1) Beginn des Bodenaushubes (2) Ausfachung in die Baugrube transportieren (3) Einbringen und Verkeilen der Ausfachung (z. B. Holzbohlen)

-

Raupe/Bagger/Radlader Theodolit

-

(1) Rundhölzer bzw. Breitflanschträger zur Baugrube transportieren (2) Einbau der Gurte und Steifen (1) Träger anklemmen und anlösen Träger herausziehen, ablegen und säubern (2) Ausbau der Ausfachung und der Aussteifung (3) sämtliche Verbaumaterialien zum Abtransport verladen

-

Hydraulikbagger, Radlader, LKW Hydraulikbagger mit Mäkler und Rammbär Hydraulikbagger mit Tieflöffel Radlader, LKW, Hydraulikbagger Kleinwerkzeug: Vorschlaghammer, Brechstange, etc. Radlader, LKW, Hydraulikbagger

I

II

III

IV

Einbringen der senkrechten Tragglieder

Aushub mit gleichzeitigem Einbringen der Ausfachung ab t = 1,25 m von GOK Einbau der Abstützungen (Gurte mit Steifen)

Rückbau der Trägerbohlwand

V

-

-

Seil- bzw. Hydraulikbagger Seilbagger mit Pfahlzieher

-

Bagger

-

LKW, Radlader

-

4.6.3.2 Die Geräte Die Geräte zum Einrammen, Einrütteln und evtl. Ziehen der senkrechten Tragglieder sind identisch mit denen, die bei der Spundwandherstellung im Kapitel 4.7.3.2 zum Einsatz kommen. Deswegen werden Trägergeräte, Mäkler und Rammbären sowie Vibrationsbären hier nicht weiter behandelt.

4.6.3.3 Die wichtigsten Stoffe Die Trägerbohlwand setzt sich aus den drei folgenden Bestandteilen zusammen: die Bohlträger die Ausfachung die Abstützung

4.6 Trägerbohlwand

85

Bohlträger Als Bohlträger verwendet man fast ausnahmslos Breitflanschträger der HEA-, HEB- und HEM-Reihe. Die Wahl des Profils hängt vom Einbringverfahren, vom Baugrund und von den statischen Erfordernissen ab. Bei üblichen Baugrubentiefen von 8 bis 15 m liegen die Profilgrößen im Bereich von HEB 300 bis HEB 500. Werden die Träger nicht gerammt, sondern in vorgebohrte Löcher gestellt, so kommen auch mit Blechen verbundene ][-Profile in Frage (Bild 4.25).

Bild 4.25 Bohlträger aus ][-Profilen

Ausfachung Besonders zahlreich sind die Möglichkeiten, die Wand zwischen den Bohlträgern zu verkleiden. Die Einzelteile der Ausfachung müssen so lang sein, dass sie auf jeder Seite mindestens auf einem Fünftel der Flanschbreite aufliegen. Im Folgenden werden nur die am häufigsten angewandten Ausfachungselemente dargestellt. Die Holzausfachung kann aus Kant- oder Rundhölzern bestehen. Da die Verarbeitung von Rundhölzern sehr aufwendig ist, kommen überwiegend fehlkantige, sägegestreifte oder vollkantige (siehe Bild 4.26) Hölzer der Güteklasse II nach DIN 4074 zur Anwendung.

a) fehlkantig Bild 4.26 Holz-Schnittformen [9]

b) sägegestreift

c) vollkantig

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Die Holzausfachung hat den Vorteil, dass sie kostengünstig ist und vor Ort den äußeren Umstanden angepasst werden kann. Wenn Setzungen im Bereich der Baugrube akzeptabel sind, belässt man die Holzausfachung im Boden, ansonsten sollte die Verbohlung bei dem Verfüllen der Baugrube wiedergewonnen werden.

Bild 4.27 Trägerbohlwand mit waagerechter Holzausfachung

Spundwand-Leichtprofile und/oder Kanaldielen kommen häufig bei der senkrechten Ausfachung zum Einsatz, da diese Elemente dem Aushub voreilend in den Boden gerammt oder gedrückt werden. Sie können entweder hinter oder zwischen den Trägern angeordnet werden. In jedem Fall ist eine Gurtung durch Stahlprofile oder Kanthölzer erforderlich. Da der Boden nicht freigelegt wird, kann er sich nicht auflockern, was die Setzungsgefahr benachbarter Bauwerke verringert. Die Handarbeit beim Abschachten und Freilegen des Bodens, wie sie beim Holzverbau erforderlich ist, entfällt. Haupteinsatzgebiete sind Böden, die zum Fließen oder Ausrieseln neigen. Da die Spundwand-Leichtprofile im Zuge der Verfüllung ohne Probleme mit den Traggliedern gezogen werden können, sind diese leicht wiedergewinn- und erneut einsetzbar.

4.6 Trägerbohlwand

87

Bild 4.28 Bohlträgerverbau mit senkrechter Ausfachung aus Kanaldielen [9]

In der nachfolgenden Grafik sind gängige Leichtprofile und Kanaldielen von führenden Herstellern abgebildet. Weitere Querschnittswerte und Angaben sind im Anhang zu finden.

Bild 4.29 Verschiedene Kanaldielen und Leichtprofile für die Bohlträgerausfachung [9]

Selten angewendet wird die Ausfachung mit vorgefertigten Stahlbetonplatten oder balken. Grund dafür ist das hohe Gewicht der Fertigteile, die nicht mehr von Hand versetzt werden können.

Bild 4.30 Ausfachung mit Stahlbetonfertigteilen

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Ihr Vorteil liegt gegenüber einer Ortbetonausfachung darin, dass sie schneller eingebaut werden können und sofort belastbar sind. Außerdem ist es möglich, die Fertigteile wieder zu gewinnen. Da die Bohlen auf eine fixe Länge gefertigt werden, müssen die Bohlträger maßgerecht eingebracht werden. Ausfachung mit Ortbeton kann bei bindigem zeitweise standfestem Boden zum Einsatz kommen. Je nach Bodenverhältnissen wird die Baugrube im Bereich der Wand abschnittsweise auf ca. 1,0 m Höhe ausgeschachtet und als Ausfachung meist bewehrter Ortbeton eingebracht. Der Beton kann auch als Spritzbeton im Trockenspritz- oder im Nassspritzverfahren aufgetragen werden. Der Verbau mit Ortbeton liegt satt am Erdreich an. Diese Methode ist wenig lohnintensiv und wird daher in großem Maße angewendet. Bei diesem Verfahren bleibt die Ortbetonausfachung im Baugrund, und nur die Stahlträger können wiedergewonnen werden.

Bild 4.31 Trägerbohlwand mit Ortbetonausfachung

Bild 4.32 Spritzbetonausfachung mit Bewehrung

Abstützungen Zur Aussteifung gegenüberliegender Bohlträger werden System-Stahlstreben mit Spindeleinrichtungen und teilweise Rundholzsteifen verwendet, solange der Abstand etwa 8 bis 10 m nicht überschreitet. Rundholzsteifen müssen an ihren Enden abgefast sein. Sie liegen in [Gurten, die an die Bohlträger angeschraubt oder angeschweißt sind, durchlaufen die gesamte Baugrubenlänge und sichern somit den seitlichen Abstand der Bohlträger. Nach der Verkeilung, zu der grundsätzlich Hartholzkeile verwendet werden sollen, sind die Steifen durch Anbringen von Winkelstücken oder Stahlstäben gegen Verschieben zu sichern. Das Abheben verhindern bereits die Flansche des [-Gurtes. Bei Baugrubenbreiten von mehr als 10 m werden die Abmessungen von Holzsteifen im Allgemeinen zu groß. Man wählt dann Stahlsteifen aus HEB- oder PSp-Profilen. Zur Auflagerung dienen Gurtwinkel, deren Flansch zur Aufnahme der Keile und der Kopfplatten breit genug ist und darüber hinaus noch genügend Platz für die Anordnung von Knaggen lässt. Mit Hilfe der Knaggen wir die Steife gegen Abheben, Verschieben und Verdrehen gesichert.

4.6 Trägerbohlwand

Bild 4.33 Links: Auflagerung von Holzsteifen;

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Rechts: Auflagerung von Stahlsteifen [10]

Eine weitere Möglichkeit der Abstützung ist die Rückwärtige Verankerung. Sie wird angeordnet, wenn die Baugrube zu breit ist oder wenn die Steifen den Bauvorgang erheblich behindern. Bei Profil-Bohlträgern setzt man die Anker gegen Gurte, die ihrerseits die Bohlträger stützen. Angewendet werden meist Verpressanker nach DIN EN 1537, auf die hier nicht weiter eingegangen wird, da Verpressanker im Kapitel 4.7 Spundwände noch ausführlich beschrieben werden.

Bild 4.34 Links: Abstützung mit Steifen und Gurten am Beispiel einer Spundwand [11] ; Rechts: Rückwärtige Verankerung durch Verpressanker [12]

90


4.6.3.4 Der Personalbedarf Der Personalbedarf zur Sicherung einer Baugrube durch eine Trägerbohlwand ist stark abhängig von der Ausfachungsart, die eingebaut werden soll. Als Beispiel werden hier Personalangaben für die Ausfachung mit Kanthölzern, auch Berliner Verbau genannt, dargestellt. Ein eingespieltes Arbeitsteam besteht meistens aus: 2 Maschinisten für die Bedienung des Trägergerätes zum Einbringen der Tragglieder des Hydraulikbagger für den anstehenden Erdaushub, 3 Helfern, die einerseits den Maschinisten beim Rammen unterstützen sowie später die Holzausfachung und die Abstützungen einbringen, 1 Rammmeister, der für die Vorarbeiten sorgt, die Rammung kontrolliert und alle eingesetzten Geräte betreut. Durch ein zeitliches Entzerren der einzelnen Tätigkeiten kann sich die Kolonnenstärke auch reduzieren.

4.6.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Allgemeingültige Angaben über die Tagesleistung zur Herstellung von Trägerbohlwänden können nicht gegeben werden, da diese durch zahlreiche Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Ausfachung und Abstützung bedingt sind. In der nachfolgenden Tabelle werden die gewichtigen Teilprozesse zur Herstellung von Trägerbohlwänden betrachtet. Es wird davon ausgegangen, dass die Tragglieder gerammt werden, die Ausfachung aus Kanthölzern besteht und die Abstützung mit Steifen erfolgt. Bei diesem Verfahren ergibt sich eine Tagesleistung von 25 bis 70 m² Verbau.

4.6 Trägerbohlwand

91

Tabelle 4.13 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


II

(1) Träger zur Einbaustelle transportieren und ausrichten (2) Einschlagen der Träger in den Baugrund

(1) Beginn des Bodenaushubes III

IV

V

(2) Ausfachung in die Baugrube transportieren (1) Rundhölzer bzw. Breitflanschträger zur Baugrube transportieren (2) Einbau der Gurte und Steifen

(1) Träger anklemmen und anlösen, Träger herausziehen und ablegen und säubern (2) Ausbau der Ausfachung und der Aussteifung

Hydraulikbagger ggf. mit Lasthaken LKW Radlader Hydraulikbagger Rammeinrichtung für Hydraulikbagger Rammgerät: + Vibrationsbär hydraulisch Hydraulikaggregat

Personalbedarf

D.1.60. AC

1 Maschinist

P.2.12. D.3.10.

1 Fahrer 1 Helfer 1 Maschinist mit 1 bis 2 Helfern und 1 Rammmeister

D.1.00. J.0.11.

Kalkulatorische Aufwandswerte 0,2 - 0,3 h/t

0,1 - 0,2 h/m

J.3.10.

Hydraulikbagger + Monoblockausleger

J.3.20. D.1.00 D.1.40. D.1.60.

+ Tieflöffel LKW Radlader

P.2.12. D.3.10.

Ausstattung wie III (2)

1 Maschinist 12 -16 m³/h 1 Fahrer 1 Helfer

0,2 - 0,3 h/t

1 Fahrer 1 Helfer 0,2 - 0,3 h/t

Mobilseilbagger + Grundausleger + Hakenflaschen Hydraulikbagger + Monoblockausleger + Tieflöffel Bagger wie II (2) oder Mobilseilbagger + Grundausleger

D.0.10. D.0.30. D.0.33. D.1.00. D.1.40. D.1.60.

D.0.10. D.0.30. J.4.00.

pro Bagger 1 Maschinist und 2 Helfer

1,5 - 2,5 h/m² abhängig von der Tiefe

1 Maschinist für Bagger und 1 Helfer 0,1 - 0,2 h/m

+ Pfahlzieher Ausstattung IV (2)

wie

1 Maschinist und 2 Helfer

1,2 - 2,5 h/m²

92


Tabelle 4.14 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten für das Herstellen von Trägerbohlwänden

Sonstiges

Herstellen Trägerbohlwand

Tätigkeit


Rüstzeiten pro Stahlträger Ausrichten und Nachstellen

5 bis 15 min pro Stahlträger 5 bis 10 min je Stahlträger sehr stark abhängig von der Verfahrensart und Bodenbeschaffenheit Einbringen des Stahlträgers Dieselhammer: 25 mm pro 10 Hammerschläge (identisch mit Spundbohlen) Vibrationsbär: 0,5 bis 4,0 m pro min Boden Einbau der Verbohlung standfest: nicht standfest: 0,5 - 1,6 h/m² 1,8 - 2,2 h/m² Umstellen des Gerätes 3 min pro Stahlträger Einbau Absteifung 1,5 2,5 h/m² 1 bis 2 Tage Baustelleneinrichtung 1 bis 3 Stunden in der Woche Geräteausfall 3 bis 4 Stunden pro Eckpunkt Eckpunkte ausbilden 1 bis 2 Tage Räumen der Baustelle

4.6.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Neben den in der VOB/C DIN 18 303 und 18 304 festgelegten Bedingungen wurden spezielle technische Bedingungen entwickelt. Diese können zusätzlich vereinbart werden und sind nachfolgend dargestellt.

Spezielle technische Bedingungen für Ramm- und Rüttelarbeiten mit Stahlprofilen (STB - RRS) [13] 1. Nebenleistungen (1) Herstellen und Beseitigen erforderlicher Führungskonstruktionen (z. B. Schablonen, Zangen) (2) Einhalten der plangemäßen Höhe der Oberkante der eingebauten Profile mit einer Genauigkeit von ± 20 cm. (3) Einhalten der plangemäßen Achse im Rammansatzpunkt mit einer Genauigkeit von ± 10 cm und der plangemäßen Neigung mit einer Genauigkeit von 1°. 2. Besondere Leistungen (1) Erdarbeiten zum Auslegen der Führungskonstruktion (2) Liefern und Einbauen von Eck- und Abzweigbohlen, Anbauteilen sowie Formteilen (3) Maßnahmen zum Tieferführen der Profile, wie z. B. Jungfern oder Aufstocken (4) Reinigen der freigelegten Ansichtsflächen sowie Beseitigen der anfallenden Materialien (5) Gestellen von Rammhauben bei Lieferung der Profile durch den Auftraggeber

4.6 Trägerbohlwand

93

(6) Statische und/oder dynamische Probebelastungen sowie Integritätsprüfungen (7) Erschütterungsmessungen 3. Aufmass und Abrechnung Es gilt ATV DIN 18 304, Abschnitt. 5, entsprechend. Fehlrammungen bzw. -rüttlung (infolge von Hindernissen im Baugrund): entsprechend Abschnitt 5.2.

Spezielle Technische Bedingungen für Verbauarbeiten mit Ausfachung (STB-VBA) [13] Je nach Verbauart gelten folgende Spezielle Technische Bedingungen zusätzlich: STB-BP STB-E STB-HDI STB-VA

Bohr-, Bohrpfahl- und Bohrpfahlwandarbeiten Einpressarbeiten (Injektionsarbeiten) Hochdruckinjektionsarbeiten Verpressankerarbeiten

1. Nebenleistungen Einhalten einer plangemäßen Höhe der Oberkante der eingebauten Profile mit einer Genauigkeit von ± 20 cm. 2. Besondere Leistungen (1) Liefern und Einbauen von Anbauteilen, Formteilen, Unterstützungskonstruktion (z. B. für Kabel, Leitungen) (2) Herstellen und Abbrechen erforderlicher Schablonen sowie Beseitigen der anfallenden Materialien (3) Erdarbeiten bis Hinterkante Ausfachung im Zuge der Verbauarbeiten sowie Laden, Transportieren und Deponieren der anfallenden Erdmassen einschließlich möglicher Ausbrüche. Fachgerechtes Verfüllen von Ausbrüchen einschließlich Liefern der dafür erforderlichen Materialien (4) Säubern der Pfähle und Profile für das Einbauen der Ausfachung (5) Fassen und beseitigen von Wasser (6) Rückbau der Ausfachung, Ziehen der Verbauträger und ggf. Verfüllen der Hohlräume 3. Aufmass und Abrechnung Gemäß oben aufgeführten STB's. Ergänzend dazu: ATV DIN 18 303, Abschnitt 5

94


4.6.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Die allgemeinen Hinweise zur Qualitätssicherung haben auch bei der Trägerbohlwand ihre Gültigkeit. Aufgrund ihrer hohen Flexibilität sind hier keine Einbringtoleranzen angegeben. Vor der Ausführung sollte auf nachfolgende Ergebnisse geachtet werden, da etwa 1/3 aller Schadensfälle auf Planungsfehler (unzureichende Voruntersuchungen) zurückzuführen sind. Letztlich können durch die Voruntersuchungen natürlich nicht alle Risiken abgewandt werden. Tabelle 4.15 Baugrundverhältnisse auf der Baustelle und entlang der Trägerbohlwand 1.

Geotechnische Eigenschaften aufgrund - Schichtung des Baugrunds des Baugrundgutachtens - Kornverteilung, Wichte, Konsistenz usw. - Grundwasser vorhanden? - Wasserdurchlässigkeit des Bodens - Scherparameter, Kohäsion - Ramm- und Drucksondierungsergebnisse

2.

Topographische Eigenschaften

- räumliche Einschränkungen auf der Baustelle - Einschlüsse von Holz, Steinblöcken, Gebäuderesten - setzungsempfindliche Nachbarbebauung

3.

Erdstatische Berechnungen

- auf den Grundlagen der oben genannten Aufzählung

Die Lage und Stellung der Bohlen wird im Rammplan angegeben. Abweichungen hiervon sind durch die Art der Rammung und die vorhandenen Bodenverhältnisse möglich. Je präziser die lotrechte Rammung geführt wird, umso einfacher und schneller kann die Ausfachung eingebaut werden. Mit dem Einbau der Ausfachung ist spätestens zu beginnen, wenn eine Tiefe von 1,25 m erreicht ist. Der Einbau der weiteren Ausfachung darf hinter dem Aushub bei steifen oder halbfesten bindigen Böden höchstens um 1,0 m, bei vorübergehend standfesten nichtbindigen Böden um 0,5 m zurück sein. Holzbohlen müssen auf mindestens einem Fünftel der Flanschbreite aufliegen. Der Einbau von Abstützungen (Anker oder Steifen) muss erfolgen, wenn der Bodenaushub eine Tiefe von ca. 0,5 m bis 0,8 m unter der geplanten Abstützung erreicht hat.

4.7 Spundwände 4.7.1 Das Bauverfahren im Überblick Spundwände verwendet man als Baugrubenverbau seit über 100 Jahren. Während anfangs Holzbohlen gerammt wurden, um Geländesprünge auch bei anstehendem Grundwasser zu sichern, werden heute ausschließlich Stahlprofile eingesetzt.

4.7 Spundwände

95

Holzbohlen sind ab einer gewissen Tiefe der Baugrube nicht mehr einsetzbar, da ihre statischen und rammtechnischen Eigenschaften wesentlich schlechter sind als die der Stahlspundwandprofile. Zunächst hatte man versucht, tiefe Baugruben mit Elementen aus Wellblech und Gusseisen zu umschließen [14]. Der Bremer Staatsbaumeister Larssen erfand 1902 ein U-förmiges Walzprofil, das über kleine Z-förmige angenietete Profile mit der Nachbarbohle schlossartig verbunden wurde. Im Jahre 1912 wurde von Oberbaurat Lamp eine Wellenspundwand aus Z-Profilen entwickelt, wobei die Herstellung des verwendeten Klauenund Rundzapfenverschlusses Probleme bereitete. Die Weiterentwicklung der Z-Bohlen führte 1926 zu dem HOESCH-Profil mit Labyrinthschloss. Während in der Anfangszeit der Stahlprofile die Breite je Bohle aus walztechnischen Gründen begrenzt war, sind die Profile heute auf 50 bis 60 cm verbreitert worden, wobei auch die Schlösser wesentlich verbessert wurden. Die Spundwand ist als weiche Verbauart anzusehen und kann daher nicht unmittelbar neben bestehender Bebauung eingesetzt werden. Die Vor- und Nachteile von Spundwänden als Baugrubenverbau sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. Tabelle 4.16

Vor- und Nachteile von Spundwänden

Vorteile - Schneller Baufortschritt - Aushub großräumig sofort nach Einbringen der Bohlen möglich - Einbau praktisch witterungsunabhängig - Bauteile wiedergewinnbar - Auch in nicht standfesten Böden anwendbar - Auch im Grundwasser anwendbar - Geringer Personalaufwand - Gut überschaubarer Geräteeinsatz - Aufnahme von Vertikalkräften

Nachteile - Beim Einbringen der Bohlen sind Lärm und Erschütterungen unvermeidbar - Weicher Verbau, Setzungsgefahr für Bebauung - Wegen beschränkter Transportlängen nicht für beliebige Tiefen anwendbar (allenfalls durch Schweißen verlängerbar) - Hohe Investitionskosten - Einsatzgrenze durch Rammbarkeit des Bodens - Wenig flexibel (z. B. bei Leitungs kreuzungen) - Beim Ziehen der Bohlen entstehen Hohlräume (Setzungsgefahr)

Spundbohlen sind das klassische Wandelement des Wasserbaues, da sie als weitgehend wasserdicht anzusehen sind. Ihr Einsatz als Baugrubenverbau bietet sich daher überall dort an, wo im Grundwasser oder im offenen Wasser trockene Baugruben hergestellt werden müssen oder wo Bodenschichten anstehen, die den Bau einer Trägerbohlwand nicht zulassen, da sie auch kurzzeitig nicht ausreichend standfest sind (z. B. Fließsandschichten, breiige bis weiche bindige Böden).

96


4.7.2 Technische Grundlagen Für die Herstellung einer Spundwand gelten die folgenden Normen: Tabelle 4.17 Übersicht über geltende Normen DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

1055

Lastannahmen für Bauten

4020

Geotechnische Untersuchungen

EN 10 248

Warmgewalzte Stahlspundbohlen

EN ISO 14688

Baugrund und Grundwasser

EN 10 249

Kaltgeformte Stahlspundbohlen

4085

Berechnung des Erddrucks

EN 1537

Verpress-, Kurzzeit- und Daueranker

4124

Baugruben und Gräben

EAU Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassung EAB Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Spundwände sind Flächentragwerke, die durch Aneinanderreihen von einzelnen vertikal angeordneten Bohlen entstehen. Durch die Form der Bohlen bedingt, entsteht eine im Grundriss wellenförmige Wand (Bild 4.35). Die Wahl der Spundwandprofile richtet sich nicht nur nach der Beanspruchung aus Erd- und Wasserdruck im Endzustand, sondern auch nach rammtechnischen Gesichtspunkten und der Verfügbarkeit von Bohlen. Die Bohlen werden während des Einbringens vorwiegend in Längsrichtung auf Druck, Beulen, Knicken und Torsion beansprucht, während sie für den eingebauten Zustand vorwiegend auf Biegung bemessen werden müssen.

Bild 4.35

Grundriss einer Spundwandbaugrube

Die wesentlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Bohlenprofilen liegen in der Querschnittsform sowie der Form und Lage des Schlosses. Die Schlösser müssen den Bohlen eine gute Führung beim Einbringen geben, die Bohlen zugfest miteinander verbinden und möglichst wasserdicht sein. Die Profile werden als Einzelbohle (selten), Doppelbohle (häufigster Fall) oder Dreifachbohle in den Baugrund gerammt, gerüttelt, gepresst oder eingestellt.

4.7 Spundwände

97

Die üblichen horizontalen Fußabweichungen liegen in der Größenordnung von 1 bis 1,5 % der Wandhöhe. Bei Baugruben in offenen Gewässern werden häufig Fangedämme eingesetzt, wobei zwischen Kastenfangedämmen und Zellenfangedämmen unterschieden wird [15] .

4.7.2.1 Fangdämme Kastenfangedämme bestehen aus zwei gegenseitig verankerten, parallel angeordneten Spundwänden mit einem dazwischen liegenden, nichtbindigen Füllmaterial. Steht der Fangedamm auf Fels, so sind mindestens zwei Ankerlagen einzubauen. Lassen sich die Spundbohlen in den Baugrund einrammen, so reicht eine Ankerlage. Bei Zellenfangedämmen werden spezielle Flachprofile mit hoher Schlosszugfestigkeit verwendet. Im Gegensatz zu Kastenfangedämmen sind keine Gurtungen und Verankerungen erforderlich. Die durch das nichtbindige Füllmaterial und den einseitigen Wasserdruck hervorgerufenen Beanspruchungen führen nur zu Zugkräften in den Profilen. Zellenfangedämme (Bild 4.36) eignen sich besonders bei einer Gründung auf Fels, da aus statischen Gründen keine Einbindetiefe erforderlich ist.

Bild 4.36

Kastenfangedamm (links), Kreiszellenfangedamm (mitte) und Flachzellenfangedamm (rechts)

4.7.3 Das Bauverfahren 4.7.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Stahlspundwände können eingebracht werden durch: Rammen Rütteln

98


Einpressen Einstellen Die Wahl der Einbringmethode hängt in erster Linie von der Baugrundbeschaffenheit, dem Umfeld der Baustelle und dem erforderlichen Spundwandprofil ab. Diese Parameter bestimmen das zu verwendende Verfahren. Tabelle 4.18 zeigt die Rammeignung der verschiedenen Bodenarten. Während das schlagende Rammen grundsätzlich in allen Bodenarten anwendbar ist, kann das Vibrations- und Einpressverfahren nur in bestimmten Böden eingesetzt werden. Die Tabelle 4.19 und die Tabelle 4.20 zeigen die Einsatzmöglichkeiten. Tabelle 4.18 Rammeignung der Böden [9] Leichte Rammung Moor, Torf, Schlick, Klei, locker gelagerte und hindernisfreie Kiese und Sande, breiige bis weiche Tone und Schluffe

Mittelschwere Rammung Steife Tone und Schluffe, mitteldicht gelagerte kiese und Sande

Schwere Rammung dicht gelagerte Kiese, halbfeste bis feste Tone und Schluffe, Geschiebemergel, Fels

Tabelle 4.19 Eignung für das Vibrationsverfahren [9] Gut rundkörnige Kiese und Sande, weiche bis breiige Tone, Schluffe, weicher bis breiiger Löß und Schlick

Bedingt eckige Kiese und Sande, steife Tone, Schluffe, steifer Löß

nicht geeignet Kiese mit bindigen Beimengungen, sehr fest gelagerte trockene Kiese und Sande, steifer bis fester Ton und Mergel

Tabelle 4.20 Eignung für das Einpressverfahren [9] Gut Moor, Schlick, Klei weiche bis steife Tone und Schluffe, locker bis mitteldicht gelagerte Sande und Kiese

Bedingt feste Tone und Schluffe, mitteldicht bis dicht gelagerte Kiese und Sande

nicht geeignet sehr feste Tone und Schluffe, sehr dicht gelagerte Kiese und Sande, alle Böden mit Steineinschlüssen

Das Einbringen von Spundwänden lässt sich in folgende Prozesse zerlegen:

4.7 Spundwände

99

Tabelle 4.21 Prozesse der Spundwandherstellung

I

Prozess Vorbereitende Maßnahmen Einbringen der Spundbohlen

II

Einbau der Rückwärtigen VerankeIII rung Ziehen der Spundbohlen (Nur wenn Spundbohlen nicht IV Bestandteil des fertigen Bauteils bleiben sollen)

Teilprozess (1) Freiräumen des Baufeldes (2) Einmessen der Spundwandachse (1) Bohle aufnehmen, zur Einbaustelle transportieren und ausrichten (2) Einrammen nach verschiedenen Methoden mit verschiedenen Einbaugeräten (3) Ggf. Rammhilfen verwenden (4) Versetzen des Rammgerätes (5) Abschnittsweiser Aushub des Bodens (1) Herstellen eines Bohrloches (2) Einbau des Stahlzuggliedes (3) Verpressen (4) Anspannen (5) ggf. Entspannen beim Rückbau (1) Bohle anseilen/anketten Bohle herausziehen Bohle ablegen und säubern (2) Spundwände zum Abtransport verladen

Gerät Raupe, Radlader, Walze etc. Theodolit, Nivelliergerät Seilbagger mit freihängender Rammeinrichtung Universalgerüst Hydraulikbagger mit: Anbaumäkler Rammbär Spundwandpresse ggf. Rammhilfsmittel Hydraulikbagger Ankerbohrgerät Verpressstation, Mischer und Injektionspumpe Spannpresse -

-

Seilbagger, Hydraulikbagger, Autokran

Bild 4.37 Links: Baugrubensicherung durch eine rückwärtig verankerte Stahlspundwand [16] Rechts: Schnitt durch die umlaufende Gurtung mit Anker [17]

100


4.7.3.2 Geräte Trägergeräte Als Trägergeräte werden heute fast ausschließlich Hydraulikbagger (Bild 4.38) genutzt, da diese aufgrund der leicht austauschbaren Anbaugeräte universell einsetzbar sind und somit der Forderung nach größtmöglicher Kapazitätsausnutzung entgegenkommen. Der Hydraulikbagger muss an seinem Ausleger ein hohes Gewicht tragen können. Das Gesamtgewicht von Mäkler, Winden und Rammgut mit Schlaghaube kann etwa 10 bis 20 t betragen. Somit kommen in der Spundwandbauweise vorwiegend Bagger mit einem Dienstgewicht von 20 bis 40 t in Betracht. Alle Geräte sind grundsätzlich ohne oder nur durch unwesentliche Umbaumaßnahmen sowohl für Ramm- als auch für Zieharbeiten einsetzbar. Nur bei sehr langem und schwerem Rammgut werden Seilbagger mit Gitterausleger als Geräteträger eingesetzt. Diese müssen wegen der hohen Anbaulasten mit HD (heavy-duty)- oder LC (long crawler)- Fahrwerk ausgerüstet sein und infolgedessen ein Dienstgewicht von 45 bzw. 60 t. besitzen. Gegenüber den in der Vergangenheit häufig eingesetzten Rammvorrichtungen, die auf Schienen laufen, zeichnen sich die Bagger durch viel größere Beweglichkeit aus.

Bild 4.38

Hydraulikbagger RG 20/ AR 150 [16]

Bild 4.39

Seilbagger SW 190/MS 32 als Trägergerät beim Rammen von Doppelspundbohlen

In nachfolgender Tabelle wird die Eignung der Trägergeräte in Abhängigkeit verschiedener Kriterien beschrieben.

4.7 Spundwände

101

Tabelle 4.22 Eignung der Trägergeräte [18] Baustellenbeweglichkeit

Ramm- Rammgutgut länge neigbar > 15m
0,5 m verzichtet werden, wenn sie statisch nicht erforderlich ist. Schrägpfähle sind stets zu bewehren. Bei Zugpfählen ist die Zugbewehrung unvermindert über die ganze Länge des Bohrpfahles zu führen. Der Bewehrungskorb ist so auszusteifen und aufzuhängen, dass er bei Transport, Einbau und Betonieren nicht bleibend verformt wird. Die Bewehrung ist vor und nach dem Betonieren am Pfahlkopf auf Abweichungen von der Solllage zu kontrollieren. Sofern eine Betondeckung von 5 cm nicht bereits durch die Wanddicke der Bohrrohre zustande kommt, sind Abstandhalter anzuordnen. Bei unverrohrten Bohrungen müssen großflächige Abstandhalter verwendet werden, deren Form garantiert, dass beim Einführen der Bewehrung in die Bohrung kein Nachbruch aus der Bohrlochwand verursacht wird. Um sicherzustellen, dass der Bewehrungskorb beim Betonieren und Ziehen des Bohrrohrs in seiner vorgesehenen Lage bleibt, ist der Einbau eines Kreuzes aus Flachstahl am unteren Ende der Bewehrung erforderlich. Da bei verrohrter Bohrung ein unbeabsichtigtes Verdrehen des Bewehrungskorbes beim Ziehen der Rohre nicht auszuschließen ist, darf nur bei absoluter sichergestellter und sorgfältiger Arbeitsweise von einer radialsymmetrischen Anordnung der Bewehrung abgewichen werden.

Bild 4.52 Links: Mögliche Aussteifung durch geschweißten Ring aus Flachstahl [20] Rechts: Fertiger Bewehrungskorb mit Flachstahlkreuz am unteren Ende [9]

Beim Einbringen von Beton mit einem Größtkorn von 32 mm Durchmesser in eine mit einer Tonsuspension gestützte Bohrung ist ein lichter Mindestabstand der Längsbewehrungsstäbe von 70 mm bei einer dynamischen Fließgrenze von 10 N/m² bzw. ein Abstand von 90 mm bei 30 N/m² vorzusehen. Wird Beton mit einem Größtkorn von 16 mm verwendet, darf der lichte Abstand auf 50 mm verringert werden. Ergänzend zur Anforderung nach DIN 1045 ist ein lichter Mindestabstand der Bewehrungsstäbe vom zweifachen Größtkorndurchmesser der Zuschlagstoffe einzuhalten.

124


Stützflüssigkeit Während des Bohrvorganges wird der Flüssigkeitsspiegel im Bohrloch ständig höher als der natürliche Grundwasserspiegel im Boden gehalten. Durch den höheren Innendruck wird die Bohrung stabilisiert. Als Stützflüssigkeit kann Wasser, Tonsuspensionen oder Polymerflüssigkeiten verwendet werden. Mit Wasser werden nicht standfeste Feinsande oder Schluffe bei einem Wasserüberdruck von mehr als 2 m stabilisiert. Das im Bohrloch unter Überdruck stehende Wasser fließt durch die Bohrlochwandung in die Umgebung ab. Der Strömungsdruck verhindert, dass Bodenmaterial in die Bohrung fällt und das Bohrloch einstürzt. Grobkörnige Böden wie Sande und Kiessande, werden mit Hilfe von Tonsuspensionen stabilisiert. Die unter Überdruck stehende Suspension dringt in die Bohrlochwandung ein, filtert dort aus und bildet eine undurchlässige Membrane, den Filterkuchen. Diese Membrane stützt die Bohrlochwandung und verhindert das Hineinfallen von Bodenkörnern (bei großen Körnern wie sandarmem Grobkies funktioniert dieser Mechanismus nicht mehr). Verwendet werden Tone, die in Verbindung mit Wasser ein starkes Quellverhalten zeigen (Bentonite). Daneben können diese Suspensionen durch ihr thixotropes Verhalten Scherkräfte aufnehmen, die Bodenpartikel bis zu Korngrößen von 10 mm in Schwebe halten.

Bild 4.53 Bildung des Filterkuchens [20]

Polymere Flüssigkeiten sind in Wasser gelöste, langkettige Moleküle, die durch ihre netzartige Struktur Feinteile in Schwebe halten und damit den Eigenschaften von Bentonitsuspensionen ähneln. Ihr Vorteil liegt in der Unempfindlichkeit gegenüber Zement und der einfacheren Trennung von Boden und Suspension.

4.8 Bohrpfahlwände

125

4.8.3.4 Der Personalbedarf Bei der Herstellung von Bohrpfahlwänden kommen in der Regel verschiedene Arbeitsgruppen zum Einsatz. So wird z. B. die Bohrschablone von einer separaten Kolonne gefertigt. Sie ist vorwiegend auf Schal- und Betonarbeiten spezialisiert und umfasst i. d. R. 2 - 3 Personen. Für jeden verwendeten Bagger ist zusätzlich ein Maschinist und ggf. ein Helfer und pro Lkw je ein Fahrer anzusetzen. Die Bewehrung wird heutzutage überwiegend vorgefertigt auf die Baustelle geliefert. Die eigentliche Wandherstellung wird von der Bohrkolonne vollzogen. Sie hat folgende Zusammensetzung: 1 Bohrmeister (Betreut i. d. R. mehrere Arbeitsgruppen) 1 Geräteführer 2 Bohrhelfer Der Bohrmeister ist nur indirekt am Fertigungsprozess beteiligt. Er führt hauptsächlich koordinierende und kontrollierende Aufgaben durch. Zudem führt er die Disposition von Materialien und Geräten durch.

4.8.3.5 Informationen zur Kalkulation Nachfolgende Tabelle des Betriebsmittelsatzes enthält die gewichtigen Teilprozesse für die Herstellung einer überschnittenen Bohrpfahlwand im VDW-Verfahren: Beton C 25/30, ∅ 90 cm, Tiefe 15 m, Bodenklasse LN nach DIN 18 301 (s. u.). Tabelle 4.34 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


Hydraulikbagger (1) Aushub des Freiraums für die Bohr- + Auslegerunterteil schablonen + Auslegeroberteil

II

Personalbedarf

D.1.00.0

1 Maschinist

D.1.41.0

1 Helfer


D.1.42.0

+ Löffelstiel

D.1.43.0

+ Tieflöffel

D.1.60.

10 - 20 m³/h

Lastkraftwagen 6 x 6 je 1 Fahrer + Dreiseitenkippein- P.2.11. richtung. P.2.11.0.. .AF (2) Schalen, Bewehren, Betonieren der Bohrschablone

2-3 Helfer

0,75 - 1,20 h/m pro Kolonne

126


(3) Alternativleistung Verlegen von Fertigteilen

Bagger wie II (1)

(4) Beseitigen der Bohrschablone

ggf. Bagger wie II (1) Schraubenkompressor, fahrbar Abbau- und Spatenhammer Hydraulikbagger

(1) Abteufen der Primärbohrung im VDW-Verfahren

III


Q.0.0*. Q.6.01.

(1 Maschinist) 2 Helfer

D.0.01. 1 Geräteführer + Bohr- und Ramm- K.2.00. gerät 2 Helfer K.2.02. + Doppelkraftdreh- K.2.03. kopf K.7.01. + Druckrohr K.7.01. .AD + FörderK.6.0*. Bohrschnecke + Bohrkopf zweischn.

Ohne Transportkosten 0,20 - 0,25 h/m2 bzw. mit 0,60 - 0,90 h/m2 75 - 125 m pro Tag

0,25 - 0,35 h/m Pfahl

+ Bohrrohr Ausstattung wie (2) Betonieren durch das Seelenrohr der III (1) Bohrschnecke unter + Betonierkopf gleichzeitigem Ziehen von Verrohrung und Schnecke IV

(3) Bohrgut laden und abtransportieren

Ausstattung wie II (1)

(1) Abteufen der Sekundärbohrung im VDW-Verfahren und Ziehen der Bohrschnecke

Hydraulikbagger

V

K.2.02.0 .01

1 Geräteführer 2 Helfer

Personal wie II (1) D.0.01.

+ Bohr- und Ramm- K.2.00. gerät K.2.02. + Doppelkraftdreh- K.2.03. kopf K.7.01. + Druckrohr K.7.01. .. .AD + FörderK.6.0*. Bohrschnecke


0,20 - 0,30 h/m Pfahl

+ Bohrkopf zweischneidig + Bohrrohr (2) Bohrgut laden und abtransportieren


Personal wie II (1)

(4) Einbau und Ausrichten der Bewehrung

Ausstattung wie IV (1)


0,5 - 0,75 h/Korb

4.8 Bohrpfahlwände

(5) Einlassen der Schüttrohre

127



VI

(6) Betonieren unter langsamen Ziehen der Schütt- und Bohrrohre


(1) Reinigen der Außenschale

HochdruckStrahlwasseranlage Schraubenkompressor, fahrbar Abbau- und Spatenhammer

(2) Eventualleistung Freilegen und Kappen der Bohrköpfe

z.B. Unterwasserbetoniereinrichtung

In III bzw. IV 1 enthalten

1 Geräteführer

2530- (BGL 91)

Wie IV 5

2 Helfer

T.3.00.

Q.0.0*.

2 Helfer

5,00 bis10,00 /m²

2 Helfer

1,0 - 1,2 h/Kolonne und Stück

Q.6.01.

Tabelle 4.35 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten für das Herstellen eines Bohrpfahls Tätigkeit

Sonstiges

Bohrvorgang

Abteufen der Bohrung mit Teilverdrängerschnecke unverrohrt

Abteufen der Bohrung im Greiferbohrverfahren

Tätigkeits- und Rüstzeiten nach Tangierende Pfahlwand, ∅ 60 cm,15 m tief, Bodenklasse LN 0,30 h/m Geräteleistung in einer 10h-Schicht ~ 20 m² Überschnittene Pfahlwand, ∅ 120 cm, Bodenklasse LN, Zusatzklasse S2 Zulage ~ 0,60 h/m 0,35 - 0,45 h/m Geräteleistung in einer 10h-Schicht 20 - 25 m²

Umsetzen und Ausrichten der Bohranlage Anschneiden der Primärpfähle bei einer überschnittenen Pfahlwand Baustelleneinrichtung Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall / -wartung Räumen der Baustelle

20 - 30 min wenn möglich, nicht später als 6 bis 10 Stunden nach dem Betoniervorgang 1 - 2 Tage 20 - 30 min pro Tag 3 - 5 Stunden in der Woche 1 Tag

4.8.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Grundlagen zur mangelfreien, sach- und vertragsgerechten Ausführung von Bohrpfählen sind in der VOB/C DIN 18 301 Bohrarbeiten geregelt. Sie enthält unter anderem Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung. Diese Hinweise geben sinnvolle Anhaltspunkte zum Inhalt der Leistungsbeschreibung. Nachfolgend seien nur die wichtigsten aufgeführt: Angaben zu Baustellenbegebenheiten und Umwelteinflüssen Belastbarkeit der Vorfluter für Spülwasser inklusive Auflagen und Gebühren

128


Angaben zu Nachbarbebauungen Beschreibung von Boden und Fels Informationen zu vorhandenen Aufschlussbohrungen wie Bodenprofile usw. Anzahl, Art sowie Verwendung der Bohrlöcher Gem. DIN 18 301 werden für Bodenarbeiten alle Böden in folgende Klassen eingestuft: Lockergesteine Klasse LN

Nichtbindige Lockergesteine (Hauptbestandteile Sand, Kies), Korngröße ≤ 63 mm

Klasse LB

Bindige Lockergesteine (Hauptbestandteil Schluff, Ton bzw. Sand, Kies mit hohen Massenanteilen von Schluff, Ton), Korngröße ≤ 63 mm

Klasse LO

Organische Böden

Zusatzklasse S Kommen in Lockergesteinen Steine (Korngröße über 63 mm) vor, so wird in Abhängigkeit von Größe und Anteil der Steine bis 600 mm zusätzlich zu den o. g. Klassen klassifiziert; Steine größer als 600 mm werden hinsichtlich Größe und Anteil gesondert angegeben. Massenanteil der Steine

Zusatzklassen für Steingröße bis 300 mm

bis 600 mm

bis 30 %

S1

S3

über 30 %

S2

S4

Festgesteine und vergleichbare Bodenarten Klasse F

Festgesteine

Einaxiale Druckfestigkeit MN/m²

Klassen der Festgesteine Trennflächenabstand Dezimeterbereich

Zentimeterbereich

bis 5

FD 1

FZ 1

über 5 bis 50

FD 2

FZ 2

über 50 bis 100

FD 3

FZ 3

über 100

FD 4

FZ 4

Neben den in der VOB/C festgelegten Bedingungen wurden spezielle technische Bedingungen entwickelt. Die STB-BP für Bohrarbeiten ist nachfolgend aufgeführt.

4.8 Bohrpfahlwände

129

Spezielle technische Bedingungen für Bohr-, Bohrpfahl und Bohrpfahlwandarbeiten (STB-BP) 1. Nebenleistungen (1) Einhalten einer plangemäßen Höhe der Pfahloberkante bis zu 50 cm über Sollhöhe bei erforderlicher Leerbohrung. (2) Einbauen der Bewehrungskörbe oder Träger mit einer Höhentoleranz von ± 20 cm bzw. ± 2 % der Korb-/Trägerlänge. Der größere Wert ist maßgebend. (Bei schwimmender Bewehrung verdoppeln sich die Toleranzen.) (3) Beton- und ggf. Stützflüssigkeitsmehrverbrauch bis zu 10 % des theoretischen Pfahlvolumens. 2. Besondere Leistungen (1) Liefern und Einbauen von Aussparungen (z. B. für Decken- und Sohlanschlüsse) und der hierfür notwendigen Anschlussbewehrung. (2) Bodenbedingter Beton- und ggf. Stützflüssigkeitsmehrverbrauch bei Überschreiten des oben unter Nr. l Ziff. (3) genannten Wertes. (3) Anpassen der Stützflüssigkeit bei vom Leistungsverzeichnis abweichenden Baugrundverhältnissen. (4) Abstemmen des Überbetons am Pfahlkopf bis zur plangemäßen Höhe, Herrichten der Anschlussbewehrung sowie Beseitigen der anfallenden Materialien. (5) Beseitigen der unbrauchbaren Stützflüssigkeit und des mit Stützflüssigkeit vermengten Bodens. (6) Herstellen und Abbrechen der Bohrschablone sowie Beseitigen der anfallenden Materialien. (7) Reinigen der freigelegten Ansichtsflächen, Abstemmen von Vorwüchsen sowie Beseitigen der anfallenden Materialien. (8) Freilegen von Aussparungskörpern und Anschlussbewehrungen in den Pfählen sowie Beseitigen der anfallenden Materialien. (9) Statische und / oder dynamische Probebelastungen sowie Integritätsprüfungen. 3. Aufmaß und Abrechnung Ergänzend zu ATV DIN 18 301, Abschn. 5: Pfahllänge: von plangemäßer Oberkante bis vorgeschriebener Unterkante des Pfahles. Leerbohrung: von Oberkante Bohrplanum / Bohrschablone bis zur plangemäßen Oberkante Pfahlkopf. Stahlgewicht: ermittelt unter Ansatz der statisch erforderlichen Pfahlbewehrung und der konstruktiven Einbauteile für die Bewehrungskörbe, wie z. B. Aussteifungsringe, Aufstandskreuze oder Abstandshalter.

130


4.8.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Bei der Herstellung von Bohrpfahlwänden zur Grundwasserabsperrung sind folgende qualitätssichernde Maßnahmen notwendig: Kontrolle der Vertikalität und Überschneidung der Bohrungen (exakte Führung und Vermessung der Bohrrohre bzw. der Bohrschnecke, nachträgliche Vermessung mit Neigungssonden) Reinigung der Bohrlochsohle zur Vermeidung von Setzungen infolge von Vertikallasten (Öffnen von Fugen), insbesondere bei feinkörnigen Böden Überprüfung der Betoneigenschaften In modernen Bohranlagen ist für den Qualitätsnachweis der hergestellten Pfähle eine elektronische Messdatenerfassung (z. B. Fa. Bauer: MEDEF, B-Tronic)Fehler! Textmarke nicht definiert. installiert. Diese kann Daten für die Bohrtiefe, Umdrehungsrate, Ziehgeschwindigkeit beim Betonieren, Betondruck sowie die Betonmenge online im Gerät erfassen, darstellen und speichern. Bei der von der Firma Bauer eingesetzten B-Tronic ist zusätzlich eine 3DVertikalitätskontrolle möglich. Somit kann die Qualität mit Hilfe dieser Systeme noch während der Produktion überwacht werden. Die in Tabelle 4.36 dargestellten Angaben über Abstände und Toleranzen einer überschnittenen Pfahlwand gelten für den Regelfall. Unter differierenden Voraussetzungen müssen die Werte angepasst werden. Tabelle 4.36 Achsabstände der Pfähle bei der überschnittenen Pfahlwand im Regelfall [20] Pfahldurchmesser D (cm)

Achsabstand a (cm)

Toleranzmaß für die Abweichung von der Lotrechten (% der Länge)

60 90 120

45 75 105

0,5 % bis 1,0 %

Bei dem in Bild 4.54 dargestellten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Pfähle 1 und 2 nur in Richtung der Wandachse ausweichen. Setzt man weiter voraus, dass die Pfähle in die entgegen gesetzte Richtung abweichen, so würden sich beide Pfähle mit einer Abweichungstoleranz von 0,75 % in einer Tiefe von 10 m gerade noch berühren. Soll ein wasserdichter Verbau mit einer Tiefe von 20 m erstellt werden, darf die Abweichung nur noch 0,4 % betragen. Zusätzlich muss das Toleranzmaß abgemindert werden, um ein Ausweichen senkrecht zur Wandachse zu berücksichtigen. Ist die vorgegebene Toleranz zu klein und kann nicht eingehalten werden, muss der Achsabstand der Pfähle verringert werden.

4.8 Bohrpfahlwände

131

Bild 4.54 Auswirkungen von Abweichungen aus der Lotrechten [20]

a) l = 10m

b) l = 20 m

Unter Berücksichtigung der beschriebenen Maßnahmen lässt sich die folgende Tabelle zusammenstellen. Tabelle 4.37 Maßnahmen zur Qualitätssicherung von Bohrpfahlwänden [20] vor der Baumaßnahme -

-

-

Untersuchung der geologischen und topographischen Eigenschaften Festlegung der Abteufungstiefe basierend auf den Aufschlussbohrungen Erstellung von Testlamellen Ausführungsbeschreibung Eignungsprüfung aller Materialien und Geräte

während der Baumaßnahme -

-

Kontrolle der Vertikalität und Überschneidung der Bohrungen Reinigen der Bohrlochsohle Sorgfältiger Umgang mit der Bewehrung Überprüfung der Betoneigenschaften

nach der Baumaßnahme -

-

Güteüberwachung, Ultraschallprüfung Kernbohrung Endvermessen der Pfahlwand Erd- und Wasserdruckmessungen Setzpunkte auf GOK Fugenkontrolle Überprüfung der Systemdichtigkeit über Großpumpversuche Vermessung der Nachbarbebauung

132


4.9 Schlitzwände 4.9.1 Die Bauverfahren im Überblick Schlitzwände sind Wände aus Beton oder Stahlbeton, die in flüssigkeitsgestützten Erdschlitzen entweder nach dem Kontraktorbetonverfahren (Ortbeton-Schlitzwand) mit einer Mindestdicke von 40 cm erstellt oder durch das Einhängen von Betonfertigteilen (FertigteilSchlitzwand) hergestellt werden. Schlitzwände können in fast allen Böden abgeteuft werden. Probleme ergeben sich bei sehr durchlässigen Auffüllungen (z. B. Trümmerschutt), da die Stützflüssigkeit abfließt und der erforderliche Stützdruck nicht aufgebaut werden kann, bei Festgestein, das mit Fallmeißel und Greifer nicht oder nur sehr aufwendig gelöst werden kann, und bei organischen Säuren im Grundwasser, die eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Suspension bewirken können. Schlitzwände können wie Bohrpfahlwände einen vorübergehenden Zweck (Baugrubenwände) haben oder Bestandteil einer bleibenden Konstruktion (U-Bahn, Tiefgarage o. ä.) werden. In beiden Fällen können sie tragende oder dichtende bzw. tragende und dichtende Funktion haben. Die Bauweise ist verformungsarm und daher auch zur Sicherung bestehender Gebäude anwendbar. Sie konkurriert oft mit der Bohrpfahlwand. Das typische Verfahren zur Herstellung einer gefrästen Stahlbeton-Schlitzwand im Pilgerschrittverfahren ist in den folgenden Bildern skizziert.

Bild 4.55 Phasen einer Schlitzwandherstellung [24]

4.9 Schlitzwände

133

Bild 4.56 Phasen einer Schlitzwandherstellung [25]

Die Reihenfolge der zu erstellenden Schlitze kann entweder im oben skizzierten Pilgerschrittverfahren oder kontinuierlich erfolgen (Bild 4.57). In Abhängigkeit von der eingesetzten Dichtmasse können die Primärschlitze nach ca. 1 bis 2 Tagen angeschnitten werden.

Bild 4.57 Arbeitsfolgen zur Herstellung einer Schlitzwand

Die Arbeitsprozesse für das Bauverfahren Schlitzwandherstellung sind in der Tabelle 4.39 im Überblick dargestellt. Die Vorteile gegenüber Trägerbohlwänden und Spundwänden sind die gleichen wie bei der Bohrpfahlwand (Kap.4.8.1 ). Gegenüber der Bohrpfahlwand weist die Schlitzwand folgende Vorteile auf: Die Zahl der Fugen ist bei Schlitzwänden wesentlich geringer (Fugenabstand je nach Lamellenlänge ca. 2 bis 5 m). Da die Fugen mögliche Wasserdurchtrittsstellen sind, ist der Restwasseranfall bei einer Schlitzwand i. Allg. kleiner als bei einer Bohrpfahlwand. Durch Hindernisse im Boden wird die Vertikalität einer Schlitzwand und der saubere Anschluss der einzelnen Lamellen weniger gestört als bei Pfahlwänden, bei denen es zu einem Auseinanderlaufen der Pfähle kommen kann. Es muss nicht, wie bei der Bohrpfahlwand, bereits erhärteter Beton angeschnitten werden.

134


Die Nachteile der Schlitzwand gegenüber der Bohrpfahlwand sind im Kap.4.8.1 zusammengestellt. Sie sollen hier nicht wiederholt werden.

4.9.2 Technische Grundlagen Die Planung, Prüfung und Ausführung wird in der DIN EN 1538 Ortbeton-Schlitzwände (Konstruktion und Ausführung) geregelt. Die wesentlichen mit geltenden Normen sind: Tabelle 4.38 Übersicht über geltende Normen DIN Kurzbezeichnung DIN 1045 Beton und Stahlbeton 4030 1053 Mauerwerk 4123 1054 Zul. Belastung des Baugrunds 4127 EAU Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassung EAB Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Kurzbezeichnung Betonangreifende Wässer Gebäudesicherung Stützende Flüssigkeiten

Die Herstellung einer Schlitzwand besteht aus folgenden Arbeitsgängen: Voraushub bis ca. 1,0 bis 1,5 m unter Gelände. Einbau von Leitwänden aus Betonfertigteilen, Stahlfertigteilen oder Ortbeton. Die Leitwände, die häufig gegeneinander ausgesteift werden, nehmen den Erddruck im oberen Bereich auf, verhindern das Nachfallen des Bodens und dienen dem Greifer als Führung. Der Raum zwischen den Leitwänden dient als Vorhalteraum für die Stützflüssigkeit. Aushub einer Lamelle (übliche Lamellenlängen bis 5 m). Als Aushubgeräte werden spezielle Schlitzwandgreifer mit Gewichten von 5 bis 10 t verwendet. Das Nachrutschen des Bodens in die Lamelle wird durch die Stützflüssigkeit (i. A. BentonitSuspension) verhindert. Die Rezeptur der Stützflüssigkeit (3 bis 6 kg Bentonit / m3) muss auf das Korngerüst der anstehenden Bodenart abgestimmt werden. Einbringen der Abschalrohre. Sie garantieren eine senkrecht verlaufende halbkreisförmig ausgebildete Trennfuge zwischen den Primär- und den Sekundärlamellen. Einbringen des Bewehrungskorbes. Betonieren der Lamelle im Kontraktorverfahren bei gleichzeitigem Abpumpen der Stützflüssigkeit, die regeneriert und mehrfach wieder verwendet werden kann. Ziehen der Abschalrohre nach dem Erstarren des Betons. Die Rohre werden mit hydraulischen Ziehvorrichtungen wieder gewonnen. Aushub der nächsten Schlitzwandlamelle. Die Länge einer Lamelle richtet sich nach den Abmessungen des Greifers, dem anstehenden Baugrund einschließlich der Wasserverhältnisse und der angrenzenden Bebauung. Für Aufgaben im innerstädtischen Tiefbau sind Schlitzwandtiefen bis ca. 30 m ausreichend. Allerdings sind auch schon Schlitzwände bis ca. 50 m Tiefe erstellt worden.

4.9 Schlitzwände

135

Die Herstellung der Wand kann alternierend oder kontinuierlich erfolgen. Bei der alternierenden Bauweise wird nach Fertigstellung einer Schlitzwandlamelle stets erst der übernächste Abschnitt betoniert (Pilgerschrittverfahren). Hierbei haben Primär- und Sekundärlamellen stets unterschiedliche Abmessungen, was durch das Abschalrohr bedingt ist. Bei der kontinuierlichen Herstellung haben (bis auf die 1. Lamelle) alle Lamellen gleiche Abmessungen, was für die Herstellung (z. B. Ausbildung der Bewehrungskörbe, Anordnung von Ankern und Steifen) von Vorteil sein kann.

Bild 4.58

Form und Abmessungen von Lamellen bei einer Greiferbreite von 2,50 m und einer Wanddicke von 0,60 m

Mehr noch als andere Arbeiten des Spezialtiefbaues verlangt die Herstellung von Schlitzwänden umfangreiche Erfahrungen, wobei dem Geräteführer des Schlitzwandgreifers die größte Verantwortung zukommt. Die Qualität einer Schlitzwand wird im Wesentlichen durch folgende Merkmale bestimmt: geschlossene und dichte Wand saubere Oberfläche der Betonwand, die je nach Bodenbeschaffenheit Betonauswüchse aufweist Vertikalität und Einhaltung der Flucht Bei der Abdichtungswirkung von Schlitzwänden ist zwischen der Dichtheit des Betons und der Dichtheit der Fugen zu unterscheiden. Der Beton ist meistens ausreichend wasserdicht, so dass Wasserdurchtritte auf die Fugen beschränkt bleiben. Daher sind bei der Herstellung der Fugen besondere Maßnahmen vorzusehen, z. B. soll durch Putzen der Fuge zwischen zwei Lamellen vor dem Betonieren verhindert werden, dass dort Sand- oder Kiesnester verbleiben [26].

136


Die Güte der Schlitzwandoberfläche wird durch die anstehenden Bodenarten bestimmt. Bei grobkörnigen Böden sind eher Betonnasen zu erwarten als bei feinkörnigen, da bei grobkörnigen Böden die Stützwirkung der Suspension infolge ihrer größeren Eindringung in den anstehenden Boden an dessen Oberfläche nicht voll wirksam wird. Unregelmäßigkeiten an der Wandoberfläche sind immer dann zu erwarten, wenn beim Schlitzen Hindernisse auftreten, die z. B. durch Meißeln beseitigt werden müssen. Hierbei können örtlich größere Bodeneinbrüche auftreten, die nach dem Ausfüllen mit Beton Auswüchse bilden. Die richtige Lage der Lamelle im Grundriss wird durch die Leitwände, die nötige Vertikalität durch die Leiteinrichtungen und durch das Gewicht der Seilgreifer gewährleistet. Durch Loten und Kontrolle des Anschlusses an bereits fertig gestellte Wandteile kann die Richtungstreue des Erdschlitzes horizontal und vertikal überprüft werden [27].

Bild 4.59

Zulässige und unzulässige Erscheinungsformen der betonierten Schlitzwand (aus [27])

4.9 Schlitzwände

137

4.9.3 Das Bauverfahren 4.9.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die einzelnen Prozesse sind in dem Abschnitt 4.9.2 beschrieben. Für eine Schlitzwand im Zweiphasen-Verfahren werden die entsprechenden Prozesse in der folgenden Tabelle gelistet.

Prozesse und zugehörige Geräte Tabelle 4.39 Prozesse der Schlitzwandherstellung (Zweiphasen-Verfahren) [18] Prozess

I

II

Vorbereitende Maßnahmen (1) Freiräumen des Baufeldes, evtl. Erstellen eines Arbeitsplanums Herstellen der Leitwand (1) Voraushub: Ausheben, Laden, Abtransportieren oder Zwischenlagern (2) Ortbeton: Schalen Bewehren, Betonieren (3) Alternativleistung: Fertigteile als Leitwand nach anerkannten Regeln der Technik setzen Aushub des flüssigkeitsge- (1) Antransport und Lagerung der stützten Schlitzes Komponenten für die Stützflüssigkeit (2) Aufbereiten und Transportieren der Stützflüssigkeit (3) Aushub des Schlitzes

III

Fugenausbildung

IV Herstellen der Schlitzwand

V

Teilprozess

(4) Eventualleistung Beseitigen von Hindernissen beim Aushub (5) Abtransport des Aushubes (6) Separierung/Aufbereitung der Stützflüssigkeit (7) Transport und Deponierung überschüssiger Suspension (1) Abstellrohre: Einsetzen, Ziehen (2) Eventualleistung Fugenbänder: Einbauen (1) Einhängen und Positionieren des Bewehrungskorbes in den Schlitz (2) Betonieren (Kontraktorverfahren)

Gerät -

Raupe/Bagger/Radlader, Walze Hydraulikbagger LKW/Radlader

-

Bagger, Kleinwerkzeug

-

Bagger, Kleinwerkzeug

-

LKW, Silos

-

Mischanlage, Pumpen, Schläuche/Rohre Trägergerät mit Greifer (oder Tieflöffel/Fräse)

-

-

Greifer oder Meißel

-

LKW Siebe, Zyklone, Pumpen, Absetzbecken LKW

-

Bagger, Pressen

-

Bagger Bagger/Kran

-

-

LKW (Transportbeton), Betonpumpe, Betonierrohre, Bagger

138


4.9.3.2 Die Geräte Verfahrensspezifische Geräte In den nachfolgenden Abschnitten werden die speziellen Geräte und Werkzeuge, die zur Herstellung von Schlitz- und Dichtungsschlitzwänden benötigt werden, beschrieben. Als erstes wird auf die Grabwerkzeuge zum Lösen des Bodens eingegangen, hier: Seil- und Hydraulikgreifer Tieflöffeleinrichtungen Schlitzfräsen Im Anschluss folgen Ausführungen zu den Trägergeräten und der Aufbereitungsanlage.

Greifer Die am häufigsten genutzten Aushubwerkzeuge sind Schlitzwandgreifer, die in mechanische und hydraulische Greifer unterteilt werden. Mechanische Greifer, auch Seilgreifer genannt, bestehen aus einem Grundkörper, auswechselbaren Schaufeln und einem Rollensystem, über das hohe Schließkräfte erzeugt werden können. Diese Schlitzwandgreifer werden für Aushubtiefen bis zu 50 m vorgesehen. Geführte Hydraulikgreifer dagegen können nur bis zu einer Tiefe von 30 m eingesetzt werden. In der Regel werden Schlitzwandgreifer eingesetzt, da bei deren Einsatz bei geringen Kosten und einer hohen Flexibilität eine vergleichsweise einfache Beseitigung von Hindernissen möglich ist. Wenn die Schließkräfte des Greifers zum Lösen des Bodens / Hindernisses nicht ausreichen, kann je nach Schaufelausführung optional ein Meißel installiert werden. Bei Seilgreifern kann eine Grabunterstützung nur durch das Eigengewicht des Gerätes erfolgen. Um zusätzliche Druckkräfte zu mobilisieren, können an Stangen geführte Greifer (Kellygreifer) eingesetzt werden. Es besteht die Möglichkeit, die Greifer mit Neigungsmessern und Steuerklappen auszurüsten, mit deren Hilfe eine Richtungskorrektur möglich ist. Übliche Gewichte von Schlitzwandgreifern liegen zwischen 10 und 15 t, falls erforderlich sind Greifergewichte bis zu 24 t einsetzbar. Die Aushubleistung beträgt in grobkörnigen Böden etwa 180 m²/d. Hydraulische Greifer benötigen zusätzliche Schlauchaufrollsysteme. Das bedeutet jedoch eine Einschränkung der Wendigkeit und eine Erhöhung der Anschaffungs- und Betriebskosten.

4.9 Schlitzwände

Bild 4.60 Links: mechanischer Seilgreifer

139

Rechts: hydraulischer Schlitzwandgreifer [28]

Tieflöffeleinrichtung Tieflöffelbagger können beim Schlitzwandaushub bis in Tiefen von 12 m eine hohe Leistung erbringen. Sie sind handelsübliche Hydraulikbagger, die mit einem Tieflöffel an einem besonders langen Greifarm ausgestattet sind. Tieflöffelbagger werden eingesetzt, wenn die Standfestigkeit des flüssigkeitsgestützten Schlitzes den Aushub von ausreichend langen Lamellen ermöglicht. Die Arbeitsschritte dieses Hydraulikbaggers geschehen kontinuierlich, so dass keine Arbeitsfugen entstehen.

Bild 4.61

Einsatz eines Tieflöffelbaggers

140


Fräsen Eine fortgeschrittene Technik wurde mit der Entwicklung von Schlitzwandfräsen erzielt. Im Gegensatz zur konventionellen Greifermethode zeichnet sich die Frästechnik in wichtigen Komponenten wie Wirtschaftlichkeit, Leistung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit durch entscheidende Vorteile aus. Zwei gegenläufige Schneidräder lösen das Material (siehe Bild 4.62), vermischen es mit der Suspension (Stützflüssigkeit) und fördern es zur Ansaugöffnung der Pumpe.

Bild 4.62

Links: Arbeitsprinzip der Fräse [18]

Rechts: Funktion der Schneidräder (Detail) [9]

Das Fräsgut wird dabei vor Eintritt in die Pumpe so zerkleinert, dass bei der hydraulischen Förderung keine Schlauchstopfer entstehen können. Die mit Bodenmaterial versetzte Suspension wird durch eine Ringleitung zur Aufbereitungsanlage gepumpt. Dort wird sie gereinigt und dem Schlitz wieder zugeführt. Die Suspension ist Förder- und Stützmittel zugleich. Der Aufbereitungsanlage kommt die wichtigste Aufgabe zu, die Bodenteile aus der Suspension zu lösen, um sie wieder zu verwenden. Die Tabelle 4.40 gibt einen Überblick über die Einsatzbereiche sowie die Vor- und Nachteile der zuvor beschriebenen Aushubwerkzeuge.

4.9 Schlitzwände

141

Tabelle 4.40 Einsatzbereiche und Merkmale von Schlitzwandgeräten [18] Seilgreifer

Hydraulikgreifer (Kellystange)

Breite

0,4 -1,2 m

0,5 - 2,0 m

Länge

2,4 - 4,3 m

2,0 - 4,2 m

Böden

Sande, Kiese, Geröllblö- Sande, Kiese, Geröllblö- Sande, Kiese, Geröllblö- Sande, Kiese, Fels cke, feinkörnige Böden cke, feinkörnige Böden cke, feinkörnige Böden

Tiefe

bis 50 m

Merkmale geringe bis mäßige

bis 30 m

Tieflöffel (Hydraulikbagger)

Fräsen 500 - 3200 mm

"endlos"

bis 12 m

mäßige Aushubleistung hohe Aushubleistung

2,2 - 5,0 m

bis 150 m hohe Aushubleistung

Aushubleistung flexible Tiefenanpassung

Tiefenanpassung bedingt möglich

Tiefenanpassung kaum Tiefenanpassung bedingt möglich möglich

geringe Erschütterung

geringe Erschütterung

kaum Erschütterung

keine Erschütterung

geringe Kosten

geringe Kosten

geringe Kosten

hohe Kosten

keine Greiferführung, steife Führung, mittlere gute Tieflöffelführung, aktive Greifersteuerung, vergleichsweise geringe bis hohe Lagegenauig- vergleichsweise mäßige sehr hohe LagegenauLagegenauigkeit keit, Lageaufmass Lagegenauigkeit igkeit, Lageaufmass gute Hindernisbeseiti- gute Hindernisbeseitigung, schneller Wechsel gung, hohe Lösekraft, auf Meißel schneller Wechsel auf Meißel

mäßige Hindernisbesei- Hindernisbeseitigung tigung, geringe Lösekraft durch 2 Geräte erforderlich, potent. Geräteschäden

kleine Arbeitsräume möglich

große Arbeitsräume notwendig

kleine Arbeitsräume möglich

wenig Fugen

Anschnitt von PrimärLamellen

große Arbeitsräume notwendig

Trägergeräte Als Trägergeräte kommen in der Regel Bagger auf Raupenfahrwerken mit einem Gewicht von 50 bis 150 t zum Einsatz. An diese Grundgeräte werden die Aushubwerkzeuge angebaut oder angehängt. Für hydraulisch betriebene Schlitzwandgreifer sind die Trägergeräte mit den erforderlichen Schlauchrollen ausgestattet. Insbesondere für Schlitzwandfräsen wurden spezielle Kompaktgeräte entwickelt (z. B. durch die Fa. Bauer), die den besonderen Anforderungen in der Schlitzwandtechnik entsprechen. Das Grundgerät kann hierbei ein handelsüblicher, schwerer Hydraulik- oder Seilbagger sein. Kompaktgeräte sind besonders für enge Baustellenverhältnisse geeignet. Die für den Fräsvorgang benötigten Pumpen sind im Gerät installiert. Im Allgemeinen wird die komplette Aushubausrüstung von den Systemlieferanten einschließlich der dazugehörigen Geräteträger mit sämtlich aufeinander abgestimmten Komponenten bezogen.

142


Aufbereitungsanlagen Die Aufbereitungsanlage zur Wiederverwendung gebrauchter Stützsuspension ist neben den Grabwerkzeugen die wichtigste Komponente der Schlitzwandbauweise. Sie muss der zu erwartenden Schlitzleistung entsprechen und im möglichen Durchsatz mindestens 20 % über der geplanten Aushubleistung liegen. Zur Aufbereitungsanlage gehören: Entsandungsanlage Silos Förder- und Umwälzpumpen Waagen Mischer div. Rohre und Schläuche ausreichende Strom und Wasserversorgung Baustellenlabor Das Durchlaufen der Entsandungsanlage stellt den Hauptbestandteil der Aufbereitung dar. Das System muss in der Lage sein, aus Suspensionen die Bodenanteile wirtschaftlich herauszulösen. Die Aufbereitungsanlagen können im Baukastensystem, wie von der Fa. Bauer angeboten, angeordnet sein. Durch Veränderungen der Baugruppen, Zyklone und Umwälzpumpen kann man Leistungen der Grundmodelle von 100 bis 250 m³/h ermöglichen. Zusätzlich ist es möglich, zwei Anlagen zu einer Gesamtanlage zu koppeln und dadurch die doppelte Leistung von 300 bis 500 m³/h zu erzielen.

Bild 4.63 Kreislauf der Suspension in einer Bentonitmisch- und Regenerierungsanlage [18]

4.9 Schlitzwände

143

4.9.3.3 Die wichtigsten Stoffe Stützflüssigkeit Die Stützsuspension aus Ton (Bentonit) und Wasser, bzw. beim Einphasen-Verfahren Ton, Wasser und Zement, wird nach der Eignungsprüfung in Chargenmischern oder kontinuierlichen Durchlaufmischern zusammengestellt. Standardrezepturen bei Einphasen-Verfahren bestehen aus [18]: 25 - 40 170 - 300 890 - 910

kg kg kg

Bentonit Zement Wasser

Fertigmischungen, die vor Ort nur noch mit Wasser vermischt werden müssen, setzen sich wie folgt zusammen: 180 - 300 890 - 940

kg kg

Trockenmischung [18] Wasser

Beton Der Beton für die konstruktive Wand (Zweiphasen-Verfahren) muss den allgemeinen Anforderungen der DIN 1045 bzw. EN 206 entsprechen. Zumeist wird ein B 25 bzw. C 20/25 verwendet, dessen Konsistenz wegen der besonderen Einbautechnik allerdings von der DIN 1045 abweicht (s. DIN EN 1538). Als Baustoff für Dichtwände wird meist ein sog. Erdbeton verwendet. Dieser wird aus Wasser, Bentonit, Zement, Füller (Tonmehl, Gesteinsmehl), Sand und Kies hergestellt. Standardrezepturen für einen Kubikmeter setzen sich zusammen aus [18] 0 0 170 0 600 300 350

-

30 160 300 200 950 500 500

kg kg kg kg kg kg kg

Bentonit Tonmehl Zement Steinmehl Sand Kies Wasser

Bewehrung Die Bewehrung einer Schlitzwandlamelle wird in vorgefertigten Körben eingebaut. Die Korbabmessungen entsprechen dabei den Schlitzwandabmessungen, sind aber auch von den zur Verfügung stehenden Hebegeräten abhängig. Bei besonders langen Schlitzen können auch zwei oder mehr Körbe nebeneinander gebaut werden. Aus statischen Gründen muss in den meisten Fällen die Vertikalbewehrung von horizontalen Bügeln umschlossen sein.

144


4.9.3.4 Der Personalbedarf Der Personalbedarf ist nach Bauvorhaben und Größe unterschiedlich, aber im Allgemeinen setzt sich die Kolonne auf der Baustelle wie folgt zusammen: 1 Polier oder Schachtmeister 1 Baggerführer 1 Maschinenführer 1-2 Helfer Verstärkt wird die Kolonne gegebenenfalls durch Arbeitskräfte in Laboreinrichtungen sowie Maschinisten, die für die Betreibung der Mischanlagen sowie Aufbereitungsanlagen zuständig sind. Das Herstellen der Bewehrung wird in den meisten Fällen von einer zweiten Kolonne (3 Mann) übernommen. Die Bewehrung wird mit einem zweiten Bagger eingesetzt, um ein größeres Umrüsten zu vermeiden.

4.9.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Als Tagesleistung für das Herstellen der Leitwände können 10 - 15 m/AT für Ortbeton- und 30 m/AT für Fertigteilleitwände angenommen werden. Überwiegend werden Fertigteile gegenüber der Ortbetonherstellung bevorzugt. Aufwandswerte für das Lösen des Bodens mittels Fräsen sind je nach Größe sowie Fabrikat des Gerätes und Zusammensetzung des Bodens unterschiedlich. Genaue Auskünfte über die Nettofräsleistungen erhält man bei den einzelnen Herstellern, wie z. B. Fa. Bauer oder der Fa. Wirth. Die Herstellung einer Schlitzwand im Greiferbetrieb ist oft nur in Sanden / Kiesen bei Tiefen von 30 - 40 m und Wandflächen von ca. 3000 bis 5000 m² wirtschaftlich. Tagesleistungen von mindestens 80 bis 100 m²/Gerät bis zu 200 m²/Gerät sind dabei möglich. Die kalkulatorischen Aufwandswerte zur Be- und Verarbeitung der Bewehrung basieren auf der Grundlage, dass die Bewehrungskörbe in einer Länge von 20 bis 30 m auf die Baustelle geliefert werden. In nachfolgender Tabelle werden Leistung und Kosten der gewichtigen Teilprozesse zur Herstellung von Schlitzwänden bewertet.

4.9 Schlitzwände

145


Teilprozess

Gerät


(1) Voraushub: Ausheben, Laden, Abtransportieren oder Zwischenlagern

Hydraulikbagger + Monoblockausleger + Löffelstiel + Tieflöffel LKW oder Radlader

(2) Fertigteile als Leitwand nach anerkannten Regeln der Technik setzen (2) Aufbereiten und Transportieren der Stützflüssigkeit

Bagger wie II. (1) Kleinwerkzeug

II

(3) Aushub des Schlitzes

III

IV

V

Bentonitbehälter Wasserbehälter Mischgerät Pumpe Schläuche/Rohre etc. Raupenseilbagger + Grundausleger + Schlitzwandgreifkörper mech. + Schlitzwandgreifkörper hydr. + Schlitzwandgreiferschalen Schlitzwandmeißel Fugenmeißel

(4) Eventualleistung Beseitigen von Hindernissen beim Aushub (5) Separierung/ Auf- Aufbereitungsanlage Brauchwasseraufbereibereitung der tungsanlage Stützflüssigkeit Förderschnecke Raupenseilbagger (1) Abstellrohre: Einsetzen, Ziehen (Ausrüstung für Kranbetrieb) Länge ~ 20m Abschalrohre Ziehgerät für Abschalrohre Raupenseilbagger (1) Einhängen und Positionieren des (Ausrüstung für Kranbetrieb) Bewehrungskorbes in den Schlitz (2) Betonieren (Kon- Betoniereinrichtung traktorverfahren)

D.1.00. D.1.40. D.1.43. D.1.60. P.2.12. D.3.10.

Personalbedarf


1 Maschinist 1 Fahrer 1 Maschinist 1 Maschinist 2 Helfer

T.7.01. T.7.10. J.6.20. J.6.01.

1 Anlagentechniker

D.0.00. D.0.30. K.9.10.

1 Maschinist ggf.1 Helfer

30 - 60 m³/h

30 m/AT

10 - 15 m³/h Komplett (2), (3) und (5)

K.9.11. K.9.12. K.9.13. K.9.14. B.8.00. B.8.10.

Nach Aufwand 1 Anlagentechniker

B.1.20. D.0.00. ... .AS 1 Maschinist 1 Helfer 1,00 h/Stck. 1 Stck. ~ 20 m

K.9.20. K.9.30. D.0.00. .. .AS


2530-

3 Helfer

(BGL 91)

Pro Korb eine Länge von 20 - 30 m 4 - 5 h/Korb 18 m³/h

146


Tabelle 4.42 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten für das Herstellen einer Schlitzwand

Sonstiges

Aushub des Schlitzes

Tätigkeit Herstellen des Schlitzes im Greiferverfahren (Tiefe 10 bis 12 m) Umsetzen und Ausrichten des Trägergerätes Anschneiden der Primärlamelle Baustelleneinrichtung Aufbau der Aufbereitungsanlagen / Entsandungsanlagen Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall / -wartung Räumen der Baustelle

Tätigkeits- und Rüstzeiten nach Wanddicke 120 cm, Bodenklasse 5 nach DIN 18 300 1 AT Herstellung 1 AT Bewehrung und Beton 1,0 - 2,0 h, Entfernungsabhängig 1,0 - 2,0 h 2 Tage 1 Tag 60 min pro Tag 2 Stunden in der Woche 2 Tage

4.9.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Grundlagen zur mangelfreien, sach- und vertragsgerechten Ausführung von Schlitzwänden sind in der VOB/C DIN 18 313 Schlitzwandarbeiten geregelt. Sie enthält unter anderem Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung. Diese Hinweise werden zwar nicht Bestandteil eines VOB-Vertrages, geben aber Anhaltspunkte über Angaben, die in der Leistungsbeschreibung gegeben werden sollten. Nachfolgend seien nur die wichtigsten aufgeführt: Angaben über den Baugrund, insbesondere Korngrößenverteilung, Porenanteil, Dichte und Scherparameter der anstehenden Böden natürliche oder künstliche Hohlräume (z. B. stillgelegte Kanäle) im Bereich der Wände Angaben über Lage und Art der benachbarten Bebauung und deren Gründung (Baugrund, Belastung und Standsicherheitsnachweise) Standsicherheitsnachweise unter Beachtung der Bauzustände für die erhärtete Wand und die mit stützender Flüssigkeit gefüllten Schlitze Angaben über die erforderlichen Eigenschaften der stützenden Flüssigkeit und das Ergebnis der Eignungsprüfung. Neben den in der VOB/C DIN 18313 festgelegten Bedingungen wurden spezielle technische Bedingungen entwickelt, nach denen weitere Vereinbarungen getroffen werden können. Diese ergänzenden Bedingungen können zusätzlich vereinbart werden.

Spezielle Technische Bedingungen für Schlitzwandarbeiten (STB-SW) [13] 1. Nebenleistungen (1) Einhalten der planmäßigen Höhe der Schlitzwandoberkante, zulässige Toleranz: -10 bis + 50 cm

4.9 Schlitzwände

147

(2) Einbauen der Bewehrungskörbe mit einer Höhentoleranz von ± 2 % der Korblänge (3) Stützflüssigkeits- und Betonmehrverbrauch bis zu 10 % des theoretischen Schlitzvolumens 2. Besondere Leistungen (1) Lieferung und Einbau von Aussparungen und der hierfür notwendigen Anschlussbewehrung (2) Bodenbedingter Stützflüssigkeits- und Betonmehrverbrauch bei Überschreiten des Richtwertes nach DIN 18 313 (3) Anpassung der Stützflüssigkeit bei vom LV abweichenden Baugrundverhältnissen (4) Abstemmung des Überbetons an der Schlitzwandoberkante bis zur plangemäßen Höhe, Erstellung der Anschlussbewehrung und Beseitigung der anfallenden Materialien (5) Beseitigung der unbrauchbaren Stützflüssigkeit und des mit Stützflüssigkeit vermengten Bodens (6) Herstellung und Abbrechen der Leitwände sowie Beseitigung des anfallenden Materials (7) Reinigung der freigelegten Ansichtsflächen. Abstemmung von Vorwüchsen sowie Beseitigung des anfallenden Materials (8) Freilegung von Aussparungskörpern und Anschlussbewehrungen in der Schlitzwand sowie Beseitigung des anfallenden Materials 3. Aufmass und Abrechnung Ergänzend zu ATV DIN 18 313, Abschnitt 5: Stahlgewicht: ermittelt unter Ansatz der statisch erforderlichen und konstruktiven Einbauteile

4.9.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Die Qualitätsüberwachung an Schlitzwänden vollzieht sich zum größten Teil in den Überwachungslabors. Festigkeitsprüfungen können unter anderem durch Entnahme von Probekörpern vorgenommen werden. Die Stärkebestimmung der eingebrachten Wände kann z. B. mittels Ultraschall vor Ort erfolgen. Um eine hohe Sicherheit und Qualität zu gewährleisten, sind die in der Tabelle 4.43 aufgeführten Maßnahmen zu beachten.

148


Tabelle 4.43 Maßnahmen zur Qualitätssicherung von Schlitzwandbauten [18] vor der Baumaßnahme -

-

-

Untersuchung der geologischen und topographischen Eigenschaften Festlegung der Schlitzwandtiefe basierend auf den Aufschlussbohrungen Erstellung von Testlamellen Ausführungsbeschreibung aller Materialien und Geräte


-

-

-

Prüfung des Schlitzwandansatzpunktes nach Lage und Richtung Kontrolle der Bentonit-, Suspensions-, Beton- und Filtratwassereigenschaften Bewehrungsabnahme Vermessen dese offenen Schlitzes (Inklinometermessung, Seillot) Vermessung der Nachbargebäude (Setzungen)


-

Güteüberwachung, Ultraschallprüfung Endvermessen des Schlitzes und der Anschlussbewehrung Erd- und Wasserdruckmess. Setzpunkte auf GOK Fugenkontrolle Überprüfung der Systemdichtigkeit über Großpumpversuche Vermessung der Nachbarbebauung

4.10 Düsenstrahlsohlen und -wände 4.10.1Das Bauverfahren im Überblick Düsenstrahlsohlen und -wände werden aus einzelnen, überschnittenen, säulenartigen Düsenstrahlelementen hergestellt. Die bauaufsichtlich zugelassenen Düsenstrahlverfahren werden firmenspezifisch benannt (Jet Grouting, Soilcrete, Hochdruckinjektion (HDI), Hochdruckbodenvermörtelung, SOILJET u. a. m.). Durch konventionelle Injektionen wird mit Unterstützung von geringen Drücken bis 20 bar der vorhandene Porenraum des Bodens zur Verfestigung und/oder Abdichtung gefüllt. Bei Aufbrechinjektionen (Soilfrac-Verfahren) wird der Boden zunächst fächerartig aufgebrochen und seine Spalten im Anschluss verfüllt. Im Unterschied zu diesen zwei Methoden wird beim Düsenstrahlverfahren die Bodenstruktur durch einen Wasser- oder Suspensionsinjektionsstrahl, ggf. unterstützt durch eine Luftummantelung des Strahls, mit Drücken bis 700 bar abschnittsweise gelöst. So wird ein Teil des Bodens im Rücklauf durch die Bohrung gefördert und ein anderer Teil mit der injizierten Zement-Suspension vermischt. Der im Boden verbleibende Anteil erhärtet und bildet ein Düsenstrahlelement. Zusammenhängende Elemente aufeinander folgender Herstellungen bilden schließlich flächenhafte Sohlen oder Wände. Das Arbeiten mit dem Düsenstrahlverfahren lässt sich sehr flexibel gestalten, möglich sind z. B. Auslassungen, wie sie unter kreuzenden Rohrleitungen bei Baugrubensicherungen mit Spundwänden, notwendig werden.

4.10 Düsenstrahlsohlen und -wände

149

Bild 4.64 Varianten des Düsenstrahlverfahrens

Heute lassen sich durch die verschiedenen Techniken, die genauen Steuerungsmöglichkeiten, die Drehzahlen und das Ziehen des Gestänges die verschiedensten Düsenstrahlkörper herstellen. Die verschiedenen Herstellverfahren werden nachfolgend erläutert: Tabelle 4.44 Prinzip und Merkmale der Herstellverfahren Verfahren Einfachverfahren (Simplex) Zweifachverfahren (Duplex)

Dreifachverfahren (Triplex)

Prinzip

Material und PumpenBoden druck Einfachgestänge mit Düse, Hochdruck Zementerodierbarer bei dem der Strahl gleich- Suspension mit ca. 200 Boden, im zeitig zum Schneiden und bis 600 bar Grundwasser Vermörteln genutzt wird anwendbar Zweikanal-Bohrgestänge, Hochdruck Zementsandiger und das aus zwei getrennten, Suspension mit ca. 200 kiesiger Boden, radial angeordneten Zuläu- bis 600 bar, Ringdüse im Grundwasfen für Luft und Suspenkoaxial mit 2 bis 12 bar ser anwendbar sion besteht Druckluft Dreikanal-Bohrgestänge Hochdruckwasserstrahl sandiger bis mit getrennter Zuführung mit Drücken von 300 bis kiesiger Boden, von Schneidwasser, Luft 400 bar, Ringdüse koim Grundwasund Suspension, so dass axial druckluftummanser anwendbar die Vorgänge Schneiden telt, Zementund Vermörteln räumlich Suspensions-Düse von getrennt sind, aber in 10 bis 30 bar einem Arbeitsgang ausgeführt werden

Einsatzbereiche geringe Tiefe, kleine bis mittlere Durchmesser Lamellenwände, Dichtsohlen, Gebäudeunterfangungen, Durchmesser bis 3 m Gebäudeunterfangungen, Dichtwände, Sohlen, Durchmesser von 2 m

150


Zusammengesetzte Soilcrete-Körper

Lamellenwand mit Dichtsohle

Unterfangungskörper

Bild 4.65 Anwendungsbeispiele für Düsenstrahlsohlen bzw. -wände [29] Tabelle 4.45 Vor- und Nachteile von Düsenstrahlsohlen bzw. -wänden Vorteile

Nachteile

-

direkter Lastübertrag von Fundament auf Injektionskörper

-

Überwüchse, die vom Sollquerschnitt abstehen, müssen entfernt werden

-

fugenloser Anschluss an den Fundamentkörper

-

kostenintensiv

-

erschütterungs- und bewegungsarme Herstellung

-

nicht bis in beliebige Tiefen anwendbar

-

nicht in allen Böden anwendbar

-

geringe vertikale und horizontale Verformung

-

geringe Setzungsgefahr

-

geräuscharmes Verfahren

-

temporäre und dauerhafte Abdichtung

-

Einsatz von kleinem Gerät möglich

-

im Grundwasser einsetzbar

-

Festigkeitseigenschaften variabel einstellbar

4.10.2Technische Grundlagen Für die Herstellung von Düsenstrahlsohlen bzw. wänden gelten folgende Normen: Tabelle 4.46 Übersicht über geltende Normen DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

4020

Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke

1054

Baugrund, zul. Belastungen

4093

Baugrund; Einpressen in Untergrund und Bauwerke

EN ISO 14688

Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden

4123

Gebäudesicherung im Bereich von Gründungen und Unterfangungen


151

Das Düsenstrahlverfahren wird im Grundbau zur Lösung folgender Bauaufgaben eingesetzt: Unterfangung von Gebäuden zur Herstellung von Baugruben Herstellung von Abdichtungswänden und wasserdichten Baugrubenumschließungen Herstellen von horizontalen Abdichtungssohlen Herstellung von tief liegenden horizontalen Aussteifungen von Baugrubenwänden Gründungssanierung von historischen oder mangelhaft gegründeten Gebäuden Herstellung von Sicherungsschirmen für den Tunnelvortrieb im Lockerboden Sanierung von kontaminierten Bodenbereichen in situ bei begrenzten Platzverhältnissen

Bild 4.66 Unterfangung eines Gebäudes zur Herstellung einer Baugrube [30]

Düsenstrahlelemente können in sämtlichen Lockergesteinen in Tiefen von 3 bis 30 m ausgeführt werden. Abhängig von den bodenphysikalischen Eigenschaften und der Verfahrenstechnik stellen sich unterschiedliche Kubaturen der Elemente in wechselnden Bodenschichten ein. Insbesondere bei Injektionen für Baugrubenabdichtungen müssen die Bohrungen so dicht angeordnet sein, dass sich die Reichweiten der Injektionen zuverlässig überlappen und eine zusammenhängende, geschlossene Barriere entsteht, obwohl gleichzeitig aus Kostengründen auch immer ein Minimum an Bohraufwand angestrebt wird. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass bei zu nah angeordneten Bohrungen sog. Düsschatten und damit Fehlstellen beim Durchteufen von bereits erhärtetem Material entstehen können. Die Zahl möglicher Fehlstellen steigt bei geringen Injektionsradien infolge unvermeidbarer Bohrlochabweichungen, Abweichungen im Bohransatzpunkt, Arbeitsfugen etc.

152


Insgesamt setzt die Anwendung der Düsenstrahlverfahren eine besonders sorgfältige Baugrunderkundung und Ausführungsplanung sowie gute Kenntnisse über die Fließeigenschaften der Injektionsmittel, über die zu injizierenden Schichten und über die verfahrenstechnischen Einstellungen voraus. In der Praxis werden Reichweiten (Radien) von 1,5 bis 3,0 m angestrebt. Einschränkungen der Anwendungsmöglichkeiten zeigen sich in festen Böden, da der Einsatz hier ggf. nicht wirtschaftlich ist. Um den erforderlichen Einwirkungsradius zu gewährleisten, ist in festen Böden eine geringere Ziehgeschwindigkeit des Gestänges und damit eine längere Bearbeitungszeit notwendig. In der Praxis wurde das Verfahren bislang bei Tonen bis zu einer halbfesten Konsistenz erfolgreich eingesetzt. In Tabelle 4.45 sind die wesentlichen Vor- und Nachteile aufgeführt.

4.10.3 Das Bauverfahren 4.10.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Das Düsenstrahlverfahren kann in 4 Phasen beschrieben werden: Phase 1: Abbohren des Injektionsgestänges

Phase 2: Beginn des Düsenstrahlvorganges

Phase 3: Herstellung des Düsenstrahlkörpers

Bild 4.67 Teilprozesse beim Düsenstrahlverfahren [29]

Dabei können folgende Säulen und Wände hergestellt werden.

Phase 4: Wiederholung mit Überschneidung


153

Bild 4.68 Links: Ausführungsformen von Düsenstrahlkörpern [30] Rechts: Anordnung von Säulen bzw. Lamellen

Bild 4.69 Überschneidung der Injektionskörper und maximaler Abstand der Bohrungen

Die Eigenschaften der Düsenstrahlelemente werden von der Zusammensetzung der Suspension, den Baugrundeigenschaften und der Verfahrenstechnik beim Herstellen geprägt. Tabelle 4.47 zeigt die Prozesse, Teilprozesse und Geräte zur Herstellung von Injektionskörpern durch das Düsenstrahlverfahren. Tabelle 4.47 Prozesse der Dichtwandherstellung Prozess

Teilprozess

Gerät


(1) Freiräumen des Baufeldes (2) Einmessen der Dichtwandachse bzw. Abstecken der Bohrpunkte (3) Erstellen einer Probekubatur

-

Radlader, LKW, Walze etc. Theodolit, meist aber durch Vermesser

-

Abteufen der Bohrung

(1) Spülflüssigkeitsgestütztes Bohren

siehe Geräte von II. und III Bohrgerät, Hochdruckpumpen, Mischanlage

I

II

-

154


Prozess

Teilprozess

Gerät

Herstellen des Injektionskörpers

(1) Schneiden und Fräsen des Bodens unter rotierendem Hochziehen des Bohrgestänges (2) Mischen, Aufbereiten und Pumpen der Suspension in den Boden (3) Deponieren bzw. Entsorgen des überschüssigen BodenSuspensions-Gemisch (4) Je nach Arbeitsfolge: Umsetzen des Bohrgerätes wiederholen von II und III

-

Bohrgerät, Hochdruckpumpen

-

Kolloidmischer, Entsandungsanlage, Pumpen Muldenfahrzeug

III

-

4.10.3.2 Die Geräte Für die Durchführung von Injektionsarbeiten ist eine umfangreiche, technisch sehr anspruchsvolle Geräteausstattung erforderlich. Nachfolgend werden die wesentlichen Geräte für die Herstellung einer Düsenstrahlsohle bzw. -wand beschrieben.

Bild 4.70 Baustelleneinrichtung einer typischen Düsenstrahl-Baustelle [31]


155

Trägergerät Als Trägergerät werden die gleichen Bohrgeräte wie bei der Bohrpfahlherstellung gewählt, nur für kleinere Bohrdurchmesser und mit anderen Anbaugeräten. Bei einigen Trägergeräten kann die Bohreinrichtung durch eine Gittermastverlängerung zur Vermeidung von Arbeitsunterbrechungen bis über 25 m verlängert werden. In Tabelle 4.48 sind Kenndaten einzelner Bohrgeräte von zwei Herstellern zusammengestellt. Tabelle 4.48 Böhrgeräte Technische Daten Schlittenhub [m] Drehmoment [kNm] Motorleistung [kW] Gesamthöhe [m] Gestängelänge [m] Gewicht [t]

UBW 08 S 3,7 12,6 82 14 12,5 11

Bauer UBW 09 4,2 25 122 22 19 19,5

IB 10 7,2 12,6 70 16,7 15,5 24

KB 301 11 13 160 27,5 25 34

Klemm KR 806 DH 3 5,9 79 12,5 12 13

KR 401 5,5 8,8 75 16 15 10

Bild 4.71 Links: Bohrgerät der Firma Bauer Typ UBW 08 S [32] Rechts: Bohrgerät der Firma Klemm Typ KR 806 DH [33]

Bohr- und Injektionsgestänge Das Bohr- und Injektionsgestänge hat einen Durchmesser von 60 bis 140 mm. Das gesamte Gestänge besteht aus mehreren Rohrabschnitten, die dicht miteinander verschraubt sind. Dabei ist zu beachten, dass nur in Sonderfällen eine Düsunterbrechung zur Verlängerung des Bohrgestänges tolerierbar ist. Die Verschraubung des Gestänges bildet Schwachstellen, die ein Knicken und Losspülen der Rohre sowie Unwuchtungen begünstigen. Dies kann Druckverluste hervorrufen.

156


Um die Kraft optimal auf das Bohrgestänge zu übertragen, wird am Trägergerät ein Klemmkopf montiert, durch den nicht nur Drehmomente, sondern auch Druckkräfte übertragbar sind. Die Bohrgestänge des Ein-, Zwei- und Dreifachverfahrens unterscheiden sich im Aufbau. Beim Einfachverfahren sind nur eine Leitung für die Suspension und das Wasser erforderlich. Dagegen werden beim Zwei- bzw. Dreifachverfahren zusätzliche Leitungen benötigt, um die Suspension und die Druckluft bzw. das Wasser zu fördern.

Bohrkronen und Düsenträger Die Bohrkronen sind den herkömmlichen Bohrköpfen ähnlich. Zusätzlich werden radial zum Gestänge Auslassdüsen angeordnet. An einem Düsenträger sind höchstens zwei Schneiddüsen mit einem Durchmesser von max. 8 mm anzubringen (Bild 4.72). Bei der Trennung des Schneid- und Injektionsvorganges werden zwei weitere Düsen für das Injizieren verwendet. Die Düsen werden aus Sonderstahl hergestellt und müssen aufgrund des hohen Verschleißes häufig kontrolliert werden. Die Austrittsgeschwindigkeit des Schneidmediums kann bis zu 200 m/s betragen.

Bild 4.72

Links: Schematische Darstellung eines Düsenträgers Rechts: Hochdruckdüse [9]

Injektionsmischer und Rührwerke Als Injektionsmischer werden i. d. R. herkömmliche, hochtourige Turbomischer (Kolloidmischer) mit Rührwerk und einer entsprechend leistungsfähigen Dosiereinrichtung verwendet. Alternativ können vollautomatische Mischanlagen mit Steuerpult eingesetzt werden. Bei der Berechnung der erforderlichen Mischerkapazität kann beim Düsenstrahlverfahren ungefähr von der doppelten Suspensionsmenge ausgegangen werden wie bei der herkömmlichen Hohlrauminjektion. Dagegen ist der Zeitbedarf um ca. 90 % geringer (Tabelle 4.49).


157

Tabelle 4.49 Vergleich zwischen Düsenstrahl- und Hohlrauminjektion [34] Verfahren

Boden

Verhältnis Boden/Suspension

Materialbedarf

Ziehgeschwindigkeit

Düsenstrahlinjektion

Kies

40 % / 60 %

140 bis 280 l/min

20 bis 40 cm/min

Hohlrauminjektion

Kies

75 % / 25 % bis 70 % / 30 %

10 bis 15 l/min

10 bis 15 cm/min

Bedarf bei 1 m Säulenabschnitt 700 l und 2,5 bis 5 min 500 l und 40 min

Mischer- und Mischanlagen Zur Aufbereitung der Suspension werden Mischer verwendet, die eine gleichmäßige Zusammensetzung und einen homogenen Aufschluss der Suspension gewährleisten. In der Tabelle 4.50 sind einige Mischer bzw. Mischanlagen mit den dazugehörigen Kenndaten zusammengestellt: Tabelle 4.50 Mischer und Mischanlagen Technische Daten Typ max. Leistung [m³/h] Mischbehälter [l]

Obermann

Obermann

Häny

vollautomatische Mischer MR 500-4 MPR 800 MPR 2/800

Mischanlage OM 500-4 OM 800

Mischer

13

20,8

41,6

13

19,2

8

500

800

2 × 800

500

800

450

Wassertank [l]

500

800

2 × 800

Antriebsleistung [kW] [V]

12,7 400

16,7 400

28,9 400

Bild 4.73 Mischer vom Hersteller Firma Häny

500 + 1000 l 800 + 1000 l Vorratsbehäl- Vorratsbehälter ter 13,8 400

23 400

k. A. Rührwerk 350 5,5

158


Hochdruckpumpen Hochdruckpumpen müssen eine Förderleistung von 200 bis 300 l/min und einen Druck bis 650 bar gewährleisten. Die Pumpen benötigen eine Vorrichtung zur Druck- und Mengenregelung, da die bei Poren- bzw. Säuleninjektionen ermittelten Parameter (Suspensionsdruck und -volumen, Ziehgeschwindigkeit) eingehalten werden müssen. In der sich anschließenden Tabelle sind verschiedene Hochdruckpumpen und deren Leistungen zusammengestellt. Tabelle 4.51 Hochdruckpumpen

HD 110 4-A

HD 100 1-4-A

HD 100 1-4-D

HD 100 2-4-B

HDMP 250

V 2552/ P 35

GeoAstra 5 T 300 (S,D,T)

245

185

154 oder 345

2 × 154

630

145

170

< 500

220

550

650

650

620

500

500

< 1000

56

232

232

2 × 232

250

184

235

400

400 V

Diesel

Diesel

Diesel

Diesel

k.A.

Diesel

Diesel

■

■

■

■

■

■

■

■

■

■

Hersteller Typ max. Fördermenge [l/min] max. Förderdruck [bar] Antriebsleistung [kW] Antrieb Anwendung in allen Böden Anwendung in locker gelagerten Böden Als Füllpumpe für das TriplexVerfahren Versorgung von zwei Bohrgeräten Umrüstbar auf 200 l/min und 1000 bar Nutzung als Spülpumpe bei Bohr- und Rammarbeiten

Obermann

WOMA

Halliburton H T 400 (S,D)

■

■

■

■

■

■

■

4.10.3.3 Die wichtigsten Stoffe Im Prinzip ist für das Düsenstrahlverfahren lediglich eine Wasser-Zement-Suspension erforderlich. Der Wasser-Zement-Wert der Suspension beträgt W/Z = 0,6 bis 1,5, oft W/Z = 0,8 bis 1,0. Der Zement muss mindestens einer Festigkeitsklasse CEM 32,5 (Z 35) nach DIN 1164 entsprechen.


159

Die Zusammensetzung der Suspension richtet sich nach folgenden Anforderungen: Festigkeit Dichtigkeit Erosionsbeständigkeit Verarbeitbarkeit

q < 1,0 bis 15 MN/m² k > 1 · 10-8

Der Verbrauch wird von den o. g. Parametern bestimmt. Die Dosierung der Mischung wird ständig an der Mischanlage überwacht. In besonderen Fällen wird die Verträglichkeit mit dem anstehenden Boden / Grundwasser vorher im Labor getestet. Die tatsächliche Festigkeit des Düsenstrahlelementes wird mit Hilfe von Rückflussproben oder Bohrkernen ermittelt. Heute besteht die Möglichkeit, Fertigmischungen, z. B. von der Firma Dyckerhoff das Produkt SOLIDUR Sorte 272 HDI zu beziehen. Der Vorteil mit Fertigmischungen zu arbeiten, liegt darin, dass ein verminderter Prüfaufwand erforderlich ist, und sich infolgedessen der Geräteaufwand auf der Baustelle reduziert. Die Lagerfähigkeit der Mischung beträgt mindestens zwei Wochen. SOLIDUR muss auf der Baustelle jedoch noch mit Wasser hochtourig aufgeschlossen und dann als Suspension zur Einbaustelle gepumpt werden. Das Mischungsverhältnis SOLIDUR zu Wasser beträgt zwischen 1 : 1 bis 2 : 1. Im Vorfeld werden zur Rechtsgültigkeit der Annahmen bei der bauseitigen Ausführungsplanung Probesäulen hergestellt. Werden umfangreiche Injektionsvorhaben angestrebt oder liegen keine Erfahrungen vor, sollen bereits vor der Ausschreibung Probesäulen vorgesehen werden, um eine größere Planungssicherheit zu erzielen.

4.10.3.4 Der Personalbedarf Die auf der Baustelle zum Einsatz kommenden Arbeitskräfte setzen sich wie folgt zusammen: 1 Bauleiter, ist bei der Herstellung von Unterfangungskörpern durch HDI nach DIN 4123 vorgeschrieben 1 Anlagentechniker an der Mischstation und der Hochdruckpumpe 1 Maschinist, der das Bohrgerät bedient 1 Helfer zur Unterstützung und Durchführung der Arbeiten

4.10.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Zur Abschätzung der Herstellkosten einer Düsenstrahlsohle bzw. -wand werden im Folgenden grobe Anhaltswerte gegeben.

160

Bodenart


optimale Verhältnisse schlechte Verhältnisse

grobkörniger Boden

250 EUR/m³

500 EUR/m³

feinkörniger Boden

400 EUR/m³

750 EUR/m³

Die Tagesleistung einer Kolonne liegt zwischen 15 bis 45 m³ Kubatur pro Tag, das entspricht ca. 30 m Säule pro Tag bzw. 300 bis 400 m² Lamellen pro Tag. Bei mittleren und kleineren Baustellen verringert sich die Leistung auf maximal 25 m Säule je Tag. Der Preis der Zement-Suspension beträgt 70 bis 80 EUR/t. Durch den Einsatz von Dämmern (z. B. Steinmehl) können die Kosten auf ca. 50 EUR/t gesenkt werden. Das überschüssige Boden-Suspensions-Gemisch kann entweder durch Saugen abgepumpt oder nach dem Erhärten durch Muldenfahrzeuge abtransportiert und schließlich entsorgt werden. Die Gebühren betragen für einen Saugwagen 40 bis 50 EUR/t und für ein Muldenfahrzeug 25 bis 40 EUR/t.

Bild 4.74 Einsatz des Düsenstrahlverfahrens bei der Sanierung einer Spundwand [35]

In nachfolgender Tabelle werden Kosten und Leistung gewichtiger Teilprozesse zur Herstellung bewertet.


161


Teilprozess

Gerät


(1) Spülflüssigkeitsgestütztes Bohren II

III

(1) Schneiden und Fräsen des Bodens unter rotierendem Hochziehen des Bohrgestänges (2) Mischen, Aufbereiten und Pumpen der Suspension in den Boden

Bohrwagen mit Raupenfahrwerk, hydraulisch + hydr. Kraftdrehkopf + hydr. Klemm- und Brechvorrichtung + Messtechnik für HDI-Verfahren + Bohrhammer hydraulisch

Personalbedarf


1 Polier oder Schachmeister 1 Maschinist 1 Helfer

~ 6 - 12 Säulen je Tag

K.0.10. K.0.11. K.0.10. ..AE K.0.10. AG K.0.15.


Hochdurckinjektionspumpe Mischanlage für Verpress- und Injektionspumpen + Silo, liegende Bauart + Förderschnecke, normal + Dosiergerät, Behälterwaage, mech. + Schraubenkompressor Tauchkörperpumpe (3) Deponieren bzw. Entsor- Aufbereitungsanlage gen des über- Lastkraftwagen 6×6 + Dreiseitenkippeinr. schüssigen BodenSuspensionsGemisches

J.6.10. J.6.22. B.1.11. B.1.20. B.1.31. Q.1.00.

T.0.50. B.8.00. P.2.11. P.2.11. .. AF

1 Helfer 1 Fahrer Fracht- und Entsorgungskosten

Tabelle 4.53 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten für das Herstellen von Injektionskörpern

Herstellen des Injektionskörpers

Tätigkeit

Tätigkeits- und Rüstzeiten nach Herstellen einer Injektionssäule ∅ 150 cm, 10 m tief, Bodenklasse LN

Mit Düsenstrahlinjektion Ziehgeschwindigkeit: Düsenstrahlinjektion Fixzeit für das Umstellen von Bohren auf Düsen Umsetzen des Gerätes

0,50 - 1,00 Stunden/Säule 20 bis 40 cm pro min 2 min pro Umstellen max. 30 min pro Punkt

162


Sonstiges

Tätigkeit Baustelleneinrichtung Anfahren der Suspensionsmenge und Vorarbeiten Reinigen der Geräte

Tätigkeits- und Rüstzeiten nach 1 Tag 30 min pro Tag 30 bis 45 min pro Tag

Geräteausfall/-wartung

30 min pro Tag

Räumen der Baustelle

1 Tag

4.10.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Die Einstufung des Bodens erfolgt gemäß der VOB/C DIN 18 300 Erdarbeiten, wobei zu beachten ist, dass für Bohrarbeiten eine neue Klassifizierung der Boden- und Felsklassen in der DIN 18 301 Bohrarbeiten getroffen worden ist. Des weiteren ist nach der VOB/C die DIN 18309 Einpressarbeiten zu beachten. Folgende Parameter sollten unbedingt Bestandteil der Ausschreibung sein: Dichte und Lagerungsdichte Wassergehalt Kornverteilung Zustandsform Scherparameter Druckfestigkeit Auch für dieses Verfahren existieren zusätzlich spezielle Technische Bedingungen, die neben den Festlegungen der VOB/C vereinbart werden können. Es gelten die STB-HDI und die STB-VBA. Letztere wird hier nicht mehr aufgeführt, da sie schon im Kapitel 4.6 Trägerbohlwand beschrieben ist.

Spezielle Technische Bedingungen für Hochdruckinjektionen (STB-HDI) [13] 1. Nebenleistungen Aufstellen der Injektionspläne 2. Besondere Leistungen (1) Abstemmen des Überprofils sowie Beseitigen des anfallenden Materials (2) Herstellen, Freilegen, Prüfen und ggf. Beseitigen von Probesäulen (Für die Ausführung von Hochdruckinjektionen ist die Herstellung von Probesäulen in allen anstehenden Bodenschichten erforderlich, um den Durchmesser und die Festigkeit zu überprüfen. Hierfür muss bauseits ein Probefeld zur Verfügung stehen.) (3) Statische und/oder dynamische Probebelastungen sowie Integritätsprüfungen


163

3. Aufmaß und Abrechnung Es gilt ATV DIN 18 299 Abschnitt 5

Grundwasserabsperrung mittels HDI Zusätzlich sind folgende Angaben erforderlich:

Dichtigkeit der Wand Art des Einpressmittels Einbauverfahren Art und Lage der Einpresslöcher Verfestigungsgüte unter Angabe der Ist- und Sollwerte

4.10.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Eine erfolgreiche Qualitätsüberwachung darf sich nicht allein auf die Bauausführung beschränken, sondern muss sich über alle Aktivitäten von Entwurf, Planung und Genehmigung über die Arbeitsvorbereitung, bis hin zu den eigentlichen Herstellarbeiten und der Integritätsprüfung des Bauwerkes erstrecken. Nachfolgend werden zwei Überwachungsverfahren, die Reichweitenmessung und die Vertikalitätsmessung, vorgestellt, welche maßgebend den Qualitätsstandard des Düsenstrahlverfahrens verbessern.

Reichweitenmessung Da der Hochdruckstrahl keinen fest definierten Durchmesser wie beispielsweise Greifer oder Bohrschnecken erzeugt, ist der Ausführungserfolg einer Düsenstrahlmaßnahme hauptsächlich von der Anpassung der Herstellparameter an die Geologie des anstehenden Bodens abhängig. Eine Beurteilung dieses Zusammenhanges kann mittels Begutachtung vor Ort hergestellter, ausgegrabener Probesäulen stattfinden. Mit zunehmender Tiefe und bei Erreichen des Grundwasserspiegels steht diese Kontrollmaßnahme vor einem nicht zu unterschätzendem technischem Problem. Diese Tatsache führte zur Entwicklung einer elektronischen Reichweitenmessung. Mit deren Hilfe kann der hydraulische Düsvorgang in beliebiger Tiefe an Probesäulen und auch an Produktionssäulen beurteilt und bereits während des Düsens auf die Bodenverhältnisse abgestimmt werden. Im Abstand der zu erwartenden Reichweite des Schneidstrahles werden dünnwandige Stahlrohre parallel zum späteren Verlauf des Injektionsgestänges in den Untergrund eingebracht und mit Wasser gefüllt. Während des hydraulischen Düsenvorganges werden Schalldrucksonden, sog. Hydrophone, in diesen Pegelrohren höhengleich zum Schneidstrahl geführt. Die Intensität des durch den Schneidstrahl verursachten Schalldruckes, der von der Sonde aufgenommen wird, lässt auf die Schneidstrahlenergie im Regelbereich und somit auf die Reichweite des Strahles schließen.

164


Vertikalitätsmessung Die Zuverlässigkeit sowie die geforderte Funktionalität von Düsenstrahlbauwerken in größeren Tiefen (z. B. bei Dichtsohlen) und über längere Injektionsstrecken (z. B. bei Dichtwandsäulen oder -lamellen) sind neben der Auswahl der Herstellparameter stark abhängig von der erzielten Bohrgenauigkeit. Insbesondere bei der Herstellung von sich überschneidenden Düsenstrahlelementen bei Abdichtungsmaßnahmen spielt die Bohrgenauigkeit eine entscheidende Rolle. Die Kenntnis geometrischer Fehlstellenpositionen aufgrund fehlender Überschneidung der Elemente ermöglicht Sanierungsmaßnahmen schon in der Herstellphase als Alternative zur Sanierung nach dem Aushub. Die Inklinometer- oder Vertikalitätsmessung der Bohrung erfüllt die genannten Anforderungen und gestattet somit eine Vorabkontrolle der Positionierung der Düsenstrahlkubatur. Nach Erreichen der Endtiefe wird eine Inklinometersonde in das Injektionsgestänge eingeführt, die Abweichung des Gestänges von der Vertikalen schrittweise ermittelt und anschließend als Summe dieser Einzelwerte die Gesamtabweichung des Gestänges dargestellt. Auf diese Weise lässt sich die tatsächliche Lage des Gestänges und damit auch die des späteren Düsenstrahlelementes feststellen, und bereits vor dem eigentlichen Herstellvorgang können Maßnahmen zur Vermeidung von Fehlstellen ergriffen werden (z. B. Variation der Herstellparameter, erneutes Ansetzen einer Bohrung). [36] Tabelle 4.54 Maßnahmen zur Qualitätssicherung von Düsenstrahlsohlen/-wänden [18] vor der Baumaßnahme -

Untersuchung der geologischen und topographischen Eigenschaften

-

Eignungsprüfung aller Materialien

-

Wahl des Verfahrens

-

Kontrolle und Aufzeichnung der Parameter

-

die Bohrneigung darf maximal 60° zur Senkrechten sein (Ausnahme: oberer Zwickel)

-

bei bindigen Böden müssen drei Probesäulen vorgesehen werden, falls keine vergleichbaren Eignungsprüfungen vorliegen


Hebung- und Setzungsmessungen

-

Überwachung der Baustoffeigenschaften

-


Setzungsmessungen

-

Integritätsprüfung des Düsenstrahlbauwerkes ( Druckfestigkeit, Durchlässigkeit)

Kontrolle des Rückflusses(Wichte, Menge, Zusammensetzung)

-

Kontrolle der Düsenstrahlkubatur, Anschluss an die Fundamente, Dichtigkeit

-

Kontrolle des Düsenstrahlkörpers (Bohransatzpunkt, Abmessung, Vertikalität, Reichweite)

-

die Herstellparameter und die Bohrtiefe jeder Düsenstrahlsäule sind zu kontrollieren und aufzuzeichnen

-

Kontrolle und Aufzeichnung der Herstellparameter

-

in nicht standfesten Bohrungen ist die Bohrung nach Erreichen der Endtiefe zu sichern

Literatur [1] EAB, Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben, Ernst & Sohn, 2006 [2] Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft, Tiefbauarbeiten, 1998, Kap. Geböschte Baugruben

4.10 Düsenstrahlsohlen und -wände [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36]

165

DIN 4124 Böschungen, Verbau und Arbeitsraumbreiten CAT/Zeppelin, Lieferprogramm, Kettenbagger König, H.; Maschinen im Baubetrieb, Grundlagen und Einsatzbereiche, Bauverlag, Wiesbaden u. Berlin, 1996 Firma Liebherr, Lieferprogramm, Raupenlader Firma Bauer, Prospekt Bodenvernagelung Hoffmann, M.; Zahlentafeln für den Baubetrieb, Vieweg und Teubner Verlag, 2006 Buja, H.-O.; Handbuch des Spezialtiefbaus, Werner Verlag, Düsseldorf, 2001 Smoltczyk, U.; Grundbuch-Taschenbuch: Teil 3, Ernst & Sohn, 2001 Fa. Anker Stahlbau, Firmenprospekt, Aussteifung Simmer, K.; Grundbau Teil 2, 18. Aufl., Teubner-Verlag, Stuttgart, 1990 Englert, K.; Grauvogel J.; Maurer M., Handbuch des Baugrund- und Tiefbaurechts, 3. Aufl., Werner Verlag, 2004. Hoesch, Spundwand-Handbuch Berechnung Hoesch AG, Dortmund, 1986 Verhoefen, J.; Große Baugruben im offenen Wasser, Tiefbau, Ingenieurbau, Straßenbau, 1982, Heft 6 Fa. Bauer Spezialtiefbau, Firmenprospekt, Spundwände Kontakt & Studium, Spezialtiefbau, 2.6 Baugruben aus Stahlspundbohlen Schnell, W.; Vahland, R.; Oltmanns, W.; Verfahrenstechnik der Grundwasserhaltung, Teubner-Verlag, 2. Aufl., 2002 Smoltczyk U.; Grundbau-Taschenbuch, Teil 2, 6. Aufl., Ernst & Sohn, Berlin, 2001 Seitz, J. M.; Schmidt H.-G., Bohrpfähle, Verlag Ernst & Sohn, 2000 Fa. Bauer, Firmenprospekt, Doppelkopfsystem Fa. Liebherr, Firmenprospekt, Doppelkopf-Bohrverfahren König, H.; Maschinen im Baubetrieb; Fundierungsgeräte Fa. Bauer Spezialtiefbau, Firmenprospekt, Schlitz- und Dichtwände Fa. Bauer Spezialtiefbau, Firmenprospekt, Schlitz- und Dichtwände Karstedt, J.; Schadensursachen bei Schlitzwandarbeiten, Tiefbau, Ingenieurbau, Straßenbau, 1980, Heft. 8 Karstedt, J.; Standsicherheitsprobleme bei der Schlitzwandbauweise, Baumaschine und Bautechnik, 1980, Heft 5, S. 327-334 Fa. Bauer Spezialtiefbau, Firmenprospekt, Schlitz- und Dichtwände Firma Keller, Firmenprospekt, Das Soilcrete Verfahren Firma Bauer, Firmenprospekt, HDI-Verfahren Kontakt & Studium, Spezialtiefbau, 16.2 Düsenstrahlverfahren Firma Bauer, Firmenhomepage Maschinentechnik, Bohrgeräte Firma Klemm, Firmenhomepage Maschinentechnik, Bohrgeräte Kutzner, C.; Injektionen im Baugrund, Ferdinand Enke Verlag, München, 1991 Fotoarchiv G. Maybaum Betonkalender Teil II, Ernst & Sohn, 1998

5 Baugrundverbesserung

5.1 Grundlagen der Planung und Herstellung Werden Bauwerkslasten unmittelbar in der Fundamentsohle in den Baugrund übertragen, so ist das Gebäude flach gegründet. Damit eine solche Gründung möglich ist, muss der Baugrund gewisse Voraussetzungen erfüllen. Er muss so beschaffen sein, dass eine ausreichende Sicherheit gegen das Auftreten von Bruchzuständen im Boden (z. B. Grundbruch) vorhanden ist und die auftretenden Setzungen vom Gebäude schadlos aufgenommen werden können. Wenn diese Voraussetzungen vom vorhandenen Baugrund nicht erfüllt werden, müssen entweder die Eigenschaften des anstehenden Bodens verbessert werden, oder es kommt eine Tiefgründung (z. B. eine Pfahlgründung) infrage.

Bild 5.1

Gründungsarten [1]

Häufig ist die Anwendung von Baugrundverbesserungsmethoden unter Beibehaltung der Flachgründung die kostengünstigere Lösung gegenüber einer Pfahlgründung. Andererseits kann die Pfahlgründung kostengünstiger sein, wenn dadurch z. B. große Fundamentmassen, Umspundungen oder Wasserhaltungen vermieden werden können. Die Wahl der für die jeweilige Bauaufgabe am besten geeigneten Gründungskonzeption wird im Wesentlichen durch folgende Parameter beeinflusst: Konstruktion und Nutzung des Bauwerks Boden- und Wasserverhältnisse Geländeverhältnisse Nachbarbebauung Terminzwänge Kosten Entscheidet man sich für eine Baugrundverbesserung, so richtet sich der Umfang nach der Art des Bauwerks und seiner Einwirkung auf den Untergrund. So werden für Flachgründungen von Dämmen, die den Baugrund spezifisch höher belasten, andere Maßnahmen ergriffen G. Maybaum et al., Verfahrenstechnik und Baubetrieb im Grund- und Spezialtiefbau, DOI 10.1007/978-3-8348-8269-1_5, © Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

168


werden müssen als für Verkehrsbauten wie Straßen, Rollbahnen oder Schienenverkehrswege, deren Einfluss sich nur oberflächennah auswirkt. Nach dem Zweck der Baugrundverbesserung unterscheidet man Maßnahmen, die die Tragfähigkeit im weitesten Sinne verbessern, und Maßnahmen, die im Wesentlichen der Verringerung der Durchlässigkeit von Böden dienen. In diesem Buch wird vorzugsweise auf die Verfahren zur Erhöhung der Tragfähigkeit eingegangen, mit denen allerdings häufig (z. B. bei Injektionen) ebenfalls eine Verringerung der Durchlässigkeit bewirkt wird. Bei der Wahl des jeweiligen Verbesserungsverfahrens sind auch von Bedeutung: Fläche des zu verbessernden Geländes Bauwerksart, Größe und Verteilung der Lasten verfügbare Materialien verfügbare Geräte Grundwasserschutzbestimmungen Begrenzung von Lärm, Staub und Erschütterungen Zugänglichkeit und Befahrbarkeit des Geländes

5.1.1 Geotechnische Grundlagen 5.1.1.1 Allgemeines Durch die Baugrundverbesserung soll im Wesentlichen erreicht werden: Erhöhung der Tragfähigkeit des Baugrundes Verringerung und/oder Beschleunigung der Setzungen Baugrundverbesserungen, die eine Erhöhung der Tragfähigkeit bewirken sollen, müssen die Vergrößerung der Scherfestigkeit zum Ziel haben. Die Scherfestigkeit kann auf z. B. folgende Weise vergrößert werden: a)

Verhinderung des Abgleitens der Körner gegeneinander

b)

Erhöhung der Lagerungsdichte

c)

Entwässerung

zu a) Das Abgleiten von Körnern gegeneinander und damit die Ausbildung von Gleit- oder Bruchflächen wird erschwert, wenn die Verschieblichkeit der Körner gegeneinander blockiert wird. Baugrundverbesserungsmethoden, welche dies zum Ziel haben, sind z. B. das Injizieren, Gefrieren und Stabilisieren mit Zement oder Kalk.

5.1 Grundlagen der Planung und Herstellung

169

Hierbei wird der Porenraum entweder durch ein zusätzliches Mittel (Injektionsmittel, Zement), das erstarrt oder abbindet, ausgefüllt, oder das in den Poren befindliche Wasser gefriert und verhindert somit das Abgleiten der Körner. zu b) Der Reibungswinkel ϕ ist bei nichtbindigen Böden in starkem Maße von der Lagerungsdichte und damit vom Porenanteil abhängig. Mit wachsender Lagerungsdichte nimmt die Scherfestigkeit überlinear zu (siehe Kapitel 3). Verfahren, mit denen die Lagerungsdichte anstehender Böden verbessert wird, sind z. B. die Oberflächen- und Tiefenverdichtung. zu c) Die Scherfestigkeit bindiger Böden hängt neben der Kornverteilung und der Überkonsolidation wesentlich von der Konsistenz und damit vom Wassergehalt ab. Je geringer der Wassergehalt, desto höher die Scherfestigkeit. Die Scherfestigkeit kann daher z. B. durch Entwässern verbessert werden. Durch Vertikaldräns kann - insbesondere bei Aufbringen einer Vorbelastung - die Konsistenz des anstehenden Bodens deutlich erhöht werden. Auch das Einbringen von Vakuumentwässerungsanlagen erhöht die Festigkeit des Bodens deutlich. Letztere werden allerdings meist nur für vorübergehende Zwecke eingesetzt. Verringerung und/oder Beschleunigung der Setzungen Wird ein Boden durch ein Bauwerk belastet, verformt er sich elastisch und plastisch, wobei die elastischen Verformungen im Wesentlichen durch Volumenänderungen der Körner und die plastischen durch Volumenänderung des Porenraumes entstehen. Während bei nichtbindigen Böden die Setzungen sofort mit der Belastung auftreten, entstehen die Setzungen bindiger Böden erst allmählich. Ursache hierfür ist der wegen der geringen Durchlässigkeit verzögerte Porenwasserabfluss. Ein wassergesättigter bindiger Boden kann sich nur dann nennenswert setzen, wenn Porenwasser ausgepresst wird, denn das Wasser und die Bodenteilchen sind praktisch kaum zusammendrückbar. Eine Verbesserung des Bodens, d. h. eine Vergrößerung des Steifemoduls und damit eine Verringerung der Zusammendrückbarkeit, lässt sich bei nichtbindigen Böden mit Verfahren erreichen, bei denen entweder die Poren mit Zugabemitteln ausgefüllt werden (Injektionsverfahren, Bodenstabilisierung), das Porenwasser gefroren wird (Gefrierverfahren) oder der Porenanteil durch Verdichten verringert wird (Oberflächen- oder Tiefenverdichtung). Bei bindigen Böden hängt die Zusammendrückbarkeit außer von der vorhandenen Bodenspannung von der Kornverteilung, dem Porenanteil und dem Wassergehalt (bzw. der Konsistenz) ab. Verbesserungsmethoden, die die Zusammendrückbarkeit des Bodens herabsetzen, sind vor allem Entwässerungsverfahren, bei denen - meist unterstützt durch eine Vorbelastung - der Boden konsolidiert und in eine höhere Konsistenz überführt wird. Gleichzeitig wird dabei der Porenanteil verringert. Während z. B. durch Vertikaldräns bei entsprechender Vorbelastung spätere Bauwerkssetzungen vorweggenommen werden - Setzungen treten dann nur noch durch Bauwerkslasten auf, die höher als die Vorbelastung sind - führt die Dränage ohne Vorbelastung nur zu einer Beschleunigung der Bauwerkssetzungen.

170


5.1.1.2 Voruntersuchungen Bei der Auswahl, Planung und Bemessung von Baugrundverbesserungen ist die Kenntnis der vorhandenen Boden- und Wasserverhältnisse von entscheidender Bedeutung. Dass eine Baugrunderkundung aus Kosten- oder Termingründen unterblieb oder nur unzureichend durchgeführt wurde, hat in vielen Fällen schon zu schwerwiegenden Schäden an Bauwerken oder zu einer völlig unwirtschaftlichen Bemessung der Gründung geführt. Häufig werden Aufwand und Kosten für diese Vorarbeiten in der Größe deshalb falsch eingeschätzt, weil sie einerseits nicht in Relation zum Gesamtbauvorhaben gesetzt werden und andererseits die möglichen Folgen einer schadhaften Gründung nicht ausreichend berücksichtigt werden. Die bei problematischen Bodenverhältnissen, bei denen eine Verbesserung erforderlich ist oder zumindest in Erwägung gezogen wird, nötigen Baugrunderkundungen sind i. A. umfangreicher als bei einfachen Verhältnissen. Das hängt vor allem mit der Ermittlung zusätzlicher Bodenparameter (Wassergehalt, Durchlässigkeit, Kornverteilung, Porenanteil u. a. m.) zusammen, die für die Wahl der Verbesserungsmethode und z. B. für die Festlegung eines Injektionsmittels erforderlich sind. Der Baugrund muss in einem frühen Stadium der Planungsphase erkundet werden, damit die Entscheidung für das Gründungskonzept sachgerecht erfolgen kann. Die Abstände der Erkundungspunkte sind von Fall zu Fall nach den geologischen Gegebenheiten, den Bauwerksabmessungen und den bautechnischen Fragestellungen zu wählen, wobei die in DIN 4020 angegebenen Richtwerte zwischen 20 und 60 m liegen. Da Baugrundverbesserungen aber häufig dazu dienen, konzentriert Fundamentlasten, z. B. über Injektionskörper, in den Boden einzuleiten, muss der Abstand der Erkundungspunkte häufig wesentlich geringer gewählt werden, so dass sich mitunter mehrere Aufschlüsse je Fundament ergeben. Die Aufschlusstiefen richten sich im Allgemeinen nach der Fundamentbreite. Neben Felduntersuchungen sind im Planungsstadium für eine Baugrundverbesserung auch Laboruntersuchungen - insbesondere bei bindigen Böden - durchzuführen. Außer den Standardversuchen, wie Ermittlung der Kornverteilung, des Wassergehaltes, der Konsistenz, des Kalkgehaltes und der organischen Bestandteile, sind dies insbesondere Versuche zur Ermittlung der Scherfestigkeit und der Zusammendrückbarkeit. Mitunter lässt sich trotz umfangreicher Baugrunderkundungen nicht die Frage beantworten, ob ein Boden mit einem bestimmten Verfahren verbesserbar ist. In diesen Fällen sind Eignungsprüfungen erforderlich, in denen ermittelt wird, durch Zumischung welchen Mittels die gewünschten Bodeneigenschaften am besten erreicht werden können. Oder aber es sind Probeinjektionen durchzuführen, mit denen untersucht wird, ob und wie sich die erforderliche Festigkeit des Injektionskörpers erzeugen lässt. Neben den Bodeneigenschaften und den Grundwasserständen bzw. Wasserständen in verschiedenen Grundwasserstockwerken sind auch Informationen über die Grundwasserzusammensetzung erforderlich. Die chemische Zusammensetzung ist immer dann zu untersuchen, wenn Angriffe auf das eingesetzte Verfestigungsmittel zu befürchten sind.


171

Nach DIN 4030 soll die Wasseranalyse daher insbesondere folgende Untersuchungen umfassen: Geruch, pH-Wert, Kaliumpermanganatverbrauch, Härte, Chlorid, Sulfid, Kalklösekapazität, Ammonium, Magnesium, Sulfat. Ein besonderes chemisches Analyseprogramm ist erforderlich, wenn die Baugrundverbesserung in kontaminiertem Boden hergestellt werden soll. Die Kosten für solche chemischen Untersuchungen lassen sich nicht pauschal angeben, da sie sehr stark von der Zahl der zu untersuchenden Wasser- bzw. Bodenproben und der Zahl der zu ermittelnden chemischen Parameter abhängen.

5.1.2 Anwendungsbereiche und Abgrenzung zu anderen Bauverfahren Jedes Bauwerk muss ausreichend sicher gegründet werden, daher ist in der Planungsphase ein Gründungskonzept zu erarbeiten. Dazu wird zunächst untersucht, ob der Baugrund in der vorgesehenen Gründungsebene ausreichend tragfähig ist. Die zulässigen Bodenpressungen werden hierbei nach einer Baugrunderkundung entweder anhand der Tafeln der DIN 1054 oder durch Grundbruch- und Setzungsberechnungen ermittelt. Anhand der zulässigen Bodenpressungen lassen sich dann die Abmessungen z. B. der Streifen- und Einzelfundamente festlegen. Ergeben diese Berechnungen unwirtschaftliche oder technisch nicht ausführbare Fundamentabmessungen, wird geprüft, ob mit einer Fundamentplatte eine ausreichend tragfähige und setzungsarme Gründung erreicht werden kann. Zeigt sich, dass auch eine Plattengründung auf dem anstehenden Baugrund keine sichere bzw. wirtschaftliche Gründungskonzeption ist, kommen grundsätzlich zwei Möglichkeiten in Betracht (Bild 5.2): 1.

Der anstehende Boden wird verbessert, so dass er ausreichend tragfähig wird (Baugrundverbesserung).

2.

Das Bauwerk wird nicht unmittelbar auf dem anstehenden, wenig tragfähigen Boden gegründet, sondern die Bauwerkslasten werden auf einen tiefer liegenden, tragfähigen Boden abgetragen (Tiefgründung).

Bild 5.2

Gründungsmöglichkeiten

172


Welche dieser Möglichkeiten gewählt wird, hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: Bodenverhältnisse Wasserverhältnisse Art und Belastung des Bauwerks Setzungsempfindlichkeit des Bauwerks Nachbarbebauung Platzverhältnisse Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit Anhand einiger Beispiele soll erläutert werden, warum jeweils die Baugrundverbesserung bzw. die Tiefgründung die bessere Lösung ist. Im Beispiel 1 (Bild 5.3) ist die Verbesserung des Baugrundes durch Austausch und Ersatz des nicht tragfähigen, weichen Tons durch nichtbindiges, gut verdichtetes Material die wirtschaftlichste Methode. Die Mächtigkeit der auszutauschenden Schicht ist gering (1,5 m), eine Tiefgründung, die eine ausreichende Einbindung von Pfählen in den dicht gelagerten Kies bedingt, ist zu aufwendig.

Bild 5.3

Beispiel 1 (Streifenfundament auf weichem Ton)

Auch bei dem Beispiel 2 (Bild 5.4) ist die Baugrundverbesserung die wirtschaftlichere Methode. Durch eine Vorbelastung des weichen Tons mit einer Auf- bzw. Überschüttung lässt sich der Ton teilweise entwässern und damit stabilisieren. Der Entwässerungsvorgang kann durch den Einbau von Vertikaldränagen wesentlich beschleunigt werden. Nach der Konsolidation kann der Damm in seiner endgültigen Form aufgeschüttet werden. Es sind dann nur noch geringe Setzungen zu erwarten.


Bild 5.4

173

Beispiel 2 (Straßendamm auf weichem Ton)

Eine Pfahlgründung scheidet hier aus wirtschaftlichen Überlegungen aus. Hohe Kosten entstünden u. a. dadurch, dass die Pfahlköpfe durch eine Fundamentplatte aus Stahlbeton verbunden werden müssten, damit die Flächenlast des Dammes punktuell auf die Pfähle übertragen wird. Im Beispiel 3 (Bild 5.5) ist eine Pfahlgründung die wirtschaftlichste und sicherste Methode. Die Lasten sind bereits auf eine kleine Fläche konzentriert, so dass sie ohne größere konstruktive Maßnahmen auf Pfähle übertragen werden können. Wollte man einen Bodenaustausch durchführen, müsste er im Nassen und im Schutz einer aufwendigen Baugrubenumschließung erfolgen.

Bild 5.5

Beispiel 3 (Brückenpfeiler auf weichem Schluff)

Andere Baugrundverbesserungsmethoden (Rüttelstopfverdichtung, Dynamische Intensivverdichtung, Injektion) scheiden aus, da sie für den anstehenden Baugrund ungeeignet sind. Ganz allgemein lassen sich die Anwendungsbereiche der Baugrundverbesserungsmethoden und der Tiefgründung wie folgt abgrenzen (Tabelle 5.1).

174


Tabelle 5.1

Bevorzugte Anwendungsbereiche für Baugrundverbesserungsverfahren und Pfahlgründungen

Baugrundverbesserungsverfahren

Pfahlgründungen

Besonders geeignet bei Flächenlasten (Verkehrswegebau, Dämme, Plattengründungen)

Einzellasten (Stützen, Pfeiler)

geringer Schichtmächtigkeit

großer Schichtmächtigkeit

tiefem Grundwasserspiegel

hohem Grundwasserspiegel

setzungsunempfindlichen Bauwerken

setzungsempfindlichen Bauwerken

Die anstehenden Böden geben allein noch kein Entscheidungskriterium für die Wahl einer Baugrundverbesserung bzw. einer Pfahlgründung. Beide Methoden sind grundsätzlich in praktisch allen Böden anwendbar, so dass nicht gesagt werden kann, dass z. B. bei bindigen Böden Pfahlgründungen zu bevorzugen sind. Daher sind im Einzelfall meist beide Möglichkeiten zu untersuchen und die Vor- und Nachteile in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht gegenüberzustellen. Erschwert wird dieser Vergleich in der Praxis noch dadurch, dass zunächst unter allen denkbaren Baugrundverbesserungsmethoden die für die jeweilige Bauaufgabe optimale herausgefunden werden muss. Andererseits muss für den Vergleich unter den vielen möglichen Pfahltypen der geeignete ausgewählt werden. Tabelle 5.2 zeigt die Anwendbarkeit der Baugrundverbesserung für verschiedene Bauwerke und Baugrundarten.

5.1.3 Überblick über die Methoden der Baugrundverbesserung Grundsätzlich dienen die Methoden der Baugrundverbesserung dazu, die Scherfestigkeit der Böden zu erhöhen und/oder die Zusammendrückbarkeit zu verringern. Dies kann je nach Bodenart und Bauaufgabe durch Verdichtung, Entwässerung, Verfestigung oder Bewehrung erreicht werden. Da z. T. diese Verfahrensgruppen nicht klar abgrenzbar sind (so ist z. B. die Entwässerung i. Allg. auch mit einer Verdichtung verbunden), sind verschiedene Einteilungen denkbar. In diesem Buch wird die in Tabelle 5.3 dargestellte Einteilung gewählt.


175

Tabelle 5.2 Anwendbarkeit der Baugrundverbesserung für verschiedene Bauwerke und Baugrundarten Art des Bauwerks

Bürogebäude Wohnhäuser

Bauwerk

Zulässige Setzungen

ErforderliWahrscheinlichkeit des che zulässige Erfolgs der BaugrundverBodenpres- besserung sung

[mm]

[kN/m²]

locker gelagerte nicht bindige Böden

Hochhäuser, mehr als 6 Stockwerke

2550

bis 300

groß

unwahrscheinlich

Hochbauten

2550

200

groß

klein

2550

100200

groß

groß

2550 Maßgebend: Setzungsunterschiede

bis 400

groß

unwahrscheinlich

Rahmenartige Lagerhallen bis ≈ 50 und Fabriken

100200

groß

groß

Lagerhallen und -plätze, offene Fabrikationsanlagen

2550

bis 200

groß

groß

Kläranlagen

bis ≈ 50 Maßgebend: Setzungsunterschiede

bis 150

groß

groß

Tanks

bis ≈ 70 Maßgebend: Setzungsunterschiede

bis 300

groß

groß

Offene Lagerplätze

bis ≈ 100

bis 300

groß

groß

Dämme

bis ≈ 100

bis 200

groß

groß

Straßen, Bahnstrecken, Flugplätze

bis 30 Maßgebend: Setzungsunterschiede

bis 200

groß

groß

weiche bindige Böden

(36 Stockwerke) Flachbauten (13 Stockwerke) Industrieanlagen Kraftwerke, Fabrikationsanlagen, Kranbahnen, Schwere Maschinen

Sonstige

176


Tabelle 5.3

Methoden der Baugrundverbesserung

Bodenaustausch- und -aushubverfahren

Verdichtungsverfahren

Verfestigungsverfahren

Entwässerungsverfahren

Bewehrungsverfahren

Bodenaustausch

Oberflächenverdichtung

Verfestigung oberflächennaher Bodenschichten mit Bindemitteln

Vertikaldränage

Bewehrungslagen

Bodenaushub

Tiefenrüttelverdichtung

Injektionen

Vakuumkonsolidation

Zellkonstruktionen

Rüttelstopfverdich- Düsenstrahlverfahtung ren Dynamische

Vorbelastung

Bodenvereisung

Intensivverdichtung

Einen Überblick über die wesentlichen Kennzeichen der Verfahren sowie ihre Vor- und Nachteile gibt die Tabelle 5.4. Ob eine Baugrundverbesserungsmethode bei einem bestimmten Boden geeignet ist, lässt sich Tabelle 5.5 entnehmen. Tabelle 5.4

Einsatzmöglichkeiten der Baugrundverbesserungsmethoden in Abhängigkeit von der Bodenart Ton

Schluff

Sand

Kies

Bodenaustausch Oberflächenverdichtung Tiefenrüttelverdichtung Rüttelstopfverdichtung Dynamische Intensivverdichtung Verfestigung oberflächennaher Böden mit Bindemitteln Zementinjektion Chemikalieninjektion Düsenstrahlverfahren Bodenvereisung Entwässerungsverfahren Bewehrungsverfahren 0,002

0,06

2,00

60,00 Korngröße [mm]

Geeignete Bodenarten

Dynamische Intensivverdichtung

wiederholte Schlagbelastung mit hoher Energie an der Oberfläche

verdichtete grobkör- weiche bis nige Säule in fein- steife bindige körnigen Böden Böden

Rüttelstopf verdichtung

am besten ge- 15 bis 20 m eignet bei grobkörnigen Böden; aber viele andere Böden können ebenfalls verbessert werden

20 m

> 5.000 m²

> 1.500 m²

> 1.500 m²

Verdichtung durch Rüttelung und Verdichtung des Verfüllmaterials

Tiefenrüttelver dichtung grobkörnige 30 m Böden mit weniger als 20 % Feinkornanteil

beliebig

Verdichtung durch alle Bodenarten ≈ 1 m Rüttelung oder statische Belastung

Oberflächenver dichtung

Verdichtungsverfahren

klein

Grenzen und Stoffe

beste Methode zur Verdichtung dünner Lagen

Einwirktiefe begrenzt

Kies- bzw. Schottersäulen Tragfähigkeit bewirken als zusätzliche grenzt, ungeeignet bei breiigen und Vertikaldränage (Setorganischen Böden zungsbeschleunigung) einfaches Verfahren, auch nicht anwendbar in der Nähe von Gefür feinkörnige Böden bäuden. Hohe Tonüber und unter Wasser anteile mindern die anwendbar Effektivität

Kies oder Schotter

keine

grobkörniges anwendbar in grobkörni- ungeeignet bei orgaVerfüllmaterial gen Böden über und unter nischen und feinkörWasser gleichmäßige nigen Böden Verdichtung

keine

nichtbindiges, Baugrund mit in weiten ggf. Wasserhaltung erforderlich gut verdichtba- Grenzen einstellbaren Tragfähigkeitseigenschafres Material ten

Max. wirksa- wirtschaftliche erforderliche Vorteile me verbesser- Größe der Flä- Stoffe bare Tiefe che

Boden wird ausge- alle Bodenarten ≈ 5 m hoben und durch tragfähiges Material ersetzt, das verdichtet eingebaut wird

Wirkungsweise

Tabelle 5.5

Bodenaustausch

Methode

5.1 Grundlagen der Planung und Herstellung 177

Baugrundverbesserungsverfahren [2]

Wirkungsweise


klein

30 m

1.000 m²

> 5.000 m²

bindige Böden ≈ 10 m von breiiger bis steifer Konsistenz

Vakuum während der gesamten Konsolidationsphase aufrecht erhalten.

zeitaufwendig, Materialbeschaffung für Erkauflast oft schwierig (hohe Transportkosten bei An- und Abfuhr)

Auffüllboden, einfaches Verfahren, Sand oder Kies Setzungsbeschleunigung zur Oberflä- durch Vertikaldräns mögchenentwässe- lich und meist sinnvoll. rung

kostengünstiges Verfah- zeitaufwendig, Verbesserungsmaßnahren me muss lange vor Bauwerkserrichtung durchgeführt werden. Nur oberhalb von Grundwasser einsetzbar.

Grenzen und Stoffe

Vertikaldräns, Beschleunigung des KonPVC-Folie, solidationsvorgangs, HorizontalLuftdruck dräns

Papp- oder Kunststoffdräns bzw. Sanddräns

Max. wirksa- wirtschaftliche erforderliche Vorteile me verbesser- Größe der Flä- Stoffe bare Tiefe che

> 5.000 m²


Durch Einbringen bindige Böden ≈ 10 m von Vertikaldräns von breiiger bis kann der Boden steifer Konsisschneller entwässern tenz (Setzungsbeschleunigung).

Vakuumkonsolida- Im Boden wird ein tion Vakuum erzeugt. Der atmosphärische Luftdruck wirkt wie eine Auflast und beschleunigt die Konsolidation.

Vertikaldränage

Entwässerungsverfahren

Methode

5.1 Grundlagen der Planung und Herstellung 179

Fortsetzung Tabelle 5.5

Wirkungsweise

ca. 2 m

Bewehrung durch Eine aus Kunststoff- auf praktisch Zellkonstruktionen gittern erstellte Zell- allen Bodenkonstruktion wird schichten mit grobkörnigem Schüttmaterial verfüllt.

beliebig

klein

Vorteile

Voraushub, lagenweiser Einbau und lagenweise Verdichtung erforderlich.

Grenzen und Stoffe

Kunststoffgitter, Die Zellkonstruktion sorgfältiges Verfülgrobkörniges vermeidet den Bodenaus- len der Zellen erforSchüttmaterial tausch. Es entsteht eine derlich zugfeste Basis, z. B. für einen Damm. Sie wirkt zusätzlich als Dränschicht.

Kunststoffbän- Erhöhung der Tragfähigder oder keit, einfaches Verfahren -gitter bzw. -gewebe

Max. wirksa- wirtschaftliche erforderliche me verbesser- Größe der Flä- Stoffe bare Tiefe che

2 bis 3 m


Bewehrung durch Horizontale, zugfes- alle Streifen oder Gitter te Streifen oder Gitter werden im Boden verlegt, die die Tragfähigkeit erhöhen bzw. Setzungen vermindern.

Bewehrungsverfahren

Methode

180 5 Baugrundverbesserung


5.2 Bodenaushub - und Bodenaustauschverfahren

181

5.2 Bodenaushub - und Bodenaustauschverfahren 5.2.1 Allgemeines Stehen im Bereich einer geplanten Gründung nicht ausreichend tragfähige Bodenschichten an, so kommt häufig das Verfahren des Bodenaustauschs zur Anwendung, bei dem die für die Gründung ungeeigneten Bodenschichten ausgehoben und durch gut verdichtet eingebrachtes, tragfähigeres Material ersetzt werden. Bei der Ermittlung der auszutauschenden Massen muss die Spannungsausbreitung unter den Fundamenten berücksichtigt werden (Bild 5.6).

Bild 5.6

Bodenaustausch

Neben den üblichen Bodenuntersuchungen sind insbesondere folgende Punkte vor Beginn der Baumaßnahme zu klären: Wo der ausgehobene Boden deponiert werden kann, und welche bodenmechanischen und gründungstechnischen Überlegungen erforderlich werden, damit die Deponierung standsicher ist? Welches Material als Austauschboden beschafft werden kann, und woher es geholt werden muss? Wie das Füllmaterial eingebaut und verdichtet werden kann? Ob die Aushubgrube in leerem und eventuell auch im teilverfüllten Zustand ausreichend standsicher ist? Ob eine Wasserhaltung möglich bzw. erforderlich ist, falls der Aushub im Trockenen erfolgen soll, die Grube aber ins Grundwasser einschneidet? Ob die gesamte nicht tragfähige Schicht ausgetauscht werden muss (Bodenvollaustausch) oder ob es ausreicht, nur einen Teil des Bodens auszuheben (Bodenteilaustausch, Polstergründung)? In einigen Fällen wird eine tragfähige Gründung auch dadurch erreicht, dass die stark zusammendrückbaren Schichten ausgehoben und die Fundamente in der darunter anstehenden Bodenschicht gegründet werden (Bild 5.7).

182

Bild 5.7


Gründung auf tiefer liegendem tragfähigen Horizont

Den Mehrkosten für Aushub und Mauerwerk bzw. Stahlbeton steht dann der Gewinn zusätzlichen Kellerraums entgegen.

5.2.2 Bodenmechanische Grundlagen Die im Bereich der geplanten Gründung anstehenden Bodenschichten sind dann als wenig tragfähig anzusehen, wenn sie stark zusammendrückbar sind (Gefahr großer Setzungen) und/oder eine geringe Scherfestigkeit besitzen (Grundbruchgefahr). Solche Böden können natürlich entstandene, geologisch junge Ablagerungen, häufig noch mit organischen Verunreinigungen, aber auch künstliche Anschüttungen sein. Bei nichtbindigen Böden ist die Lagerungsdichte dann meist locker oder sehr locker und bei bindigen Böden die Konsistenz weich oder breiig. Insbesondere bei Schichten geringer Mächtigkeit (bis ca. 3 oder 4 m) ist der Bodenaustausch dann das technisch einfachste, sicherste und in der Regel auch wirtschaftlichste Baugrundverbesserungsverfahren. Das Austauschmaterial muss keineswegs Sand oder Kies sein, es kann auch Siebschutt oder industriell anfallendes Abraumprodukt sowie Mischboden sein, sofern es sich ausreichend verdichten lässt. Bei der Prüfung des Füllmaterials ist daher die Einbaufähigkeit, Verdichtbarkeit und Dauerhaftigkeit im Hinblick auf den gewünschten Zweck zu untersuchen, was sowohl durch Laborversuche (z. B. Proctorversuch) als auch durch Probeschüttungen erfolgen kann. Entscheidend ist, dass das Füllmaterial nach dem Einbau eine hohe Scherfestigkeit (abhängig von der Kornverteilung und der Lagerungsdichte) und eine geringe Zusammendrückbarkeit (im Wesentlichen abhängig von der Lagerungsdichte) hat. In vielen Fällen, insbesondere bei großer Schichtmächtigkeit des nicht tragfähigen Bodens, wird sich der Austausch nur auf einen Teil des Bodens beschränken. Diese Polster- oder Pufferschichten vergleichmäßigen und verringern die Setzungen. Die Wirkung dieser Schichten ist deshalb besonders groß, weil die größten Spannungen, die durch das Bauwerk hervorgerufen werden, im Bereich unmittelbar unter dem Fundament entstehen und dort den Boden zusammendrücken. In der Tiefe t, die der ein- bis zweifachen Fundamentbreite entspricht, sind die Zusatzspannungen durch das Bauwerk praktisch abgeklungen (Bild 5.8).


Bild 5.8

183

Spannungsverlauf unter einem Fundament

Bild 5.9 zeigt anhand eines Rechenbeispiels den Einfluss der Dicke einer Pufferschicht auf die Größe der Setzungen.

Bild 5.9

Setzungsmindernder Einfluss einer Pufferschicht [3]

5.2.3 Anwendungsbereiche Der Anwendungsbereich des Bodenaustauschverfahrens erstreckt sich vor allem auf weiche bis breiige bindige Böden mit einer Schichtmächtigkeit bis ca. 3 m. Anstehendes Grundwasser erschwert den Aushub und die Verdichtung des Ersatzmaterials. Daher ist es empfehlenswert, wenn es technisch möglich und wirtschaftlich vertretbar ist, den Grundwasserspiegel während der Baumaßnahme abzusenken. Bei Flachgründungen in Form von Einzel- oder Streifengründungen ist es im Allgemeinen günstiger, an Stelle prismatischer Verbesserungszonen für das einzelne Fundament die Schicht auf der gesamten Fläche zu entfernen. Aushub und Verdichtung lassen sich so leichter durchführen.

184


Bei Ufereinfassungen ist in Gebieten mit mächtigen, weichen, bindigen Bodenschichten vor allem abhängig von der Höhe des Geländesprungs, von der Größe der Geländeaufhöhung, der Geländenutzlast und den Wasserstandsschwankungen ein Bodenaustausch für Kaianlagen, Böschungen usw. fallweise wirtschaftlich, wenn der zum Bodenersatz erforderliche Auffüllsand in genügender Qualität und Menge kostengünstig zur Verfügung steht. Wenn der Bodenaustausch unter Wasser erfolgen muss, wird das Spül- oder Nassbaggerverfahren zum Aushub des Bodens angewendet. Hierbei sind Aushubtiefen bis etwa 35 m möglich [4]. Das Verfahren der Verdrängung des nicht tragfähigen Bodens durch tragfähigen wird hauptsächlich beim Straßenbau in Moor- und Kleigebieten angewendet. Es werden so Dämme auf weichem Untergrund hergestellt, ohne den gesamten nicht tragfähigen Boden austauschen zu müssen.

5.2.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte Bei dem Verfahren des Bodenaustauschs sind zunächst die Mächtigkeit der auszutauschenden Schicht und anschließend die Anforderungen an das Ersatzmaterial festzulegen. Die Mächtigkeit der auszutauschenden Schicht wird durch eine Setzungsberechnung festgelegt (siehe auch Bild 5.9). Üblicherweise reicht bei Einzel- und Streifenfundamenten eine Austauschmächtigkeit, die der ein- bis zweifachen Fundamentbreite entspricht. Die Anforderungen an das Ersatzmaterial und den Verdichtungsgrad richten sich nach der jeweiligen Bauaufgabe. Der zu erreichende Verdichtungsgrad kann über die Proctordichte (üblich ca. 95 bis 100 % des Proctorwertes), den EV2-Wert des Plattendruckversuches (EV2-Werte von z. B. 45 bis 80 MN/m²), die Schlagzahlen der Rammsonde (z. B. 15 bis 30 Schläge pro 10 cm bei der Leichten Rammsonde) oder über die Spitzendrücke bei der Drucksonde (qc von ca. 7,5 bis 15 N/m²) angegeben werden.

5.2.5 Verfahrensbeschreibung In den Verfahren sind im Allgemeinen die Arbeitsvorgänge Lösen des anstehenden Bodens und Einbau des Ersatzbodens zu unterscheiden. Außerdem gibt es einige Verfahren, bei denen der anstehende Boden nicht ausgehoben, sondern verdrängt wird. Bodenaustausch im Trockenen Bei Schichtdicken bis ca. 4 m wird der anstehende, nicht tragfähige Boden durch Bagger, Radlader oder Schubraupen ausgeräumt und mit Lkws abtransportiert. Der Einbau des Austauschmaterials erfolgt nach den in Kap. 4.2.5 angegebenen Verfahren. Hierbei ist insbesondere auf lagenweisen Einbau zu achten, wobei die Lagen einzeln gut verdichtet werden müssen.


185

Bodenaustausch im Nassen Der Boden wird unter Wasser mechanisch (z. B. Eimerkettenbagger) oder in Kombination mit Spülhilfen gelöst. Das gelöste Material wird in schwimmenden Behältern oder soweit es spülfähig ist in Rohrleitungen abtransportiert. In [5]wird insbesondere auf das Problem des Schlickfalls eingegangen, der sich in dem Zeitraum zwischen dem Aushub und dem Wiederverfüllen einstellt, und der nur durch einen raschen und gleichmäßigen Arbeitsablauf in Grenzen gehalten werden kann. Die Aushubsohle ist im Allgemeinen unmittelbar vor Beginn des Einfüllens zu säubern, wobei spezielle Schlicksauger eingesetzt werden. Liegt jedoch eine längere Zeit zwischen dem Ende der Baggerarbeiten und dem Beginn des Schlicksaugens, kann der Schlick bereits so verklebt sein, dass ein neuerlicher Aushub erforderlich wird. Das Austauschmaterial wird entweder mit Schuten antransportiert oder aufgespült. In beiden Fällen sind ein lagenmäßiger Einbau und eine gezielte Verdichtung beim Einbau nicht möglich. Sollte das verklappte oder aufgespülte Material für die vorgesehene Bauaufgabe nicht ausreichend verdichtet sein, kommt eine nachträgliche Verdichtung (z. B. durch Tiefenrüttler) in Frage. Herstellung von geotextilummantelten Bodensäulen Dem Verfahren liegt im Wesentlichen die Idee zugrunde, dass Bodensäulen, die mit geeigneten Materialien und einer hochzugfesten Ummantelung umgeben werden, vertikale Lasten in den Baugrund abtragen. Die Säulen werden mit einer temporären Schalung (Verrohrung) hergestellt. Im Innern dieser Verrohrung wird der nicht ausreichend tragfähige Boden ausgehoben, was durch Ausgreifen, Ausbohren oder Ausspülen erfolgen kann. Der Aushub muss bis in eine tragfähige Schicht fortgeführt werden. Bevor im Innern der Verrohrung als Ersatzmaterial Kiessand o. ä. eingefüllt wird, wird die Verschalung mit einem zugfesten Geotextil, das in Ring- bzw. Schlauchform eingebracht wird, ausgekleidet (Bild 5.10).

Bild 5.10 Herstellung einer geotextilummantelten Bodensäule [6], [7]

186


Durch das Einfüllen des Materials wird die Ummantelung vollständig ausgefüllt. Während des Ziehens der Verrohrung wird das eingefüllte tragfähige Material verdichtet. Unter der Wirkung dieser Verdichtung und des Eigengewichtes des eingefüllten Materials wird eine zusätzliche Erweiterung der Säule in den umgebenden Boden bewirkt. Es entsteht in dem nicht ausreichend tragfähigen Boden eine Materialsäule mit großer Steifigkeit, wobei die Bauwerks- und Verkehrslasten direkt in den tragfähigen Boden übertragen werden. Die Säulen werden in einem Raster angeordnet, wobei sich die Anordnung nach den Baugrundverhältnissen, der Bauaufgabe und den zu übertragenden Lasten richtet. Kasten-Bodenaustausch-Verfahren Beim Bodenaustausch in konventioneller Bauweise wird der ungeeignete Boden mit Erdbaugeräten abgetragen und anschließend neues Bodenmaterial eingebaut und verdichtet. Dies erfordert eine großflächige Baugrube. Bei der Sanierung von Schienenwegen, bei denen wegen der Erhöhung der Lasten und/oder der Geschwindigkeiten eine Untergrundverbesserung erforderlich ist, ist oftmals keine Verlegung der Gleise möglich und somit nur ein schrittweiser, halbseitiger Ausbau durchführbar. Für diese Aufgabe hat die Firma Möbius BauGesellschaft das Kasten-Bodenaustausch-Verfahren entwickelt [8]. Die einzelnen Arbeitsschritte sind: −

Einvibrieren eines fortlaufenden Kastens

−

Ausbaggern des nicht standfesten Bodens bis zum Wechsel der Bodenschicht

−

Einfüllen von neuem, tragfähigem Boden

−

Anschließendes Verdichten innerhalb des Kastens durch Vibration bei mehrmaligem Heben und Senken des Kastens

Die Kästen sind in ihrer Größe dem Bauvorhaben angepasst (z. B. 3,0 m ⋅ 1,5 m ⋅ 5,0 m). Die Höhe wird so festgelegt, dass der untere Teil in die tragfähige Bodenschicht einbindet, deren Austausch nicht mehr erforderlich ist. Austauschtiefen bis ca. 7,5 m sind möglich. Während des Bodenaustauschs werden alle auftretenden Bodenkräfte von den als biegesteifen Rahmen dimensionierten Kästen sicher aufgenommen. Zum Einsatz kommen jeweils mindestens drei Kästen in der gewählten Arbeitsrichtung. Bodenaustausch mit dem Seitenschildgerät [9] Bei der Sanierung von Schienenverkehrswegen ist häufig ein Bodenaustausch erforderlich. Die Firma Möbius Bau-Gesellschaft hat ein Seitenschildgerät entwickelt, mit dessen Hilfe der Austausch ohne zusätzlichen Verbau und ohne betriebliche Einschränkungen auf dem Nachbargleis bei sehr schnellem Arbeitsfortschritt und großer Wirtschaftlichkeit ausgeführt werden kann. Das Seitenschild wird auf einer vorgegebenen Trennlinie (bei Bahnstrecken z. B. in der Streckenachse) geführt. Der vordere Teil des Seitenschildes ist über einen Hydraulikzylinder schwenkbar angeordnet, so dass sowohl eine Richtungskorrektur als auch das Nachfahren einer vorgegebenen Trassierung möglich ist. Das Seitenschild durchschneidet den Boden bis auf die Unterkante der auszubauenden, nicht tragfähigen Bodenschicht.


187

Der so abgetrennte Boden wird mit Hilfe eines Tieflöffels ausgebaggert und durch neuen, tragfähigen Boden ersetzt. Die mögliche Austauschtiefe reicht bis ca. 1,5 m. Bodenaustausch mit dem Vorschubgerät Ebenfalls für die Sanierung von Eisenbahnstrecken wurde von der Firma Möbius der Bodenaustausch mit dem Vorschubgerät entwickelt (Bild 5.11).

Bild 5.11 Vorschubgerät im Bahnkörperquerschnitt [10]

Das Vorschubgerät, mit dem der Boden bis in ca. 4 m Tiefe ausgetauscht werden kann, ist ein Schalungskasten mit eigenem Antrieb, der taktweise in Arbeitsrichtung bewegt wird. Im vorderen Bereich erfolgt der Bodenausbau mit einem Hydraulikbagger zwischen den beiden Seitenwänden und einer feststehenden Querwand (Bild 5.12). Zur gleichen Zeit wird im hinteren Bereich neuer Boden eingebaut und verdichtet. Nach Aushub und Einbau wird die bewegliche Druckwand mit Hydraulikzylindern gegen die Verfüllung gedrückt und bewirkt so den Vorschub des Gerätes von jeweils 2,0 bis 2,5 m. Während der Aushub beginnt, wird die Druckwand zurückgefahren, und es entsteht ein Raum für das Verfüllen mit geeignetem Boden, der von einem Hydraulikbagger mit angebautem Rüttelverdichter verteilt und lagenweise auf die vorgeschriebenen Werte verdichtet wird.

188


Bild 5.12 Arbeitsschritte beim Vorschubverfahren [10]

Bodenaustausch durch Verdrängen Das Verfahren der Verdrängung des nicht tragfähigen durch tragfähigen Boden wird hauptsächlich beim Straßenbau in Moor- oder Kleigebieten angewendet. Es werden so Dämme auf weichem Untergrund hergestellt, ohne dass der gesamte nicht tragfähige Boden ausgetauscht werden muss. Die Verdrängung wird mit einem gesteuerten Grundbruch durch die Auflast erreicht. Hierzu wird linienhaft ein Bodenkörper aus tragfähigem Boden aufgebracht, der den nicht tragfähigen Boden seitlich verdrängt. Dabei ist es erforderlich, mit dem Absinken der Auflast das Material ständig und gleichmäßig nachzugeben, so dass der Gleitprozess nicht unterbrochen wird. Die Verdrängung des Bodens kann durch Sprenghilfen beschleunigt werden. Der Damm wird hierbei mit Überhöhung geschüttet, so dass ein Teil des Moores oder des weichen Bodens bereits unter der statischen Auflast seitlich verdrängt wird.

5.3 Oberflächenverdichtung

189

Anschließend werden die Sprengladungen eingebracht und zwar sowohl seitlich als Vorfeldminen (kleinere Ladungen) als auch mittig unter dem Schüttvolumen als Hauptminen. Die Vorfeldminen werden zuerst gezündet. Die sich ausdehnenden Sprenggase schaffen einen Hohlraum, der die Oberfläche aufwölbt. Etwa eine Sekunde nach den Vorfeldminen werden die Hauptminen gezündet. Die Sprenggase heben den Damm um zwei bis drei Meter an. Dann fällt das Dammmaterial in den von den Hauptminen geschaffenen Hohlraum herunter und verdrängt damit den weichen Boden.

5.3 Oberflächenverdichtung 5.3.1 Allgemeines In der Praxis trifft man häufig auf Böden, die für eine bestimmte Baumaßnahme nicht ausreichend dicht gelagert sind. Das kann z. B. der Fall sein, wenn die Baugrubensohle durch Fahrzeugbetrieb aufgelockert wurde, wenn das Material aufgefüllt wurde oder wenn es sich um geologisch junges Ablagerungsmaterial handelt, das zum Beispiel vom Wind oder Wasser transportiert wurde. In diesen Fällen ist es erforderlich, den Boden zu verdichten. Verdichtung bedeutet hierbei eine Verringerung des Porengehaltes, was zu einem stabileren Zustand des Korngerüstes führt. Dadurch erhöhen sich Reibungswinkel und Steifemodul, so dass die Tragfähigkeit steigt und die Verformbarkeit abnimmt. Je nachdem, ob die zu verdichtende Schicht an der Oberfläche liegt und nur eine geringe Mächtigkeit aufweist, oder ob tiefer liegende dickere Schichten zu verdichten sind, unterscheidet man in Oberflächenverdichtung und Tiefenverdichtung. Bei der Oberflächenverdichtung ist die Tiefenwirkung so gering, dass diese Art der Verdichtung im Wesentlichen im Erd- und Straßenbau für lagenweise eingebaute Schüttungen angewendet wird. Die Bodenverdichtung erfolgt von der Oberfläche aus mit z. B. Flächenrüttlern, Vibrationswalzen, Explosionsstampfern oder Fallplatten. Durch die Bodenverdichtung sollen die bautechnischen Eigenschaften der Böden verbessert werden. Die Aufgabe besteht darin, den mit Wasser und Luft gefüllten Porenraum eines Bodens zu verringern. Durch die dichtere Lagerung der Bodenteilchen erhöht sich die Scherfestigkeit und zudem vermindert sich die Zusammendrückbarkeit und Durchlässigkeit des Bodens. Die erreichbare Verdichtung hängt einerseits vom Verdichtungsgerät und vom Arbeitsverfahren, andererseits von der Bodenart, vom Wassergehalt des Bodens sowie vom Verformungsverhalten der Unterlage ab.

190


5.3.2 Technische Grundlagen Die Mächtigkeiten der zu verdichtenden Lagen liegen in der Regel zwischen 20 bis 60 cm. Die Verdichtung kann je nach dem gewählten Gerätetyp durch statischen Druck, Knetwirkung, Schlagwirkung oder die Einleitung von Schwingungen erfolgen, wobei die Wirkungen z. T. kombiniert sind. Bei den statisch wirkenden Verdichtungsgeräten wird deren Eigengewicht über verschieden ausgebildete Aufstandsflächen und damit über unterschiedliche Drücke im Boden wirksam. Durch die so entstehende Verteilung und Ausbreitung von Spannungen im Boden wird dessen Verdichtung bewirkt. Die Verdichtungstiefe ist gegenüber den im Gewicht vergleichbaren, dynamisch wirkenden Geräten gering. Zu den statisch wirkenden Geräten gehören Schaffußwalzen, Gummiradwalzen, Gürtelradwalzen und Gitterwalzen. Bei den dynamisch arbeitenden Geräten wirkt neben dem statischen Gewicht eine Wechselkraft auf den Boden. Man unterscheidet stampfende und mit fließendem Übergang springende und vibrierende Geräte. Bei den stampfenden Verdichtungsgeräten handelt es sich um Geräte wie Fallplattenstampfer, Explosionsstampfer und Schnellschlagstampfer. Zu den springenden bzw. vibrierenden Verdichtungsgeräten zählen Walzen und Platten, wobei sich unter üblicher Anwendung bei den Walzen mehr ein springendes Bewegungsverhalten einstellt. Im Hinblick auf die unterschiedlichen Verdichtungseigenschaften der Böden sind drei Arten zu unterscheiden. Tabelle 5.6 zeigt diese Eigenschaften: Tabelle 5.6

Entscheidende Faktoren für die Verdichtung

Grobkörnige, nichtbindige Böden

Feinkörnige, bindige Böden

Fein- und grobkörnige Mischböden, bindig

Sande, Kiese

Schluffe, Tone

Bindige Sande und Kiese 

  

5.3.3

Kornzusammensetzung Kornform Wassergehalt

  

Wassergehalt Plastizität Kornzusammensetzung

 

Mischungsverhältnis von Fein- und Grobkörnung Wassergehalt der Feinkörnung Kornzusammensetzung und Plastizität der Feinkörnung

Das Bauverfahren

5.3.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die Oberflächenverdichtung wird überall da angewendet, wo es um den lagenweisen Einbau oder die Verbesserung oberflächennaher, geringmächtiger Schichten geht.


191

Hauptanwendungsgebiet ist der Straßen- und Dammbau, bei dem das Schüttmaterial in Lagen von ca. 20 bis 60 cm Stärke eingebracht und verdichtet wird. Die einzelnen Prozesse der Oberflächendichtung sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Tabelle 5.7

Prozesse der Oberflächenverdichtung

Prozess I

Gerät

Vorbereitende Maßnahmen (1) ggf. Baugelände freimachen

-

Verdichten

-

Raupe Radlader Radplanierraupe Grader Glattmantelwalze Stampfer Plattenrüttler

-

Radlader Raupe

II

III

Teilprozess


(1) Boden auf die vorgesehene Fläche lagenweise einbringen (2) Ausplanieren und Planum erstellen (3) lagenweises Verdichten des Bodens (4) ggf. Profilieren (5) ggf. Mutterboden andecken (1) Reinigung von benutzten Flächen

5.3.3.2 Die Geräte Gerätetypen Im nachfolgenden werden nur die Geräte für die Verdichtungsleistungen behandelt. Dazu zählen: •

Stampframme

•

Vibrationsstampfer

•

Vibrations- bzw. Rüttelplatte

•

Walze

Stampframme Die Stampframme bzw. Explosionsramme besitzt eine meist kreisförmige Stampfplatte und verdichtet den Boden durch das Fallgewicht bei einer Sprunghöhe von ca. 40 cm. Diese Art von Verdichtungsgerät wird in Deutschland nur von der Firma Demag vertrieben.

192


Bild 5.13 Stampframme und Vibrationsstampfer [11]

Vibrationsstampfer Vibrationsstampfer bestehen aus einem Unterteil mit Stampffuß und einem Oberteil, das den Antriebsmotor, das Getriebegehäuse und den Führungsbügel mit Gashebeln aufnimmt. Die Kraftübertragung erfolgt vom Antriebsmotor über eine Fliehkraftkupplung, ein einstufiges Stirnradgetriebe und den Kurbeltrieb auf den zwischen Druckfedern eingespannten Kolben und über die Innenführung auf dem Stampffuß. Die Stampferplatte besteht aus Holz oder Kunststoff und ist mit einem verschleißarmen Stahlblech belegt. Übliche Betriebgewichte liegen zwischen 50 und 100 kg. Vibrations- bzw. Rüttelplatten Vibrationsplatten bestehen aus der Grundplatte und der Motorplatte, die durch schwingungsdämpfende Gummipuffer miteinander verbunden sind. Ein klappbarer Führungsflügel ist ebenfalls schwingungsfrei an der Motorplatte befestigt und erlaubt die Führung der Platte in beide Richtungen. Der Motor treibt über eine Fliehkraftkupplung, Keilriemen und eine Gelenkwelle den Schwingungserreger in der Grundplatte an. Vorwärts laufende Vibrationsplatten besitzen einen Einwellenkreiserreger mit gegenläufigen Massen. Die maximale Arbeitsgeschwindigkeit von Vibrationsplatten hängt vom Gerätetyp und den Bodenverhältnissen ab. Mit der aufliegenden Platte werden diese Geräte besonders zur Verdichtung nicht- oder schwach bindiger Böden benutzt. Kleinere Platten werden hin- und hergezogen, während größere selbst gehend sind und mittels Deichsel gelenkt werden. Vor- und Rückwärtsgang, Geschwindigkeit und Vibration sind steuerbar. Durch zusammenkoppeln mehrerer Platten lässt sich die Arbeitsbreite vergrößern. Auch können mehrere Geräte front- oder heckseitig an Geräte (Grader, Unimog o. ä.) angebaut werden. Übliche Betriebsgewichte liegen zwischen 50 und 500 kg.


193

Walzen Die Walzen werden nach ihrer Wirkungsweise in statisch bzw. dynamisch wirkende Geräte unterschieden. Zudem werden sie nach Art bzw. Gestaltung der Walzen als Glattradwalzen, Gitterradwalzen, Schaffußwalzen, Stampffußwalzen und Gummiradwalzen bezeichnet. Nach Art der Walzenordnung und des Antriebs werden Einzel-, Tandem- und Dreiradwalzen sowie Walzenzüge und Anhängewalzen unterschieden. Statisch wirkende Walzen mit Glattmantel werden als Dreiradwalzen oder Tandemwalzen konstruiert. Dreiradwalzen besitzen zwei größere, angetriebene Hinterräder und ein kleines, nicht angetriebenes Vorderrad. Ihre Betriebsgewichte betragen 4 bis 16 t. Tandemwalzen haben zwei annähernd gleich große Bandagen, von denen meist nur eine angetrieben ist. Das Betriebsgewicht liegt zwischen 1 und 12 t. Eine Kenngröße für ihre Verdichtungsleistung ist die statische Linienlast. Sie ermittelt sich zu: Statische Linienlast = Achslast (kg) / Bandagenbreite (cm)

Bild 5.14 Statische Linienlast [12]

Der durch die statische Linienlast auf den Boden ausgeübte Flächendruck steigt mit zunehmender Verdichtung, da die Stahlbandage in lockeren Böden weiter einsinkt und somit eine größere Ausstandsfläche besitzt. Die Tiefenwirkung dieser Walzen ist relativ gering und reicht bei der Bodenverdichtung unter günstigsten Verhältnissen bis max. 40 cm, wobei in der Praxis Werte bis zu 20 cm angenommen werden sollten. Statisch wirkende Gummiradwalzen haben 5 bis 11 profillose, mit seitlichem Abstand angebrachte Gummiräder, die pendelnd oder tauchend aufgehängt sind. Ihr Betriebsgewicht liegt zwischen 5 und 35 t. Die Verdichtungswirkung beruht auf dem Eigengewicht und hängt von der Radlast, dem Reifeninnendruck und der Walzengeschwindigkeit ab. Für die Bodenverdichtung hat die Gummiradwalze durch die dynamisch wirkenden Walzen an Bedeutung verloren. Die dynamisch wirkenden Walzen, auch Vibrationswalzen genannt, sind bei der Bodenverdichtung wesentlich leistungsfähiger als die statisch wirkenden und stellen heute die am weitest verbreiteten Verdichtungsgeräte dar. Die Verdichtungsleistung hängt neben der statischen Linienlast im Wesentlichen von der Frequenz und der Amplitude der schwingenden Masse ab. Die Vibrationen werden dabei mit einem rotierenden Excenter erzeugt, dessen Drehzahl die Frequenz der Vibration bestimmt. Die Frequenz ist die Anzahl der Excenterumdrehungen pro Sekunde und wird mit Hertz [Hz] angegeben.

194


Die schwingende Maschinenmasse ist vom restlichen Geräteteil schwingungstechnisch durch Gummipuffer getrennt. Die theoretische Amplitude wird durch das Gewicht der schwingenden Maschinenmasse sowie durch die Geometrie und das Gewicht des Excenters bestimmt.

Bild 5.15 Kombi Walzenzug. Vordere Achse mit Gummimantelbandage, hintere Achse mit Gummirädern [13]

Die Vibrationswalzen werden angeboten als Tandem-Vibrationswalzen mit Betriebsgewichten von 1 bis 13 t. Sie besitzen zwei gleich große Bandagen und werden im Verkehrsbau zur Verdichtung von Asphaltschichten, von Frostschutz- und ungebundenen Tragschichten eingesetzt. Bei Walzenzügen ist die in einem Vorderrahmen sitzende Bandage über ein zentrales Pendelknickgelenk mit dem Hinterrahmen verbunden. Im Hinterrahmen sitzen zwei gummibereifte Antriebsräder. Der Vibrationsantrieb erfolgt hydraulisch. Das Betriebsgewicht liegt zwischen 2 und 18 t. Sie werden zur Bodenverdichtung im Erdbau und zur Verdichtung von Frostschutzschichten und ungebundenen Tragschichten im Straßenbau eingesetzt. Größere Vibrationswalzen sind meist mit zwei Amplituden und zwei Frequenzen ausgestattet. Bei dünnen Schichten und leicht verdichtbaren Böden wird eine kleine Amplitude und eine hohe Frequenz, bei dicken Schichten und schwer verdichtbaren Materialien eine große Amplitude mit niedriger Frequenz empfohlen. Die Tiefenwirkung ist wesentlich höher als bei den statischen Walzen. So lassen sich mit schweren Walzenzügen Schichtstärken von bis zu 1,50 m bearbeiten. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Verdichtungswirkung mit zunehmender Schichtstärke abnimmt und in der Praxis bei Forderungen von gleichmäßig hohen Verdichtungsergebnissen die maximal angegebene Schichtstärke zu reduzieren ist. Die Walzengeschwindigkeiten liegen bei bindigen Böden und Fels bei zwischen 1 und 2,5 km/h und bei Kies, Sand und Mischböden bei 2,5 bis 4 km/h. Für Anhängewalzen mit Betriebsgewichten von 4 bis 16 t gilt ähnliches. Für die Oberflächenausbildung der Stahlbandagen gilt: Glattmantelbandagen kommen bei nichtbindigen Böden, bei Mischböden, leicht bindigen Böden und Steinschüttungen zum Einsatz.


195

Bandagen mit aufgeschweißten Stampffuß- oder Schaffußelementen werden vorzugsweise auf stark bindigen Böden und bindigen Böden mit erhöhtem Wassergehalt eingesetzt. Stampffußelemente eignen sich zudem noch bei Schüttungen aus mürbem Gestein. Bei Einsatz von dynamisch wirkenden Walzen auf nichtbindigen Böden, insbesondere bei gleichförmigem Bodenmaterial oder Böden mit geringem Feinkornanteil in den oberen Schichten, besteht eine gewisse Auflockerungs- und Entmischungsgefahr. Deshalb sollten die letzten beiden Übergänge nur mit statischer Wirkung gefahren werden.

5.3.3.3 Die Einsatzeignung der Geräte in Abhängigkeit des Bodens Wird der Boden einer Verdichtung unterzogen, ist die Verdichtungswilligkeit des Bodens gefragt. Hier werden empirisch ermittelte Daten angewendet, bzw. die Erfahrung lehrt, ob der Boden sich gegen eine Verdichtung sperrt, ob er auf Vibrationen anspricht oder gedrückt und geknetet werden muss. Tabelle 5.8

Verdichtungseignung und zweckmäßige Verdichtungsmethoden [14] Rütteln Rüttler

Nichtbindige Böden - Steine - Geröll - Kies - Sand Bindige Böden - weich (m. Steingerüst) - plastisch - hart Krümelige Böden - krümelig - bröckelig - schollig Plattige Körnung - schieferig - plattig - bankig Schotter, Blöcke - Schotter < 100 mm ∅ - Schotter > 100 mm ∅ - gebrochenes Haufwerk - grobe Blöcke Gemischte Böden - viel Korn, wenig Binder - viel Binder, wenig Korn

Mammutrüttler

Rütteln + Druck Vibrationswalze

Druck Glattwalze

Stampfen

Gummi- Exploradsionswalze stampfer

Stampbagger

Kneten Schaffußwalze

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196


5.3.3.4 Der Personalbedarf Zu einer aufeinander eingespielten Arbeitsgruppe gehören im Allgemeinen: 1 Fahrer des LKW (Boden anliefern) 1 Maschinist für die Planierraupe 1 Hilfsarbeiter zuständig für die Hilfsarbeiten 1 Maschinist für die Walze, Vibrationsplatte oder Stampframme

• • • •

5.3.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Die Verdichtung wird beeinflusst von:

dem zu verdichtenden Material den Einbaubedingungen des Materials den Baustellenbedingungen den Gerätemerkmalen sonstigen Einflüssen, z. B. Wirtschaftlichkeit

Zu jedem dieser Einflüsse lassen sich einzelne Faktoren nennen, die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt werden. Tabelle 5.9

Einflussfaktoren auf die Verdichtungsleistung [12] Einbaubedingungen

Material - Kornzu-

sammensetzung Kornabstufung Kornform Kornrauhigkeit Plastizität Wassergehalt

- Beschaffenheit der -

Unterlage Schütthöhe Walzengeschwindigkeit Zahl der Übergänge Wasserzugabe

Baustellenbedingungen - Baustellen-

geometrie Kurvigkeit Neigung Zugänglichkeit Geräteabstimmung

Wirtschaftlichkeit - Verfügbarkeit des

Gerätes - Leistungsfähigkeit des Gerätes - Baustellengröße

Gerätemerkmale - Art des Verdich-

tungsgerätes - Gewicht - Schwingende

Masse - Frequenz - Amplitude - Geometrie des

Verdichtungskörpers

Die Leistung eines Verdichtungsgerätes im Erd- oder Straßenbau wird danach gemessen, welches Volumen an verdichtetem Material je Zeiteinheit durch das Gerät eingebaut werden kann. Als wesentliche Kenngrößen für die Ermittlung von Verdichtungsleistungen gelten:

Bodenart Wirksame Arbeitsbreite Dicke der zu verdichtenden Schicht Verdichtungsgeschwindigkeit und Zahl der Verdichtungsübergänge


197

Nachfolgend werden die zugehörigen Geräte, BGL-Nr., der Personaleinsatz und die kalkulatorischen Aufwandswerte der gewichtigen Teilprozesse aufgeführt. Tabelle 5.10 Betriebsmitteleinsatz Prozess

II

Teilprozess (1) Boden auf die vorgesehenen Flächen lagenweise einbringen (2) Ausplanieren und Planum erstellen (3) lagenweises Verdichten des Bodens (5) ggf. Mutterboden andecken

Gerät LKW

BGL-Nr. (Hauptgruppen) P.2.10. ····

Personalbedarf

Kalkulatorische Leistungsansätze

1 Maschinist 4001500 m³/Tag

Radplanierraupe

D.4.00. ····

1 Maschinist

100400 m2/h Schichtdicke:30cm

Grader Stampfer Dreiradwalze Flächenrüttler

D.7.01. ···· D.8.70. ···· D.8.00. ···· D.8.61. ····


125500 m2/h 0,5 m2/min 125500 m3/h 1 m2/min

Radplanierraupe

D.4.00. ····

1 Maschinist

100300 m2/h Schichtdicke: 30cm

Die Tabelle 5.11 zeigt ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten der angewandten Verfahren. Die angegebenen Leistungswerte gelten bei Großbaustellen. Bei mittleren und kleineren Baumaßnahmen sind die Leistungswerte zum Teil wesentlich niedriger. Tabelle 5.11 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten bei der Oberflächenverdichtung Tätigkeit

Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten

Transport pro Km/t und m3 Grobkörnige, nichtbindige Böden (Sande, Kiese) Gummiradwalze 150 m3/h Verdichtungsleistung Stampfer 9,0 m3/h (Schichtdicke 30 cm) Flächenrüttler 18,0 m3/h Fein- und grobkörnige Mischböden, bindig (bindige Sande und Kiese) Gummiradwalze Bis 125 m3/h Verdichtungsleistung Stampfer 7,5 m3/h (Schichtdicke 25 cm) Flächenrüttler 15,0 m3/h Feinkörnige, bindige Böden (Schluffe, Tone) Gummiradwalze 100 m3/h Verdichtungsleistung Stampfer 6,0 m3/h (Schichtdicke 20 cm) Flächenrüttler 12,0 m3/h Baustelleneinrichtung 1 Tag Anlaufzeit am Morgen 20 min pro Tag bzw.Abbauzeit am Abend Geräteausfall 13 Stunden in der Woche

Sonstiges

Verdichtungsvorgang

Boden anliefern


1 Tag

198


5.3.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Teilleistungen Hinsichtlich der baubetrieblichen Verfahrensplanung für eine Oberflächenverdichtung sind bei der Leistungsbeschreibung folgende Arten zu unterscheiden: a) Oberflächenverdichtung von anstehenden Bodenschichten b) Oberflächenverdichtung von neu einzubringenden Bodenschichten Die Unterscheidung ergibt sich aus der von a) bis b) zu nehmenden Leistungstiefe. So müssen bei den zu a) gehörenden Leistungen nur Verdichtungsgeräte eingesetzt werden. Bei b) fallen zusätzliche Bodentransporte und Bodeneinbau an. Inhalte In der Leistungsbeschreibung für Leistungen der Gruppe a) sollten folgende Informationen enthalten sein: Art des Bauwerks (Dämme, Straßen, Plätze etc.) bzw. des Bauteils (Einzelfundamente, Sohlplatte etc), für welches die Bodenverbesserungen benötigt werden Beschaffenheit des vorhandenen Bodens Bei nichtbindigen Böden: Bodenart und Lagerungsdichte Bei bindigen Böden: Bodenart, Wassergehalt und Konsistenz Schichtstärke des zu verbessernden Bodens Geforderte Bodeneigenschaften nach der Verdichtung bei nichtbindigen Böden: Lagerungsdichte, Proctordichte, EV2-Wert bei bindigen Böden: Proctordichte, EV2-Wert Abmessungen und bei mehreren Einzelflächen die Verteilung der zu verbessernden Flächen Informationen über zusätzliche Leistungen der Gruppe b): Art und Umfang des zu liefernden Bodenmaterials Transportentfernung, Ort und Art der Lagerung bei vom Auftraggeber bereitgestellten Böden Gesamte Einbaustärke des aufzubringenden Materials

5.3.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Die Qualität bei der Verdichtung von der Oberfläche aus hängt zunächst von der Wahl des Verfüllmaterials ab, aber natürlich auch von der Mächtigkeit der einzelnen Lagen und davon, welches Verdichtungsgerät gewählt wird.


199

Die Kontrolle der Verdichtung erfolgt mit den im Erdbau üblichen Verfahren: Feststellung der Trockendichte von entnommenen Proben und Vergleich mit dem Proctorwert nach DIN 18 127 (Ermitteln des Verdichtungsgrades Dpr) Durchführung von Plattendruckversuchen zur Feststellung der Verformungsmoduli EV1 und EV2 Ermittlung von Dichte und Wassergehalt mit radiometrischen Verfahren Für grobkörnige Böden lassen sich näherungsweise Zuordnungen zwischen Dpr und EV2 angeben (Tabelle 5.12). Tabelle 5.12 Näherungsweise Zuordnung von Verdichtungsgrad und Verformungsmodul [15] Bodenart

GW, GI GE, SE, SW, SI

Dpr [%]

> 103 > 100 > 97 > 100 > 97 > 95

EV2 [MN/m2]

> 120 > 100 > 80 > 80 > 60 > 45

Für feinund gemischtkörnige Böden ist eine näherungsweise Zuordnung von Porenanteil n, Wassergehalt w und EV2-Modul möglich, sofern sie einen Luftporenanteil na < 12 % aufweisen (Tabelle 5.13). Tabelle 5.13 Näherungsweise Zuordnung von Porenanteil, Wassergehalt und Verformungsmodul bei feinund gemischtkörnigen Böden mit Luftporenanteil na < 12 % [15] Porenanteil n [-]

Wassergehalt w [-]

EV2 [MN/m2]

< 0,3 0,3 < n < 0,36 > 0,36

0,07 < w < 0,15 0,1 < w < 0,2 > 0,15

> 20 20 < EV2 < 45 < 20

Während die üblichen Kontrollen des Verdichtungsgrades und des Verformungsmoduls wegen der Kosten nur stichprobenartig und punktuell durchgeführt werden, lässt sich der Verdichtungserfolg auch flächendeckend durch eine dynamische Verdichtungskontrolle, die mit dem Verdichtungsgerät selbst aufgeführt wird, nachweisen. Das Funktionsprinzip des Messsystems beruht auf der Wechselwirkung zwischen der beschleunigten Walzenbandage und der sich mit der Verdichtung ändernden dynamischen Steifigkeit des Bodens. Mit der flächendeckenden dynamischen Verdichtungskontrolle lassen sich Untergrund- und Aufstandsflächen von Dammbauten, Verkehrsflächenbefestigungen, Bauwerksgründungen und mineralischen Abdichtungen bezüglich ihres Verformung- und Tragfähigkeitsverhaltens beurteilen. Das Verfahren erlaubt es, festzustellen, ob ein weiterer Einsatz des Verdichtungsgerätes sinnvoll ist, und wo Bereiche sind, die nachgearbeitet werden müssen.

200

5.4


Tiefenrüttelverfahren

5.4.1 Das Bauverfahren im Überblick Bei der Verdichtung mit Rüttelschwingung wird zwischen zwei Verfahren unterschieden: 1) Tiefenverdichtung mit dem Rütteldruckverfahren 2) Tiefenrüttlung mit Aufsatzrüttlern Tiefenverdichtung mit dem Rütteldruckverfahren Das heute angewendete Rütteldruckverfahren kombiniert die Einleitung von Schwingungen mit dem Aufbringen der Vertikallast aus dem Gewicht des Rüttlers und der Aufsatzrohre. Die Eindringung des Rüttlers wird i. Allg. zusätzlich durch Spülwasser unterstützt, das an der Rüttlerspitze austritt. (Bild 5.16) Die Rüttelschwingungen beim Einfahren und Verdichten werden durch eine von einem Elektromotor angetriebene Unwucht erzeugt, die kurz über der Spitze des Rüttlers sitzt. Die Rüttler haben einen Durchmesser von 30 bis 40 cm. Im Sand lässt sich die Verdichtung am besten mit niedriger Drehzahl und großer Amplitude erreichen. Die mittlere Absenkgeschwindigkeit liegt bei 2 bis 5 m/min, wobei maximal bis zu 100 m3/h an Spülwasser zugegeben werden. Der Spüldruck beträgt maximal 10 bar. Der Boden im Umkreis des Rüttlers kann nur verdichtet werden, wenn der Rüttler ständigen Kontakt zum Boden hat. Dies erfordert die Zugabe von Material, das entweder angefahren oder auf der Baustelle selbst gewonnen wird. Das Zugabematerial kann aus der gleichen Körnung bestehen oder aber aus speziellen Korngrößengruppen, die im anstehenden Boden nicht vorhanden sind. Durch die Zugabe solcher Fehlkörnungen entsteht ein besonders dichtes Bodengefüge mit einer hohen Tragfähigkeit. Die Verdichtungswirkung erstreckt sich auf einen Bereich mit einem Radius von ca. 1 bis 2 m um den Rüttler herum. Ganz allgemein ist darauf hinzuweisen, dass sich durch die Verdichtung die Geländeoberfläche um ca. 8 bis 15 % der Mächtigkeit der zu verbessernden Schicht setzt [16]. Da die Wirkung des Rüttlers im oberflächennahen Bereich stark abnimmt, ist eine abschließende Verdichtung der oberen 0,5 bis 1,0 m mit Oberflächenrüttlern (Kap. 5.2) erforderlich Falls dieser Bereich ohnehin ausgehoben wird, findet eine Verdichtung zusammen mit dem restlichen Oberboden statt.

5.4 Tiefenrüttelverfahren

201

Tiefenrüttlung mit Aufsatzrüttlern Als Alternative zum Rütteldruckverfahren wird das Einbringen von Rohren, Bohlen o. ä. mit Aufsatzrüttlern angeboten. Hierbei werden vorzugsweise vertikale Schwingungen in den zu verdichtenden Baugrund eingeleitet, während beim Rütteldruckverfahren der Boden vorwiegend in horizontale Schwingungen versetzt wird. In den USA wurde ein Verfahren unter dem Namen Terraprobe entwickelt, bei dem ein Rüttler auf einem unten offenen Rohr von 76 cm Durchmesser sitzt. Der Rüttler und das Rohr wiegen zusammen etwa 10 t. Am Rohr sind Spülleitungen befestigt, wodurch ein schnelleres Absenken des Rohres sowie die Wassersättigung des Bodens oberhalb des Grundwasserspiegels bewirkt werden kann. Vergleichende Untersuchungen haben gezeigt, dass die Eindringgeschwindigkeit des Rohres etwa viermal so groß ist wie bei Tiefenrüttlern. Da aber die eingeleitete Schwingungsenergie geringer ist, sind etwa 4 bis 5mal so viele Verdichtungspunkte erforderlich. In Schweden wurde die Vibro-Wing-Methode entwickelt [17]. Ein ca. 7 t schwerer Rüttler sitzt am oberen Ende einer ca. 15 m langen Stange, in der im Abstand von ca. 0,50 m Flügel mit einer Länge von 0,8 m angebracht sind. Als Trägergerät für den Rüttler wird ein Seilbagger benutzt. Die Frequenz des Rüttlers ist auf die jeweiligen Bodenverhältnisse einstellbar. Das Eintreiben der Sonde kann durch Spülen im unteren Teil der Flügelstange unterstützt werden. Die Verdichtungspunkte haben im Allgemeinen Abstände von 1,50 bis zu 5,00 m. Die Firma Franki hat ein Verfahren entwickelt, bei dem eine aus drei besonders konstruierten Stahlplatten Y-förmig geschweißte Bohle durch einen Rüttler auf eine Solltiefe eingebracht wird. Bohlen und Rüttler können den jeweiligen Boden- und Verdichtungsverhältnissen angepasst werden. Nach Erreichen der Solltiefe verbleibt die vibrierende Bohle mehrere Minuten in dieser Stellung und wird dann stufenweise in auf- und abgehenden Schritten gezogen. Die Dauer der einzelnen Schritte und die Hubhöhe werden dem Baugrund und dem angestrebten Verdichtungsziel angepasst.

202


Bild 5.16 Rütteldruckverfahren [18]

5.4.2 Technische Grundlagen Locker gelagerte nichtbindige Böden haben einen großen Porenanteil, eine geringe Dichte und einen geringen Steifemodul, so dass es bei Belastung durch Bauwerke zu großen Setzungen kommt. Ziel der Baugrundverbesserung ist daher, den Porenanteil zu verringern und damit die Scherfestigkeit zu vergrößern und die Zusammendrückbarkeit herabzusetzen.


203

Bei nichtbindigen Böden lässt sich das z. B. durch das Einleiten von Schwingungen in den Baugrund erreichen, wobei kurzzeitig die Reibung zwischen den Körnern verringert bzw. nahezu aufgehoben wird, so dass eine Kornumlagerung eintritt, die zu einer größeren Dichte führt. Dieser Effekt wird noch dadurch unterstützt, dass beim Einbringen der Rüttelschwingungen der Boden durch Wasserzugabe gesättigt werden kann, was zu einer zeitweisen Verflüssigung des Bodens und damit zu einer noch intensiveren Umlagerung der Bodenteilchen führt.

5.4.3 Anwendungsbereiche Die Tiefenrüttelverdichtung ist auf nichtbindige Böden (Sande und Kiese) mit maximal ca. 10 % Feinanteilen (≤ 0,06 mm) begrenzt (Bild 5.17).

Bild 5.17 Anwendungsbereiche der Tiefenrüttlung [19]

Eine wirtschaftliche Anwendung ist bei Verdichtungstiefen von 3 bis 25 m gegeben. In Sonderfällen wurden auch schon Schichten bis 35 m Mächtigkeit verbessert. Die Wirksamkeit des Verfahrens nimmt mit zunehmendem Feinanteil ab, der Eindringvorgang des Rüttlers wird durch größere Steine (ab ca. 50 cm Kantenlänge) oder durch viele Steine mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm behindert [19]. Bei der Anwendung der Tiefenrüttlung ist stets zu prüfen, ob setzungsgefährdete Nachbarbebauung vorhanden ist, da durch die eingeleiteten Schwingungen der Baugrund sich auch in einem Bereich um die eigentlich zu verdichtete Fläche zusammendrücken kann. Erfahrungsgemäß ist allerdings die Rückwirkung auf benachbarte Bauten unbedenklich, wenn der Boden nicht unterhalb des Lastausbreitungsbereiches der vorhandenen Fundamente beansprucht wird [3] (Bild 5.18).

204


Bild 5.18 Einfluss der Tiefenverdichtung auf vorhandene Bebauung

5.4.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte Eine exakte Bemessung, d. h. die Festlegung der Abstände der Verdichtungspunkte auf Grund theoretischer Berechnungen, lässt sich nicht durchführen. Die Abstände sind daher auf Grund von Erfahrungen festzulegen. Anhaltspunkte dafür liefert Bild 5.19, das für reinen Sand aufgestellt wurde.

Bild 5.19 Rastermaß a und erreichbare bezogene Lagerungsdichte ID [20]


205

Die Verdichtungspunkte werden meist in einen Dreiecksraster angeordnet, wobei die Seitenlänge von der gewünschten Zunahme der Lagerungsdichte, von der Kornverteilung des anstehenden Bodens und von den Kenndaten des Rüttlers abhängt. Die Abstände liegen üblicherweise zwischen 1,5 und 3 m, so dass jedem Verdichtungspunkt ca. 2 bis 9 m² zugeordnet werden. Zu Bild 5.19 ist noch anzumerken, dass die Kurve für Werte a ≤ 1,5 m nicht zutreffend ist, da erfahrungsgemäß bei kleineren Abständen kaum noch eine Steigerung der Lagerungsdichte erreicht werden kann, sondern der bereits erzielte Verdichtungserfolg am Nachbarpunkt eher wieder verringert wird [3]. Für übliche Bauaufgaben genügt eine bezogene Lagerungsdichte von ca. 80 %, so dass die nach der Verdichtung zulässigen Bodenpressungen in der Größenordnung von 800 bis 1000 kN/m² angesetzt werden können [21]. Die Steifemoduli liegen nach der Verdichtung in der Größenordnung von 80 bis 150 MN/m², bei besonders günstigen Bodenparametern können sie auch bis zu 200 MN/m² betragen [22]. Bei großflächigen Verdichtungsarbeiten sollten vorweg Versuche ausgeführt werden, um ein wirtschaftliches Verdichtungsraster sowie die optimalen Geräte auszuwählen.

5.4.5

Das Bauverfahren

5.4.5.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die einzelnen Verfahrensschritte sind: Einfahren des Rüttlers Verdichten beim stufenweisen Ziehen Nachfüllen von Material Verdichten der Oberfläche Die zugehörigen Prozesse sind in der Tabelle 5.14 beschrieben:

206


Tabelle 5.14 Prozesse bei der Tiefenrüttelverdichtung Prozess Arbeitsebene erstellen I Tiefenverdichtung

II

III

Feinplanum erstellen

Teilprozess Gerät Flachbagger (1) ggf. Baugelände freimachen Raupe (2) Oberboden abtragen (3) ggf. lastverteilende Aufschüt- - Radlader tung herstellen Raupenseilbagger (1) Rüttler zügig in den Boden Tiefenrüttler einführen Radlader (2) Schrittweise ziehen (3) Füllen des Absenktrichters (4) Wiederholung der Teilprozesse (2) und (3) bis Arbeitsebene erreicht ist (5) Rüttler neu ausrichten Planierraupe (1) Planieren des Arbeitsfeldes Oberflächenrüttler (2) Oberflächenverdichtung

5.4.5.2 Die Geräte Tiefenrüttler Hierzu gehören alle Systeme, die am unteren Ende von Verlängerungsrohren Schwingungen in den Boden übertragen. Es werden auch Aufsatzrüttler zur Tiefenverdichtung eingesetzt. Hierbei werden die Schwingungen außerhalb des Bodens erzeugt und mittels eines Rohres oder Stahlprofils in den Boden übertragen. Die Tiefenrüttler sind in ihrer Bau- und Funktionsweise prinzipiell den Rüttelflaschen zur Betonverdichtung gleich. Von der Firma Keller wurde bereits 1934 das erste Patent auf einen Tiefenrüttler angemeldet. Als weitere Hersteller sind die Vibroflotation AG, Altendorf (Schweiz), und die Firma Bauer Spezialtiefbau, Schrobenhausen, zu nennen. Zur Erzeugung der Schwingungen wird eine Unwucht mittels eines Elektro- bzw. Hydraulikmotors in eine exzentrische Drehung versetzt. Eine elastische Kupplung verhindert, dass diese Schwingungen auf die Aufsatzrohre und damit auch auf das Trägergerät übertragen werden. Die Spitze sowie das Mantelrohr sind mit einer Verschleißpanzerung versehen, da die Rüttlerschwingungen im Boden einen großen Abrieb des Metalls verursachen. Rohrleitungen zur Wasser- oder Luftspülung führen bis an die Rüttlerspitze. Seitlich angeschweißte Verdrehungsrippen verhindern eine Drehung des Rüttlers beim Einfahren in den Boden und erhöhen ggf. den Einflussbereich. Die Rüttler der Firma Keller und Vibroflotation sind mit Elektromotoren, die der Firma Bauer mit Hydraulikmotoren angetrieben. Der Antrieb mittels Elektromotoren hat den Vorteil einer relativ einfachen Führung und Verlängerung des Versorgungskabels sowie des hohen Nutzungsgrades des Elektromotors. Bei Hydraulikantrieb muss auf eine hermetische Absicherung gegen Ölverlust geachtet werden, da sonst eine Grundwasserbelastung die Folge wäre. Weiterhin ist eine Durchführung der Hydraulikleitungen durch die Kupplung komplizierter, da es sich um zwei Leitungen, eine Hin- und eine Rückflussleitung, handelt.


207

Ein Vorteil des Hydraulikantriebes ist, dass eine Variation der Arbeitsfrequenz und damit eine gewisse Anpassung an die Bodenverhältnisse ermöglicht wird.

Bild 5.20 Schematische Darstellung eines Rüttlers [23]

Auf den Rüttler werden entsprechend der zu verdichtenden Bodenschichten Aufsatzrohre mit einem kleineren Durchmesser als dem der Rüttelflasche aufgesetzt. Die Rüttler erleiden durch die große Unwucht bei gleichzeitig niedriger Drehzahl erhebliche Verschleißerscheinungen an den Lagern und der rotierenden Bauteile. Dies resultiert auch daher, dass aufgrund der schlanken Bauweise der Rüttler für die Lager nur wenig Platz zur Verfügung steht. Zudem bedingt die relativ niedrige Frequenz des Rüttlers eine geringe Drehzahl der Welle, wodurch eine weitere Belastung auftritt. Für die notwendige Schmierung der Lager sorgen entweder eine Fett- oder eine Ölumlaufschmierung. Die Einsatzzeit ist stark von den Bodenparametern abhängig. So kann ein Rüttler schon nach 20 Betriebsstunden überholungsreif sein. Bei 2.000 Betriebsstunden ist das äußere Mantelblech in der Regel durch die Schwingungen soweit ermüdet, dass der Rüttler komplett erneuert werden muss. Verschleißbleche und Rüttlerspitze können auf der Baustelle gewechselt werden. Der Antriebsmotor wird bei guter Lagerung wenig belastet. Bei den Rüttlern ist zu berücksichtigen, dass sie eine erhebliche Wärmeentwicklung, insbesondere bei hoher Verdichtungsarbeit, im Bereich der Spitze und des Motors erzeugen. Für Arbeiten unterhalb des Grundwasserspiegels und bei der Verwendung der Wasserspülung ist eine ausreichende Kühlung vorhanden. Sollte oberhalb des Grundwassers bzw. ohne Wasserspülung gearbeitet werden, ist die Wärmeentwicklung zu beobachten und evtl. doch eine Wasserspülung vorzunehmen.

208


Tabelle 5.15 Technische Daten von Tiefenrüttlern Hersteller

Keller

Vibroflotation

Bauer

Rüttlertyp...

T

M

S

A

L

V10

V23

V42

TR 13

TR 17

TR 85

Antriebsart Leistung [kW] Länge [m] Durchmesser [mm] Gewicht [kg] Frequenz [U/m] Schwingweite [mm] Schlagkraft [kN]

elektr

elektr.

elektr.

elektr.

elektr.

elektr.

elektr.

elektr.

hydr.

hydr.

hydr.

50

55

120150

50

100

70

130

175

118

118

240

4,75

3,55

3,00

4,35

3,10

2,73

3,57

4,08

3,10

3,20

4,20

290

290

400

290

320

250

350

378

300

300

420

2000

1670

2450

1900

1815

820

2200

2600

100

1100

2090

3000

3000

1800

2000

3600

3600

1800

1500

3250

3250

1800

4,6

7,6

18,5 25,6

13,8

5,3

10,0

23,0

42,0

5,0

70

11,0

156

166

221327

160

201

150

300

472

150

193

295

Bevorzugte Böden Anschüttungen Geschiebelehm Steine Steiniger Kies SANDE

■

■

■

■

Mittelsand Grobsand Feinkies Mittelkies Grobkies

■

■

■

■

■

■

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■

■

■

■

Feinsand

KIESE

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■ ■

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■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Ferner ist zu beachten, dass eine sehr hohe Stromaufnahme des Rüttlers nicht über eine längere Zeit möglich ist, da die Gefahr besteht, dass die Wicklungen im Motor durchbrennen und der Rüttler somit zerstört wird. So sollte die maximale Stromaufnahme für einen V 23 der Firma Vibroflotation beispielsweise bei etwa 300 Ampere über nicht langer als 4 Sekunden dauern. Somit wird die Einsatzzeit eines Rüttlers nicht nur von der Intensität der geleisteten Verdichtungsarbeit, sondern auch von dem gewissenhaften Umgang seitens des Geräteführers beeinflusst. Als Trägergeräte für die Rüttler werden Seilbagger, in Einzelfällen auch Mobilkrane und Hydraulikbagger oder auf Raupenfahrwerke montierte Grundgeräte mit einem Führungsmast, eingesetzt. Die Tiefenrüttler zur Rütteldruckverdichtung hängen üblicherweise frei an einem Seilbagger, aber in Einzelfällen auch an Mobilkranen und Hydraulikbaggern. Die Belastung der Trägergeräte ist sehr gering. Die Schwingungen werden von der Rüttlerkupplung kompensiert. Die zu erbringende Tragkraft richtet sich nach dem Rüttlertyp und der erforderlichen Tiefe.


209

Die auftretenden Lastmomente sind nicht allzu groß, da der Ausleger verhältnismäßig steil gehalten wird. Die Belastung des Fahrwerkes ist sehr gering, da im täglichen Betrieb keine großen Fahrleistungen erbracht werden müssen. Der Rollenkopf ist so ausgebildet, dass er die Wasser- und Stromzufuhr beinhaltet. Bei den hydraulikgetriebenen Rüttlern werden die entsprechenden Hydraulikleitungen mitgeführt. Bei den vorab genannten Trägergeräten ergibt sich eine vertikale Kraftkomponente zur Erleichterung des Eindringens des Rüttlers in den Boden allein aus dem Eigengewicht der gesamten Rüttlereinheit. Der Einsatz von Trägerraupen mit Führungsmast bei Tiefenrüttlern bietet den Vorteil, dass sie gegenüber dem Seilbagger ein geringeres Gewicht (ca. 30 bis 40 t) aufweisen und somit geringere Bodenpressungen erzeugen. Zudem kann der Führungsmast schräg gestellt werden, wodurch auch in begrenztem Umfang eine schräge Rüttelachse im Bereich von Hindernissen möglich ist. Die Tragraupen haben ferner den Vorteil, dass sie durch Winden am Mast auf den Rüttler einen zusätzlichen, abwärtsgerichteten Druck ausüben können. Somit können die Bodenschichten schneller durchfahren werden. Der eigentliche Vorteil dieser Trägergeräte wirkt sich erst beim später beschriebenen Rüttelstopfverfahren aus. Die Tragraupen müssen für das Umsetzen des Rüttlers im Regelfall den Führungsmast etwas schräg nach hinten stellen, damit die vorhandene ,,Kopflastigkeit" beim Verfahren nicht zu groß ist. Die hydraulischen Abpratzungen müssen, soweit vorhanden, angehoben werden. Dann erst ist ein Verfahren zum neuen Rasterpunkt möglich. Das Ausrichten auf diesen Punkt muss dann mit dem Fahrwerk erfolgen. Die Abpratzungen müssen erneut heruntergefahren, und der Führungsmast muss wieder ausgerichtet werden. Der Ausrichtvorgang hat lotrecht in zwei Achsen zu erfolgen, um eine den Anforderungen entsprechende lotrechte Stopfsäule zu erreichen. Deshalb wird in der Praxis bei einer Rütteldruckverdichtung im Regelfall der Seilbagger als Trägergerät eingesetzt. Die Seilbagger und Tragraupen sind im Regelfall Mehrzweckgeräte, die auch für andere Tiefbauverfahren genutzt werden können. Die Nutzungsdauer einer Tragraupe kann durchaus 10 Jahre und mehr betragen. Die Seilbagger müssen als grundlegende Voraussetzung über eine Freifallwinde verfügen, damit der Rüttler frei von Verzögerungen in den Boden einfahren kann. Die Seilbagger werden noch weniger belastet als die Tragraupen, da sie geringere Fahrleistungen zu erbringen haben. Daher können Seilbagger durchaus über die in der BGL genannten Nutzungsdauern hinaus eingesetzt werden. Die erforderliche Gerätegröße der Trägergeräte hängt im Wesentlichen von den mit zunehmender Verdichtungstiefe steigenden Gewichten der Rüttler und Aufsatzrohre ab. So werden bei der Tiefenrüttlung Seilbagger ab einem Gewicht von 30 t eingesetzt. Die erforderliche Gerätegröße wird definiert durch die Mastlänge, die Rollenkopfhöhe für Seilbagger und das Gerätegewicht. Das Gewicht ist dabei eine maßgebliche Kenngröße, die im Wesentlichen von der erforderlichen Tiefe der Bodenverbesserung aber auch von dem Verfahren abhängt. Der Einfluss der Tiefe wirkt sich über die zunehmenden Gewichte der Rütteleinheiten aus. Kleinere, für das Rütteln eingesetzte Geräte weisen ein Gesamtgewicht von 30 t auf.

210


Für größere Tiefen werden Geräte bis zu 110 t eingesetzt. Darüber hinaus werden für Extremtiefen Seilbagger von 300 bis 500 t Gewicht eingesetzt. Die eingesetzten Geräte zum Verfüllen der Absenktrichter unterliegen keinen besonderen Belastungen. Am häufigsten werden hierfür Radlader verwendet, da sie sehr beweglich sind. Bei schlecht befahrbaren Böden werden Raupenfahrwerke erforderlich. Der Schaufelinhalt ist stark von der zu verdichtenden Mächtigkeit, dem Anteil an nachzufüllenden Material sowie der Anzahl der von einem Ladegerät zu bedienenden Rüttlereinheiten abhängig. Es ist nicht unüblich, auch größere Ladegeräte mit bis zu 3 m3 Schaufelinhalt einzusetzen.

5.4.5.3 Die wichtigsten Stoffe Bei dem Tiefenrüttelverfahren werden keine besonderen Stoffe und Materialien benötigt.

5.4.5.4 Der Personalbedarf Zu einer üblichen Arbeitsgruppe bei der Tiefenrüttelverdichtung gehören: •

1 Maschinist für das Trägergerät

•

1 Maschinist für das Ladegerät

•

AK für die vorauslaufenden Vermessungsarbeiten

•

Aufsichtsperson (kann bis zu drei Rüttlereinheiten betreuen)

5.4.5.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Eine exakte Bemessung für die Festlegung der Abstände der Verdichtungspunkte lässt sich anhand von theoretischen Berechnungen nicht durchführen. Die Abstände werden daher aufgrund von Erfahrungen festgelegt. Somit ist es sehr schwer, für die Tiefenrüttelverdichtung bereits im Voraus die Kosten zu bestimmen. Die Tabelle 5.16 und Tabelle 5.17 zeigen den Betriebsmitteleinsatz und die Aufwandswerte für die gewichtigen Teilprozesse einer Tiefenrüttelverdichtung auf. Tabelle 5.16 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


II

(1) Rüttler zügig in den Boden einführen (2) Schrittweise ziehen

Raupenseilbagger + Grundausleger + Hakenflansch Tiefenrüttler

D.0.00. ··· D.0.30. ··· D.0.33. ··· -----

Personal bedarf

1 Maschinist


200300 m² pro Tag je 10 h

5.4 Tiefenrüttelverfahren Prozess

Teilprozess

211 Gerät

BGL-Nr.

Personal bedarf

(Hauptgruppen)

(3) Füllen des Absenktrichters

III

(4) Wiederholung der Teilproz. (2) und (3) bis Arbeitsebene erreicht ist (1) Planieren des Arbeitsfeldes (2) Oberflächenverdichtung

Radlader oder Frontlader mit Raupenfahrwerk Geräte wie II (2) und (3)

D.3.10. ···

Planierraupe + Schild (Form U) Flächenrüttler

D.4.00. ··· D.4.00. ·01 D.8.61. ···


D.3.00. ··· 2 Maschinisten 200300 m² pro Tag je 10 h 1 Maschinist

Bis 400 m2/h

1 Helfer

Bis 60 m2/h

Tabelle 5.17 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten beim Tiefenrüttelverfahren

Verdichtung

Tätigkeit Rüttler gemäß Rüttelraster ausrichten Vermessungsarbeiten Nutzleistung

Sonstiges

Baustelleneinrichtung Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall Räumen der Baustelle

Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten 23 min/Vorgang 5 min/Vorgang 25 m/h 1 Tag(e) 15 min pro Tag 3 Stunden in der Woche 1 Tag

5.4.5.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Eine spezielle DIN für Tiefenrüttelarbeiten ist im Teil C der VOB nicht aufgeführt. Der zu verbessernde Baugrund ist hinsichtlich seiner Schichtung und der bodenmechanischen Kennwerte ausreichend zu beschreiben (z. B. durch Darstellung der Schichtenfolge mit den hydrologischen Verhältnissen, Angabe der bodenmechanischen Kennwerte, insbesondere der Steifemoduli der Lagerungsdichte und der Scherparameter, aber mindestens Bodenart und Konsistenz, und ggf. Hinweise auf bodenmechanische Gutachten). Die erforderliche Verdichtungstiefe und eventuell mit dem Rüttler zu durchfahrende Leerstrecken sind anzugeben. Die flächenmäßige Ausbreitung der zu verbessernden Bodenfläche ist in Abhängigkeit von Einzel-, Streifen- bzw. Flächengründung anzugeben und hinsichtlich der jeweils geforderten bodenmechanischen Eigenschaften (z. B. erf. Lagerungsdichte, erf. Scherfestigkeit und erf. Steifemodul) zu beschreiben. Das Liefern, Einbauen und Verdichten des zum Ausfüllen der beim Verdichten entstehenden Hohlräume benötigten Füllmaterials ist zu beachten. Bei Gründungen mit stark wechselnden Anforderungen an die Bodenverbesserung ist eine zeich-

212


nerische Darstellung der Verbesserungsflächen mit den geforderten bodenmechanischen Parametern zu empfehlen. Die nach dem Verdichtungsvorgang aufzubringende Ausgleichsschicht ist hinsichtlich der Menge des erforderlichen Materials, des Verdichtungsgrades sowie der Oberflächenbeschaffenheit anzugeben. Die Leistungsbeschreibung sollte außerdem Angaben enthalten über: Bauwerkskonstruktion besonders hinsichtlich der Anforderungen (Art der Fundamente, aufzunehmende Lasten, zulässige Gesamtsetzung, zulässige Setzungsunterschiede, sonstige die Gründung beeinflussende Festlegungen) Sonstige Baustellenbedingungen (Art und Beschaffenheit der Zufahrten, Strom- und Wasseranschluss, Vorfluterverhältnisse, Lage, Art, Zweck und Gründung benachbarter Bauwerke, besondere Vorschriften, z. B. Umweltschutz) Art und Umfang der Prüfverfahren Termine Zweckmäßig ist die Vereinbarung der speziellen technischen Bedingungen für Tiefenverdichtungsarbeiten (STB-TVB), die lauten: 1. Nebenleistungen Aufstellen eines Verdichtungsplanes 2. Besondere Leistungen Druck- und/oder Rammsondierungen, Lastplattenversuche oder Probebelastungen Erschütterungsmessungen Abgleichen der Arbeitsebene und Beseitigen des überschüssigen Materials und Bodens nach Beendigung der Tiefenverdichtung 3. Aufmass und Abrechnung Einsenktiefe des Rüttlers: Ab Ansatzpunkt bis Endtiefe Eingebautes Material: nach Gewicht entsprechender Wiegescheine

5.4.6 Qualitätssicherung und Kennwerte Bei der Tiefenverdichtung ist es erforderlich, Kontrollen während und nach der Verdichtung durchzuführen. Kontrollen während der Verdichtung sollen die Qualität der Arbeit dokumentieren, während die Kontrollen nach der Verdichtung den Erfolg der Arbeiten nachweisen. Während der Verdichtung sind festzustellen bzw. zu dokumentieren: Art der Herstellung (trocken, Wasserspülung, Luftzufuhr, Art der Materialzugabe) Qualität und Art des Zugabematerials Maximum und Kontinuität der Leistungsaufnahme des Rüttlers während der Herstellung

5.5 Rüttelstopfverdichtung

213

Herstellzeit jedes Verdichtpunktes Menge des Zugabematerials Übereinstimmung der angetroffenen Bodenarten und -eigenschaften mit denen, die dem Entwurf zugrunde lagen Auftretende Setzungen Es ist ein Lageplan über die ausgeführten Verdichtungspunkte aufzustellen. Zur Überprüfung des Verdichtungserfolges werden im Wesentlichen Ramm- und Drucksondierungen nach DIN 4094 sowie Standard-Penetrations-Tests und Seitendrucksondierungen durchgeführt. Plattendruckversuche nach DIN 18 134 sind weniger geeignet, da damit nur der oberflächennahe Bereich geprüft wird. Auch die Methoden zur Dichtebestimmung nach DIN 18 125 scheiden im Allgemeinen aus.

5.5

Rüttelstopfverdichtung

5.5.1 Allgemeines Böden mit mehr als 10 bis 15 % Feinkornanteil (< 0,06 mm) lassen sich durch Rüttelschwingungen nicht nennenswert verdichten. Diese Böden werden seit etwa 1960 mit dem Rüttelstopfverfahren verbessert, bei dem zunächst der Tiefenrüttler einen Hohlraum im Boden erstellt, der anschließend mit Kies oder Schotter ausgefüllt wird. Hierdurch entstehen Kiesbzw. Schottersäulen, welche die Zusammendrückbarkeit des Baugrundes verringern und seine Scherfestigkeit erhöhen.

5.5.2 Bodenmechanische Grundlagen Bindige und gemischtkörnige Böden lassen sich wegen der Kohäsion durch Schwingungsimpulse nicht umlagern. Das Einbringen von Schottersäulen, die wie die Bewehrung dem Stahlbeton dem Boden eine höhere Festigkeit verleihen, bewirkt eine Verbesserung der folgenden bodenmechanischen Parameter: Die Zusammendrückbarkeit des mit Schottersäulen stabilisierten Bodens wird geringer Die Scherfestigkeit des Baugrundes wird größer Die Schottersäulen wirken für den bindigen Baugrund als Dränage, so dass die Setzungen aus Bauwerkslasten relativ rasch eintreten Die Tragfähigkeit der Schottersäulen ist, da sie selbst nur eine relativ geringe Scherfestigkeit haben, im Wesentlichen von der seitlichen Stützung durch den Boden abhängig, mit dem sie zusammen im Verbund wirksam werden. Bei Böden mit organischen Zwischenschichten (z. B. Torf) kann die seitliche Stützung im Laufe der Zeit durch die Zersetzung der Schichten beeinträchtigt werden

214


5.5.3 Anwendungsbereiche Die Rüttelstopfverdichtung ist grundsätzlich gleichermaßen in bindigen und nichtbindigen Böden anwendbar (Bild 5.17), wobei die überwiegende Mehrzahl der Anwendungsfälle sich auf bindige Böden erstreckt. Da die Kies- oder Schottersäule in ihrer Tragwirkung auf den seitlichen Widerstand des umgebenden Bodens angewiesen ist, tritt ein Versagen ein, wenn dieser Boden ausweicht (Überschreiten des Erdwiderstandes) oder, was eher der Fall ist, wenn bis zur Weckung des erforderlichen Widerstandes eine zu große Stauchung und damit eine unzulässige Setzung der Säule verursacht wird. Erfahrungen haben gezeigt, dass die Scherfestigkeit des umgebenden undränierten Bodens höher als cu = 15 bis 25 kN/m² sein soll. Das schließt die Anwendung des Verfahrens in Böden aus, deren Konsistenz flüssig oder breiig ist. Bei mindestens halbfesten feinkörnigen Böden ist die Rüttelstopfverdichtung, wenn überhaupt, nur mit hohem Aufwand möglich. Das gilt auch noch für einen Teil der steifen Böden, wobei der Einsatz wiederum abhängig von deren Scherfestigkeit ist. Rüttelstopfverdichtungen sind nur sinnvoll bzw. möglich, solange die undränierte Scherfestigkeit cu unter 70 kN/m² liegt [24]. Die Anwendungsfälle in der Baupraxis erstrecken sich auf die Abtragung von Einzel- und Flächenlasten sowie die Sicherung von Bauwerken oder Bauteilen gegen Grund- oder Böschungsbruch (Bild 5.21).

Bild 5.21 Anwendungsfälle für Schottersäulen [25]

Die Länge der Stopfsäulen richtet sich nach der Mächtigkeit der zu verbessernden Schicht. Die Schichtmächtigkeiten, bei denen dieses Verfahren wirtschaftlich einsetzbar ist, liegen i. Allg. zwischen 3 m und 10 m. Ausgeführt wurden auch schon bis zu 20 m lange Stopfsäulen. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für Bauwerke mit wenigen Geschossen, leichte Hallenbauten oder auch bei gleichmäßig verteilten Lasten.


215

Bei stark gegliederten Baumassen oder viergeschossigen Bauwerken sollte das Verfahren nur angewendet werden, wenn Setzungsunterschiede für das Bauwerk unschädlich sind oder bewusst statisch und konstruktiv berücksichtigt werden.

5.5.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte Die Baugrundverbesserung durch eine Rüttelstopfverdichtung hat zwei grundsätzliche Ziele, nämlich den Steifemodul zu vergrößern, um die Setzungen zu vermindern, und die Scherfestigkeit zu erhöhen, um die Tragfähigkeit zu steigern. Da das Tragverhalten des Verbundmaterials Boden-Stopfsäule von dem behandelten Boden, der gewählten Geometrie, dem Zugabematerial, dem eingesetzten Gerät und der Verfahrensweise abhängt, ist es sehr schwierig, durch ein Bemessungsverfahren den erforderlichen Säulenabstand zu ermitteln. In der Literatur werden mehrere vereinfachende Verfahren angegeben, die z. B. auf der FE-Methode oder [26]auf der Auswertung von Erfahrungen beruhen [24], [21], [27], [3]. Als Beispiel sei das Bemessungsdiagramm von Priebe [27] angegeben (Bild 5.22), aus dem zu erkennen ist, dass die Steifigkeitserhöhung (= Maß für die erreichte Verbesserung des Baugrundes) im Allgemeinen zwischen 2 und 3 liegt, wenn das Verhältnis der Gesamtfläche zu der Fläche der Stopfsäulen etwa 3 bis 5 beträgt.

FS

= Säulenquerschnitt

ϕS

= Reibungswinkel des Säulenmaterials

F

= Rasterfläche

μ

= Querdehnungszahl des Bodens

Bild 5.22 Bemessungsdiagramm für Rüttelstopfverdichtungen [27] Verbesserungsfaktor n in Abhängigkeit des Verhältnisses von Rasterfläche zu Säulenquerschnitt

Als zulässige Bodenpressung können je nach Baugrundverhältnissen sowie Form und Belastung des Fundaments Werte zwischen 150 und 400 kN/m² angenommen werden [18] Während man bei Flächenlasten i. Allg. ein gleichmäßiges Raster der Stopfsäulen wählt, beschränkt man sich bei Streifen- und Einzelfundamenten auf deren Einwirkbereiche (Bild 5.23).

216


Bild 5.23 Anordnung von Schottersäulen [3]

Um Verkantungen der Fundamente zu verhindern, ordnet man die Säulen vor allem unter den Rändern der Fundamente an. Auch unter gering belasteten Streifenfundamenten sind Stopfsäulen herzustellen, um ungleichmäßige Setzungen zu vermeiden. Ist nur eine Reihe Stopfsäulen vorgesehen, werden sie etwas gegen die Fundamentachse versetzt.

5.5.5 Das Bauverfahren im Überblick Bei der Rüttelstopfverdichtung werden mehrere Varianten angeboten. In diesem Kapitel werden die Teilprozesse der Rüttelstopfverdichtung mit Tiefenrüttlern und Rüttelstopfverdichtung mit Schleusenrüttlern beschrieben. Besonders soll dabei auf das Verfahren mit Schleusenrüttlern eingegangen wird. Zu Tiefenrüttler sie auch Kapitel 5.4. Variante 1: Rüttelstopfverdichtung mit Tiefenrüttlern 1. Der Rüttler wird unter Verwendung von Luft- oder Wasserspülung auf die erforderliche Tiefe abgesenkt. 2. Nach Erreichen dieser Tiefe wird der Rüttler komplett aus dem entstandenen Hohlraum gezogen und Kies- oder Schottermaterial wird eingefüllt. Dieses Einfüllen hat zügig zu geschehen, um die Gefahr von Bodeneinbrüchen zu minimieren. 3. Der Rüttler wird anschließend wieder in das Rüttelloch eingeführt und das eingefüllte Material wird durch Auf- und Abbewegen des Rüttlers verdichtet und in den umgebenden Boden verpresst. 4. Die Schritte 2 und 3 werden bis zum Erreichen der Arbeitsebene wiederholt.


217

Bild 5.24 Rüttelstopfverdichtung mit Tiefenrüttlern [28]

Variante 2: Rüttelstopfverfahren mit Schleusenrüttler 1. Rüttler gemäß Raster auf Arbeitsplanum aufsetzen und ausrichten. Füllen des Materialrohres bei geöffneter Schleuse. Schließen der Schleuse nach erfolgter Füllung und Beaufschlagen mit Druckluft. 2. Versenken des Rüttlers auf die erforderliche Tiefe unter Druckluft, Eigengewicht der Tragraupe über Mastwinden zum schnelleren Einfahren in den Boden nutzen; Aktivierungs- oder Vorschubkräfte von 120 bis 250 kN. 3. Rüttler um einige Dezimeter hochziehen, Zugabematerial an der Spitze austreten lassen, wieder Absenken des Rüttlers ebenfalls unter Nutzung des Eigengewichts. Dieser Vorgang ist zu wiederholen, bis die zuvor ermittelte Menge an Zuschlägen verstopft bzw. die Sättigung des Bodens erreicht ist, wobei u. U. Hebungen der Arbeitsebene auftreten können.

Bild 5.25 Rüttelstopfverdichtung mit Schleusenrüttlern [29]

218

Bild 5.26 Rüttelstopfverfahren mit Schleusenrüttler und Aktivierungsraupe [18]



5.5.6

219

Das Bauverfahren

5.5.6.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Das Verfahren der Rüttelstoffverdichtung ist in dem Kapitel 5.5.1 beschrieben. Nachfolgend sind die einzelnen Prozesse und zugehörige Geräte tabellarisch gelistet. Tabelle 5.18 Prozesse der Rüttelstopfverdichtung mit dem Schleusenrüttler Prozess Arbeitsebene erstellen

I Rüttelstopfverdichtung

II

III

Feinplanum erstellen

Teilprozess Gerät Flachbagger, Raupe, Radlader (1) ggf. Baugelände freimachen etc. (2) Oberboden abtragen (3) ggf. lastverteilende Aufschüttung herstellen Radlader (1) Rüttler gemäß Rüttelraster Trägergerät ausrichten Schleusenrüttler (2) Füllen des Materialrohres (3) Versenken des Rüttlers (4) Rüttler um einige Dezimeter hochziehen (5) Zugabematerial an der Spitze austreten lassen (6) Rüttler wieder absenken und Zugabematerial verdichten (7) Wiederholung der Teilprozesse (4) bis (5) bis Arbeitsebene erreicht ist Planierraupe (1) Planieren des Arbeitsfeldes Oberflächenrüttler (2) Oberflächenverdichtung

5.5.6.2 Die Geräte Schleusenrüttler Besitzt der Boden mehr als 15 % Anteil mit Korngrößen unter 0,06 mm, kann der Boden nicht nur ausschließlich durch Rütteln verdichtet werden, da beim Ziehen des Rüttlers ein Hohlraum verbleiben würde. Dieser Hohlraum muss nachträglich wie aus der vorausgegangenen Beschreibung der Teilprozesse ersichtlich mit Füllmaterial gefüllt und verdichtet werden. Dabei können die in Kapitel 5.4 beschriebenen Tiefenrüttler oder aber Schleusenrüttler eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um einen Tiefenrüttler mit einer Schleuse am oberen Ende, einem Materialförderrohr und einer Auslassöffnung. Das benötigte Kies- oder Schottermaterial wird in die Schleuse eingefüllt, mit etwa 2 bar Luftdruck beaufschlagt und durch das Materialrohr bis an die Rüttlerspitze zu der Materialauslassöffnung geführt. Der Luftdruck dient dem besseren Materialfluss, verhindert das Verstopfen des Materialauslasses, gleicht den beim Ziehen entstehenden Unterdruck aus und hält den entstandenen Hohlraum beim schrittweisen Ziehen von Boden frei. Die Schleusenrüttler sind seit 1976 erfolgreich im Einsatz.

220


Mastgeführte Rüttelstopverdichtung Mit der Entwicklung dieser Schleusenrüttler musste für eine kontrollierte Materialzugabe ein zuverlässiges Befüllsystem konzipiert werden. Die Firmen Keller und Bauer verfügen über spezielle Rüttlertragraupen, wobei der Rüttler samt Verlängerungsrohren an einem Mäkler geführt wird. Die Materialschleuse wird über einen ca. 1 m3 fassenden Materialkübel beschickt. Die Materialzugabe läuft wie folgt ab: Der Materialkübel wird am Mast herabgelassen Ein Ladegerät füllt den Materialkübel Der Materialkübel wird bis zur Oberkante der auf den Rüttler aufgesetzten Verlängerungsrohre hochgefahren Das Material wird nun dosiert in eine auf dem Verlängerungsrohr aufsitzende Materialschleuse gefüllt und von dort mit einem Luftdruck von etwa 2 bar durch die Materialrohre an den von der Rüttlerspitze liegenden Materialauslass transportiert. Die tragraupengeführten Schleusenrüttler können durch die Vorschubkraft schneller abgesenkt und die Verdichtung der Säule dosierter erreicht werden. So kann eine zusätzliche Druckkraft von bis zu 250 kN aktiviert werden. Jedoch bedingen die Einfachschleusen und die zyklische Beschickung mit einem Materialkübel Wartezeiten und Luftdruckverluste zum Befüllen der Vorratsbehälter. Diese Aktivierung und die Führung des Rüttlers an einem Mast haben dazu beigetragen, die Leistungen beim Rüttelstopfverfahren erheblich zu steigern. Aus diesem Grund werden die Trägerraupen auch häufig beim Rütteldruckverfahren angewendet. Die Ausführungstiefe wird jedoch von der Masthöhe begrenzt. Die Masten lassen sich bis auf ca. 30 m verlängern. Bei den Trägerraupen ist es möglich, dass das entsprechend der Antriebsart benötigte Hydraulik- bzw. Stromaggregat am Trägergerät montiert ist. Die Trägergeräte für das Rüttelstopfverfahren sind im Regelfall etwas schwerer als bei der normalen Rüttelverdichtung, da die Rütteleinheiten durch die Zusatzausrüstungen der Rüttler schwerer sind. Für die Materialbeschickung beim Rüttelstopfverfahren mittels mastgeführter Rütteleinheit wird wie beim Rütteldruckverfahren ein Radlader verwendet. Jedoch reicht hierbei, bedingt durch die Größe des am Mast geführten Materialkübels, ein Volumen der Schaufel von 0,8 m3 aus. Freireitende Rüttelstopfverdichtung Bei den Schleusenrüttlern die freireitend am Seilbagger hängen, ist ein Füll- und Beschickungssystem mittels Luftstromförderung im Einsatz. Dieses Verfahren wird bei der Firma Vibroflotation als ,,DLGP- (Double Lock Gravel Pump) system" bezeichnet. Seine Funktionsweise lässt sich wie folgt beschreiben:


221

Das Kies- oder Schottermaterial wird mit einem Radlader in einen neben dem Seilbagger stehenden Vorratsbehälter gefüllt und kann kontinuierlich über einen Luftstrom (ca. 6 bar) dem Rüttler zugegeben werden. Dieses System zeichnet sich wegen der kontinuierlichen Beschickungsmöglichkeit durch eine besonders hohe Förderleistung aus. Bei dem freien Führen des Rüttlers am Seilbagger ist die Verdichtungsleistung stark abhängig vom Eigengewicht der gesamten Rütteleinheit. Schwerrohre können hier das Eigengewicht erheblich steigern. Die lotrechte Erstellung von Stopfsäulen bedingt, dass beim Eindringen noch eine gewisse Restzugkraft im Seil verbleibt und der Rüttler nicht mit Schlaffseil versenkt wird. Das Seil muss mit der Verstellmechanik des Auslegers so geführt werden, dass es ein gewisses Rückstellmoment erzeugt wird, womit der Rüttler lotrecht gehalten wird. Diese Bedingungen verlangen vom Baggerführer ein gewisses Maß an Fingerspitzengefühl. Diese freireitende Stopfverdichtung ist besonders bei beengten Platzverhältnissen vorteilhaft. Ferner können Unebenheiten und Arbeiten auf geneigten Flächen durch das Auspendeln des Rüttlers am Seil leichter ausgeglichen werden. Die Umsetz- und Ausrichtvorgänge sind sehr viel kürzer als bei tragraupengeführten Rüttlern. Bei der Rüttelstopfverdichtung mittels Seilbagger sind wegen der häufig eingesetzten Schwerrohre Gerätegrößen ab 70 t erforderlich.

5.5.6.3 Die wichtigsten Stoffe Bei der Rüttelstopfverdichtung wird als Material nur Schotter oder Kies benötigt, um Säulen im Baugrund zu erstellen. Diese sollen dem Baugrund eine höhere Festigkeit verleihen, wodurch die Zusammendrückbarkeit sich verringert und die Scherfestigkeit sich erhöht. Die Tabelle 5.19 zeigt Erfahrungswerte für den Kiesverbrauch. Tabelle 5.19 Erfahrungswerte von Kiesverbrauch und erzielten Querschnitten mit dem Schleusenrüttler [29]

Bodengruppen 1. Sand, schluffig SE, SU, GU, ST 2. Schluff, steif UL, TL, TM 3. Schluff, weich UM, OU 4. Klei OT 5. Torf, Mudden HZ, F 6. Kalktuff OK

Kiesverbrauch [t/m]

Querschnittsfläche FK [m2]

Mittl. Durchmesser [cm]

0,55 0,85

0,29 0,45

60 75

0,38 0,65

0,20 0,33

50 65

0,65 1,10

0,33 0,58

65 85

0,86 1,22

0,45 0,64

75 90

0,86 2,00

0,45 1,15

75 115

0,86 1,48

0,45 0,78

75 100

222


5.5.6.4 Der Personalbedarf Eine Kolonne für die Rüttelstopfverdichtung setzt sich neben einem Polier als Aufsichtsperson im Allgemeinen wie folgt zusammen: •

1 Maschinist für das Trägergerät (z. B. Seilbagger)

•

1 Maschinist für den Radlader

•

1 Helfer für das Trägergerät

5.5.6.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Eine exakte Bemessung lässt sich bei der Rüttelstopfverdichtung genauso schwer durchführen wie bei der Tiefenrüttelverdichtung. Die Abstände werden daher auch hier aufgrund von Erfahrungen festgelegt. Somit ist es sehr schwer, für die Rüttelstopfverdichtung bereits im Voraus die Kosten zu bestimmen. Tabelle 5.20 und Tabelle 5.11zeigen die Aufwandswerte für gewichtige Teilprozesse einer Tiefenrüttelverdichtung auf. Tabelle 5.20 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


(2) Füllen des Materialrohres

II

(3) Versenken des Rüttlers (4) Rüttler einige Dezimeter hochziehen (5) Zugabematerial an der Spitze austreten lassen (6) Rüttler wieder absenken und Zugabematerial verdichten (7) Wiederholung der Teilprozesse (4) bis (6) bis Arbeitsebene erreicht ist (1) Planieren des Arbeitsfeldes

III (2) Oberflächenverdichtung

Radlader oder Frontlader mit Raupenfahrwerk Raupenseilbagger + Grundausleger + Hakenflansch

D.3.00. ···· D.0.00. ··· D.0.30. ··· D.0.33. ···

Schleusenrüttler

-----

D.3.10. ····

Personalbedarf

Kalkulatorische Aufwandswerte

1 Maschinist 1 Maschinist 1 Helfer

150200 m² pro Tag

Geräte wie II (4) bis (6) Planierraupe + Schild (Form U) Flächenrüttler

D.4.00. ··· D.4.00. ·01

1 Maschinist

D.8.61. ····

1 Helfer

100400 m2/h 60 m2/h


223

Tabelle 5.21 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten bei der Rüttelstopfverdichtung

Sonstiges

Verdichtung

Tätigkeit


Rüttler gemäß Rüttelraster ausrichten

3 min/Vorgang

Vermessungsarbeiten

5 min/Vorgang

Baustelleneinrichtung Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall Räumen der Baustelle

1 Tag 15 min pro Tag 3 Stunden in der Woche 1 Tag

5.5.6.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Für die Leistungsbeschreibung gilt das gleiche wie in Kapitel 5.4 für die Tiefenrüttelverdichtung. Hierbei ist zu beachten, dass es sich hier anstelle der beim Tiefenrütteln vorhandenen nicht bindigen Böden um bindige Böden handelt und somit die bodenmechanischen Kennwerte zur Beschreibung des zu verbessernden Bodens bzw. der zu erzielenden Eigenschaften andere sind.

5.5.7 Qualitätssicherung und Kennwerte Bei Rüttelstopfverdichtungen sind Kontrollen sowohl während als auch nach der Herstellung erforderlich. Während der Durchführung sollen kontrolliert bzw. dokumentiert werden [24]: Art der Herstellung (trocken, Wasserspülung, Luftzufuhr, Art der Materialzugabe) Qualität und Art des Zugabematerials Versenk- und Verdichtungstiefe Maximum und Kontinuität der Leistungsaufnahme des Rüttlers während der Herstellung Herstellzeit jedes Verdichtungspunktes Menge des Zugabematerials Übereinstimmung der angetroffenen Bodenarten und -eigenschaften mit den dem Entwurf zugrunde gelegten. Nach Fertigstellung der Säulen können folgende Prüfungen durchgeführt werden: •

Plattendruckversuch nach DIN 18 134 zur Bestimmung des Verformungsmoduls der Säule

Bei Verwendung einer großen Platte (76,2 cm) und entsprechendem Gegengewicht (z. B. LKW, Bagger o. ä.) kann ein solcher Versuch eine Probebelastung für eine Einzelsäule darstellen [30].

224 •


Probebelastung von Einzelsäulen oder Säulengruppen

Der Belastungsversuch an einer Einzelsäule gibt Aufschluss über ihre Tragfähigkeit und damit auch über den Sicherheitsfaktor, mit dem die Gebrauchslast im Einzelfall festgelegt worden ist. Verlässliche Aussagen über das Setzungsverhalten größerer Gruppen von Schottersäulen können aber auf diese Weise nicht ohne weiteres getätigt werden [31]. Allenfalls können hierzu Belastungsversuche auf einer Gruppe von drei oder vier Säulen Aufschluss geben. Derartige Versuche sind allerdings teuer und werden daher nur in besonderen Fällen durchgeführt. •

Setzungsmessungen am fertigen Bauwerk

Diese gestatten eine Beurteilung der Qualität der Stopfverdichtung und lassen vor allem für zukünftige Bauten wichtige Rückschlüsse zu. Die Kontrolle von Stopfverdichtungen durch Ramm- oder Drucksondierungen führt meist nicht zu befriedigenden Ergebnissen. Die Sonden lassen sich wegen der Verzahnung des Schotter- bzw. Kiesmaterials häufig nicht ausreichend tief in die Säulen einbringen, und der Boden zwischen den Stopfsäulen weist häufig keine signifikanten Verbesserungen der Konsistenz auf.

5.6


5.6.1 Allgemeines Die Dynamische Intensivverdichtung (DYNIV) hat ihren Ursprung in der Verdichtung mit Handstampfer und der im Autobahnbau der 30er Jahre gebräuchlichen Verdichtung mit 2 t schweren Stampfplatten, die aus 2 m Höhe fallengelassen wurden. Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens geht wesentlich auf die Forschungsarbeiten von Ménard Anfang der 70er Jahre zurück [32], [33]. Mit einem Spezialgerät wird eine ca. 10 bis 40 t schwere Masse aus einer Höhe von ca. 10 bis 40 m frei fallengelassen. Der Aufschlag des Fallgewichtes auf den Boden erzeugt Schockwellen, die je nach Boden Einflusstiefen von 10 bis 30 m erreichen und zu einer intensiven Verdichtung des Bodens führen.

5.6.2 Bodenmechanische Grundlagen Bei der Betrachtung der Wirkung der Dynamischen Intensivverdichtung muss zwischen nichtbindigen und bindigen Böden unterschieden werden. Bei nichtbindigen Böden tritt sofort nach dem Aufschlag die vollständige Verdichtungswirkung ein, die eine Erhöhung der Tragfähigkeit und des Steifemoduls mit sich bringt. Wie beim Proctorversuch nach DIN 18 127 ist die erreichte Verdichtung vom Wassergehalt des Bodens abhängig.

5.6 Dynamische Intensivverdichtung

225

Bei bindigen Böden steigen beim Aufschlagen zunächst die Porenwasserdrücke stark bis hin zur Bodenverflüssigung an. Hierbei entsteht im Boden ein hydrostatischer Spannungszustand mit einer Entfestigung der Bodenstruktur. Anschließend strömt das Porenwasser, insbesondere auch durch die im Boden entstandenen Risse, ab, und der Porenwasserdruck reduziert sich. Der erhöhte Porenwasserdruck bleibt aber eine Zeit lang im Baugrund erhalten, obwohl das Gerät längst abgezogen und die Geländeoberfläche unbelastet ist. Der Baugrund verliert als Folge der Verdichtungsbearbeitung zunächst völlig seine Tragfähigkeit. Auch diese Erscheinung erläutert anschaulich den Begriff der Bodenverflüssigung. Erst in der anschließenden Ruhephase erhöht sich die Tragfähigkeit des Bodens wieder, da das Kornskelett wieder größere Korn-zu-Korn-Drücke übertragen kann. Die Tragfähigkeit wächst über den Ausgangswert an, worin das Ziel der Verdichtungsarbeit liegt. Solche Verdichtungsvorgänge werden als Konsolidation bezeichnet. Da die Ursache bei diesem Verfahren in der dynamischen Bearbeitung des Bodens liegt, spricht man auch von einer Dynamischen Konsolidation [34]. Die Wirkung der Schlagenergie auf bindige Böden ist in Bild 5.27 dargestellt.

1 Aufbringen der Energie in 3 bis 10 Phasen (z. B. 4 bis 8 Schläge je Phase) 2 Zusammendrückung 3 Porenwasserdruck-Verflüssigungsdruck 4 Veränderung der Bodentragfähigkeit 5 Ruhezeiten zwischen Phasen, je nach Bodenart 1 bis 4 Wochen 6 Bearbeitungsphasen Bild 5.27 Wirkung der Schlagenergie auf feinkörnige Böden [33]

Eine mehrmalige Behandlung nach einer Ruhepause von (je nach Bodenart) ein bis vier Wochen verbessert das Ergebnis.

226


5.6.3 Anwendungsbereiche Die Anwendbarkeit des Verfahrens wird durch die anstehenden Bodenschichten die Art und Belastung des zu gründenden Bauwerks die Entfernung zur Nachbarbebauung die Wirtschaftlichkeit bestimmt. Für eine Verdichtung mit Fallgewichten sind geeignet: locker gelagerte Sande und Kiese über und unter Wasser feinkörnige Böden mit hohem Schluffgehalt bei Wassergehalten bis an die Fließgrenze inhomogene Böden mit geringem Tonanteil organische Böden, Torfe Steinschüttungen Haus- und Industriemüll Mit zunehmendem Tongehalt nimmt die Effektivität des Verfahrens wegen der geringen Durchlässigkeit des Bodens ab. Vertikale Dräns (z. B. Kunststoffdräns) erweitern die Anwendungsgrenzen. Die Verdichtungswirkung reicht bis in etwa 10 bis 15 m Tiefe. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für die Verbesserung des Baugrundes unter flächenhaft aufgebrachten Lasten, so dass z. B. folgende Bauwerke darauf gegründet werden: Industrie- und Werkanlagen Wohnanlagen Straßen Gleisanlagen Flugplätze Sport- und Freizeitzentren Im Straßen-, Eisenbahn- und Flugplatzbau ist die Dynamische Intensivverdichtung besonders vorteilhaft, weil dadurch Setzungen, wie sie durch Erschütterungen des rollenden Verkehrs hervorgerufen werden, bereits weitgehend vorweggenommen worden sind [35]. Der Einfluss der Dynamischen Intensivverdichtung kann infolge der Schwingungsausbreitung für die Umgebung sehr groß sein. Erfahrungen zeigen, dass je nach Bodenart, Grundwasserstand und Empfindlichkeit der Nachbarbebauung der Abstand zu dieser größer als 10 bis 50 m sein sollte [36].


227

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hängt von der Art und Mächtigkeit der anstehenden Bodenarten, den erforderlichen Fallhöhen und Fallgewichten sowie von der Größe der zu verbessernden Fläche ab. Da die Baustelleneinrichtung wegen des Transportes und des Aufbaus der schweren Geräte sehr teuer ist, lohnt sich der Einsatz des Verfahrens erst ab einer Fläche von ca. 5.000 bis 10.000 m².

5.6.4 Bemessungsverfahren und Erfahrungswerte Die Bemessungsparameter Fallmasse, Fallhöhe, Schlagzahl und Abstand der Verdichtungspunkte sind so auf den jeweiligen Baugrund abzustimmen, dass einerseits die gewünschte Horizontalverspannung bzw. Verflüssigung bis in die vorgegebene Tiefe erzeugt wird, andererseits die Konsolidation nicht behindert wird. Die Bedingungen für eine Konsolidation werden durch eine zu große Fallmasse verschlechtert, während eine zu kleine Verdichtungsenergie die Einwirktiefe verringert. Die optimalen Bearbeitungsparameter sollten vor Beginn der Arbeiten durch Laborversuche und besonders durch eine Probeverdichtung auf der Baustelle ermittelt werden.

5.6.5 Das Bauverfahren im Überblick Bei diesem Verfahren werden Fallgewichte an einem fahrbaren Gerüst oder mit einem Kran auf Raupenfahrwerk hochgezogen, wo sie auf Rasterpunkte ungebremst herabfallen. Diese Technik mit Einleitung eines stoßartigen Schocks bewirkt eine bis in große Tiefe reichende ´Verflüssigung´ des Bodens mit Austritt von Porenwasser und Luft; nach mehreren Übergängen wird eine erhebliche Verdichtung erzielt. Als Trägergeräte für Verdichtungen an Land kommen folgende Geräte zur Anwendung: Bagger und Raupenkrane für Fallgewichte bis zu 20 t und Fallhöhen bis zu 20 m Dreiböcke für Fallgewichte bis zu 40 t und Fallhöhen bis zu 30 m Spezialgeräte für Fallgewichte bis zu 200 t und Fallhöhen bis zu 30 m Als Trägergeräte für Verdichtungen unter Wasser können Pontons und Hub- oder Schreitinseln verwendet werden [37]. Die Gewichte für Aufgaben an Land sind kompakte quadratische oder - was verdrängungstechnisch günstiger ist achteckige Stahl bzw. Stahl-BetonKörper. Je nach Art der Bauaufgabe muss das Gewicht geändert oder das Verhältnis Gewicht zu Aufprallfläche variiert werden. Die Gewichte für die Verdichtung unter Wasser sind Spezialgewichte mit vertikalen Kanälen, damit Wasser durchströmen kann. Sie müssen so geformt sein, dass sie auch beim seitlichen Anströmen ihre lotrechte Falllinie beibehalten. Nachdem das Fallgewicht auf die entsprechende Höhe gebracht worden ist, fällt es ungebremst auf die Bodenoberfläche.

228


Die beim Aufprall entstehenden Schockwellen verdichten den Boden. Bei stark zusammendrückbaren Schichten entstehen an der Geländeoberfläche Trichter, die entweder mit Fremdmaterial oder dem anstehenden Bodenmaterial verfüllt werden. Durch wiederholte Übergänge und weiteres Verfüllen können Säulen aus Füllmaterial bis in größere Tiefen getrieben werden [38]. Die im Raster hergestellten Säulen bilden in Verbindung mit einer abschließenden Oberflächenverdichtung eine Tragkonstruktion ähnlich einer Pilzdecke. Verwendet man bei bindigen Böden für die Säulen dränfähiges Material wie z. B. Kies-, Sand- oder Schottergemische, so wird zugleich eine bessere Entwässerungsmöglichkeit und eine damit verbundene bessere Konsolidierung des anstehenden Bodens bewirkt. Der Abstand der Verdichtungspunkte liegt zwischen 4 und 10 m. Jeder Punkt wird pro Übergang mit bis zu 15 Schlägen beansprucht, wobei mit abnehmender Durchlässigkeit des Bodens die Wartezeiten zwischen den Schlägen größer werden müssen, um einen Konsolidationseffekt zu erreichen. Je feinkörniger ein Boden ist, desto mehr Übergänge sind erforderlich. Da die bisherigen Erfahrungen nicht ausreichen, um für eine bestimmte Bodenart den erforderlichen Verdichtungsaufwand zu berechnen, empfiehlt es sich, eine Probeverdichtung vorzunehmen. Ein spezielles Verfahren ist die Kombination der Verdichtungstechnik mit einem Dränagesystem, das aus in engem Raster angeordneten Vertikaldräns besteht. Dieses Verfahren ist besonders für die schnelle und gezielte Verdichtung weicher Böden geeignet. Das durch die Schlagenergie unter hohem Druck stehende Porenwasser wird über die Vertikaldräns an die Oberfläche gepresst und über einen geeigneten Kiesflächenfilter abgeleitet. Im Boden wird der Porenwasserüberdruck auch bei wenig wasserdurchlässigen Böden so rasch abgebaut, dass die sonst üblichen Ruhephasen zwischen den einzelnen Übergängen entfallen und die Verdichtungsübergänge kontinuierlich durchgeführt werden können. Die mit einem Stopfgerät eingebauten Runddräns aus gelochtem Kunststoffrohr mit Filterkies gewährleisten bei hoher Stabilität eine schnelle Wasserförderung [39].

Bild 5.28 System der dynamischen Intensivverdichtung [40]


229

5.6.5.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die Teilprozesse der Dynamischen Intensivverdichtung sind in dem Kapitel 5.6.1 beschrieben. Prozesse und zugehörige Geräte Tabelle 5.22 Prozesse der Dynamischen Intensivverdichtung Prozess

Teilprozess

Gerät

Arbeitsebene erstellen

(1) Baugelände freimachen (2) Oberboden abtragen (3) Lastverteilende Aufschüttung herstellen (ggf. Anlieferung) (1) Fallplatte gemäß Verdichtungsraster ausrichten (2) Erste Verdichtungsphase aus mehreren Schlägen (3) Ruhephase (Verdichtung anderer Punkte) (4) Überwachungsmessungen (5) Verfüllen der Schlagtrichter (6) Erneute Verdichtungsphasen (7) Abschlussverdichtung Schlag an Schlag (1) Planieren der Arbeitsfläche (2) Verdichten mit Oberflächenverdichtern

-

Planierraupe

-

Trägergerät Fallplatte Radlader

-

Planiergeräte

I Dynamische Intensivverdichtung

II

III

Erstellen der Gründungsebene

5.6.5.2 Die Geräte Fallkörper Ältere Fallkörper sind quadratische, mit Stahlrippen ausgesteifte Stahlhohlkörper, die mit Sand, Beton und Stahlspänen gefüllt sind. Diese Art der Fallplatten weist nur eine relativ kurze Nutzungszeit auf, da es durch die hohen, schlagartigen Belastungen zu starken Beanspruchungen an den Befestigungsstellen der Stahlrippen und Kastenwandungen kommt, die schnell zu Materialüberlastungen führen. Die Gewichte dieser meist quadratischen Fallkörper betragen bis zu 20 t. Fallkörper der neueren Generation bestehen aus mehreren massiven, mit Bolzen vorgespannten und verschraubten Stahlplatten. Diese Konstruktionsweise führt zu wesentlich längeren Nutzungszeiten gegenüber den Hohlkästen, da beschädigte Stahlplatten ausgewechselt werden können. Zudem lassen sich die Fallgewichte durch zusätzliche bzw. durch die Entfernung von Stahlplatten variieren. Die Grundflächen der Fallkörper können quadratisch, rund oder mehreckig sein. Ihre Grundfläche beträgt 2 bis 6 m2. Bei quadratischen Grundformen haben die Kanten eine Länge von 1,7 bis 2,1 m. Die Stahlplattengewichte bestehen dabei aus in ihrer Stärke unterschiedlichen Stahlplatten. Entsprechend unterschiedlich sind auch die Gesamthöhen der Gewichte.

230


Die üblichen Fallkörpergewichte liegen zwischen 6 und 40 t. Für Sonderfälle wurden schon Gewichte bis zu 200 t eingesetzt. In Bild 5.29 ist ein quadratischer Fallkörper dargestellt. Er besteht aus vier einzelnen Stahlplatten á 15 cm Stärke und wiegt ca. 24 t. Liegt die Verdichtungsoberfläche bzw. die Sohle der Schlagtrichter unterhalb des Grundwasserspiegels oder wird der Meeresboden verdichtet, so werden speziell mit Durchströmungsöffnungen und Stabilisierungsrippen versehene Fallkörper verwendet.

Bild 5.29 Darstellung eines Fallgewichtes mit Aufhängung

Trägergeräte Als Trägergeräte kommen vor allem folgende Geräte zum Einsatz: Seilbagger und Raupenkrane Verfahrbare Gitterdreiböcke (Tripoden) Sondergeräte, die für spezielle Anforderungen ausgelegt sind, Für niedrige bis mittlere Energieeintragungen in den Boden werden herkömmliche RaupenSeilbagger aus dem handelsüblichen Angebot mit kleineren, konstruktiven Veränderungen ausgewählt. Die Seilbagger benötigen für eine ausreichende Standsicherheit ein geeignetes Raupenfahrwerk. Der Unterwagen besitzt häufig eine Spurverstellung der beiden Raupen, so dass zum Transport die Fahrwerkbreite verkleinert und für den Baustelleneinsatz eine Verbreiterung der Fahrwerkbreite zur Erhöhung der Standsicherheit möglich ist. Weitere besondere Konstruktionsmerkmale ergeben sich aus den extremen Belastungen, denen diese Geräte beim Einsatz ausgesetzt sind. Das Anheben des Fallgewichtes erfordert keine besondere Beachtung. Wird jedoch die Seilwinde ausgeklinkt, und das Fallgewicht fällt im freien Fall zu Boden, so entspannt sich im Moment des Ausklinkens der gesamte Ausleger samt seiner Haltemechanik. Diese plötzliche Entspannung stellt eine hohe Anforderung an den Ausleger. Der plötzliche Ruck überträgt sich jedoch auch auf das Grundgerät, so dass der Ober- und Unterwagen, insbesondere der Drehkranz, ebenso diesen Extrembelastungen ausgesetzt werden.


231

Für den Unterwagen mit seinem Raupenfahrwerk kommen die Belastungen aus dem verhältnismäßig häufigen Verfahren der Geräte hinzu, da ein Verdichtungspunkt nicht nur in einer, sondern in mehreren Phasen verdichtet wird. Somit müssen bei diesem Verfahren im Vergleich zu anderen Raupenkraneinsätzen beachtliche Fahrwege zurückgelegt werden. Einen großen Verschleiß erleiden die Seile und Anschlagmittel. Ebenfalls durch die schnelle Entspannung und das schnelle Abspulen während des Freifalles werden sie schnell brüchig und müssen relativ häufig gewechselt werden. Die Seilbremse wird durch das schnelle Abbremsen nach jedem Fallschlag ähnlich stark beansprucht. Die Bremsbeläge müssen daher oft erneuert werden. Verschiedene Gerätetypen erreichen durch Sonderausführungen größere Fallhöhen, Fallmassen und dadurch eine größere Einflusstiefe. Die Tabelle 5.23 unterscheidet einige handelsübliche Geräte und Sondergeräte. Tabelle 5.23 Einsatzbereiche von Geräten zur Dynamischen Intensivverdichtung Bezeichnung

Fallhöhe h

Fallmasse M

Maximale Energie E = M·h

Einflusstiefe t

[m]

[t]

[tm]

[m]

10

10

100

< 9,0

Seilbagger Liebherr HS 872

bis 30

bis 30

900

< 15,0

Seilbagger Liebherr HS 882

bis 35

bis 40

1400

< 18,0

Mega-Maschine 1

bis 30

bis 25

750

< 14,0

Mega-Maschine 2

bis 40

bis 40

1600

< 20,0

Tripode

bis 40

bis 40

1600

< 20,0

20

200

4000

< 35,0

Handelsübliche Geräte Raupenkran 50 t

Sondergeräte

Giga-Maschine

Die Zahl der möglichen Verdichtungsschläge hängt von unterschiedlichen Geräte- und Schlagparametern ab. So kann ein Gerät mit einer großen Motorleistung die Fallplatte verhältnismäßig schnell auf die erforderliche Fallhöhe befördern, welches ebenso leistungsbestimmend wie das Gewicht der Fallplatte selbst ist.

5.6.5.3 Die wichtigsten Stoffe Als Material bei der Dynamischen Intensivverdichtung wird lediglich Schüttgut benötigt. Dieses Schüttgut wird meistens bereits vorher auf den nicht ausreichend tragfähigen Untergrund aufgebracht. Es dient dann neben der Lastverteilung als sauberes Arbeitsplanum und Schlagpolster zur Minderung der Auflockerung. Nach der Verdichtung werden damit auch die entstandenen Verdichtungstrichter nochmals verfüllt, welche dann mittels schwerer Fallplatten oder anderer Verfahren verdichtet werden.

232


5.6.5.4 Der Personalbedarf Eine Kolonne setzt sich wie folgt zusammen: 1 Maschinist pro Trägergerät 1 Helfer (Mithilfe beim Einmessen und Markieren) 1 Schlosser (Reparatur und Wartung)

5.6.5.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Nachfolgende Tabelle zeigt eine Bewertung der Leistung und Kosten gewichtiger Teilprozesse zur Dynamischen Intensivverdichtung. Tabelle 5.24 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


I

II

III

(2) Oberboden abtragen (3) Lastverteilende Aufschüttung herstellen (2) Erste Verdichtungsphase aus mehreren Schlägen (3) Ruhephase (Verdichtung anderer Punkte) (4) Verfüllen der Schlagtrichter (5) Erneute Verdichtungsphasen (6) Abschlussverdichtung Schlag an Schlag (1) Planieren der Arbeitsfläche (2) Verdichten mit Oberflächenverdichtern

Personalbedarf

Planierraupe

D.4.00. ····

1 Maschinist

Radlader LKW

D.3.10. ···· P.2.13. ····

1 Maschinist 1 Maschinist

Trägergerät - Seilbagger - Raupenkran

D.0.01. ···· C.2.21. ····

Kalkulatorische Leistungswerte 120320 m2/h 80130 m3/h

1 Maschinist 25 min/Schlag

Fallmasse - Fallplatte - Fallbirne Radlader Planierraupe Geräte wie II (2) und (3)

----D.0.52. ···· D.3.10. ···· D.4.00. ····

1 Maschinist 1 Maschinist

80150 m3/h

25 min/Schlag Planierraupe

D.4.00. ····

1 Maschinist

100400 m2/h

Dreiradwalze Flächenrüttler

D.8.00. ···· D.8.61. ····


125500 m2/h 60 m2/h


233

Tabelle 5.25 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten bei der Dynamischen Intensivverdichtung

Sonstiges


Tätigkeit


Fallplatte gemäß Verdichtungsraster ausrichten Überwachungsmessungen Ruhepausen zwischen den Verdichtungsphasen

1 min/Vorgang 0,5 min/Vorgang 2 Tage bis 4 Wochen

Ziehen der Platte auf 10 m Fallen, Aufschlagen, Anheben, Auspendeln Baustelleneinrichtung Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall Räumen der Baustelle

0,2 min/Vorgang 34 Tage 15 min pro Tag 7 Stunden in der Woche 34 Tage

5.6.5.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Eine spezielle DIN für die Dynamische Intensivverdichtung ist im Teil C der VOB nicht aufgeführt. Für die Erschütterungseinwirkungen, die bei diesem Verfahren auftreten, gilt die DIN 4150 Teil 3 Erschütterungen im Bauwesen. Die Norm ist für Bauwerke heranzuziehen, die nicht für dynamische Einwirkungen ausgelegt sind. Die Leistungsbeschreibung sollte folgende Informationen enthalten: Angaben zum Raster der Schlagtrichter Angaben zur Fallenergie Angaben zur Anzahl der Übergänge Art und Menge des zum Auffüllen der Schlagtrichter benötigten Füllmaterials Darüber hinaus sollten auch Informationen zur Herstellung der Arbeitsebene, der Probeverdichtung und der Erstellung der Gründungsebene gemacht werden.

5.6.6 Qualitätssicherung und Kennwerte Zur erfolgreichen Durchführung der Methode sind umfangreiche, sorgfältige Kontrollmessungen vor, während und nach der Verdichtung erforderlich. Zur Vorerkundung und Überwachung werden insbesondere folgende Messverfahren eingesetzt: Pressiometermessungen (Seitendrucksondierungen) Kompressionsversuche im Dynamischen Ödometer Porenwasserdruckmessungen Setzungskontrollmessungen an der Oberfläche und im Boden

234


Auch andere Verfahren, wie Ramm- oder Drucksondierungen nach DIN 4094, sind zur Kontrolle geeignet. Mit den Messergebnissen während der Verdichtung lässt sich der Verdichtungserfolg kontrollieren bzw. festlegen, ob und wie viele weitere Übergänge erforderlich sind.

5.7 Oberflächenverfestigung mit Bindemitteln 5.7.1 Das Bauverfahren im Überblick Bodenverfestigungen sind Verfahren, bei denen die Widerstandfähigkeit von Böden gegen Beanspruchung durch Verkehr und Klima dauerhaft erhöht wird. Der Boden wird tragfähig, wasserunempfindlich und frostbeständig. Je nach Bodenart und Klima werden dem Boden hydraulische Bindemittel (Kalk, Kalkhydrat, hydraulischer Kalk, Zement) beigemischt. Bei der Oberflächenverfestigung unterscheidet man das Baumischverfahren (mixed-in-place) und das Zentralmischverfahren (mixed-in-plant). Beim Baumischverfahren wird der Boden aufgerissen, zerkleinert, soweit erforderlich angefeuchtet und nach Erreichen einer gleichmäßigen Durchfeuchtung und Zerkleinerung mit dem Bindemittel vermischt. Das Bindemittel wird maschinell gleichmäßig verteilt und eingemischt. Anschließend wird das BodenBindemittel-Gemisch verdichtet. Beim Zentralmischverfahren wird der zu verfestigende Boden mit den Bindemitteln in einer Mischanlage gemischt und anschließend zur Einbaustelle transportiert. Nachfolgend wird das Baumischverfahren erläutert. Dieses wird weit häufiger angewendet und unterscheidet sich vom Zentralmischverfahren nur darin, dass der Boden nicht vor Ort, sondern in einer Mischanlage mit den erforderlichen Bindemitteln vermischt wird. Die Verteilung und das Einmischen des Zementes dürfen nicht unmittelbar nach dem Einfräsen des Kalkes erfolgen, da die Reaktionen von Kalk und Boden eine relativ lange Zeit in Anspruch nehmen. Zwischen der Bodenverbesserung mit Kalk und der hydraulischen Verfestigung mit Zement sollte mindestens ein Tag Arbeitsunterbrechung liegen. Ist der Boden zu trocken, wie dies bei gleichkörnigen Sanden schon nach kurzen Trockenperioden häufig der Fall ist, muss er vor dem Verteilen des Zementes vorgenässt werden. Bei starken Niederschlägen muss auf das Verteilen von Bindemitteln verzichtet werden, um ein Ausschwemmen des Bindemittels zu vermeiden. Wird durch die Niederschläge der für die ausreichende Verdichtung festgelegte Wassergehalt des Bodens überschritten, müssen die Arbeiten so lange unterbrochen werden, bis der Boden ausreichend abgetrocknet ist. Bei starken Winden ist das Verteilen des Bindemittels einzustellen. Gefrorener Boden darf nicht verfestigt werden. Die Verteilung des Bindemittels erfolgt mit Streugeräten.

5.7 Oberflächenverfestigung mit Bindemitteln

235

Bei dem nachfolgenden Einsatz der Verfestigungsgeräte ist gegebenenfalls während des Mischvorganges so viel Wasser zuzugeben, dass der für die Verdichtung notwendige Wassergehalt des Boden-Bindemittel-Gemisches erreicht wird. Das Verteilen und das Einfräsen des Bindemittels sollten grundsätzlich unmittelbar hintereinander erfolgen. Bei der Verfestigung ist zu beachten, dass zwei benachbarte Mischspuren überlappend hergestellt werden und keine unbehandelten Bodenstreifen verbleiben. Unmittelbar nach Beendigung des Durchmischens wird mit der Verdichtung begonnen. Um eine einwandfreie Verbindung von dünnen Lagen eines Boden-Bindemittel-Gemisches mit einer darunter liegenden, bereits verdichteten Bodenverfestigung herzustellen, muss die Kontaktfläche aufgeraut werden. Der Verarbeitungszeitraum für das Boden-BindemittelGemisch beträgt bis zu drei Stunden nach dem Ausstreuen, bei hydrophobierten Zementen drei Stunden nach Beginn des Mischvorgangs.

5.7.2 Bodemechanische Grundlagen Da durch die Beimischung von hydraulischen Bindemitteln und die hieran anschließende chemische Reaktion und Auskristallisation neue mineralische Bindungen entstehen, wird die Kohäsion und damit die Scherfestigkeit im Boden erhöht. Die bodenverfestigende Wirkung der Bodenbehandlung tritt nach dem Verdichten des Bodens ein. Der anstehende, zu verfestigende Boden muss bei der Oberflächenverfestigung gleichmäßig vorverdichtet und ein profilgerechtes Planum hergestellt werden. Enthält der zu verfestigende Boden Steine von mehr als 63 mm Durchmesser, so sind diese, um die Geräte zu schonen und Arbeitsunterbrechungen zu vermeiden, z. B. mit Eggen zu entfernen. Übersteigt der Wassergehalt des zu verfestigenden Bodens den für die Verdichtung optimalen Wert und ist es nicht zu erwarten, dass der Wassergehalt durch natürliche Verdunstung abnimmt, kann der Boden durch Auflockerung belüftet werden, um das Verdunsten zu beschleunigen. Verspricht diese Maßnahme wenig Erfolg, kann Feinkalk auf die zu behandelnden Flächen gleichmäßig aufgebracht und mindestens in der Mächtigkeit der zukünftigen Bodenverfestigung eingefräst werden.

5.7.3

Das Bauverfahren

5.7.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Das Baumischverfahren wird seinerseits in zwei Verfahren unterschieden: Bodenstabilisieren mit Kalken Bodenstabilisieren mit Zementen

236


Teilprozesse beim Stabilisieren mit Kalken 1. Der Kalk wird mit einem Streugerät genau dosiert vorgestreut. Auf eine zusätzliche Bewässerung des Bodens wird verzichtet, da die zu verbessernden Böden einen überschüssigen Wassergehalt aufweisen, der gebunden werden soll. 2. Auffräsen und Einmischen der Kalke in den Boden. Der Arbeitsfortschritt richtet sich nach der Verarbeitbarkeit des Bodens und der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Bodenstabilisierungsgeräte. Es entsteht ein krümeliges Gemisch mit reduziertem Wassergehalt. 3. Planieren und Profilieren des aufbereiteten Boden-Kalk-Gemisches mit geeigneten Erdbaumaschinen. Bevorzugt werden hier Grader eingesetzt, jedoch nur wenn sich keine Verdrückungen durch das Radfahrwerk einstellen. Ansonsten sind Planierraupen einzusetzen. 4. Verdichten des profilierten Bodens mit entsprechendem Verdichtungsgerät. Da es sich im Regelfall um größere Flächen handelt, werden hier Tandemwalzen oder Walzenzüge bevorzugt eingesetzt. Walzenzüge mit Schaffuß- oder Stampffußbandagen können zur Vorverdichtung eingesetzt werden. Die Schlussverdichtung ist dann mit einer Glattmantelbandagenwalze durchzuführen. Teilprozesse beim Stabilisieren mit Zementen Bei dieser Variante gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, den Zement und das Zugabewasser zu vermischen. 1. Das Zugabewasser wird mit einem Sprengwagen auf die zu bearbeitende Fläche versprüht. Der Zement wird mit einem Streuwagen entsprechend dosiert vorgestreut. 2. Der Zement wird mit einem Streuwagen dosiert vorgestreut und das Zugabewasser wird genau dosiert in Abhängigkeit von der Vortriebsgeschwindigkeit in den Mischraum über eine Einsprühanlage eingesprüht. Das Wasser wird über eine Schlauchleitung vom Wasserwagen zugeleitet oder über entsprechende Tanks der Bodenstabilisierer mitgeführt. 3. Zement und Zugabewasser werden in einer speziellen Suspensionsmischanlage microprozessorgeregelt dosiert und angemischt. Die fertige Zementsuspension wird über eine Schlauchleitung dem Bodenstabilisierer zugeführt und genau dosiert in den Mischraum eingesprüht.


237

Prozesse und zugehörige Geräte Tabelle 5.26 Prozesse der Oberflächenverfestigung mit Bindemitteln Prozess

Teilprozess

(1) Baugelände freimachen (2) ggf. Oberboden entfernen (3) Größere Steine und Wurzelwerk entfernen Vermischen (1) ggf. Wasser vorsprühen (2) ggf. Boden aufreißen und zerkleinern (3) Bindemittel verteilen (4) Vermischen durch Aufnehmen, Zerkleinern und Vermischen des Bodens Profilieren und Verdichten (1) Planieren und Profilieren des Boden-BindemittelGemisches; Verdichten

-

Raupe Radlader

-

Bodenstabilisator Streuwagen Wassersprengwagen Suspensionsmischwagen

-

Nachbehandeln

-

Radplanierraupe Grader Glattmantelwalze Stampfer Plattenrüttler Sprühwagen

Arbeitsebene erstellen

I

II

III

Gerät

IV

(1) ggf. Feuchthalten durch Besprühen mit Wasser

5.7.3.2 Die Geräte Bodenstabilisierer Die Geräte, die den Boden aufreißen, zerkleinern und die Zuschlagstoffe einmischen, werden als Bodenstabilisierer, auch Bodenvermörtelungsmaschinen oder Bodenfräsen, bezeichnet. Sie sind heute weitgehend als selbst fahrende Maschinen ausgebildet. Da man sie auch zum Recyceln von Asphaltbelägen einsetzen kann, werden sie häufig als Recycler bezeichnet. Frühere Geräte waren als Anbaugeräte hinter einem Schlepper oder Unimog konzipiert. Die heutigen Geräte hingegen sind speziell entwickelte Hochleistungsgeräte. Je nach Hersteller gibt es verschiedene Konstruktionsmerkmale. So bestehen einige aus einem Vorder- und Hinterrahmen und einer Knick- oder Radlenkung. Ein Allradantrieb und eine breite Bereifung ermöglichen das Arbeiten in sehr weichem und steilem Gelände. Die eigentliche Arbeitsausrüstung stellt der Fräsrotor dar. Dieser ist bei allen Geräten zwischen der Vorder- und Hinterachse angeordnet. Der Fräsrotor hat im Regelfall eine große Masse, so dass der Schwungradeffekt genutzt wird. Die Meißel haben je nach Arbeitseinsatz unterschiedliche Formen. Sie sind auf aufschraubbaren Werkzeughaltern angeordnet, um ein schnelles und einfaches Wechseln auf der Baustelle zu ermöglichen. Die Firma Caterpillar bietet für ihre Geräte verschiedene Rotoren an. So sind für bindige und schwach bindige Böden, für nichtbindige Böden oder für alle Böden konzipierte Rotoren mit speziellen Meißeln erhältlich. Die Firma Wirtgen dagegen setzt auf einen Rotor, der mit einem Rundschaftmeißel alle gestellten Aufgaben erfüllt.

238


Bild 5.30 Bodenstabilisierer der Firma Bomag [13]

Der Raum zwischen dem Rotor und der Abdeckhaube ist der Mischraum. Dieser muss der Frästiefe entsprechend angepasst werden, da bei größeren Tiefen mehr Bodenmaterial gemischt werden muss und dementsprechend auch mehr Mischraum benötigt wird. Das Abstreifschild sollte verstellbar ausgebildet sein, da so ein Vorplanieren erreicht werden kann. Sind beide Seiten verstellbar ausgebildet, kann sowohl mit als auch gegen die Arbeitsrichtung gefräßt werden. Ein gegenläufiges Fräsen, also der Rotor dreht sich entgegen der Arbeitsrichtung, erzielt im Allgemeinen eine bessere Durchmischung als Gleichlauffräsen. Alle Geräte verfügen über die Möglichkeit, das Zugabewasser über eine Sprühanlage vor oder in den Mischraum einzuspeisen.

Bild 5.31 Darstellung der Mischräume in Abhängigkeit der Frästiefen [41] links: kleinerer Mischraum bei geringen Arbeitstiefen, rechts: größerer Mischraum bei großen Arbeitstiefen

Streuwagen Die eingesetzten Streuwagen sind als Selbstfahrer, Aufsatzgeräte für LKW oder als Anhängestreugerät ausgebildet. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem geschlossenen, siloähnlichen Vorratsbehälter unterschiedlichen Fassungsvermögens, einem Verteilmechanismus und einer Dosiereinrichtung. Das Fassungsvermögen sollte nicht zu klein sein, da sonst ein häufiges Nachfüllen erforderlich ist, was eine Siloanlage auf der Baustelle erfordern würde.


239

Der Verteilbalken sollte nicht sehr hoch über dem Boden angebracht sein, um so ein Verwehen des Zementes und die Staubentwicklung zu begrenzen. Die Bereifung bzw. die Wahl des Trägergerätes sollte der Beschaffenheit des Untergrundes angepasst werden, um zu tiefe Fahrspuren bzw. ein Festfahren zu verhindern. Wassersprengwagen Auch diese Geräte können als Selbstfahrer, Aufsatzgeräte für LKW oder als Anhängegeräte konzipiert sein. Sie bestehen aus einem geschlossenen Wassertank und einer Versprühanlage. Hinsichtlich der Geländetauglichkeit gilt gleiches wie bei den Streuwagen. Wird der Wassersprengwagen zum Feuchthalten der aufbereiteten Schicht eingesetzt, ist darauf zu achten, dass sich keine Verdrückungen oder sonstigen Beschädigungen durch das Befahren einstellen. Eine Verwendung von Sand- oder Ballonreifen mit besonders großer Aufstandsfläche kann dem entgegenwirken. Suspensionsmischanlagen Suspensionsmischanlagen vereinigen Streuwagen und Sprengwagen. Eine solche ist z. B. die WM 400 der Firma Wirtgen. Sie besteht aus einem 8,5 m3 großen Wassertank, einem 20 m3 fassenden Zementbehälter, Förder-, Dosier- und Mischeinrichtung und einem eigenen Antriebsmotor. Die Anlage ist auf einem mit einer Hilfslenkung versehenen Schwerlastenhänger montiert und kann somit von einem Recycler aus gelenkt werden. Die Vorteile solcher Kompaktanlagen sind ein geringer Personalbedarf, da weder Streuwagen noch Wasserwagen erforderlich sind und die Anlage komplett vom Recycler gesteuert wird. Hinzu kommt das große Fassungsvermögen des Zementbehälters, der es ermöglicht, dass ganze Sattelzüge entladen werden können und somit kein Baustellensilo erforderlich wird, welches ein kontinuierliches Arbeiten ermöglicht. Die Dosierung kann sehr genau erfolgen und dokumentiert werden. Verdichtungsgeräte Die Verdichtungsgeräte entsprechen den im Kapitel 5.3.3.2 behandelten Maschinen.

5.7.3.3 Die wichtigsten Stoffe Man unterscheidet bei der Bodenverfestigung die Verfestigung mit Zement, Kalk und Mittel auf Bitumenbasis. Die Bodenverfestigung mit Zement Für die Verfestigung mit Zement sind geeignet: Grobkörnige Böden nach DIN 18 196 mit einem Größtkorn von bis zu 63 mm Gering bis mittel frostempfindliche, gemischtkörnige Böden der Gruppe SU, ST, GU, GT nach DIN 18 196 Sehr frostempfindliche, gemischtkörnige Böden der Gruppen SU, ST, GU und GT und feinkörnige Böden der Gruppen UL, UM und TL

240


Bedingt geeignet sind folgende Bodenarten, wobei die Eignung in speziellen Prüfverfahren und/oder durch eine Probenverdichtung nachgewiesen werden muss: Mittel- und ausgeprägt plastische Tone (TM und TA nach DIN 18 196) Grob- und gemischtkörnige Böden mit Kornanteilen über 63 mm. Diese Anteile müssen gegebenenfalls vor dem Einmischen des Bindemittels entfernt werden, soweit dies für eine anforderungsgerechte Verfestigung erforderlich ist (Ebenheit, Schäden am Mischgerät etc.) Böden mit organischen Beimengungen Ungeeignet sind: Schluff- und Tonsteine Unvollständig verwitterte Felsböden Organische Böden Sehr heterogene Böden Bodenverfestigung mit Kalk Die Bodenverfestigung mit Kalk ist ein Verfahren, bei dem die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Beanspruchung durch Verkehr und Klima langfristig erhöht wird. Der Boden wird hierdurch dauerhaft tragfähig, wasserunempfindlich und frostbeständig. Bodenverfestigungen mit Kalk werden beim Bau von Straßen und Wegen aller Art sowie von anderen Verkehrsflächen angewendet. Wird die Bodenverfestigung mit Kalk in der oberen Zone des Unterbaus bzw. des Untergrundes ausgeführt, kann die Schicht als Frostschutzschicht angesetzt werden. Für die Verfestigung geeignet: Feinkalk (Weißfeinkalk, Wasserfeinkalk) Kalkhydrat (Weißkalkhydrat, Dolomitkalkhydrat, Wasserkalkhydrat) Hochhydraulischer Kalk Einen Überblick über die Eignung der Böden für die Bodenverfestigung mit Kalk gibt Tabelle 5.27. Bodenverfestigung mit bituminösen Bindemitteln Das Einmischen von bituminösen Bindemitteln und die anschließende Verdichtung des Bodens verkittet die Bodenteilchen. Bei bindigen Böden tritt außerdem der Effekt ein, dass die Bodenteilchen durch die Umhüllung mit dem Bindmittel gegen Wasseraufnahme weitgehend abgesperrt werden, wodurch bituminös verfestigte bindige Böden eine wetterunabhängige, gleich bleibende Tragfähigkeit haben. Für die Verfestigung mit bituminösen Bindemitteln eignen sich alle grobkörnigen Böden sowie die gemischten Böden der Gruppe SU, GU, ST und GT.


241

Bild 5.32 Körnungsbereiche für die Verfestigung von Böden mit verschiedenen Bindemitteln Tabelle 5.27 Für die Bodenverfestigung mit Kalk geeignete Bodenarten mit Hinweisen auf die Kalkart [42] Korngrößenanteile in Gew.-% Hauptgruppen nach DIN 18 196

< 0,06 mm

> 2 mm

Feinkörnige Böden

> 40

-------

GRUPPEN Plastizitätszahl IP und Lage zur ALinie

Fließgrenze wL in Gew.-%

Kurzzeichen nach DIN 18 196

leicht plastische

< 35

UL

mittelplastische

35 bis 50

UM

leicht plastische

< 35

TL

mittelplastische

35 bis 50

TM

ausgeprägt plastische

> 50

TA**

Bezeichnung

IP < 4 Gew.-% oder unterhalb der A-Linie

Schluffe

IP < 7 Gew.-% und oberhalb der A-Linie

Tone

Frostempfindlichkeitsklassen nach ZTVE*

Geeignet für folgende Kalkarten nach DIN 1060

F2 Feinkalk*** Kalkhydrat**** (Hochhydraulischer Kalk) F3

Gemischtkörnige Böden

> 40

Kies-Schluff-Gemische Kies-Ton-Gemische

GU GT

< 40

Sand-Schluff-Gemische Sand-Ton-Gemische

SU ST

> 40

Kies-Schluff-Gemische Kies-Ton-Gemische

GU GT

< 40

Sand-Schluff-Gemische Sand-Ton-Gemische

SU ST

15 bis 40

F3

5 bis 15

Feinkalk **** Kalkhydrat*** Hochhydraulischer Kalk F 2****

242


Grobkörnige Böden

Böden mit organischen Beimengungen und organogene Böden

> 40

Kiese, weitgestufte Kiese, intermittierend gestufte

GW GI

< 40

Sande, engestufte Sande, weitgestufte Sande, intermittierend gestufte

SE SW SI

40

-------

IP > 7 Gew.-% und unterhalb der A-Linie

Schluffe Tone

Mit organ. Beimeng. oder organogene

35 bis 50

OU

> 50

OT

F1

F3

Hochhydraulischer Kalk

Feinkalk *** Kalkhydrat ***

F2 < 40

Grob- bis gemischtkörnige Böden mit kalkigen, kieseligen Bildungen

-------

OK

Hochhydraulischer Kalk

* F1 = nicht frostempfindlich, F2 = gering bis mittel frostempfindlich, F3 = sehr frostempfindlich ** nur in Ausnahmefällen für eine Bodenverbesserung geeignet *** Feinkalk: Bei Überschreitung des Bereiches mit optimalem Wassergehalt; Kalkhydrat: Im Bereich des optimalen Wassergehaltes **** nur, wenn Körnungskriterien nach ZTVE, Abschnitt 2.3.3.2 (1) erfüllt sind, sonst zu F1 gehörig

5.7.3.4 Der Personalbedarf Eine Kolonne setzt sich wie folgt zusammen: 1 Schachtmeister (Beaufsichtigung und Dokumentation) 3 Geräteführer (Wasserspreng-/Streuwagen; Bodenstabilisierer; Walze)

5.7.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Tabelle 5.28 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


(1) ggf. Wasser vorsprühen

II

III

(2) ggf. Boden aufreißen und zerkleinern (3) Bindemittel verteilen (4) Vermischen des Bodens (1) Planieren und Profilieren des BodenBindemittelGemisches; Verdichten

Personalbedarf

LKW + Wasserwagenaufbau Planierraupe + Heckaufreißer

P.2.11. ··· P.2.11. ·AL

1 Maschinist

D.4.00. ··· D.4.00. ·06

1 Maschinist

Streuwagen

E.8.10. ···

1 Maschinist

Radlader + Bodenstabilisierer

D.3.10. ··· E.8.01. ···

1 Maschinist

Siehe Kapitel 5.2

Kalkulatorische Leistungswerte 2.000 m2/h 1.000 m2/h 850 m2/h 300 m3/h


243

Tabelle 5.29 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten bei der Oberflächenverfestigung mit Bindemitteln

Sonstiges

Oberflächenverfestigung

Tätigkeit


Ggf. zu große Steine vom Arbeitsfeld entfernen

0,2 min/m2

Ggf. Kalk einfräsen um den Boden zu trocknen

0,05 min/m2

Verfestigungsleistung

ca. 250 m3/h

Kontrollprüfungen

-

Baustelleneinrichtung Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall

0,5 Tag(e) 10 min pro Tag 2 Stunden in der Woche


0,5 Tag(e)

5.7.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Für die Bodenverfestigung und -verbesserung mit Bindemitteln gelten entsprechend die ZTVV-StB 94 und die TVV-LW 1980. Die ZTVV-StB 94 ist darauf abgestellt, dass die VOB Teil C, insbesondere die ATV DIN 18 299 und ATV DIN 18 300 Bestandteil des Bauvertrages sind. Die Leistungsbeschreibung sollte folgende Informationen enthalten: Baumischverfahren oder Zentralmischverfahren Bindemittelart und Bindemittelgehalt Einbaudicke Verdichtungsgrad Verarbeitungszeit Es sollten auch Informationen zur Herstellung der Arbeitsebene gegeben werden, wenn diese zur Befeuchtung vorher mit Wasser besprüht, oder bei zu feuchten Böden mit Kalk getrocknet werden muss. Auch wenn der Oberboden, pflanzliche Bestandteile oder Steine zu entfernen sind, ist dies mit in die Leistungsbeschreibung aufzunehmen. Dazu gehört auch das mögliche Nachverdichten und andere Maßnahmen die zu Vorbereitung der Unterlage dienen. Die für die Ausführung in Abhängigkeit vom Zweck maßgebenden Anforderungen sind ebenfalls im LV anzugeben. Die Bindemittel werden geregt in folgenden Normen: DIN 1164-1 Zement Teil 1 EN 459-1 Baukalk Teil 1 DIN 18 506 Hydraulische Bindemittel für Tragschichten

244


5.7.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Die Anforderungen an die Qualität erstrecken sich auf die zur Verfestigung vorgesehene Schicht und die verfestigte Schicht. Bei der zur Verfestigung vorgesehenen Schicht muss der Verdichtungsgrad Dpr mindestens 100 % betragen, falls die Schicht zum Oberbau gehört oder die obere Lage eines frostsicheren Untergrundes oder Unterbaus ist. In allen Fällen ist der Boden so zu verdichten, das mindestens der in der ZTVE-StBFehler! Textmarke nicht definiert. für die verschiedenen Bodenarten vorgeschriebene Verdichtungsgrad Dpr erreicht wird. Bei der zu verfestigenden Schicht darf unmittelbar nach Abschluss der Verdichtung bei Boden-Zement- bzw. Boden-Kalk-Gemischen der Verdichtungsgrad 98 % der Proctordichte nicht unterschritten werden. Bei Gemischen aus Boden und bituminösen Bindemitteln muss die verfestigte Schicht mindestens 96 % der Dichte des nach dem Verfahren von Marshall hergestellten Probekörpers aufweisen. Weitere Anforderungen beziehen sich auf die profilgerechte Lage, Ebenheit, Einbaudicke und verwendete Bindemittelmenge. Die Qualitätsanforderungen werden durch Kontrollen vor, während und nach der Bauausführung überprüft. Zum Nachweis der Eignung der Baustoffe und der Boden-BindemittelGemische für den vorgesehenen Verwendungszweck sind rechtzeitig vor Baubeginn Eignungsprüfungen durchzuführen. Der hierfür erforderliche Zeitaufwand beträgt ca. 8 Wochen. Die Prüfungen erstrecken sich beim zu verfestigenden Boden z. B. auf den Wassergehalt, die Proctordichte und optimalen Wassergehalt, einaxiale Druckfestigkeit und Frostbeständigkeit. Die Prüfungen vor Baubeginn entscheiden über die Brauchbarkeit des anstehenden Bodens sowie über die Anwendbarkeit des vorgesehenen Verfahrens zur Bodenverfestigung. Die Prüfungen während der Bauausführung sollen sicherstellen, dass die Güteeigenschaften der Baustoffe, der Boden-Bindemittel-Gemische und der fertigen Leistung den vertraglichen Anforderungen entsprechen. Sie werden als Eigenüberwachungsprüfungen und als Kontrollprüfungen durchgeführt.

5.8 Verfestigung durch Injektionen 5.8.1 Das Bauverfahren im Überblick Injektionen auf der Basis von Zement, Ton, Silikatgel und Kunstharz in Form von Lösungen, Suspensionen, Pasten und Emulsionen erfolgen in Hohlräume, Risse, Klüfte und Poren des Untergrundes oder in schadhafte Fundamente und Bauwerke aus Mauerwerk und Beton oder auch Dämme aus Erd- und Steinschüttungen. Ist die Verbindung zwischen den mit Wasser oder Luft gefüllten Hohlräumen für das Einpressmittel durchgängig, so können diese mit Hilfe eines Rasters von Bohrungen und Einpresslanzen mit geringem Einpressdruck aufgefüllt werden, ohne die vorhandene Struktur der Kluft- und Porensysteme zu ändern.

5.8 Verfestigung durch Injektionen

245

Bei einem gering durchlässigen Untergrund können mit höherem hydraulischen Druck in den Fließwegen des Einpressmittels zusätzlich zu den vorhandenen Klüften und Poren neue oder erweiterte Fließwege aufgebrochen und gefüllt werden. Im Gegensatz zum Düsenstrahlverfahren erfolgt auch bei der Aufbrecheinpressung keine Vermischung des Einpressmittels mit durch den Einpressvorgang gelockertem und losgelöstem Boden.

Bild 5.33 Arbeitsschritte beim Injektionsverfahren [3]

5.8.2 Bodenmechanische Grundlagen Mit der Auffüllung von Hohlräumen mit einem Einpressmittel, dass nach einer flüssigen, pumpfähigen Phase erhärtet, ist eine Abdichtung und eine Verfestigung verbunden. Durch die Wahl des Einpressmittels kann die eine oder andere Wirkung verstärkt werden. Die Reichweite der Einpressung wird beeinflusst von dem Einpressdruck und dem Zeitpunkt, an dem das Einpressmittel erhärtet oder die Feststoffteilchen sedimentieren und die Fließwege verstopfen. Zu hoher Druck auf größere Einpressbereiche kann auch zu unerwünschter Hebung von Bauwerken oder der Geländeoberfläche führen. Durch eine hohe Viskosität und eine geringe Einpressgeschwindigkeit kann die Vermischung des Einpressmittels mit dem Grundwasser eingeschränkt werden. Das Grundwasser soll aus den Hohlräumen weitgehend verdrängt werden [3].

5.8.3 Das Bauverfahren 5.8.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Nachfolgend werden die Teilprozesse der Injektionsarbeiten zur Herstellung eines Unterfangungskörpers beschrieben.

246


Herstellen einer verrohrten oder unverrohrten, wasser- oder luftgespülten Bohrung (bei geeigneten Böden kann das Injektionsloch auch gerammt oder gerüttelt werden). Bei bindigen Böden ist eine unverrohrte, in nichtbindigen Böden eine verrohrte und suspensionsgestützte Bohrung möglich. Die Suspension übernimmt dabei die Kühlung des Bohrkopfes und den Bohrguttransport. Bei weichen Untergründen kann auch ein Einrütteln des Mantels erfolgen. Durch das Einfüllen der Sperrflüssigkeit wird die Bohrsuspension bzw. das Spülwasser verdrängt. Häufig wird die Sperrflüssigkeit schon vorher als Bohrsuspension verwendet, so dass die Ventilrohre gleich nach dem Bohren eingestellt und fixiert werden. Die Sperrflüssigkeit verhindert das Aufsteigen des Injektionsgutes im Ringraum. Nach dem Aushärten des Sperrmittels werden die Packer gesetzt und das Ventilrohr abgedichtet. Durch einen zunächst größeren Druck wird das Sperrmittel aufgesprengt. Danach wird der Druck auf Werte zwischen 2 und 10 bar gesenkt. Die erforderliche Einpressmenge wird vorher ermittelt. Die Einpressrate liegt bei 5 bis 15 l/min. Danach werden die Packer gelöst, etwas gezogen, neu abgedichtet und erneut verpresst. Diese Vorgänge werden wiederholt, bis auch das letzte Ventil verpresst wurde. Prozesse und zugehörige Geräte Tabelle 5.30 Prozesse des Injektionsverfahren

I

Prozess Vorbereitende Maßnahmen Injektion mit Manschettenrohren

II

Räumen und Reinigen des Baufeldes III

Teilprozess (1) Freiräumen des Baufeldes (1) Vorlaufgraben anlegen (nur bei Nassbohrung) (2) Herstellen des Bohrloches (3) Einbau des Manschettenrohres (4) Packer setzen und stufenweise Verpressen (5) ggf. erneutes Verpressen der einzelnen Stufen (1) Entsorgung von anfallenden Reststoffen (2) Verfüllen des Vorlaufgrabens (3) ggf. Reinigung von benutzten Flächen

Geräte Raupe, Radlader, Walze etc.

-

-

Bohrgerät Spülpumpe Mischanlage Verpresspumpe Misch- und Verpresseinheit Rückflusspumpe Entsandungsanlage

-

Radlader

5.8.3.2 Die Geräte Bohrgeräte Die meisten Bohrmaschinen für Injektionsbohrungen sind heute selbst fahrend. Nur schwere Bohrmaschinen oder solche zum Bohren in sehr beengten Räumen sind auf Schlitten oder Stahlgestellen montiert, die gegen Wände und Decken verspannt werden können. Es werden neben den nachfolgend beschriebenen Bohrgeräten auch größere Maschinen, wie z. B. Tragraupen für das Rüttelstopfverfahren, eingesetzt.


247

Bild 5.34 Raupenfahrbare Bohrmaschine [7]

Die Bohrwagen und -schlitten tragen in der Regel das Antriebsaggregat für die Fortbewegung und die Bohrmaschine sowie Hydraulikpumpen für den Vorschub und andere Bewegungen. Ein Steuerpult ist auf dem Bohrwagen befestigt und meist mit einer Fernbedienung zu kombinieren. Viele Bohranlagen sind so ausgelegt, dass sie mit Drehbohrmaschine und Schlaghammer ausgerüstet werden können. Das Gestänge ist an mindestens zwei Stellen zu führen, um so die Abweichungen zu begrenzen. Die Spülpumpe bzw. der Kompressor für die Spülung sind im Allgemeinen getrennt mitzuführen. Eine beispielhafte Zusammenstellung von Bohrmaschinen ist Tabelle 5.31 zu entnehmen. Die Drehbewegung der Bohrmaschine und der erforderliche Andruck werden durch das Bohrgestänge und die Bohrkronen übertragen. Im Regelfall bestehen die Gestänge aus glatten und nahtlosen Stahlrohren, die mit Innen-/Außengewinden direkt oder indirekt mittels Nippel miteinander verbunden werden. Die Einzellängen liegen üblicherweise im Bereich von 1,5 bis 3 m. Die Nutzungsdauer des Bohrgestänges beträgt etwa 5000 bis 8000 Bohrmeter. Durch den Innenraum des Bohrgestänges wird das Spülmedium zur Bohrkrone gefördert. Die Bohrkronen werden am unteren Ende des Bohrgestänges aufgeschraubt oder aufgesteckt. Sie zerschneiden, zerreiben oder zertrümmern den anstehenden Boden. Die Art der Bohrkrone hängt im Wesentlichen von den zu durchbohrenden Bodenschichten ab. Für Lockergesteine werden im Regelfall nur Hartmetallbohrköpfe eingesetzt.

248


Tabelle 5.31 Zusammenstellung von Bohrmaschinen Fabrikat

DBC

Bezeichnung Gewicht Antrieb Fahrwerk / Unterbau Fahrgeschwindigkeit Fahrwerksbreite Fahrwerkslänge Steigfähigkeit Länge der Lafette Vorschublänge Ziehgeschwindigkeit Eilgang Vorschubkraft Rückzugkraft Hydraulische Förderleistung Drehzahl Drehmoment

Diamec 252 [kg]

880 Elektr. 40 kW

[-]

Rohrgestell

Wirth

Hausherr

Hütte

DBC

B0

CR 65 HD

HBR 605 M

D 900

2000 Elektr. 30 kW Diesel 36 kW Raupen

[km/h]

1000 2200

[mm] [mm] [%]

8000 Diesel 61 kW Raupen 3,5 2400 2770 60

10500 Diesel 99 kW Raupen 2200

900 2700

84

[mm]

2400

2500

5800

6300

[mm] [m/min]

1600 20

1660 37

3700 26

4000 10

[m/min]

60

62

[KN] [KN]

41 32

27 37

55 34

50 98

[l/min]

60

70

2 x 97

120

[U/min]

2002200

0870 < 6450

10120 < 8000

anzupassen an Bohrverfahren

[Nm]

1850 Diesel 30 kW Raupen

60

Bohrturm bis 7800 500 Winde bis 140 44 59

1401680 15701080

Beim Einsatz der Endlosschnecke ersetzt die Schnecke das normale Bohrgestänge. Alle Bohrkronen haben Löcher und Kanäle zur Zirkulation der Bohrspülung, deren Form und Anordnung die Bohrgeschwindigkeit und die Lebensdauer der Krone beeinflussen. Diese hängt noch im Wesentlichen von der Bodenart, der Werkzeughärte, der Drehgeschwindigkeit und dem Bohrdruck ab. Die Vielzahl dieser Einflüsse lässt schon erkennen, dass die Nutzungsdauer sich in weiten Grenzen bewegt. In Lockergestein liegt diese bei 100150 Bohrmetern. Die erforderlichen Durchmesser richten sich nach dem Durchmesser der Manschettenrohre. Er beträgt üblicherweise mind. 75 mm. Spülpumpen Der Transport des Bohrgutes aus dem Bohrloch geschieht mit Hilfe einer Endlosschnecke oder mit einem Spülmittel. Als Spülmittel werden Wasser, Luft, Wasser-Luft-Gemische und Suspensionen mit Bentonit oder Zement verwendet. Die Geschwindigkeit des Spülstromes muss dabei ausreichend groß sein, um die gelösten Feststoffe nach oben zu fördern, d. h. sie muss größer sein als die Absinkgeschwindigkeit der Teilchen im Spülmittel. Gebräuchliche Spülgeschwindigkeiten sind nach Angabe der Firma Wirh bei Flüssigkeiten 0,6 bis 0,9 m/s und bei Luft 20 bis 40 m/s. Die Spülstromgeschwindigkeit wird durch die Förderleistung der Spülpumpen bestimmt, d. h. je mehr Spülmittel einfließt, desto größer wird die Spülstromgeschwindigkeit. Die Förderleistung der Pumpen ist dem Spülmedium, den Durchmessern der Bohrgutteilchen und dem Verhältnis des Bohrlochdurchmessers zum Bohrgestänge anzupassen.


249

Werden Bohrlöcher in nichtbindigen Böden abgeteuft, werden häufig Futter- oder Mantelrohre notwendig, um das Bohrloch vor seitlichen Einbrüchen zu schützen. Die Futterrohre sind innen und außen glatte, nahtlose Rohre, die ohne Verbinder miteinander verschraubt werden. Die Durchmesser des Bohrloches, der Futterrohre und der Bohrkrone müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Tabelle 5.32 Technische Daten von Spülpumpen Fabrikat DBC

Bezeichnung

Trido 80

Fördermenge Druck [l/min] [MN/m2]

Länge [mm]

Breite [mm]

Höhe [mm]

Gewicht [kg]

Diesel

6,5

1876

50

1750

670

900

350

Elektr.

7,5

76

50

1750

600

500

260

Diesel

13,0

32140

70

1780

780

920

520

Elektr.

15,0

32140

70

1780

780

820

430

LKE 2 ¾x3/5,5 Elektr.

4,0

56120

35

1040

310

790

165

LKE 3 ½x5/24

17,7

240435

41

1630

650

1250

765

Trido 140

Wirth

Antrieb [kW]

Elektr.

Für den Teilbetrieb Injizieren sind folgende Hilfsmittel bzw. Geräte erforderlich: Manschettenrohre Mischer und Rührwerke Injektionspumpen Vorratsbehälter der Einzelkomponenten Dosier- und Registriergeräte Manschettenrohre Die verwendeten Manschettenrohre sind aus Kunststoff oder Metall, wobei im Allgemeinen Kunststoffrohre angewendet werden. In gewissen Abständen sind diese gelocht. Die Öffnungen sind mit Gummischläuchen überdeckt, die sich unter dem Injektionsdruck aufblähen, das Injektionsgut austreten lassen und sich anschließend nach Abnahme des Drucks wieder verschließen. Der Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden. Der Abstand der Ventile beträt standardmäßig 33 cm. Die Innendurchmesser der Manschettenrohre betragen 40 bis 60 mm. Die Herstelllängen reichen von 30 cm bis zu mehreren Metern; die Einzellängen werden miteinander zu den erforderlichen Längen dicht verschraubt. Die Abdichtung oberhalb und unterhalb eines Ventils geschieht mittels Doppelpackern.

250


1 Bohrloch

2 Ventilrohr

3 Sperrmittel

4 Packer

5 Packergestänge oder- schlauch

6 Erhärtetes Injektionsgut

7 Verdichteter Baugrund Bild 5.35 Zementskelett einer Aufbruchinjektion [7]

Mischer und Rührwerke Die zum Verpressen notwendigen Injektionsmittel werden in Mischstationen entsprechend hergestellt, aufbereitet und mittels Verpressstation in den Untergrund verpresst. Die Verpress- und Mischstationen werden häufig als Containereinheit zusammengefasst. Diese Container sind mit Auffangwannen für Spül- und Waschwasser ausgerüstet. Neben verschiedenen Dosiereinrichtungen und Registriergeräten sind die wesentlichen Bestandteile die Mischer und Rührwerke sowie die Injektionspumpen. Es werden dabei Verpress- und Mischstation gemeinsam oder für größere Injektionsmaßnahmen auch in verschiedenen Betriebscontainern getrennt installiert. Die Einzelkomponenten der Bohrflüssigkeiten und des Injektionsgutes werden außerhalb der Betriebcontainer in Silos bevorratet und über Förderschnecken bzw. Rohrleitungen den Mischern zugeführt. Die Injektionsgüter müssen in besonderen Mischern hergestellt und aufbereitet werden. Es ist erforderlich, einzelne Flüssigkeiten vollständig zu vermengen, die Oberflächen aller Feststoffpartikel mit Flüssigkeiten zu benetzen, sowie Luftblasen aus den Suspensionen und Emulsionen zu verdrängen. Für Suspensionen werden Kolloidmischer eingesetzt. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten einer Wirbelradscheibe, etwa 1200 U/min, werden die Feststoffpartikel großen Scherkräften und Turbulenzen ausgesetzt.


251

Für unterschiedliche Feststoffe wie Zement, Feinzement, Sand und Bentonit, können spezielle Wirbelradscheiben verwendet werden. Bei einigen Suspensionen wird z. B. für das Beimischen von Sand ein zusätzlicher Mischer benötigt. Auch für die Aufbereitung von chemischen Injektionsmitteln können Kolloidmischer eingesetzt werden. Es reichen hierzu aber einfachere, mit rotierenden Flügeln ausgerüstete Mischer. Die Aggressivität verschiedener Komponenten verlangt jedoch besonderen Korrosionsschutz. Zwischen den Mischern und der Injektionspumpe ist üblicherweise ein Vorratsbehälter erforderlich. Das Injektionsgut ist in Bewegung zu halten, um ein Entmischen und Sedimentieren zu vermeiden. Daher werden Rührwerke eingesetzt. Des Weiteren werden Kompaktanlagen eingesetzt, bei denen Mischwerk, Vorratstank mit Rührwerk und die Injektionspumpe auf einem gemeinsamen Rahmen montiert sind. Die Installationszeit auf der Baustelle und der Personalbedarf sind hier gering. Einsätze auf kleineren Baustellen und ein schnelles Umsetzen sind mit diesen Anlagen möglich. Nachfolgend sind technische Daten einzelner Mischer, Rührwerke und Kompaktanlagen zusammengestellt. Tabelle 5.33 Technische Angaben von Kolloidmischern, Rührwerken und einer Kompaktanlage Fabrikat und Bezeichnung

Mischer

Rührwerke Kompaktanlagen

Häny Häny GKN GKN GKN Colcrete DD 88 DBC DBC Häny DBC Häny InjectoCompact 550

Nutzvolumen

Leistung

E-Antrieb

[l]

[m3/h]

[kW]

170 450 120 680

4 8 2,5 16

5,5 5,5 11 44

230

6,1

22

1500

11 0,55 1,5

230 300 180 190

12

1020

200 400 350 400

7,5

5

Gewicht

Länge

Breite

Höhe

[kg]

[mm]

[mm]

[mm]

270 380 500 1600

1360 1620 1300 2300

810 1020 850 1700

1300 1520 1250 2200

2300

1880

1470

830

900

1450

2150

1500

1600

Injektionspumpen Die Injektionspumpen müssen in der Lage sein, den Druck und die Fördermenge weitgehend unabhängig voneinander zu steuern. Dies heißt im einzelnen, dass die Pumpe in der Lage sein muss, bei konstanten Drücken - ihrer Leistungsfähigkeit entsprechend - große Mengen und auch fast gegen Null gehende, kleinste Mengen zu pumpen. Vorgegebene Drücke dürfen nicht überschritten werden. Hydraulisch gesteuerte Kolbenpumpen (Bild 5.36) erfüllen die Anforderungen und haben sich weitgehend durchgesetzt. In der Tabelle 5.34 sind einige gängige Injektionspumpen aufgeführt.

252


1 2 3 4

Kugelventile Antrieb Stufenlose Regelung des Förderdrucks Stufenlose Regelung der Fördermenge

5 6 7 8

Antriebsteil Druckanschluss Förderteil Sauganschluss

Bild 5.36 Wirkschema einer elektro-hydraulischen Injektionspumpe [7] Tabelle 5.34 Technische Daten elektrohydraulischer Injektionspumpen Fabrikat: Bezeichnung

Leistung

Druck

Gewicht

Häny

GKN Colcrete

Pumpe

ZMP 710

Mocol 5

Antrieb

HPU 710

With

DBC

WHP

WHP

3x12x55

4´x12x31/2

ZBE

Pumpe

[l/min]

132/66*

85

60

95

90

Antrieb

[kW]

5,5

7,5

7,5

11

7,5

Pumpe

[MN/m2]

5,0/10,0*

10

6,0

10

10

Antrieb

[MN/m2]

21,0

15

Pumpe

[kg]

235

750

460

750

440

Antrieb

[kg]

220 leer

*Plungendurchmesser 120/85 mm

Vorratsbehälter, Dosier- und Registriergeräte Der Injektionsdruck liegt üblicherweise im Bereich von 5 bis 50 bar, für spezielle Anwendungen auch deutlich höher. Das Fördervolumen liegt dabei zwischen 5 und 15 l/min. Die Silos zur Lagerung von Zementen, Bentonit oder anderen pulverförmigen Zuschlägen sind mit einem Entstaubungsdom ausgestattet, um so Staubemission zu verhindern. Werden chemische Injektionsgüter angemischt, so sind spezielle doppelwandige Silos erforderlich. Die Entnahmeleitungen sind ebenfalls doppelwandig auszuführen. Ferner sind entsprechende Füll-, Temperatur- und Druckmesser sowie Überdruckventile zu installieren. Eine Lecksicherungsanzeige ist ebenfalls notwendig. Die Dosierungseinrichtungen bestehen aus Waagen für die pulverförmigen Bestandteile und Durchlassmessern für Flüssigkeiten. Mit den Registriergeräten werden die Injektionsmengen, die Drücke und die Verpresszeiten aufgezeichnet.


253

5.8.3.3 Die wichtigsten Stoffe Bei den Injektionsmittel sollte immer das gröbste Mittel angewandet werden, welches sich in die vorhandenen Klüfte und Poren einpressen lässt. Das ergibt sich aus wirtschaftlichen und technischen Überlegungen. Eine wirtschaftliche Überlegung ist: Wenn für ein bestimmtes Kluft- oder Porensystem ein zu dünnes Injektionsmittel gewählt wird, würde es bis zu unerwünscht großen Reichweiten vordringen. Ein technischer Grund: Die Dichtheit und Festigkeit der ausgehärteten Injektionsmittel steigt in der Regel mit dem Zusatz grober Bestandteile [7]. Tabelle 5.35 Injektionsmittel

Injektionsmittel für die Abdichtung und Verfestigung von Fels und Lockergestein Suspensionen

Emulsionen

Lösungen

Mischungen aus:

Mischungen aus:

Mischungen aus:

a)

a)

a)

Wasser, Wasserglas und wasserlöslichen Härtern

b)

Wasser, Resorcin, Formaldehyd und einem Katalysator

Wasser und Zement

Wasser, Wasserglas und wasserunlöslichen Härtern

b) Wasser, Zement und Zusätzen c)

Wasser, Ton und Zement

b) Wasser, Bitumen, Emulgator und Koagulationsmittel

Anwendungsbeispiele Dichtungsschleier im Tunnel und Talsperrenbau Injektionsbeton, Unterwasserbeton, Colcrete

Injektionen in Sand und Kies

Injektionen im Sand

Fundamentverstärkungen und Vertiefungen

Fundamentverstärkungen und Vertiefungen

Sohlenabdichtungen

Sohlenabdichtungen

Injektionen im Kies

5.8.3.4 Der Personalbedarf Zu einer aufeinander eingespielten Arbeitsgruppe gehören im Allgemeinen: 1 Bohrgeräteführer 1 Mann an der Mischstation 1 Arbeitskraft für die Bedienung des Gestänges bzw. der Packer 1 Bauleiter oder Vertreter (bei Injektionen von Unterfangungskörpern nach DIN 4123 vorgeschrieben)

254


5.8.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Nachfolgende Tabelle zeigt eine Bewertung von Kosten und Leistung gewichtiger Teilprozesse. Tabelle 5.36 Betriebsmitteleinsatz Prozess

Teilprozess

Gerät


(1) Vorlaufgraben anlegen und später verfüllen (2) Herstellung des Bohrloches II

III

Radlader Minibagger

Bohrwagen + Imlochhammer + Wasserspülung Radlader (3) Einbau des Manschettenoder rohres von Hand Verpresspumpe (4) Packer setzen und stufenweise + Mischgerät Verpressen (1) Entsorgung von anfallenden Reststoffen

D.3.10. ···

Personalbedarf


1 Maschinist 20 m/h

K.0.07. ··· K.0.03. ··· K.0.03. ·AA D.3.10. ···

J.6.02. ··· J.6.20. ···

1 Maschinist 60 - 100 m pro Tag

1 Maschinist 1 Helfer 1 Maschinist 1 Helfer

1,50 m3/h bei drei Pumpen pro Tag

1 Helfer

Tabelle 5.37 Richtwerte und Rüstzeiten

Sonstiges

Injektionsvorgang

Tätigkeit


Einrichten der Anlage

2 Tage

Baustelleneinrichtung

1 Tag

Umsetzen der Anlage

1 Tag

Anmischen des Verpressmittels Ausbessern von Fehlstellen Abstemmen des Überprofils Eignungs- und Materialprüfung einschl. Entnehmen von Probekörpern Gesamtleistung Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall Räumen der Baustelle

Parallel zum Arbeitsablauf 60 - 80 m2/Tag + 2 AK ca. 150,00 je Probe Siehe Oben 90 min pro Tag 2 Std. pro Woche 1 Tag


255

5.8.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Spezielle Technische Bedingungen für Einpressarbeiten (Injektionsarb.) (STB-E) [43] 1. Nebenleistungen Aufstellen der Injektionspläne 2. Besondere Leistungen (1) Ausbesserung von Fehlstellen, die aufgrund des für die Injektion nicht geeigneten Baugrundes entstehen. (2) Abstemmen des Überprofils sowie Beseitigen der anfallenden Materialien. (3) Rückbau und Beseitigen der im Baugrund belassenen Injektionsrohre (4) Eignungs- und Materialprüfungen einschließlich Entnehmen von Probekörpern. (5) Durchlässigkeitsprüfungen (z. B. Pumpversuche) 3. Aufmaß und Abrechnung Es gilt ATV DIN 18 299 Abschn. 5: ATV DIN 18 309 Abschnitt 5 findet keine Anwendung

5.8.4 Qualitätssicherung und Kennwerte Die Kontrolle der Ausgangsstoffe hängt natürlich im Wesentlichen vom Injektionsgut ab. Die Anforderungen an die Verpressmittel und die Technik des Einpressens sind in der DIN 4093 beschrieben. Bei Zementsuspensionen erstreckt sich die Kontrolle der Ausgangsstoffe auf: Das Anmachwasser Die Zuschläge und Zusatzstoffe Die Fließeigenschaften Die Sedimentationseigenschaften Die Dichte der Suspension Die Festigkeitsentwicklung Das Quellverhalten Die Erosionsbeständigkeit und Beständigkeit des erhärteten Einpressgutes Bei chemischen Injektionen beschränkt sich die Kontrolle auf: Das Anmachwasser Die Dichte und den Alkaligehalt des Wassers

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Die Dichte und die Wirksamkeit des Härters Das Mischungsverhältnis Die Viskosität der Mischung Die Kippzeit der Mischung Die Volumenänderung der Mischung Die Beständigkeit des erhärteten Einpressgutes bei Wasserlagerung Bei Kunstharzinjektionen sollte vom Einpressgut folgendes bekannt sein: Das Mischungsverhältnis Die Viskosität und Kippzeit in Abhängigkeit von der Temperatur Die Volumenänderung der Mischung Die Verträglichkeit der Mischung mit dem Porenwasser Die Beständigkeit des erhärteten Einpressgutes bei Wasserlagerung Die Haftung der erhärteten Mischung auf mineralische Flächen Die Abmessungen und die Qualität des Einpresskörpers sind durch Kontrollbohrungen, Sondierungen oder andere geeignete Aufschlussverfahren oder Feldversuche zu überprüfen. Darüber hinaus kann eine visuelle Beurteilung des Einpresskörpers durch Kontrollschächte, Schlitze, Schürfe, Stollen und ähnliches mit Probeentnahme notwendig sein. Zur Kontrolle von vertikalen und horizontalen Verschiebungen können vor, während und nach den Einpressarbeiten Messungen erforderlich sein. Es werden Festigkeitsproben aus dem Einpresskörper entnommen, welche im Labor geprüft werden. Dabei werden entweder die Druckfestigkeit nach DIN 1048 an Zylindern oder Würfeln ermittelt oder, wenn es sich um Ton-Zement-Suspensionen handelt, die einaxiale Druckfestigkeit nach DIN 18 136. Einaxiale Kriechversuche sind erforderlich, wenn die zu erwartenden Kriechverformungen von nachteiligem Einfluss für die Sicherheit oder aber auch für die Standsicherheit von Nachbarbebauungen sein können.

Literatur [1] [2] [3] [4] [5]

Schnell, W.; Verfahrenstechnik der Pfahlgründungen, Teubner-Verlag, Stuttgart, 1995 Hilmer, K.; Methoden zur Überprüfung einer Stopfverdichtung, Bautechnik 1975, Heft 1, S. 814 Smoltczyk, U.; Hilmer, K.; Baugrundverbesserung in: Grundbautaschenbuch, Teil 2; 4. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin, 1991 Arz, P.; Schmidt, H.G.; Seitz, J.; Semprich, S.; Grundbau in: Betonkalender 1994, Teil II Ernst & Sohn, Berlin, 1994 Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen, EAU 1990, Ernst & Sohn, Berlin, 1990

5.8 Verfestigung durch Injektionen [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36]

257

Fa. Möbius, Firmenprospekt: Verfahren zur Stabilisierung des Untergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten in standfeste Bereiche Kutzner, C.; Injektionen im Baugrund, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1991 Fa. Möbius, Firmenprospekt: Kasten-Bodenaustausch-Verfahren Fa. Möbius, Firmenprospekt: Bodenaustauschverfahren mit dem Seitenschild-Gerät Chilian, G.; Sanierung von Erdbauwerken durch Bodenaustausch mit dem Vorschubgerät, Eisenbahningenieur 45, 1994, S. 497499 Pietzsch, W.; Rosenheinrich, G.; Erdbau, Werner Verlag, 1998 Firma Bomag, Vibrationsverdichtung im Erd- und Asphaltbau Firma Bomag, Gesamt-Programm Großmaschinen Kühn, G.; Der maschinelle Erdbau, 1. Aufl., B.G. Teubner-Verlag, Stuttgart, 1984 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, ZTVE-StB 94 Firma Bauer Spezialtiefbau, Firmenprospekt Baugrundverdichtung Massarsch; Broms; Bodenverdichtung durch Vibro-Wing-Methode Firma Keller, Firmenprospekt, Tiefenrüttelverfahren Rodatz, W.; Studienunterlagen zum Vertiefungsstudium, Institut für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Eigenverlag, Braunschweig, 1990 Thorburn, S.; Building structures supported by stabilised ground, Geotechnique 25, 1975, S. 8394 Balaam, N.P.; Poulos, H.G.; Settlement Analysis of Soft Clays Reinforced with Granular Piles, The University Sydney, School of Engineering, 1977 Fa. Bauer Spezialtiefbau, Firmenprospekt, Baugrundverdichtungssysteme Fa. Bauer Spezialtiefbau; Firmenprospekt, Tiefenrüttelverfahren Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen; Merkblatt für die Untergrundverbesserung durch Tiefenrüttler, Köln, 1979 Brauns, J.; Untergrundverbesserung mittels Sandpfählen oder Schottersäulen Tiefbau, Ingenieurbau, Straßenbau 1980 Heft 8, S. 678683 Priebe, H.; Zur Abschätzung des Setzungsverhaltens eines durch Stopfverdichtung verbesserten Baugrundes Bautechnik 65, 1988, Heft 1, S. 2326 Priebe, H.; Bemessung von Rüttelstopfverdichtungen, 5. Christian Veder Kolloquium, Graz, 1990 Firma Soletanche, Firmenprospekt, Ground Treatment Jebe, Bartels; Entwicklung der Verdichtungsverfahren von 1976 bis 1982 Hilmer K.; Methoden zur Überprüfung einer Stopfverdichtung, Bautechnik 1975, Heft 1, S. 814 Kirsch, K.; Erfahrungen mit der Baugrundverbesserung durch Tiefenrüttler, Geotechnik, 1979, Heft 2 Ménard, L. ; La consolidation dynamique des sols de fondation.Annales de LInstitut Technique du Bâtiment et deTravaux Publics, Suppl.Nr. 320 (1974), S.194222 Varaksin, S.; Scherk, H.; Bodenverbesserung durch Dynamische Intensivverdichtung, Tiefbau-Berufsgenossenschaft 1993, Heft 8, S. 528533 Gödecke, H.-J.; Kling, K.; Der gezielte Einsatz der Dynamischen Konsolidation zur Baugrundverdichtung Bautechnik 57, 1980, Heft 4, S. 109116 Fa. Dyniv; Firmenprospekt: Dynamische Intensivverdichtung Arz, P.; Schmidt, H.G.; Seitz, J.; Semprich, S.; Grundbau in: Betonkalender 1994, Teil II, Ernst & Sohn, Berlin, 1994

258


[37] Frank, Varaksin; Verdichtung von Böden mit schweren Fallgewichten [38] Firma Brückner; Firmenprospekt, DTV [39] Varaksin, S.; Scherk, H.; Dynamische Intensivverdichtung, Bauen auf Müll-Altlasten, Deponiebau, Eigenverlag der Fa. DYNIV GmbH [40] Buja, H.-O.; Handbuch des Spezialtiefbaus: Geräte und Verfahren, Düsseldorf, Werner Verlag, 2001 [41] Fa. Wirtgen; Firmenprospekt [42] Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen, Ausgabe 1979 [43] Englert, K.; Grauvogel, J.; Maurer, M.; Handbuch des Baugrund- und Tiefbaurechts, 3. Aufl., Werner Verlag, 2004

6 Pfahlgründungen 6.1 Grundlagen der Planung und Herstellung 6.1.1 Allgemeines Pfähle gehören zu den ältesten Gründungselementen im Bauwesen. Nachdem bereits seit dem Jahre 3000 v. Chr. im gesamten Alpenraum Pfahlbauten erstellt wurden, haben insbesondere römische Ingenieure die Technik von Pfahlgründungen z. B. für Brückenpfeiler weiterentwickelt [1]. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts wurden vorwiegend Holzpfähle verwendet, die mit Fallgewichten eingerammt wurden. Pfahlgründungen kommen heute in vielen Bereichen des Brückenbaus, des Hochbaus und des Wasserbaus zum Einsatz (Bild 6.3). Dafür ist eine Vielzahl von Pfahltypen auf dem Markt, die nach sehr unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden, wodurch die Auswahl des in jeder Beziehung günstigsten Pfahltyps für eine entsprechende Bauaufgabe sehr erschwert wird. Pfahlgründungen sind immer dann erforderlich, wenn unter der Fundamentsohle des geplanten Bauwerks nicht ausreichend tragfähiger Baugrund ansteht (Bild 6.1).

Bild 6.1 Gründungsarten

Die Bauwerkslasten werden punktuell über die Pfähle in tiefer liegende, tragfähige Bodenschichten übertragen. Der Lastabtrag in den Baugrund erfolgt im Allgemeinen sowohl über die Pfahlspitze als auch über den Pfahlmantel. Dass Pfähle nur über die Spitze (Spitzendruckpfahl) bzw. nur über den Mantel (Mantelreibungspfahl) Lasten abtragen, ist ein Sonderfall


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6 Pfahlgründungen

Bild 6.2 Spitzendruck- und Mantelreibungspfahl

Da Pfahlgründungen im Allgemeinen teurer sind als Flachgründungen, sollte bei jeder Bauaufgabe zunächst geprüft werden, ob eine Flachgründung möglich ist, gegebenenfalls durch Änderung der Konstruktion (z. B. Übergang von Streifen- und Einzelfundamenten auf eine Plattengründung). Ergibt die Überprüfung, dass eine Flachgründung ohne weiteres nicht vertretbar ist, weil beispielsweise für das Bauwerk unverträglich große Setzungen auftreten würden, sollte die Möglichkeit der Baugrundverbesserung in Betracht gezogen werden. Häufig führt die Anwendung solcher Methoden unter Beibehaltung der Flachgründung auf eine gegenüber der Pfahlgründung kostengünstigere Lösung. Andererseits kann die Pfahlgründung gegenüber einer Flachgründung kostengünstiger sein, wenn dadurch große Fundamentmassen, Umspundungen und Wasserhaltungen vermieden werden können [2]. Ist aus wirtschaftlichen und/oder technischen Gründen die Wahl auf eine Pfahlgründung gefallen, muss der entsprechende Pfahltyp und das geeignete Einbring- bzw. Herstellungsverfahren ausgewählt werden. Neben finanziellen Überlegungen spielen hierbei die anstehenden Boden- und Wasserverhältnisse, die Art und Größe der abzutragenden Bauwerkslasten und mögliche Umweltbeeinträchtigungen wie z. B. Lärm und Erschütterung eine entscheidende Rolle.


261

Bild 6.3 a) bis c): Beispiele für Pfahlgründungen

6.1.2 Voruntersuchungen 6.1.2.1 Erkundung der Boden- und Wasserverhältnisse Bei der Planung und Bemessung von Flach- und Tiefgründungen ist die Kenntnis der vorhandenen Baugrundverhältnisse von großer Bedeutung. Dass eine Baugrunderkundung aus Kosten- oder Termingründen unterbleibt oder nur unzureichend durchgeführt wird, hat in vielen Fällen schon zu schwerwiegenden Schäden an Bauwerken oder zu einer völlig unwirtschaftlichen Bemessung der Gründung geführt. Häufig werden Aufwand und Kosten für diese Vorarbeiten in der Größe deshalb falsch eingeschätzt, weil sie einerseits nicht in die Relation zum Gesamtbauvorhaben gesetzt werden, andererseits die möglichen Folgen einer schadhaften Gründung nicht ausreichend berücksichtigt werden. Die für Pfahlgründungen durchzuführenden Baugrunderkundungen sind i. Allg. umfangreicher als bei Flachgründungen. Das hängt zum einen mit der erforderlichen Aufschlusstiefe, zum anderen mit der Ermittlung zusätzlicher Bodenparameter zusammen, die z. B. für die Abschätzung der Tragfähigkeit der Pfähle oder zur Beurteilung der Rammbarkeit des Untergrundes erforderlich sind. Hinzu kommen in zunehmendem Maße Untersuchungen über den Chemismus des Grundwassers, der aggressiv auf die Pfahlbaustoffe wirken kann. Die generellen Erkundungsverfahren sowie der erforderliche Umfang der Untersuchungen sind in den Normen und im Abschnitt 3.3 Baugrunderkundung umfassend beschrieben. Da über Pfahlgründungen häufig sehr konzentriert Fundamentlasten von Sonderbauwerken wie Brücken, Schornsteinen oder Maschinenfundamenten in den Boden eingeleitet werden, muss der Abstand der Erkundungspunkte häufig wesentlich geringer als üblich resp. Nach DIN 4020 gefordert dort 20 bis 60 m - gewählt werden, so dass sich zwei bis vier Aufschlüsse je Fundament ergeben. Die Aufschlusstiefe richtet sich bei Einzelpfählen nach dem Pfahlfußdurchmesser bzw. der Gesamtfläche der Plattengründung bei Pfahlgruppen (Bild 6.4).

262

6 Pfahlgründungen

Bild 6.4 Erforderliche Aufschlusstiefen (nach DIN 4020)

Je nach örtlicher Situation, Bauwerk und Ausbildung der Pfahlgründung können diese Richtwerte über- oder unterschritten werden. Besondere Belastungsverhältnisse und das Vorhandensein von gering tragfähigen Bodenschichten können zu größeren Erkundungstiefen führen. Auch rechtfertigt ein in etwas größerer Tiefe zu erwartender Felshorizont ein Tieferbohren. So ergeben sich oft bei unwesentlich größeren Einzelpfahllängen viel höhere zulässige Tragfähigkeiten, die zu einer insgesamt geringeren Pfahlanzahl und damit sogar zu einer kleineren Gesamtpfahllänge führen können [3]. Andererseits können aber auch bekannte gleichmäßige und günstige Untergrundverhältnisse eine Abminderung der Bohrtiefen und eine Vergrößerung der Bohrlochabstände ergeben, was zu Kosteneinsparungen führt. Nach Voruntersuchungen, in denen geologische Karten und Baugrundkarten ausgewertet werden, sowie nach einer Begehung des Geländes werden Zahl, Art und Tiefe der Aufschlüsse festgelegt. Als Erkundungsmethoden kommen für Pfahlgründungen allgemein in Frage: Bohrungen Sondierungen Den umfangreichsten Aufschluss über den Baugrund liefern Bohrungen. Mit ihnen lassen sich die Folge, die Mächtigkeit und die räumliche Lage der einzelnen Schichten sowie die Lage des Grundwasserspiegels feststellen. Außerdem werden Boden- und Wasserproben für weitere Untersuchungen im Labor gewonnen. Da Bohrungen teuer sind und zudem keinen direkten Rückschluss auf z. B. die Tragfähigkeit des Bodens zulassen, werden zusätzlich Sondierungen durchgeführt (vgl. Abschnitt 3.3).


263

In der Tabelle 6.1 sind die für die Bestimmung des Trag- und Verformungsverhaltens von Pfählen wesentlichen Bodenparameter zusammengestellt, und es ist angegeben, mit welchen Versuchen im Feld und Labor diese Parameter direkt oder indirekt bestimmt werden können. Tabelle 6.1 Bodenparameter und ihre Bestimmbarkeit in Versuchen

Bodenparameter

Spitzendruck

Scherfestigkeit (Anfangsfestigkeit)

Formelzeichen Direkt bzw. indirekt bestimmbar durch Feldversuch Norm Laborversuch qc [MN/m²]

cu [MN/m²]

Spitzendrucksonde, Rammsonde (qc ≈ N10 ) Flügelsonde

Norm

DIN 4094-1 DIN EN ISO 22 476-2 DIN 4094-4 Triaxialversuch Laborflügelsonde

DIN 18 137-2

In vielen Fällen lässt sich trotz umfangreicher Baugrunderkundungen z. B. nicht die Frage beantworten, ob der Boden rammbar ist bzw. mit welchen Verfahren am schonendsten und / oder wirtschaftlichsten Fertigpfähle in den Baugrund eingebracht werden können. Hier empfiehlt sich dann eine Proberammung, die frühzeitig erfolgen sollte, damit gegebenenfalls auf ein anderes Verfahren, einen anderen Pfahltyp oder eventuell ein völlig anderes Gründungskonzept übergegangen werden kann. Neben der Ermittlung der Bodeneigenschaften ist die Untersuchung der Wasserverhältnisse bei Pfahlgründungen unbedingt erforderlich. Zum einen müssen die Grundwasserstände bzw. Wasserstände in verschiedenen Grundwasserstockwerken bekannt sein. Die Grundwasserverhältnisse beeinflussen z. B. die Wahl eines Bohrverfahrens, die Festlegung von Wasserspiegeln im Bohrrohr oder die Materialwahl von Rammpfählen. Zum anderen ist die Chemie des Grundwassers zu untersuchen, um die Angriffe auf das Pfahlmaterial beurteilen zu können. Nach DIN 4030 soll die Wasseranalyse insbesondere folgende Untersuchungen umfassen: Geruch, pH-Wert, Kaliumpermanganatverbrauch, Härte, Chlorid, Sulfid, Kalklösekapazität, Ammonium, Magnesium, Sulfat. Im Hinblick darauf, dass z. B. Huminsäuren die Stabilität von Stützflüssigkeiten (Bentonitsuspensionen) beeinträchtigen können, sind je nach dem gewählten Verfahren zur Pfahlherstellung bzw. dem gewählten Pfahltyp weitere Untersuchungen notwendig. Ein besonderes chemisches Analyseprogramm ist erforderlich, wenn die Pfahlgründung in kontaminiertem Boden hergestellt werden soll. Die Kosten für solche chemischen Untersuchungen lassen sich nicht pauschal angeben, da sie sehr stark von der Zahl der zu untersuchenden Wasser- bzw. Bodenproben und der Zahl der zu ermittelnden chemischen Parameter abhängen.

264

6 Pfahlgründungen

6.1.2.2 Untersuchung benachbarter baulicher Anlagen Liegt der Baubereich in der Nähe von Nachbarbebauungen, Leitungen oder sonstiger Bauteile, so ist zu prüfen, inwieweit die Pfahlgründung darauf Einfluss hat. Danach richtet sich dann z. B. die Wahl der Pfahlart bzw. des Herstellverfahrens. Bevor zusätzliche Sicherungsmaßnahmen geplant und durchgeführt werden können, muss der Zustand der Nachbarbebauung erkundet werden, wobei im Wesentlichen die Gründungstiefe und die Art und der Zustand der Fundamente untersucht werden müssen (vgl. Abschn. 3.9). Besteht die Gefahr, dass Bauwerke in irgendeiner Weise durch die geplante Pfahlgründung beeinträchtigt werden, empfiehlt es sich häufig, den Zustand der Nachbarbebauung durch ein Beweissicherungsverfahren feststellen zu lassen.

6.1.3 Wahl einer geeigneten Pfahlart Die Wahl der für das jeweilige Bauvorhaben geeigneten Pfahlart richtet sich nach den Randbedingungen Bodenverhältnisse Grundwasserverhältnisse Bauwerkslasten Nachbarbebauung Platzverhältnisse Setzungsempfindlichkeit des Bauwerkes sowie den Forderungen nach Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Neben dem Pfahlbaustoff ist insbesondere das optimale Herstellverfahren auszuwählen. Grundsätzlich wird bei den Pfahlsystemen zwischen Verdrängungspfählen (nach DIN EN 12 699), Bohrpfählen (DIN EN 1536) und Mikropfählen (DIN EN 14 199) unterschieden. Zu den Verdrängungspfählen gehören u. a. die Fertigpfähle, die aus Holz, Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton bestehen können. In diese Gruppe fallen zudem die Ortbetonrammpfähle sowie Schraubpfähle und die verpressten Verdrängungspfähle. Bei den Bohrpfählen unterscheidet man zwischen verrohrten und unverrohrten Ortbetonpfählen. Eine eigene Gruppe bilden die in DIN EN 14 199 behandelten Mikropfähle aus Ortbetonpfählen kleinen Durchmessers oder Verbundpfählen. Die wesentlichen Pfahltypen sind in Tabelle 6.2 dargestellt.


265

Tabelle 6.2 Übersicht über die genormten Pfahlsysteme [4]

Die wesentlichen Vorteile der Fertigrammpfähle liegen darin, dass die Pfähle in kontrollierbarer Güte auf dem Bauplatz oder in einem Werk vorgefertigt werden und dass sie sofort nach dem Einrütteln, Einrammen oder Einpressen belastbar sind. Ein Nachteil ist darin zu sehen, dass die Pfähle vor dem Einbringen in festen Längen hergestellt werden müssen und daher je nach angetroffenen Baugrundverhältnissen manchmal zu lang oder zu kurz sein können. Durch entsprechende Kupplungen an den Pfählen kann diesem Umstand jedoch vorgebeugt werden. Bei Bohrpfählen und ggf. bei Ortbetonrammpfählen hingegen kann die erforderliche Länge dem Baugrundaufbau und der Tragfähigkeit der Schichten angepasst werden. Die Qualität der Pfähle ist allerdings stark vom Herstellverfahren abhängig. In Tabelle 6.3 sind die wesentlichen Vor- und Nachteile der einzelnen Pfahltypen aufgelistet.

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6 Pfahlgründungen

Tabelle 6.3 Vor- und Nachteile der einzelnen Pfahltypen

Pfahlart Vorteile Verdrängungspfähle n. DIN EN 12 699 Holzpfähle Gute Rammfähigkeit, hohe Elastizität, relativ unempfindlich gegen aggressives Grundwasser, leicht zu behandeln und abzuschneiden, hohe Lebensdauer unter Wasser, relativ preiswert Stahlpfähle Hohe Materialfestigkeit und Elastizität, große Auswahl an versch. Profilen, gute Anpassung an die jeweilige Aufgabe. Unempfindlich beim Transport, Verlängerung und Fußverstärkung durch Flügel möglich. Gute Rammeigenschaften, geringe Rammerschütterungen, gute Verbindungsmöglichkeit Stahlbetonpfähle Herstellung in jeder erforderlichen Länge und Stärke. Verkürzungen u. Verlängerungen sind möglich. Widerstandsfähig auch im Seewasser. Gute Bodenverdichtung beim Rammen. Gute Verbindungsmöglichkeiten mit dem Bauwerk. Hohe innere Tragfähigkeit und Betonqualität. Qualitätskontrolle schon vor dem Einbau möglich. Sofort nach dem Einbau belastbar. Verwendung auch in kontaminierten Böden möglich. Neigungen bis 1:1 ausführbar Spannbetonpfähle Wie bei Stahlbetonpfählen. Große Knick- und Biegesteifigkeit, hohe innere Tragfähigkeit OrtbetonrammGute Verdichtung des umliegenden pfähle Bodens und damit hohe äußere Tragfähigkeit, geringe Setzungen, Verbreiterung des Pfahlfußes möglich. Länge kann an Erfordernisse angepasst werden Vollverdrängungs- Hohe Tragfähigkeit durch Verdrängung Bohrpfähle und Verdichtung des umgebenden Bodens. Hohe Mantelreibung durch rauen oder spiralförmigen Pfahlschaft. Keine Bodenförderung,. Lärm- und erschütterungsfreie Herstellung

Nachteile Schnelle Zerstörung durch Fäulnis bei Luftzutritt, in schwerem Boden nicht rammbar, Tragfähigkeit und Länge begrenzt Hohe Materialkosten, Gefahr von Korrosion (besonders im Seewasser) , Gefahr von Sandschliff, I-Profile können beim Rammen aus der Achse laufen bzw. sich verdrehen

Schwer und unhandlich, empfindlich gegen Biegung, z. B. bei Transport, Aufnehmen und Einbau Gefahr von Rissen. Schweres Rammgerät erforderlich. Starke Erschütterungen und Lärmbelästigung beim Rammen

Wie bei Stahlbetonpfählen. Praktisch nicht verlängerbar oder zu kürzen Lärm und Erschütterung beim Rammen. Gefahr der Beschädigung frischer Nachbarpfähle, wenn Mindestabstände nach DIN EN 12 699 nicht eingehalten werden Hohes Drehmoment erforderlich. Probleme bei Bohrhindernissen (kein Meißeln möglich)


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Pfahlart Vorteile Bohrpfähle n. DIN EN 1536 Bohrpfähle Erschütterungs- und lärmarme Herstellung. Beim Bohren erhält man ein Bild der durchfahrenen Bodenschichten. Die Pfahllänge kann gemäß dem angetroffenen Baugrundprofil festgelegt werden. Bohrpfähle können auch bei geringer Arbeitshöhe (z. B. unter Brücken oder Decken, auch in geschlossenen Räumen) hergestellt werden. Bohrwiderstand ist i. Allg. gering, daher Herstellung bis in große Tiefen und mit großen Durchmessern möglich Bohrpfähle

Bohrhindernisse können z. B. durch Meißeln überwunden werden. Hohe Tragfähigkeit, Fußverbreiterung möglich

Teilverdrängungsbohrpfähle

Keine Verrohrung erforderlich, hohe Einbauleistung, hohe Bohrgenauigkeit, keine Erschütterung

Mikropfähle n. DIN EN 14 199 Mikropfähle Kleine, handliche Geräte, die durch (D < 0,3 m) ihre niedrige Arbeitshöhe das Bohren z.B. aus Kellerräumen heraus ermöglichen. Lärm- und erschütterungsarm. Auch bei schweren Bohrhindernissen (Beton, Steine) herstellbar, setzungsarme Gründungsart

Nachteile Durchfahrene Bodenschichten werden evtl. aufgelockert. Qualität sehr von Herstellungsverfahren und Mannschaft abhängig. Mögliche Probleme bzw. Gefahren: - Unterwasserbetonieren (Kontraktorverfahren) insbesondere kleiner Querschnitte ist schwierig - Vortreibrohr kann beim Hochziehen die frische Betonsäule mitreißen, unterbrechen oder Bewehrung hochziehen - Hydraulischer Grundbruch möglich, falls Außenwasserspiegel höher als im Bohrrohr - Beim Bohren ohne Verrohrung (in nicht standfestem Boden mit Bentonitstützung) Gefahr des Ausbruchs der Bohrlochwand Schrägneigung begrenzt auf ca. 15o Qualität sehr stark von Verfahren und Mannschaft abhängig. Probleme bei Bohrhindernissen (kein Meißeln möglich), Pfähle müssen i. d. R. etwas länger sein als bei Vollverdrängungsbohrpfählen Tragfähigkeit begrenzt, Qualität stark von Verfahren und Mannschaft abhängig

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6 Pfahlgründungen

Die Auswahl des für die jeweilige Bauaufgabe optimalen Pfahlsystems orientiert sich hauptsächlich an den Anforderungen, die sich aus dem zu gründenden Bauwerk ergeben, und die sich im Wesentlichen auf die Einhaltung bestimmter Setzungen oder verträglicher Setzungsunterschiede beziehen. Die Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Systeme führt aber dazu, dass es i. Allg. stets mehrere Pfahlarten gibt, mit denen sich diese Anforderungen erfüllen lassen, so dass letztlich die Kosten den Ausschlag für die Wahl eines bestimmten Pfahltyps geben, soweit die Herstellung die Forderungen des Umweltschutzes erfüllt.

6.1.4 Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle Bereits während der Planung von Pfahlgründungen muss sich die Ingenieurin oder der Ingenieur mit der Qualitätssicherung und der Qualitätskontrolle der Tragelemente befassen. Der gesamte Bauablauf (Planung, Vergabe, Herstellung) muss durch ein Qualitätssicherungssystem überwacht werden. In der Vergangenheit wurde die Qualität der Gründung tw. dadurch sichergestellt, dass überdimensioniert geplant und gebaut wurde. Diese Überdimensionierung ist aber wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen und kann daher zukünftig, gerade bei härter werdendem internationalen Wettbewerb, nicht beibehalten werden [5]. Unter Qualitätssicherung wird die Sicherung vereinbarter Eigenschaften verstanden. Qualitätssicherungssysteme umfassen alle technischen und organisatorischen Maßnahmen zur Qualitätssicherung, d. h. um vorbeugend Fehler zu vermeiden. Bedingt durch das ständig wachsende Umweltbewusstsein werden nicht nur die Kosten, sondern auch die Beeinträchtigung der Umwelt durch den Herstellungsprozess (Lärm, Erschütterungen, Arbeiten auf und in kontaminierten Böden) und die Beeinträchtigung von Nachbarbauten einen erheblichen Einfluss haben. Firmen, die auch diese Faktoren durch ein ausgereiftes Qualitätssicherungssystem unter Kontrolle haben, werden im europäischen Vergabesystem einen Wettbewerbsvorteil haben. Da unter Qualitätssicherung das Gewährleisten vereinbarter Eigenschaften zu verstehen ist, müssen zunächst die Anforderungen an Pfahlgründungen formuliert werden. Im Wesentlichen sind dies die Gebrauchstauglichkeit, die Sicherheit und die Umweltverträglichkeit Anders als bei anderen Bauwerken wird die Qualität einer Pfahlgründung in erster Linie nicht anhand der verwendeten Baustoffe oder Konstruktionen, sondern an ihren Auswirkungen auf die Umgebung beurteilt. Dies sind die Setzungen des gegründeten Gebäudes, die Setzungen der Nachbargebäude, Lärm und Erschütterungen sowie die Verunreinigung des Grundwassers Im Grundbau, speziell bei der Pfahlherstellung, ist das Produkt nach der Fertigstellung nicht zu sehen. Dadurch werden auch mögliche Fehler verdeckt. Neben den wirtschaftlichen und umweltrelevanten Gründen sollten aber auch die rechtlichen Erwägungen jeden Unternehmer darin bestärken, ein wirksames Qualitätssicherungssystem aufzubauen. Um eine qualitativ hochwertige Gründung herzustellen, sollte auch der Bauherr oder die ihn beratenden Ingenieure über entsprechende Qualifikationen verfügen. Denn konzeptionelle Planungsfehler können auch durch beste materielle und verfahrenstechnische Qualität nicht kompensiert werden.


269

Die Qualitätsmängel, die auftreten können, sind von der Pfahlart und der Herstellung abhängig. Fertigrammpfähle können z. B. durch das Einbringen beschädigt werden. Dies gilt besonders für Stahlbetonfertigpfähle, bei denen es zu Rissen und Betonabplatzungen kommen kann. Ortpfähle können bei der Herstellung selbst schon durch kleine Fehler (z. B. zu schnelles Ziehen der Verrohrung) stark beschädigt werden. Bei nicht fachgerechtem Betonieren können sich durch Entmischung Kiesnester ausbilden, durch eine falsche Konsistenz wird die Bewehrung nicht richtig umflossen. Aus diesen Gründen ist bei Pfählen eine Qualitätskontrolle als ein Element der Qualitätssicherung unverzichtbar. Während Fehler bei Fertigpfählen z. B. durch dynamische Pfahltests zur Tragfähigkeitsbestimmung (Integritätstests) bereits bei der Herstellung festgestellt werden können, muss bei Ortpfählen bis zum Abbinden des Betons gewartet werden. Statische Probebelastungen, die Aufschlüsse über innere und äußere Tragfähigkeit erlauben, sind sehr aufwendig und werden daher immer nur an einigen wenigen Pfählen durchgeführt. Besonders für Ortbetonpfähle sind deshalb verschiedene Verfahren entwickelt worden, um die Pfähle hinsichtlich ihrer Integrität, d. h. der Qualität und damit der inneren Tragfähigkeit, zu untersuchen [6]. Wenn Imperfektionen in der Nähe des Kopfes vermutet werden, so kann dieser freigelegt werden. Die Pfahlgeometrie kann visuell, die Betonqualität durch gezieltes Ziehen von Bohrkernen überprüft werden. Mit zunehmender Tiefe wird dieses Verfahren jedoch sehr teuer. Sind Betonqualität und Pfahllänge zu überprüfen, können Kernbohrungen im Pfahl niedergebracht werden. Es ist hierbei möglich, durchgehende Bohrkerne zu erhalten. Das Problem ist hierbei, dass Fehlstellen, die außerhalb der Kernbohrung liegen, nicht erkannt werden. Außerdem ist das Verfahren sehr teuer. Die hohen Kosten führten zur Entwicklung von Prüfverfahren, die relativ preisgünstig von der Pfahloberfläche aus durchführbar sind und mit denen die Betonqualität, die Pfahllänge und die Pfahlgeometrie geprüft werden kann. Von diesen Verfahren sind benannt, die Schwingprüfung, die Ultraschallprüfung und die die Hammerschlagmethode. Einzelheiten hierzu sind der Spezialliteratur [7], [8], [9] und Kapitel 6.7 zu entnehmen.

6.1.5 Tragfähigkeit von Pfählen An das Tragverhalten eines Pfahles werden zwei Anforderungen gestellt: a) Die Baustoffeigenschaften und die Abmessungen sind so zu wählen, dass der Pfahl ohne Schaden in den Boden eingebracht werden kann, und die ihm übertragenen Beanspruchungen ohne Materialversagen übernommen werden (Innere Tragfähigkeit). b) Die Festigkeit des Bodens im Bereich des Mantels und des Pfahlfußes muss ausreichen um die Pfahlbelastungen ohne unzulässig große Setzungen aufnehmen zu können (Äußere Tragfähigkeit). Die Innere Tragfähigkeit wird nach den Bemessungsregeln für Holz, Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton aufgrund der vorhandenen Beanspruchung nachgewiesen.

270

6 Pfahlgründungen

Auf sie wird hier nicht weiter eingegangen. Für die Ermittlung der Äußeren Tragfähigkeit gibt es kein allgemeingültiges Bemessungsverfahren, da das Tragverhalten eines Pfahles nicht nur vom Boden und der Belastung, sondern auch vom Pfahltyp und dem Herstellverfahren abhängt. Die vertikale Pfahlbelastung wird vom Spitzenwiderstand und von der Mantelreibung abgetragen. Die Aufteilung erfolgt je nach Pfahltyp und Bodenart durch die unterschiedlichen Aktivierungswege. Während die Mantelreibung im Allgemeinen schon nach relativ kurzen Verformungswegen (ab ca. 3 mm) voll aktiviert wird, sind zum Erreichen des maximal möglichen Spitzenwiderstandes je nach Pfahltyp unterschiedlich große Verformungswege notwendig, die zum Beispiel bei Rammpfählen wenige Millimeter und bei Bohrpfählen einige Zentimeter betragen können. Wenn die Bauwerke die zur Weckung des vollen Spitzenwiderstandes erforderlichen Pfahlverschiebungen nicht schadensfrei aufnehmen können, werden z. B. die Pfahlfüße von Bohrpfählen nachverpresst, um größere Setzungen zu verhindern. Die Haupteinflüsse auf die Mantelreibung sind: Scherfestigkeit des Bodens Rauigkeit der Pfahloberfläche Größe der Radialspannung In vielen Fällen wirken diese Faktoren nicht einzeln. So wird zum Beispiel eine Mantelverpressung des Pfahles die Rauigkeit der Oberfläche, die Größe der Radialspannung und den Pfahldurchmesser erhöhen. Einen Einfluss auf die Aktivierungswege und damit auf die Größe der Mantelreibung hat auch das Herstellverfahren. Bei einem Ortbetonpfahl geht der Frischbeton zum Teil eine innige Verbindung mit dem umgebenden Boden ein, so dass der Scherverbund zwischen dem ausgehärteten, raueren Pfahlbeton und dem Boden einen größeren Einfluss hat als bei einem Fertigpfahl. Die zulässige Tragfähigkeit von Pfählen wird in der Praxis nach einem der folgenden Verfahren festgelegt: a) b) c) d) e) f)

Nach DIN/EN/ISO-Vorschriften Durch Probebelastungen Durch empirisch gewonnene Erfahrungswerte Durch dynamische Rammformeln (nur bei Rammpfählen) Durch dynamische Pfahltests Aufgrund von Sondierergebnissen

zu a) In der DIN 1054 sind im Anhang C Tabellen für die zulässige Druckbelastung von Rammpfählen aus Holz, Stahl und Stahl- bzw. Spannbeton angegeben. Die Anwendung der Tabellen setzt voraus, dass ausreichend tragfähige Böden anstehen und gewisse geometrische Randbedingungen (Einbindetiefe, Mindestabstände, Pfahldurchmesser) eingehalten sind. Für Bohrpfähle gibt die DIN 1054 im Anhang B ein Verfahren an, mit dem in einfachen Fällen die Pfahltragfähigkeit abgeschätzt werden kann.


271

Das Verfahren beruht auf der rechnerischen Ermittlung einer Widerstandssetzungslinie aufgrund von Tabellenwerten, die in Abhängigkeit der maßgebenden Baugrundparameter (Sondierwiderstand qc bzw. Anfangsfestigkeit cu,k) gestaffelt sind. zu b) Weichen die Pfähle in ihren Abmessungen oder die angetroffenen Bodeneigenschaften von den in den DIN/EN/ISO-Normen vorgegebenen Voraussetzungen ab oder sollen aus Kostengründen die in den Normen angegebenen Belastungen überschritten werden, müssen die zulässigen Gebrauchslasten durch Probebelastungen ermittelt werden. Maßgebend ist der Grenzwert, der sich aus der Widerstands-Setzungs-Linie der Probebelastung ergibt. Aus den Einzelwerten der Pfahlprobebelastungsergebnisse ist der charakteristische Pfahlwiderstand R1,k durch Division mit einem Streuungsfaktor ξ zu ermitteln.

Bild 6.5

Exemplarische Darstellung der Widerstands-Setzungs-Linie [10]

Als Grenzwert gilt jene Last, bei der der Pfahl merkbar zu versinken bzw. bei Zugpfählen sich zu heben beginnt. In der Widerstands-Setzungs-Linie (Bild 6.5) bezeichnet sie jene Stelle, bei welcher der flache Ast nach einem Übergangsbereich mit zunehmend größer werdenden Setzungen in den steil abfallenden Ast übergeht. Gibt der Verlauf der Widerstands-Setzungs-Linie keinen genügenden Anhalt für diese Stelle, so gilt als Grenzwert jene Last, die eine bleibende Setzung bzw. Hebung des Pfahles von 0,10 Db (Db = Durchmesser des Pfahlfußes) hervorruft. Kann bei einem Versuch die Grenzlast nicht erreicht werden, so gilt die höchste aufgebrachte Last als solche. Weitere Hinweise zu Probebelastungen werden in Kapitel 6.7 gegeben. zu c) Insbesondere zur Vorbemessung von Pfählen und damit zur Abschätzung der erforderlichen Pfahlanzahl wird häufig auf Erfahrungswerte zurückgegriffen. Erfahrungswerte über Pfahltragfähigkeiten liegen bei den ausführenden Firmen oder Baugrundgutachtern vor. Die Erfahrungswerte sind aber immer nur jeweils an einen bestimmten Pfahltyp und bestimmte Bodenverhältnisse gebunden. Sie sind nicht ohne weiteres auf andere Herstellverfahren, Pfahlabmessungen, Pfahlbaustoffe oder Baugrundverhältnisse übertragbar.

272

6 Pfahlgründungen

Aus einer Vielzahl von Probebelastungen an Rammpfählen wurde die untenstehende Tabelle zusammengestellt, die sehr häufig als Anhaltspunkt für Vorbemessungen verwendet wird (Tabelle 6.4). Tabelle 6.4

Charakteristische Pfahlmantelreibung qb1,k und Pfahlspitzenwiderstand qs1,k von Verdrängungspfählen für den Grenzzustand GZ 1B [11]

Bodenart

Bereich unter OK der tragfähigen Schicht [m] Holzpfähle

nichtbindige Böden Ic = 0,5-0,75 Ic = 0,75-1 Geschiebemergel halbfest bis fest nichtbindige Böden Ic = 0,5-0,75 Ic = 0,75-1 Geschiebemergel halbfest bis fest

bis 5 5-10 > 10

20-45 40-65

mittlere Mantelreibung (für abgewickelten Umfang) qs1,k [kN/m2] Stahlbeton- Stahlrohrpfähle pfähle Kastenpfähle offen 20-45 40-65 60

I-Profile

20-35 35-55 50-75

20-30 30-50 40-75

40-70 60-90 80-100 1,5-4 3-6 3,5-7,5

30-50 40-70 50-80 1,5-3 2,5-5 3-6

1,5-5 4-9 8-10

1,5-4 3-7,5 6-9

5-20 20-45 bis 5 5-10 > 10 bis 5 5-10 > 10

50-80

2-3,5 3-7,5

80-100 2-5 3,5-6,5 4-8 0-2

bis 5 5-10 > 10

2-6 5-9 8-10

zu d) Die Tragfähigkeit von Druckpfählen darf aus Rammformeln nur bei nicht bindigen Böden und nur dann ermittelt werden, wenn die betreffende Rammformel aufgrund örtlicher Erfahrungen unter genau festgelegten Voraussetzungen anerkannt ist oder im Einzelfall aufgrund von Probebelastungen als zuverlässig nachgewiesen wird. Zum Feststellen der Rammenergie wird z. B. bei dem System Franki ein Rammbär mit freifallendem Bärkörper verwendet. Gemessen wird die kinetische Energie des Fallbären (Bärgewicht · Fallhöhe) sowie die Eindringung des Pfahles je Schlag. Zur Ermittlung der Tragfähigkeit können weiterhin die Pfahlkenngrößen Länge, Querschnitt und E-Modul sowie der Wirkungsgrad des Rammschlages erforderlich werden. zu e) Da Probebelastungen teuer und daher nur an wenigen Pfählen ausführbar sind, wurden Verfahren entwickelt, mit denen Pfähle wirtschaftlicher auf ihre Tragfähigkeit hin untersucht werden können.


273

Diese dynamischen Prüfverfahren beruhen darauf, dass auf die Pfähle eine hohe dynamische Belastung aufgebracht wird (Rammschlag), die die Größenordnung der späteren Nutzlast simuliert. Neben der kinetischen Energie des Rammschlages wird der zeitliche Verlauf der Dehnung und der Beschleunigung am Pfahlkopf gemessen. Hieraus werden mit Berechnungsprogrammen die Mantelreibung, der Spitzenwiderstand und die Last-Setzungs-Kurve ermittelt. Genauere Angaben hierzu finden sich in Kapitel 6.7. zu f) Die Tragfähigkeit eines Einzelpfahles kann aus den Ergebnissen von Baugrundsondierungen im Voraus abgeschätzt werden. Vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit der frühzeitigen Ausführung der Sondierungen, die flächenhafte Erfassung des Baugeländes sowie die schnelle und billige Ausführung. Als Sondierungen kommen im Wesentlichen in Frage: Drucksondierungen Rammsondierungen Für die Übertragung der mit der Drucksonde gemessenen Mantelreibung fs bzw. des Spitzendrucks qc auf die Pfahlmantelreibung qs1,k bzw. den Pfahlspitzenwiderstand qb1,k bei Pfählen gibt es in der Literatur ausreichende Erfahrungswerte [11]. Umfangreiche Untersuchungen zur Abschätzung der Tragfähigkeit von Pfählen aus Sondierergebnissen sind u. a. in [12] beschrieben. Hierbei werden die Bruchkraft und die KraftSetzungs-Linie aus Ergebnissen von Druck- und Rammsondierungen ermittelt. Da i. allg. zwischen berechneten und gemessenen Werten eine gute Übereinstimmung besteht, erscheint es durchaus berechtigt, zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Pfählen stärker als bisher Sondierungen heranzuziehen. Bei der Behandlung der Tragfähigkeit von Pfählen sei noch auf zwei Besonderheiten hingewiesen: 1. Setzt sich der umgebende Boden mehr als der eingebrachte Pfahl (z. B. Konsolidationssetzungen aus Eigengewicht oder Auflast bei weichen bindigen Schichten), so hängt sich der Boden am Pfahl auf und belastet diesen zusätzlich (Bild 6.6). 2. Pfähle werden nicht nur axial belastet. Insbesondere Großbohrpfähle werden auch durch Momente und Horizontallasten beansprucht, wobei die Belastung über die seitliche Bettung in den Baugrund abgeleitet wird. Zur Berechnung des Systems Pfahl-Boden hat sich hierbei das Bettungsmodul-Verfahren durchgesetzt.

274

Bild 6.6

6 Pfahlgründungen

Entstehung negativer Mantelreibung

In den nachfolgenden Kapiteln werden detaillierte Informationen zu ausgewählten Arten der Pfahlgründung zusammenfassend dargestellt.

6.2 Fertigrammpfähle 6.2.1 Das Bauverfahren im Überblick Fertigpfähle aus Holz sind der älteste Pfahltyp überhaupt. Pfahlbauten aus der Zeit um 3000 v. Chr. finden sich im gesamten Alpengebiet [13]. Die Pfeiler vieler römischer Brücken stehen auf Pfahlrosten [1]. Im Mittelalter waren die Erfahrungen mit Pfählen und Pfahlrosten so umfangreich, dass bereits aus dem Eindringverhalten auf die Tragfähigkeit geschlossen werden und detaillierte Angaben über die erforderlichen Abmessungen von Pfahlrosten gemacht werden konnten. Heute werden Fertigrammpfähle aus Holz, Stahl, Stahlbeton und Spannbeton eingesetzt. Sie werden durch Rammen, Rütteln oder Pressen in den Baugrund getrieben. Ihre Vorteile liegen darin, dass sie in kontrollierbarer Güte auf der Baustelle oder im Werk produziert werden können und nach dem Einbringen sofort belastbar sind. Ihr Nachteil besteht vor allem darin, dass sie in festen Längen hergestellt werden müssen und sich dann je nach Baugrundverhältnissen manchmal als zu lang oder zu kurz erweisen, so dass sie entweder gekappt oder - soweit überhaupt möglich - verlängert werden müssen. Bei Stahlbetonfertigpfählen sollten daher planmäßig Kupplungen mit bautechnischer Zulassung vorgesehen werden.

6.2 Fertigrammpfähle

275

6.2.2 Technische Grundlagen Fertigpfähle sind vorgefertigte Pfahlelemente nach DIN EN 12 699. Grundsätzlich lassen sich die Faktoren, die das Tragverhalten der Pfähle wesentlich beeinflussen, in vier Kategorien einteilen: Boden, Pfahl, Herstellung und Belastung (Tabelle 6.5). Tabelle 6.5

Einflüsse auf das Tragverhalten von Fertigpfählen [12]

Herstellung Rammpfahl Fallhöhe Rammgewicht Rammfutter Schlagfrequenz Art des Bären - Freifall - Diesel - Hydraulik

Vibrationspfahl Vibratorgewicht Fliehkraft des Vibrators - Amplitude - Frequenz - Beschleunigung

Boden Bodenart Schichtung - Scherfestigkeit - Lagerungsdichte - Spannungszustand - Kornform, -größe, -verteilung - Kompressibilität - Wassergehalt - Chemische Inhaltsstoffe

Belastung

Pfahl

Vertikal/Horizontal Druck/Zug Statisch/Zyklisch Standzeit bis zur Belastung

Geometrie - Querschnittsform - Schlankheit Material Wandrauigkeit Vorspannung Fußausbildung

Hieraus ist erkennbar, wie komplex das Tragverhalten ist, und wie schwierig damit die Dimensionierung von Pfählen wird. Die Parameter Herstellung, Belastung und Pfahl sind frei wählbare Einflussfaktoren, wohingegen die Kategorie Boden eine von der Natur vorgegebene Größe ist, die nur bedingt veränderbar ist. Die Schwierigkeit besteht generell in der genauen Bestimmung der Bodenparameter durch Feld- und Laborversuche vor Baubeginn. Hierbei ist besonders zu bedenken, dass nicht nur die vor der Pfahlherstellung ermittelten Bodenparameter, sondern insbesondere die Bodenparameter, die nach der Pfahlherstellung vorhanden sind, das Tragverhalten bestimmen. Jede Art der Pfahlherstellung stellt eine Veränderung des Zustandes des Baugrundes vor Herstellungsbeginn (Primärzustand) dar. Die Veränderungen während der Herstellung (Sekundärzustände) haben zwei wesentliche Ursachen, nämlich die dynamische Beanspruchung des Baugrundes durch die Herstellungsart (z. B. Rammen, Vibrieren) sowie die Bodenverdrängung (Bild 6.7).

276

6 Pfahlgründungen Primärzustand

Bild 6.7

Sekundärzustände

Tertiärzustände

Zustände beim Einbringen eines Fertigpfahles [14]

Einen weiteren wesentlichen Einfluss haben gezielte Maßnahmen zur Tragfähigkeitserhöhung wie z. B. Mantel- oder Fußverpressungen. Nach der Herstellung eines Pfahles (Tertiärzustand) treten weitere Zustandsänderungen im Baugrund durch die anwachsende Belastung aus dem Gebäude auf. Insbesondere in bindigen Böden ist noch längere Zeit nach der Herstellung und nach der Belastung des Pfahles mit Veränderungen der bodenmechanischen Eigenschaften und der Wasserdruckverhältnisse zu rechnen. Fertigpfähle sind Verdrängungspfähle, bei denen beim Einbringen der Boden im direkten Umfeld des Pfahlfußes zur Seite und auch zur Tiefe hin verschoben wird. Nach Abschluss der Rammarbeiten ist dort durch die Bodenverdrängung ein erheblich gestörter Zustand vorhanden, dessen bodenmechanische Eigenschaften nur sehr schwer abgeschätzt werden können. Zur Ermittlung der Mantelreibung wäre eine genaue Kenntnis der Spannungs-Verformungseigenschaften erforderlich, um berechnen zu können, wie groß der durch die Bodenverdrängung hervorgerufene verbleibende Spannungszustand in horizontaler Richtung ist. Es ist durchaus zu erwarten, dass am Pfahlmantel infolge der Verdrängung aufgebaute horizontale Spannungszustände durch die Rammerschütterungen beim Einbringen des Pfahles auf die erforderliche Tiefe wieder durch Verdichtung des Bodens abgebaut werden. Bei bindigen wassergesättigten Böden sind Kenntnisse über die Entwicklung des effektiven Spannungszustandes notwendig. Hier spielt der sich entwickelnde Porenwasserdruck sowie sein späterer Abbau, der von der Wasserdurchlässigkeit des Bodens abhängt, eine entscheidende Rolle.


277

Aus diesen Ausführungen folgt, dass es keinen befriedigenden rechnerischen Ansatz zur Berechnung der Tragfähigkeit von Fertigpfählen gibt. Die Pfahltragfähigkeiten können daher allenfalls auf Grund von Erfahrungen, von Probebelastungen oder durch Beobachtungen bzw. Messungen während oder nach dem Einbringvorgang ermittelt werden. Die Fertigpfähle werden in den Boden wahlweise eingerammt eingerüttelt eingepresst. Die Verfahren sind in den folgenden Abschnitten ausführlich beschrieben. Daher soll hier nur auf einige Besonderheiten hingewiesen werden: a) Erhöhung der Tragfähigkeit durch Verpressen Bei genügend langen Pfählen, die einen wesentlichen Teil ihrer Belastung über Mantelreibung in den Boden ableiten, ist es sinnvoll, die Pfahlfußfläche gegen den Boden vorzuspannen. Zu diesem Zweck kann im Fußbereich Zementmörtel injiziert werden. Dadurch wird der Boden vorbelastet, d. h. er wird steifer, und die hohen Pfahlkräfte werden bei geringeren Setzungen abgetragen. b) Einstellen von Pfählen in vorgebohrte Löcher Eine Kombination von Fertigpfahl und Ortpfahl stellen z. B. Stahlbetonpfähle dar, die in vorgebohrte Löcher gestellt werden. Dieses Verfahren wird mitunter dann verwendet, wenn die tragfähigen festen Bodenschichten sehr tief liegen und daher mit Rammung nur schwer erreichbar sind oder wenn die Schichten ganz allgemein schwer rammbar sind. In diesen Fällen wird der Spalt zwischen Bohrlochwandung und Fertigpfahl mit Zementmörtel verpresst, sobald die zur Herstellung des Bohrlochs erforderliche Verrohrung gezogen ist. c) Bemessen der Pfähle für Transport, Lagerung und Aufnehmen an der Ramme Die meisten Rammpfähle werden durch die Bauwerkslasten vorwiegend axial beansprucht und sind daher für diesen Lastfall bemessen. Beim Transport, der Lagerung und dem Aufnehmen an der Ramme werden die Pfähle aber vorwiegend auf Biegung beansprucht. Auch für diese Lastfälle muss ausreichend Sicherheit gegen Versagen gewährleistet sein. Kritisch sind hier insbesondere die Stahlbetonpfähle, die bei Biegemomentenbeanspruchung Zugrisse bekommen können. Die Bewehrung muss daher auch entsprechend dieser Lastfälle dimensioniert werden. Beim Auftreten von Rissen kann Wasser bis zur Bewehrung vordringen, und die Korrosion der Bewehrung führt zur Zerstörung des Pfahles. Um die Biegemomente möglichst gering zu halten, empfehlen sich die in Bild 6.8 angegebenen Lagen der Anschlagpunkte für Transport und Aufnehmen. Sinnvollerweise werden diese Anschlagpunkte entweder markiert oder mit einbetonierten Rundstahlschlaufen versehen.

278

Bild 6.8

6 Pfahlgründungen

Anschlagpunkte für Transport und Aufnehmen an der Ramme

6.2.3 Das Bauverfahren 6.2.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Beim Einbringen von Fertigpfählen lassen sich 3 Verfahren unterscheiden: Rammen Rütteln (Vibrieren) Einpressen Die Wahl des geeigneten Einbringverfahrens hängt ab von der Baugrundbeschaffenheit, der Nachbarbebauung, den Pfahlabmessungen, den Pfahlmaterialien und den Anforderungen des Umweltschutzes. Die Tabelle 6.6 zeigt die Rammeignung verschiedener Bodenarten, Tabelle 6.7 die Eignung für Vibrationsverfahren und Tabelle 6.8 die Eignung für das Einpressverfahren. Tabelle 6.6

Rammeignung verschiedener Bodenarten [15]

Leichte Rammung

Mittelschwere Rammung

Schwere Rammung

Moor, Torf, Schlick und Klei

Mittelsand und Grobsand (mitteldicht gelagert)

Mittelkies, Grobkies und Feinkies (dicht gelagert)

Mittelsand und Grobsand (locker gelagert)

Feinkies

Feinsand

Ton (steif)

Schluff , Lehm und Ton (halbfest bis fest)

Kies (ohne Steine) Lehm

Geschiebemergel und Fels

6.2 Fertigrammpfähle Tabelle 6.7

Eignung verschiedener Böden für Vibrationsverfahren [15]

gut Kies (rund) Sand (rund) Lehm (breiig bis weich) Löss (breiig bis weich) Schlick (breiig bis steif) Tabelle 6.8

279

Eignung zum Vibrieren (Einrütteln) bedingt nicht geeignet Kies (eckig) Kies mit bindigen BeimenSand (eckig) gungen Lehm (steif) Sand (eckig, trocken) Löss (steif) Mergel (steif) Ton (steif bis fest)

Eignung verschiedener Böden für das Einpressverfahren (aus [15])

Eignung für das Einpressverfahren gut bedingt nicht geeignet Ton (weich bis halbfest) Ton (fest) Kies (sehr dicht) * Schluff (weich bis halbfest) Schluff (fest) Sand (sehr dicht)* Kies (locker bis mitteldicht) Kies (mitteldicht bis dicht) dicht gelagerte Böden mit Sand (locker bis mitteldicht) Sand (mitteldicht bis dicht) Steineinschlüssen * evtl. Vorbohren zur Auflockerung

Ganz allgemein gilt, dass in nichtbindigen Böden das Rammen mit schneller Schlagfolge oder das Einvibrieren die schnellste und wirtschaftlichste Methode ist, da hierbei die Bodenkörner schweben und somit die zu überwindende Mantelreibung stark vermindert wird. In bindigen Böden hingegen sind langsam schlagende Rammbäre mit hoher Schlagenergie oder Einpressverfahren von Vorteil. Beim Rammschlag bauen sich durch den Verdrängungsvorgang hohe Porenwasserdrücke auf, die den Eindringwiderstand vergrößern. Bei langsamer Schlagfolge können sich diese Porenwasserdrücke zwischen den einzelnen Schlägen weitgehend abbauen. Die wichtigsten Einflüsse auf den Rammfortschritt sind: die Bodeneigenschaften das Gewicht und die Fallhöhe bzw. Amplitude des Bären die Schlagzahl bzw. Schwingungszahl des Bären die Dämpfung der Schlagwirkung durch Ausbildung der Rammhaube sowie Schlankheit und Elastizität des Rammelementes das Gewicht des Rammelementes die Querschnittsform und die Verformungen des Rammelementes Selbst wenn die in der Bodenmechanik gebräuchlichen Parameter des Bodens bekannt sind, lässt sich das Verhalten des Baugrundes bei einer dynamischen Beanspruchung, wie sie beim Rammen auftritt, nur unzulänglich beschreiben. Als sicherstes Verfahren zur Prognose des Rammfortschrittes gelten daher die Proberammung und eventuell die Ramm- oder Drucksondierung nach DIN EN ISO 22 476-2/-3 bzw. DIN 4094-1.

280

6 Pfahlgründungen

Liegen dagegen nur pauschale Angaben über die zu durchschlagenden Bodenarten vor, wie dies oft der Fall ist, muss die Vorhersage des Rammfortschrittes auf der Grundlage von Erfahrungswerten erfolgen. In der folgenden Tabelle werden die Teilprozesse und Geräte des Arbeitsprozesses zur Einbringung eines Fertigrammpfahles aus Stahlbeton beispielhaft dargestellt. Tabelle 6.9

Prozess der Rammung von Stahlbetonfertigpfählen Prozesse

I.


Teilprozesse (1) ggf. Baugelände freimachen

Geräte Raupe

(2) Einmessen und Abstecken des Radlader Pfahlansatzpunktes, Sicherung GPS, Theodolit der Pfahlachsen durch Festpunkte Lkw, Autokran (3) Pfahlanlieferung (4) Entladen der Pfähle

II. Abteufen des Pfahles

III. Nach- bzw. zusätzliche Arbeiten

(1) Ansetzen und Ausrichten der Ramme

Trägergerät

(2) Rammung des Pfahles auf erforderliche Tiefe

Rammbär

(1) Freilegen und Kappen des Pfahlkopfes

Schraubenkompressor, fahrbar, Abbau- und Spatenhammer

(2) Verfahren des Rammgerätes zum nächsten Ansatzpunkt und Aufnahme des Pfahles

Rammgerät

Trägergerät Rammgerät Rammbär

IV. Räumen der Baustelle

(1) Reinigung von benutzten Flächen

Radlader, Raupe

6.2.3.2 Die Geräte und Verfahren Rammen Die Rammgeräte setzen sich zusammen aus: Geräteträger Mäkler mit Führungseinrichtung für Rammbär und Rammgut Rammbär Rammhaube zum Schutz des Rammgutes Winden zum Hochziehen des Rammgutes


281

Für alle Verfahren gelten grundlegende Gemeinsamkeiten. In jedem Fall ist vorhanden [16]: eine Masse, die schlägt ein Weg, der zur Schlagenergie beiträgt (bei schlagenden Bären die Fallhöhe, bei vibrierenden Bären die Amplitude) eine Schlagzahl (bei langsam schlagenden Bären 20 bis 80 Schläge/min; bei schnell schlagenden Bären 120 bis 300 Schläge/min; bei vibrierenden Bären 500 bis 3000 Schwingungen/min) Die älteste Methode, Pfähle in den Baugrund einzutreiben, ist das schlagende Rammen. Hierbei wirkt ein Schlag- bzw. Fallgewicht auf den Kopf des Pfahles. Das Schlaggewicht wird entweder über einen Seilzug (Freifallramme) oder durch Dampf, Druckluft, Hydraulik oder explosionsartige Verbrennung eines eingespritzten Treibstoffs (Diesel) angehoben. Dampf- oder Druckluftbäre verfügen über eine getrennte Energieerzeugung, während Dieselbäre frei von Energiezuführungsleitungen sind. Die Schlagbewegung kommt entweder durch die Bewegung eines Kolbens im Zylinder oder durch die Bewegung eines Zylinders über einem feststehenden Kolben zustande. Als Schlaggewicht wirkt demnach entweder der Kolben oder der Zylinder, wonach Zylinderbäre und Kolbenbäre unterschieden werden. Beim Zylinderbär sitzt der Kolben auf dem Rammgut, während der Zylinder die Schlagarbeit leistet. Man unterscheidet hierbei Dieselbäre, dampf- und druckluftgetriebene Zylinderbäre. Die Schlagzahlen liegen bei etwa 50 Schlägen pro Minute. Bei den Kolbenbären ist zu unterscheiden zwischen langsam schlagenden Dieselbären (Schlagzahl 40 bis 60 pro Minute) und Schnellschlagbären mit Schlagzahlen von 100 bis 300 pro Minute. Bei den Schnellschlagbären wird der Schlagkolben durch Dampf oder Druckluft nicht nur gehoben sondern auch nach unten beschleunigt. Da die Zahl der Schläge größer ist, kann bei gleicher Schlagleistung das Bärgewicht vermindert werden, was zu einer Schonung der Pfähle und der gesamten Rammeinrichtung beiträgt. Außer durch Dampf oder Druckluft kann bei schnell schlagenden Bären der Kolben auch durch Öldruck bewegt werden. Man spricht dann von Hydraulikbären oder Hydraulikhämmern. Daten von Rammbären und Schnellschlaghämmern können der Literatur (z. B. [17], [18]) oder Firmeninformationen entnommen werden. Die Masse des Bären muss auf die Masse des Rammelementes abgestimmt sein. Während bei langsam schlagenden Bären ein Verhältnis von Bärgewicht zum Gewicht des Rammelementes (einschließlich Rammhaube) von 1 : 1 bis 2 : 1 besonders günstig ist, liegen die günstigsten Verhältnisse bei Schnellschlagbären im Bereich von 1 : 4 bis 1 : 5 [19]. Hinsichtlich der Schlagfolge sind folgende Bedingungen zu beachten: In nichtbindigen Böden sind leichte Rammschläge mit hoher Schlagfolge wirkungsvoll. In bindigem Boden muss mit langsamen, wuchtigen Schlägen gerammt werden. Freifall-, Dampf-, Druckluft- und Explosionsbäre sind für alle Rammarbeiten verwendbar. Rammhämmer sind vor allem für das Rammen von Stahlpfählen in Böden mit nur geringer Bindigkeit geeignet.

282

6 Pfahlgründungen

Bei der Auswahl der Rammeinrichtung für Stahlbetonpfähle ist besonders wichtig, die Rammbeanspruchung so gering wie möglich zu halten. Der Rammschlag löst im Pfahl Längswellen aus, die vom Kopf zum Fuß laufen, dort reflektiert werden und sich mit den vom nächsten Rammschlag erzeugten Längswellen überlagern können. Die dabei entstehenden Zugspannungen sind zwar kleiner als die Druckspannungen, können aber, besonders wenn der Pfahl sehr rasch eindringt, Zugrisse hervorrufen. Damit die Rammspannungen niedrig bleiben, soll beim Rammen von Stahlbetonpfählen die Fallhöhe des Bären maximal bei 1 m liegen [13]. Keinesfalls darf mangelnde Bärgröße durch eine größere Fallhöhe ausgeglichen werden. Wenn der Pfahl schlecht zieht, weil er auf ein Hindernis getroffen ist, soll nicht durch hartes Rammen versucht werden, dieses zu durchrammen, da der Pfahlschaft dabei zerstört werden kann. Der Rammschlag soll den Pfahl zentrisch und in axialer Richtung treffen. Dazu sind u. a. ein fester Standort der Ramme und ein genaues Ausrichten des Rammelementes erforderlich. Der Weg der Ramme beim Schlagen der Pfähle wird in einem Rammplan festgelegt. In Pfahlgruppen muss mit dem Rammen der inneren Pfähle begonnen werden. Beim umgekehrten Vorgehen besteht die Gefahr, dass der Boden im Innern durch die schon geschlagenen Außenpfähle so verdichtet ist, dass die inneren Pfähle nicht mehr herunterzubringen sind oder die äußeren Pfähle verdrückt werden. Rütteln (Vibrieren) Beim Einrütteln wird die Reibung zwischen dem Pfahlmantel und dem umgebenden Boden auf etwa 10 bis 25 % des Ruhewertes vermindert. Auf das Rammgut wirkt außer der dynamischen auch die statische Belastung durch das Gewicht des Vibrationsbären und des Pfahles. Die Vorteile dieses Verfahrens, das in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, liegen in der geringen Lärmentwicklung und in der schonenden Behandlung des Rammgutes. Bild 6.9 zeigt den typischen Aufbau einer Vibrationseinheit.

Bild 6.9 Typischer Aufbau eines Vibrationseinheit [20]


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Die Rüttelschwingungen werden durch gegenläufig drehende Unwuchten erzeugt. Die horizontalen Komponenten der Fliehkräfte heben sich dabei auf, es werden nur die vertikalen Komponenten wirksam. Vibrationsbäre können elektrisch oder hydraulisch angetrieben werden. Vorteile der elektrisch betriebenen Vibrationsbäre sind die robuste Konstruktion, die preisgünstige Energieversorgung sowie der einfache Energietransport von der Energiequelle zum Vibrator. Hydraulisch betriebene Vibrationsbäre ermöglichen eine stufenlose Regelbarkeit der Schwingungsfrequenz und damit eine Anpassung an die verschiedenen Bodenarten bzw. die Resonanzfrequenz vorhandener Bebauung. Ihnen ist daher i. Allg. der Vorzug zu geben. Die Vibrationsbäre werden über Spannvorrichtungen mit dem Rammgut verbunden, wobei diese Verbindung schwingungsfest sein muss. Die Rammung mit Vibrationsbären ist in vielen Böden (Tabelle 6.7) ein wirtschaftliches Verfahren, da die Einbringzeiten gegenüber schlagenden Geräten i. Allg. wesentlich geringer sind. Einpressen Insbesondere dort, wo Pfähle erschütterungsfrei und lärmarm in den Baugrund eingebracht werden müssen, ist das Einpressverfahren häufig die einzig mögliche Methode. Mit diesem Verfahren können Pfähle ohne unzumutbare Belästigung von Anliegern, insbesondere aber unmittelbar neben oder unter erschütterungsempfindlichen Fundamenten niedergebracht werden (Bild 6.10).

Bild 6.10 Beispiele für Presspfähle [21]

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6 Pfahlgründungen

Presspfähle finden überwiegend Anwendung bei der Nachgründung von bestehenden und erhaltungswürdigen, setzungsempfindlichen Bauwerken. Hierbei lassen sich Bauwerke oder Bauteile stabilisieren und bereits eingetretene Setzungen durch gezielte Hebungen ausgleichen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Nachgründungen an Bauwerken, bei denen wegen Umplanungen und Umbauten die vorhandene Gründung nicht mehr ausreicht. Presspfähle werden bei vollständiger Bodenverdrängung erschütterungsfrei und ohne Bodenauflockerung schussweise in den Boden gepresst. Entsprechend der zur Verfügung stehenden Bauhöhe werden die Pfahlsegmente statisch und längenmäßig dimensioniert. Die Pfahlsegmente können aus Stahlbeton oder als Stahlrohre gefertigt und eingepresst werden. Als Widerlager zur Abtragung der Pressendrücke werden Gebäudeteile genutzt, wenn dies technisch möglich ist. Rammhilfsmittel Die Rammeinrichtung umfasst neben dem Rammbär die Rammhaube, das Trägergerät und Führungen. Beim schlagenden Rammen besteht die Gefahr, dass durch den herab fallenden Bär der Kopf des Rammgutes beschädigt wird. Ist der in den Pfahl eingeleitete Impuls nicht groß genug, wird nur der Pfahlkopf zerstört, ohne dass der Pfahl bewegt wird. Zum Schutz des Rammgutes wird eine Haube aufgesetzt, die aus Stahlguss besteht und oben mit Hartholz oder Kunststoff ausgefüttert ist. Durch die Schlaghaube wird die eingeleitete Kraft auf das Rammgut gleichmäßig verteilt. Außerdem bildet das Futter eine Art Energiespeicher und verlängert somit die Einleitungsdauer, so dass ein besseres Rammergebnis erzielt wird. Bei empfindlichem Rammgut, wie z. B. Beton- oder Holzpfählen, muss zusätzlich ein Futter zwischen Rammhaube und Rammgut eingelegt werden [22]. Hierdurch werden die Unebenheiten des Schlaghaubenbodens und des Pfahlkopfes ausgeglichen und somit die Schlagkraft gleichmäßig über den Pfahlkopf verteilt, so dass dieser geschont und nicht zerstört wird. Als Trägergerät kommen in den meisten Fällen Hydraulikbagger (Bild 6.11) zum Einsatz, da sie wegen der leicht austauschbaren Anbaugeräte universell verwendbar sind. Da der Hydraulikbagger an seinem Ausleger ein hohes Gewicht tragen muss, bestehend aus Mäkler mit Führung für Bär und Pfahl Rammbär Pfahl mit Schlaghaube, kommen vorwiegend Bagger mit Dienstgewichten von 20 bis 40 t in Betracht.


Bild 6.11

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Hydraulikbagger als Trägergerät [23]

Langsam schlagende Freifallrammen werden meist an Mäklern geführt, wobei mit Mäkler eine mastartige Führungskonstruktion aus Rohren, Profilstahl oder Gitterträgern bezeichnet wird, die am Auslegerkopf des Baggers kardanisch aufgehängt und gegen den Auslegerfuß abgestützt wird. Die Mäkler geben dem Rammbären und dem Rammpfahl die notwendige Führung. Eine Ausnahme stellt Frankipfahl dar. Hier wird das Votriebsrohr mittels Freifallrammung im Rohr (Innenrohrrammng) in den Boden getrieben Schnellschlagrammen können frei reitend, am Kranseil hängend oder mit Mäklerführung arbeiten. Reitet die Ramme frei oder hängt sie am Kranseil, so müssen die Pfähle an mindestens zwei Punkten gehalten werden, was durch spezielle Holz- oder Stahlrahmen geschehen kann. Vibrationsrammen können ebenfalls frei reitend, am Kranseil hängend oder am Mäkler geführt eingesetzt werden. Beim Vibrationsrammen werden häufig Teleskopmäkler eingesetzt, die an Hydraulikbagger angebaut werden (Bild 6.11). Durch den vermehrten Einsatz von Vibrationsbären haben die Überlegungen zum schallarmen Rammen mit Explosions-, Freifall- und Schnellschlagbären weitgehend an Bedeutung verloren. Dennoch werden in einigen Fällen - insbesondere im innerstädtischen Bereich lärmmindernde Maßnahmen bei Rammeinrichtungen erforderlich. Der Lärm entsteht hauptsächlich durch das Schlaggeräusch und seine Abstrahlung über das Rammgut, aber auch durch Klappergeräusche zwischen den Geräteteilen Bagger-Mäkler-Rammbär und durch den Motor. Durch das Umschließen von Rammgut, Rammhaube, Rammbär und Mäkler mit einem Schallschutzkamin lässt sich der Rammlärm um ca. 20 bis 30 dB (A) senken. Der Einsatz eines Schallschutzkamins vermindert allerdings die Leistung der Rammkolonne um ca. 10 % und erfordert ein weiteres Hubgerät (z. B. Bagger oder Autokran).

286

6 Pfahlgründungen

Auf die folgenden weiteren Probleme sei noch verwiesen: die beim Rammen entstehende Wärme muss abgeleitet werden die z. B. bei Dieselbären entstehenden Auspuffgase und Ölrückstände dürfen die Auskleidung des Kamins nicht in Brand setzen bei Dieselbären muss eventuell Frischluft in den Kamin zugeführt werden der Blick auf Rammbär und Rammpfahl ist versperrt Bei wenig verdichtungsfähigen rolligen Böden kann das Rammen oder Einrütteln durch Spülhilfe ermöglicht oder erleichtert werden. Das Spülen ist aber so rechtzeitig vor Erreichen der Solltiefe einzustellen, damit keine Auflockerungen im Bereich der tragenden Bodenschichten verbleiben. Das Spülen kann als Hoch- oder Niederdruckspülen ausgeführt werden. Der Eindringwiderstand am Pfahlfuß wird verringert, da der Boden aufgelockert und umgelagert wird. Beim Niederdruckspülen beträgt der Druck am Lanzenaustritt etwa 10 bis 20 bar. Die Spüllanzen haben einen Durchmesser von etwa 25 mm bis 40 mm, der Wasserverbrauch liegt bei ca. 200 bis 500 l/min. Auch Wasser wird beim Hochdruckspülverfahren als Spülmittel eingesetzt. Dieses Verfahren arbeitet mit wesentlich höheren Drücken (bis 500 bar) aber geringeren Wassermengen (ca. 10 bis 50 l/min). Der Austrittsdurchmesser ist mit ca. 1,2 mm bis 1,8 mm wesentlich geringer als beim Niederdruckspülen. Der Hochdruckwasserstrahl schneidet den Boden auf und vermindert den Eindringwiderstand. Dieses Verfahren ist auch bei festem bindigen Boden wirkungsvoll.

6.2.3.3 Die wichtigsten Stoffe und Materialien Holzpfähle Holzpfähle sind die älteste Pfahlart, die aber heute weitgehend durch Stahl- oder Stahlbetonpfähle verdrängt worden sind. Sie werden heute meist nur noch für vorübergehende Bauten wie z. B. Baubrücken oder Gerüste eingesetzt. Bei Dauerbauwerken kommen sie i. allg. nur in Betracht, wenn sie ständig unter dem Wasserspiegel stehen und damit nicht wechselweise dem Luftsauerstoff ausgesetzt sind. Wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Säuren werden sie auch bevorzugt bei aggressiven Wässern (z. B. in Mooren) eingesetzt. In unseren Breiten wird fast ausnahmslos Nadelholz von Kiefern, Fichten, Tannen, Lärchen und Douglasien verwendet. Die maximalen Pfahllängen liegen bei etwa 20 m, die maximalen Durchmesser bei ca. 45 cm. Stahlpfähle Nach ihrem Querschnitt unterscheidet man Kasten-, Rohr- und Trägerpfähle (Bild 6.12). Rohrpfähle bestehen aus nahtlosen oder geschweißten Stahlrohren. Kastenpfähle werden i. Allg. aus eigens dafür gewalzten Spundwandprofilen zusammengesetzt. Als Trägerpfähle verwendet man meist gewalzte Breitflanschträger aus der üblichen Produktion.


Bild 6.12

287

Stahlpfahltypen

Für Rammpfähle aus Stahl genügt im allgemeinen S 235 nach DIN EN 10 025 bzw. Spundwandstahl der Bezeichnung S 240 GP nach DIN EN 10 248. Lediglich in besonderen Fällen, z. B. bei schweren Rammungen, sind höherwertige Stahlsorten zu empfehlen. Die Stahlpfähle werden i. Allg. ohne Pfahlspitzen gerammt. Bei Rohr- und Kastenpfählen mit einem Durchmesser unter 50 cm bildet sich in körnigen Böden durch Verspannen ein Bodenpropfen, der wie eine Spitze wirkt. Wegen der zulässigen Abmessungen beim Bahn- oder Straßentransport sind die Pfahllängen auf ca. 20 m begrenzt. Im Wasserbau, wo der Transport z. B. durch Schiffe erfolgen kann, sind größere Längen möglich. Stahlpfähle haben eine hohe Materialfestigkeit und eine große Elastizität, so dass sie sehr unempfindlich gegenüber Biegebeanspruchungen beim Transport und der Belastung beim Rammen sind. Sie lassen sich in jeder Neigung rammen und zeigen sich an Kopf und Spitze sehr widerstandsfähig gegen Deformationen, so dass auch Hindernisse und schwere Böden durchrammt werden können. Im Gegensatz zu Holz- oder Stahlbetonpfählen lassen sich Stahlpfähle z. B. zum Erreichen der notwendigen Einbindetiefe beliebig verlängern. Die Stöße werden heute üblicherweise verschweißt und müssen die gleiche Druck-, Zug-, und Biegefestigkeit wie der Pfahlquerschnitt selbst haben. Um die Tragfähigkeit von Stahlpfählen zu erhöhen, können im Fußbereich Trägerteile (Flügel) symmetrisch angeschweißt werden (Bild 6.13). Die Rammfähigkeit wird durch die Flügel kaum beeinträchtigt, da sie den Boden i. Allg. leicht durchschneiden. Nur beim Durchrammen festerer Bodenschichten werden sie hoch beansprucht und können abgesprengt werden. Um dies zu verhindern, sollten die Flügel eine Länge, die etwa der 10-fachen Flügelträgerhöhe entspricht, mindestens aber von 2,5 bis 3 m haben. Die Montage muss in jedem Fall achsenparallel erfolgen, um ein Verdrehen des Pfahles beim Rammen zu verhindern.

288

Bild 6.13

6 Pfahlgründungen

Fußverstärkungen bei Stahlflügelpfählen

Im Boden und im Wasser (hierbei besonders im Seewasser) sind Stahlpfähle durch Korrosion gefährdet. Im Süßwasser haben sich Stahlpfähle seit Jahrzehnten bewährt, sofern sie weder Sandschliff noch chemischen Angriffen ausgesetzt sind. Ein besonderer Schutz ist dann im Süßwasser nicht nötig, da z. B. bei Untersuchungen in Deutschland nur eine mittlere Schwächung um 0,012 mm im Jahr am Umfang festgestellt wurde [24]. Die Schwächung im Boden ist so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Stärkere Korrosion tritt nur in fauligem, aggressivem Wasser und in Seewasser - dort vor allem unter Bewuchsdecken z. B. von Miesmuscheln und Seepocken - auf. Außerdem fördert die Walzhaut, die als Kathode wirkt, elektrolytische Vorgänge, bei denen die von der Walzhaut freien Oberflächen als Anode wirken und damit der Ausgangspunkt von Lochfraß werden. Bei starker Korrosion in Seewasser kann in wärmeren Gebieten mit einer jährlichen Schwächung des Pfahlumfanges von ca. 0,14 mm gerechnet werden [24]. Die Hauptangriffszonen liegen hierbei im Bereich des Mittelwassers bzw. etwas unterhalb des mittleren Tideniedrigwassers. Bei starkem Wellenschlag ist auch die Spritzwasserzone gefährdet. Schutzanstriche und dergleichen können den Korrosionsbeginn um fünf bis zehn Jahre verzögern und die Korrosion insgesamt herabsetzen. Sie müssen auf die metallisch reine Oberfläche aufgebracht werden, wie sie z. B. durch Sandstrahlen unter völliger Beseitigung der Walzhaut erzielt wird. Der Korrosionsschutz wird dadurch teuer. Es ist daher häufig zweckmäßiger, Hohlpfähle mit Beton auszufüllen oder größere Wandstärken zu wählen als statisch erforderlich sind, um Reserven gegen Abrosten zu haben. Die Korrosion unter der Wasserlinie kann auf elektrolytischem Wege durch Einbau einer kathodischen Schutzanlage mit Fremdstrom oder mit Opferanoden weitgehend ausgeschaltet werden.


289

Stahlbetonpfähle Fertigpfähle aus Stahlbeton haben üblicherweise quadratische Abmessungen von 20 · 20 cm, 25 · 25 cm, 30 · 30 cm, 40 · 40 cm bis 45 · 45 cm. Rundpfähle mit Hohlquerschnitt in ähnlichen Dimensionen kommen seltener vor. Vorgefertigte Stahlbetonpfähle werden für Standardtransporte in Längen zwischen 6 und 16 m produziert. Bei Anwendung von Spezialtransporten sind auch Längen bis 25 m möglich. Bei Pfahllängen über 18 m ist es jedoch sinnvoller, Teilstücke durch geprüfte zugelassene Stahlkupplungen miteinander zu verbinden.

Bild 6.14

Beispiel für eine Pfahlkupplung

Die Pfähle sind standardmäßig bewehrt oder vorgespannt für die Beanspruchungen bei Transport und Rammung sowie durch die bauseitigen Schnittkräfte (Druck, Zug, Biegung). Bei der Bemessung ist darauf zu achten, dass sie beim Transport und Aufnehmen unter der Ramme keinen Schaden erleiden. Die Herstellung der Massivpfähle erfolgt i. A. liegend in einem Fertigteilwerk oder bei größeren Baustellen - insbesondere im Ausland - in einer Feldfabrik. Die Güteanforderungen müssen durch entsprechende Fertigungsanlagen und laufende Überwachung sichergestellt sein. Hohlpfähle mit kreisförmigem Querschnitt können auch im Schleuderverfahren hergestellt werden (Schleuderbeton-Rammpfähle). Werden die Pfähle vorgespannt, sollte die Vorspannung mindestens 3,5 MN/m² betragen, wobei üblicherweise noch eine schlaffe Zusatzbewehrung eingelegt wird. Die Spannglieder liegen i. Allg. zentral. Die Vorspannung kann sowohl im Spannbett als auch nach dem Erhärten des Betons mit nachträglichem Verbund ausgeführt werden. Das gewählte Vorspannsystem muss die dynamischen Beanspruchungen aus dem Rammstoß ohne Schaden aufnehmen können.

290

Bild 6.15

6 Pfahlgründungen

Bewehrung eines Stahlbeton-Rammpfahles [25] und zur Rammung vorbereiter Fertigpfahl [26]

Die Längsbewehrung schlaff bewehrter Stahlbetonpfähle soll bei Längen über 10 m mindestens 0,8 % des Pfahlquerschnittes betragen. Bei massiven Rechteckpfählen sind mindestens 4 Längsstäbe ∅ 14 mm in den Ecken des Pfahlquerschnittes, bei runden Pfählen mindestens 5 Längsstäbe ∅ 14 mm gleichmäßig verteilt anzuordnen. Endhaken sind nicht vorzusehen. Der Durchmesser der Querbewehrung soll mindestens 5 mm betragen. Der Abstand der Bügel oder die Ganghöhe einer Wendel darf 12 cm nicht übersteigen. Wegen der dynamischen Druckbeanspruchung des Pfahles beim Rammen muss die Querbewehrung die Längsbewehrung straff umschließen. Am Kopf und Fuß des Pfahles muss auf je 1 m Länge die Ganghöhe bzw. der Abstand der Querbewehrung auf ca. 5 cm verringert werden (Bild 6.15). Die Betonüberdeckung muss mindestens 30 mm betragen. Für Pfähle, die dem Einfluss betonschädlicher Wässer und Böden ausgesetzt sind, sowie im Seewasserbau ist die Überdeckung zu erhöhen. Ebenso wie Stahlflügelpfähle können auch Stahlbetonpfähle mit verdicktem Fuß oder mit axialsymmetrisch angeordneten Flügeln versehen werden, wodurch sich die Aufstandsfläche vergrößert. Die Fußabmessungen betragen dabei ca. das 2- bis 3-fache der Schaftabmessungen. Anwendungsgebiet sind vorwiegend Böden, bei denen eine tragfähige Schicht unter mächtigen weichen Deckschichten liegt.


291

Eine Besonderheit bei den Stahlbetonpfählen sind die Kupplungspfähle, mit denen die Pfahllängen den örtlichen Gegebenheiten besser angepasst werden können. Hierbei können einzelne Pfahlschüsse von 2 bis 18 m Länge durch spezielle Kupplungssysteme miteinander verbunden werden. Die Kupplung stellt eine druck-, zug- und biegesteife Verbindung dar, wobei nur Kupplungen eingesetzt werden dürfen, die eine Zulassung nach DIfB besitzen (Bild 6.14). Die Pfähle eignen sich insbesondere für die Fälle, wo sich die Pfahllängen wegen stark wechselnder Baugrundverhältnisse nicht genau vorherbestimmen lassen, und wo lange Pfähle trotz beschränkter Arbeitshöhe (z. B. im Innern von Gebäuden) eingebracht werden müssen.

6.2.3.4 Der Personalbedarf Die Kolonne zur Fertigung von z. B. Stahlbetonfertigpfählen setzt sich in der Regel zusammen aus: -

1 Polier, mitarbeitend

-

1 Geräteführer

-

1 Rammhelfer

Der Bauleiter ist nur bei sehr komplexen Baustellen permanent vor Ort. Ansonsten betreut er meist 3 bis 4 Baustellen gleichzeitig. Der Polier arbeitet mit und unterstützt den Bauleiter, er koordiniert die Arbeitsabläufe der Baustelle und wickelt die schriftlichen Verwaltungsarbeiten ab. Er hat meist den klassischen Berufsweg durchlaufen und verfügt über fachliche Kompetenz und die nötige Erfahrung. Die Geräteführer benötigen keine spezielle Berufausbildung. Sie können von Fachpersonal angelernt werden, müssen aber auf der Baustelle bestehen und die erforderlich technische Fingerfertigkeit im Umgang mit den oft teuren Spezialgeräten aufweisen. Bei größeren Projekten ist meist noch ein Schlosser vor Ort. Ansonsten werden die Reparaturarbeiten an den Geräten auf dem Bauhof erledigt.

6.2.3.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Die Rammung wird u. a. beeinflusst von der Rammeigenschaft des Untergrundes, der Leistung der Rammbäre, d. h. auch dem Verhältnis von Rammgewicht zu Pfahlgewicht und der Oberflächenrauigkeit des Fertigpfahles. Die Leistungsansätze in der nachfolgenden Tabelle, hier beispielhaft für die gewichtigen Teilherstellungsprozesse eines Stahlbetonfertigpfahls, sind daher als Richtwerte anzusehen.

292

6 Pfahlgründungen

Tabelle 6.10 Betriebsmitteleinsatz bei der Rammung von Stahlbetonfertigpfählen Teilprozess

Gerät


Personaleinsatz

Kalkulatorische Leistungswerte Praxis

(1) Ansetzen und Ausrichten Ramme II.

III.

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Rammgerät

J.0.1...

1 Rammhelfer

Rammbär

J.1...

Trägergerät (2) Rammung des Pfahles auf erfor- Rammgerät derliche Tiefe Rammbär

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

J.0.1...

1 Rammhelfer

5 min

10-20m/h

J.1....


Schraubenkompressor, fahrbar

Q.0.0.

Abbau- und Spatenhammer

Q.6.01.

(2) Verfahren des Rammgerätes zum nächsten Ansatzpunkt und Aufnahme des Pfahles

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Rammgerät

J.0.1...

1 Rammhelfer

Rammbär

J.1....

2 Helfer 30-60 min

5-10 min

6.2.3.6 Anmerkung zur Leistungsbeschreibung Fertigpfähle sind vorgefertigte Pfahlelemente nach DIN EN 12 699. In den Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) Ramm- , Rüttel- und Pressarbeiten DIN 18 304 werden Grundlagen für eine mangelfreie, sach- und vertragsgerechte Ausführung von Rammungen benannt. Des Weiteren werden hier Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung gegeben. Einige ausgewählte Hinweise werden in der Folge aufgeführt: Angaben zu Baustellenbegebenheiten und Umwelteinflüssen Benennung der Bodenkennwerte Angaben zu Nachbarbebauungen Art und Anzahl der geforderten Probeeinbringungen und Probebelastungen Längen, Querschnittsmaße sowie Materialgüte der Bauelemente Gründungstiefe Ausbildung der Anschlüsse an Bauwerke

6.3 Bohrpfähle

293

6.3 Bohrpfähle 6.3.1 Das Bauverfahren im Überblick Bohrpfähle sind Ortbetonpfähle, die in einem in den Baugrund gebohrten Hohlraum durch Einbringen von Beton, üblicherweise mit Bewehrung, hergestellt werden. Der Hohlraum wird hierbei entweder verrohrt oder unverrohrt hergestellt. Bei unverrohrten Bohrlöchern kann die Bohrlochwandung durch eine Bentonitsuspension gestützt werden. Durch den Druck des flüssigen Betons entsteht bei den meisten Bodenarten eine gute Verzahnung mit dem Baugrund. In besonderen Fällen kann die Lastübertragung durch eine nachträgliche Verpressung der Fuß- und Mantelfläche noch verbessert werden. Bohrpfähle haben üblicherweise Durchmesser von 0,3 bis 3,0 m. Sie sind nicht flacher geneigt als 4 : 1, das entspricht einem Winkel von ungefähr 15° gegen die Vertikale. Die Vorteile der Bohrpfähle liegen in der großen Bandbreite der Abmessungen und der den jeweiligen Baugrundverhältnissen anpassbaren Herstellverfahren. Da beim Bohren der anstehende Boden gefördert wird, ist ein guter Einblick in die tatsächlichen Baugrundverhältnisse gegeben. Demnach kann noch während der Ausführung die erforderliche Pfahllänge festgelegt werden. Die Pfähle sind gut zur Aufnahme von Horizontalkräften und Biegemomenten geeignet, bei der Ausführung entstehen kaum Lärm und Erschütterungen. In diesem Kapitel werden nur die Bohrpfähle behandelt, bei denen im Inneren des Bohrloches ein vollständiger Bodenaushub stattfindet. Weitere Bohrpfahltypen, wie zum Beispiel Verdrängungsbohrpfähle (Kapitel 6.4) und Teilverdrängungsbohrpfähle (Kapitel 6.5), werden später erläutert.

6.3.2 Technische Grundlagen Der größte Teil der Bohrpfähle wird nach DIN EN 1536 hergestellt. Zusätzlich ausschlaggebende Normen sind: Tabelle 6.11 Übersicht über geltende Normen DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

1045 1048 1054 1055 4094 4030

Beton und Stahlbeton Prüfverfahren für Beton Zul. Bel. des Baugrunds Lastannahmen für Bauten Sondierungen Betonangreifende Wässer

4020 EN ISO 22475 EN ISO 14688 EN 1538 4127 4085

Geotechn. Untersuchungen Baugrund Baugrund und Grundwasser Schlitzwände Stützende Flüssigkeiten Berechnung des Erddrucks

294

6 Pfahlgründungen

Die Tragfähigkeit von Bohrpfählen setzt sich aus dem Pfahlspitzenwiderstand und der Mantelreibung zusammen. Beide Anteile sind nicht nur von den bodenmechanischen Eigenschaften, sondern auch wesentlich vom Herstellverfahren abhängig (Tabelle 6.12). Es hat sich insbesondere bei Probebelastungen gezeigt, dass die Tragfähigkeiten von Pfählen trotz gleicher Baugrundverhältnisse sehr unterschiedlich waren. Als mögliche Ursachen kommen hierfür u. a. eine aufgelockerte Bohrlochsohle und das Absetzen von Schwebstoffen auf der Bohrlochsohle in Frage. Tabelle 6.12 Einflüsse auf das Tragverhalten von Bohrpfählen [27]

Einflüsse auf das Tragverhalten Herstellung Voreilung der Verrohrung Materialdicke der Verrohrung Überstand des Schneidkranzes Wasserüberdruck Eigenschaften einer evtl. verwendeten Stützsuspension Durchflussfläche Betondruck Betonkonsistenz Betontemperatur Ziehgeschwindigkeit der Verrohrung Belastung Vertikal/Horizontal Druck/Zug Statisch/Zyklisch Standzeit bis zur Belastung

Boden Bodenart Schichtung - Scherfestigkeit - Lagerungsdichte - Spannungszustand - Kornform, -größe, -verteilung - Kompressibilität - Wassergehalt - Chemische Inhaltsstoffe

Pfahl Geometrie Material Fußausbildung Nachverpressungen

Die Herstellung verrohrter Bohrpfähle besteht aus folgenden Einzelschritten (Bild 6.16): Eintreiben eines Mantelrohres, in dessen Inneren der Boden ausgeräumt wird Einstellen eines Bewehrungskorbes Betonieren des Pfahles unter gleichzeitigem Ziehen des Mantelrohres

6.3 Bohrpfähle

Bild 6.16

295

Herstellung eines verrohrten Bohrpfahles [27]

Bei nicht standfesten, wasserführenden Böden muss eine Verrohrung zur Bohrlochsicherung und zur Führung der Bohrwerkzeuge mitgeführt werden. Die Verrohrung wird am häufigsten durch eine oszillierende, hydraulisch angetriebene Verrohrungsmaschine abgeteuft. Wichtig ist die ständige Bewegung der gesamten Verrohrung, da dann die Mantelreibung nur ca. 40 % bis 60 % der Mantelreibung während der Ruhe beträgt. Gelöst und ausgehoben wird der innerhalb der Verrohrung befindliche Boden durch Bohreimer, Bohrgreifer oder Bohrschnecken. Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass die Unterkante der Verrohrung immer mindestens einen halben Pfahldurchmesser tiefer ist als das jeweilige Aushubniveau, um Auflockerungen im Fußbereich zu vermeiden (Bild 6.17). Auflockerungen im Fußbereich können auch dadurch entstehen, dass eine innerhalb der Verrohrung aufwärtsgerichtete Wasserströmung vorhanden ist. Hervorgerufen werden kann diese Wasserströmung durch einen relativen Wasserunterdruck innerhalb der Verrohrung, der durch das Hochziehen des Bohrwerkzeuges (Kolbenwirkung) sowie durch Wasserspiegelabfall beim Herausziehen des Bohrwerkzeuges entsteht. Um dies zu vermeiden, muss der Wasserspiegel in der Verrohrung stets höher (mindestens 1 m) gehalten werden als der Außenwasserspiegel (Bild 6.17).

296

Bild 6.17

6 Pfahlgründungen

Maßnahmen zur Verhinderung von Auflockerungen beim Aushub

Bohrpfähle sind Ortbetonpfähle, für die das in den Boden abgeteufte Stahlrohr eine temporäre Schalung darstellt. Je nach Einbringmethode kann der außenliegende Boden verdichtet oder aufgelockert werden. Im Regelfall wird der Boden jedoch nicht in seiner Lagerung verändert. Nach dem Einstellen des Bewehrungskorbes in die Verrohrung wird Beton eingefüllt. Das geschieht üblicherweise im Kontraktorverfahren, bei dem das Betonierrohr stets unterhalb des Betonspiegels eintaucht, um Entmischungen zu vermeiden. Die Verrohrung wird hierbei fortlaufend mit dem Anstieg des Betonspiegels gezogen. Während des Ziehens kann direkt an der Unterkante der Verrohrung für kurze Zeit ein Hohlraum in der Dicke der Stahlrohrwandung entstehen (Bild 6.18). Durch eine entsprechende Konsistenz des Betons kann dieser Effekt verhindert werden.

Bild 6.18

Kurzzeitiger Hohlraum unterhalb der Verrohrung während des Ziehens [5]

6.3 Bohrpfähle

297

Je nach Spannungszustand des umliegenden Bodens und des Betons bewegt sich der Boden zum Beton (Entspannung) oder der Beton fließt zum Boden (Verspannung) oder es erfolgt eine Kombination von beiden Vorgängen. Gerade bei kleineren Durchmessern der Pfähle und vielen Bewehrungsstäben entsteht der so genannte Siloeffekt, der einen starken Einfluss auf den entstehenden Horizontalspannungszustand hat. Der Siloeffekt führt dazu, dass die horizontale Frischbetonspannung geringer ist als das Ergebnis der Multiplikation aus Wichte des Betons und Höhe der Betonsäule (Bild 6.19).

Bild 6.19

Siloeffekt des Frischbetons [5]

Kann der Siloeffekt verringert (z. B. durch fließfähigeren Beton) oder durch Druckluft die Auflast auf der Betonsäule vergrößert werden, hätte dies eine bessere Verzahnung zwischen Boden und Beton sowie einen höheren horizontalen Spannungszustand im Boden zur Folge, der sich vorteilhaft auf das Tragverhalten auswirken würde. Die Erhärtung des Betons beginnt sofort nach dem Einbau. Der damit einsetzende Schrumpfungsprozess verursacht eine Volumenverminderung, die eine Entspannung des Bodens in Richtung des Spannungszustandes vor dem Betonieren hervorruft. Die sehr kurze Zeitdauer (ein paar Stunden) des hohen Betondrucks scheint damit nicht zu einer dauerhaften Erhöhung der Bodenspannung zu führen [12]. Werden Pfähle in bindigen Böden unverrohrt hergestellt, kann es dabei zu Verformungen der Bohrlochwand und damit zu einer Veränderung der bodenmechanischen Eigenschaften kommen, die sich ungünstig auf das Tragverhalten auswirken können. Der Frischbetondruck ist nicht in der Lage, diese Effekte rückgängig zu machen. Bei Verwendung einer Stützflüssigkeit kann der Suspensionsdruck durchaus größer sein als die im ursprünglichen Zustand vorhandene Horizontalspannung, so dass mit Auflockerungserscheinungen in diesem Fall nicht zu rechnen ist.

298

6 Pfahlgründungen

Bei Pfahlherstellungsverfahren, bei denen das Bohrrohr in den Boden eingerüttelt wird, wird ein verdichtungsfähiger Boden durch die eingetragene Energie verdichtet, was zu einer Verbesserung der Tragfähigkeit des Pfahles führen kann.

6.3.3 Das Bauverfahren 6.3.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die auf dem Markt befindlichen Herstellungsverfahren unterscheiden sich im Wesentlichen nach der Art der Beanspruchung der Bohrlochsohle in drehendes, schlagendes und drehschlagendes Bohren nach der Art der Materialförderung in kontinuierlich ablaufende Bohrungen, wobei das Bohrklein mittels einer Flüssigkeit ausgespült (Spülbohrverfahren) oder mit Luft ausgeblasen wird (Lufthebebohrverfahren), und in diskontinuierlich ablaufende Bohrungen, wobei das Material in Behältern (Greifern, Eimern) aus dem Bohrloch ausgetragen wird nach der Art der Bohrlochsicherung in verrohrte und unverrohrte Bohrungen und in solche mit einer Sicherung durch eine Stützflüssigkeit nach dem Betoniervorgang (Schüttverfahren, Kontraktorverfahren, Pressbetonverfahren) nach der Ausbildung des Pfahlfußes (mit oder ohne Fußverbreiterung). Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach dem anstehenden Baugrund und den technischen Bedingungen der jeweiligen Baustelle. Die Arbeitsprozesse für die Herstellung von Bohrpfählen werden in der nachfolgenden Tabelle zusammenfassend dargestellt.

6.3 Bohrpfähle

299

Tabelle 6.13 Prozesse der Bohrpfahlherstellung im Greiferbohrverfahren mit hydraulischer Verrohrungsmaschine Prozesse I.


II. Abteufen der Bohrung

Teilprozesse

Geräte

(1) Einmessen und Abstecken der Theodolit Bohrung, Sicherung der Pfahlachsen durch Festpunkte (1) Ansetzen und Ausrichten der Trägergerät Verrohrungsmaschine, Einset- Drehbohranlage zen des 1. Bohrrohres Raupenfahrzeug (2) Bodenaushub im GreiferbohrKraftdrehkopf verfahren und gleichzeitiges Nachsetzen der Bohrrohre (3) Eventualleistung Beseitigen von Hindernissen beim Aushub (4) Eventualleistung Im Grundwasserbereich ständiges Halten des Wasserdrucks

Verrohrungsmaschine Bohrrohr, doppelw. Bohrschnecke Bohrmeißel

(5) Bohrgut abfahren/entsorgen (6) Säubern der Bohrlochsohle, ggf. Nacharbeiten vornehmen III. Einbauen der Bewehrung

(1) Vorfertigen des Bewehrungskorbes inklusive nötiger Abstandshalter

Trägergerät Drehbohranlage

(2) Einbau der Bewehrung IV. Betonieren des Bohrpfahls

(1) Einlassen der Betonschüttroh- Trägergerät re Drehbohranlage (2) Betonieren (bei Grundwasser Verrohrungsmaschine im Kontraktorverfahren) unter gleichzeitigem oszillierendem Unterwasserbetoniereinrichtung

V. Nach- bzw. zusätzliche Arbeiten



(2) Umsetzen der Bohreinheit

Trägergerät

Ziehen der Bohrrohre Abbau- und Spatenhammer Drehbohranlage Raupenfahrzeug Kraftdrehkopf Verrohrungsmaschine

300

6 Pfahlgründungen

6.3.3.2 Die Geräte und Verfahren Sicherung der Bohrlochwandung a) Verrohrtes Bohren (Bild ) Die Verrohrung der Bohrung soll Auflockerungen in der Umgebung des Bohrpfahles beim Bohren einschränken. Sie ist zwingend erforderlich, wenn der durchörterte Boden auch bei Verwendung von stützender Flüssigkeit nicht standfest ist und mit Ausbrüchen aus der Bohrungswand gerechnet werden muss. Die verwendeten Vortreibrohre haben Wanddicken von ca. 4 cm und Einzellängen von 3 bis 6 m. Am unteren Rand des zuerst niedergebrachten Rohres befindet sich eine Bohrkrone aus gehärtetem Sonderstahl. Ist die Mantelreibung am Vortreibrohr wegen der besonderen Baugrundverhältnisse oder eines großen Horizontalspannungszustandes als sehr groß zu erwarten, so dass hohe Drücke erforderlich sind, um die Rohre einzutreiben, ist es zweckmäßig, mit einem Schneidkranzüberstand am unteren Ende der Verrohrung zu arbeiten. Dieser bewirkt, dass ein Ringraum um das Vortreibrohr entsteht, der bei bindigen Böden weitgehend offen stehen bleibt. Bei rolligem Boden wird er sich mit lockerem Material füllen. In beiden Fällen führt der Ringraum zu einer Abminderung der ursprünglich im Boden vorhandenen Horizontalspannung und zu einer Auflockerung des umgebenden Bodens. Dies kann zur Verminderung der Tragfähigkeit des Pfahles führen. Die Mantelreibung zwischen Bohrrohr und Boden wird durch eine Drehbewegung des Bohrrohres vermindert. Die Drehbewegung wird durch zwei Hydraulikzylinder bewirkt, die ihre Hin- und Herbewegung über eine Klemmschelle auf das Bohrrohr übertragen. Zur Überwindung der verbleibenden Mantelreibung und des Spitzenwiderstandes am Bohrrohrschuh dienen neben dem Gewicht der Rohre die Vorschubkräfte von zwei vertikal stehenden Hydraulikzylindern, die ebenfalls über eine Klemmschelle wirken. Die Reaktionskräfte werden von der Verrohrungsanlage aufgenommen. Neben Kompaktbohranlagen haben sich hierbei Bagger mit speziellen Anbaugeräten oder separate Verrohrungsmaschinen bewährt. Neben dem meist kombinierten Eindrehen und Eindrücken von Verrohrungen kommt - insbesondere in nichtbindigen Böden - das Einrütteln zur Anwendung. Die Vorteile liegen in dem günstigen Tragverhalten des Pfahles, das durch die Verdichtung des umliegenden Bodens bewirkt wird, sowie in der hohen Betonqualität. Als weitere Besonderheit sei das Eindrehen der Verrohrung bei so genannten Vor-der-WandPfählen (VDW) genannt (Bild 6.20).

6.3 Bohrpfähle

Bild 6.20

301

Vor-der-Wand-Pfähle [16]

Hierbei erzeugen zwei getrennte Bohrantriebe eine entgegen gesetzte Drehrichtung von Bohrwerkzeug und Verrohrung. b) Ungestütztes Bohren In standfestem Baugrund darf gemäß DIN EN 1536 auch gestützt gebohrt werden. Dabei ist aber der obere Teil der Bohrung zur Führung des Bohrwerkzeuges und wegen des Einflusses des Baubetriebs durch ein Schutzrohr zu sichern. c) Sicherung der Bohrlochwandung durch eine Stützflüssigkeit Gegenüber dem klassischen Verfahren, die Bohrlochwandung während der Herstellung mit einem Stahlrohr zu stützen, gewinnt das Herstellungsverfahren zunehmend an Bedeutung, eine stützende Flüssigkeit zur Sicherung der Wandung bei großen Durchmessern oder bei von der Kreisform abweichenden Querschnitten (Rechteckelemente) zu verwenden (Bild 6.21).

302

Bild 6.21

6 Pfahlgründungen

Mit Flüssigkeit gestütztes Bohrloch (Schlitzwandverfahren) [27]

Für den Aushub kommen hierbei verschiedene Werkzeuge bzw. Verfahren zum Einsatz wie Bohrschnecken, Bohreimer, Bohrgreifer oder Saug- und Lufthebebohrverfahren mit Rollenoder Flügelmeißeln. Die einzelnen Arbeitsabläufe sind: Setzen eines Anfängerrohres als Führung für das Bohrwerkzeug und zur Verhinderung von Bodeneinbrüchen im oberflächennahen Bereich Bodenaushub unter Verwendung einer Stützflüssigkeit (Bentonit-Suspension) Austausch bzw. Homogenisierung der Stützflüssigkeit Einbau der Bewehrung Einbringen des Pfahlbetons im Kontraktorverfahren Steht die Bohrung vor dem Betonieren länger als 10 Stunden nur mit Tonsuspension gefüllt, muss der Filterkuchen im Bereich der Krafteintragungslänge entfernt werden. Falls das nicht möglich ist, muss die Mantelreibung auf 2/3 des sonst gültigen Wertes abgemindert werden. In jedem Fall ist die Bohrlochsohle durch Abloten zu prüfen und sicherzustellen, dass keinerlei Veränderungen durch Nachbruch, Sohleintrieb oder Absetzungserscheinungen eintreten. Die Bohrung ist immer dann durch einen Flüssigkeitsüberdruck zu stützen, wenn nicht standfeste Böden anstehen. Während des gesamten Bohr- und Betoniervorganges darf der Spiegel der Stützflüssigkeit zu keinem Zeitpunkt bis zur Unterkante der Schutzverrohrung bzw. bis zu einer Tiefe von 1,5 m über dem Grundwasserspiegel sinken. Daher ist ein ausreichender Vorrat an Stützflüssigkeit vorzuhalten.

6.3 Bohrpfähle

303

Bohren Beim Herstellen der Bohrlöcher werden folgende Verfahren unterschieden: a) Trockenbohrverfahren - Schlagbohren - Drehbohren b) Spülbohrverfahren - Saugbohrverfahren - Lufthebebohrverfahren zu a) Trockenbohrverfahren Die Trockenbohrverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass kein Zusatz von Wasser oder Spülung in das Bohrloch erfolgt. Beim Schlagbohren wird der Boden mit einem Ein- oder Zweiseilgreifer - auch Schlaggreifer genannt - gelöst und gefördert (Bild ).

Bild 6.22

Schlagbohrverfahren [27]

Die üblichen Bohrdurchmesser liegen bei 600 mm bis 2000 mm, wobei Durchmesser bis 3000 mm möglich sind. Die erreichbare Bohrtiefe beträgt ca. 100 m. Die Bohrungen können bis ca. 5 : 1 geneigt sein [28]. Geeignet ist das Verfahren für alle Lockergesteine, sofern sie nicht mit grobem Geröll, Steinen oder Fels durchsetzt sind. Geringmächtige Felsschichten oder einzelne Steine können gegebenenfalls mit Fallmeißeln durchörtert werden. Eine wesentlich höhere Bohrleistung wird mit Drehbohrgeräten erreicht. Gebohrt wird hierbei mit einer kurzen (Bild 6.23) oder einer langen Schnecke (Bild 6.24). Bei einigen Geräten können mit einem Drehantrieb Bohrschnecke und Verrohrung eingetrieben werden. Insbesondere bei großen Durchmessern und/oder großen Tiefen werden zum Eintreiben der Verrohrung spezielle Verrohrungsmaschinen erforderlich.

304

Bild 6.23

6 Pfahlgründungen

Großdrehbohrgerät mit kurzer Schnecke [29], [30]

Für die Herstellung sogenannter Vor-der-Wand-Pfähle (VDW-Pfähle), bei denen die Herstellung der Pfähle ohne Abstand zu Hauswänden erfolgen kann, wurden Geräte mit zwei getrennten Bohrantrieben, je einer für die Bohrschnecke und die Verrohrung, entwickelt. zu b) Spülbohrverfahren Bei den Spülbohrverfahren wird das Bohrgut durch einen Flüssigkeitsstrom gefördert. Als Flüssigkeit wird Wasser, dem i. Allg. Tonmehl beigemischt wird, oder ein Luft-WasserGemisch verwendet. Bei der Flüssigkeitsspülung muss beachtet werden, dass die Spülung zwei Aufgaben hat. Sie ist Fördermittel für das Bohrgut und Stützflüssigkeit für das Bohrloch. Spülbohrverfahren werden erst ab Tiefen von ca. 30 m wirtschaftlich und werden deshalb bei der Pfahlherstellung nur dann verwendet, wenn bei großen Tiefen die Grenzen der verrohrten Bohrverfahren erreicht sind.

6.3 Bohrpfähle

Bild 6.24

305

Großdrehbohrgerät mit langer Schnecke [27]

Beim Spülbohrverfahren wird eine Spülflüssigkeit in das Bohrloch hineingepumpt. Beim Lufthebebohrverfahren wird der Förderstrom durch Einblasen von Luft bewirkt (Bild 6.25). In beiden Fällen wird das Gemisch aus Spülflüssigkeit und Bohrgut in einen Spülteich eingeleitet, wo sich das Bohrgut absetzt. Die Spülflüssigkeit kann nach der Regeneration mehrmals eingesetzt werden. Das Lösen des Bodens erfolgt durch Rollenmeißel.

Bild 6.25

Spülbohr- und Lufthebebohrverfahren [31]

306

6 Pfahlgründungen

Als besonderer Fall bei der Herstellung von Bohrlöchern sei die Fußverbreiterung erwähnt. Hierbei wird das Bohrrohr mit z. B. mit einem Greifer ausgeräumt und anschließend der Hohlraum durch firmenspezifische Einrichtungen, z. B. durch rotierende, schwenkbare Arme aufgeweitet.

Bild 6.26

Pfahlfußerweiterung bei einem Bohrpfahl [32]

Solche Fußerweiterungen können i. Allg. nur in standfestem Boden hergestellt werden. Die Grenzen des Verhältnisses von Pfahlfuß- zu Pfahlschaftdurchmesser sind in DIN EN 1536 festgelegt [31]. Demnach sind Fußaufweitungen in nichtbindigen Böden bis maximal zum zweifachen, bei bindigen Böden bis maximal zum dreifachen Schaftdurchmesser möglich. Schaftaufweitungen sind bei allen Bodenarten bis maximal zum doppelten Schaftdurchmesser zulässig. Bewehren Der Bewehrungskorb ist so auszusteifen, dass er beim Transport, beim Einbau und beim Betonieren nicht bleibend verformt wird. Die Bewehrung muss vor und nach dem Betonieren am Pfahlkopf auf Abweichungen von der Solllage kontrolliert werden. Falls die erforderliche Betondeckung von 50 bzw. 60 mm nicht bereits durch die Wanddicke der Bohrrohre zustande kommt, sind Abstandhalter anzuordnen. Bei unverrohrten Bohrungen müssen großflächige Abstandhalter verwendet werden, deren Form sicherstellt, dass beim Einhängen der Bewehrung in die Bohrung kein Nachbruch aus der Bohrlochwand verursacht wird. Am unteren Ende des Bewehrungskorbes ist der Einbau eines Kreuzes aus Flachstahl erforderlich, um sicherzustellen, dass der Bewehrungskorb beim Betonieren und beim Ziehen des Bohrrohres in seiner planmäßigen Lage verbleibt und vor allem nicht angehoben wird. Bei einigen Verfahren der Bohrpfahlherstellung wird der Bewehrungskorb erst nachträglich, d. h. unmittelbar nach dem Betonieren, in den fertigen Beton eingebracht, wobei eine leichte Unterstützung durch Vibration möglich ist. Hierbei muss allerdings die Betonüberdeckung und die planmäßige Lage der Bewehrung garantiert sein.

6.3 Bohrpfähle

307

Betonieren Die Pfähle sind unmittelbar nach Abschluss des Bohrvorganges, Säubern der Bohrlochsohle und dem Einsetzen des Bewehrungskorbes zu betonieren. Beim Betoniervorgang muss beachtet werden, dass der Beton in der vorgesehenen Zusammensetzung und Konsistenz bis zur Bohrlochsohle gelangt der Beton sich nicht entmischt oder verunreinigt wird die Betonsäule weder unterbrochen noch eingeschnürt wird. Im Allgemeinen wird mit Schüttrohren, Pumprohren oder Schläuchen betoniert, die zu Beginn bis zur Bohrlochsohle reichen und während des Betonierens stets in den Frischbeton eintauchen müssen. Im Grundwasser bzw. in einer Tonsuspension muss der Beton im Kontraktorverfahren eingebracht werden, wobei das Kontraktorrohre mindestens 1,5 m, bei Bohrpfählen mit Durchmessern ≥ 1,2 m mindestens 2,5 m, in den Beton eintauchen soll. Das Ziehen der Verrohrung darf erst begonnen werden, wenn die Betonsäule in der Verrohrung ausreichend hoch und genügend Überdruck vorhanden ist, damit die Betonsäule nicht abreißt und gegebenenfalls keine Stützflüssigkeit in das Betonierrohr eindringt. In weichen Böden (cu < 15 kN/m²) kann es nötig sein, den frischen Beton in einem Teilbereich oder auf ganzer Pfahllänge durch verlorene Hülsen oder verbleibende Ummantelung oder Verrohrungen einzufassen. Hülsen (in der Regel dünne Blechrohre, die in das Bohrloch eingesetzt werden) werden auch zum Schutz des frischen Betons gegen betonschädliche Wässer sowie zur Verminderung einer eventuell vorhandenen negativen Mantelreibung verwendet. Bohrpfähle sind zügig ohne Unterbrechung zu betonieren. Um bei kürzeren (z. T. nicht vorhersehbaren) Unterbrechungen nachteilige Einwirkungen auszuschließen, sollen Erstarrungsverzögerer als Zusatzmittel eingesetzt werden. Bei Bohrpfählen mit Fußverbreiterung muss immer ausreichend Frischbeton vorhanden sein, so dass der Fuß bis in den Schaft hinein ohne Arbeitspause betoniert werden kann. Ziehen der Bohrrohre Im allgemeinen erfolgt das Ziehen der Bohrrohre mit den gleichen Geräten, mit denen die Rohre auch abgeteuft wurden. Es ist stets darauf zu achten, dass die Betonsäule weder abreißt noch eingeschnürt wird. Die Frischbetonsäule muss so hoch in das Bohrrohr hinaufreichen, dass ein ausreichender Überdruck des Betons gegen das Grundwasser und den seitlich nachdrückenden Boden vorhanden ist.

308

6 Pfahlgründungen

Eine Besonderheit ist das Ziehen der Bohrrohre mit Druckluftunterstützung. So kann bei manchen Verfahren das Ziehen nicht mechanisch ausgeführt werden, da entsprechende Geräte nicht vorhanden sind. Es wird dann das Pressbetonverfahren angewendet. Mantel- und Fußverpressung Die meisten Pfahlgründungen werden nicht nach dem Grenzzustand der Tragfähigkeit, sondern nach den für das Bauwerk verträglichen Setzungen bemessen. Die Gebrauchslasten der Pfähle können daher vergrößert werden, wenn es gelingt, die Setzungen zu reduzieren. Dieses Ziel kann auf zwei Wegen erreicht werden, die entweder einzeln beschritten oder miteinander kombiniert werden können: a) Eine Vorbelastung des Untergrundes im Pfahlfußbereich Diese Vorbelastungen können mit dehnbaren Druckblasen oder mit starren Zylindern, in denen Kolben bewegt werden (so genannte Drucktöpfe), erzeugt werden. Die Druckblasen werden zusammen mit dem Bewehrungskorb in die Bohrung eingebaut und nach dem Betonieren der Pfähle durch Einpumpen von Zementsuspension auseinander gepresst. Die Fußunterpressung wird spätestens dann abgebrochen, wenn der Pfahlkopf Hebungen im Millimeterbereich aufweist. Anstatt Druckblasen oder Drucktöpfe werden auch ManschettenRohre zum Verpressen von Zementsuspension im Fußbereich eingesetzt (Bild ). b) Erhöhung der Mantelreibung am Pfahlschaft Da die Größe der am Pfahlschaft aktivierbaren Reibungskräfte vom Anpressdruck zwischen Beton und Boden sowie der Rauigkeit des Pfahlmantels abhängt, können durch gezieltes Nachverpressen höhere Mantelreibungskräfte erzeugt werden. Hierbei werden Nachverpresssysteme ohne und mit Spülmöglichkeit unterschieden. Das einfachste Nachverpresssystem ohne Spülmöglichkeit ermöglicht nur eine einmalige Nachverpressung. Es besteht aus dünnen Kunststoff- oder Stahlrohren mit einem oder mehreren Nachpressventilen (Bild ). Der wesentliche Nachteil des Systems besteht darin, dass beim Verpressen alle Ventile gleichzeitig mit demselben Druck beansprucht werden und sich dabei häufig nur wenige Ventile öffnen. Die Nachverpressung ist nicht gezielt kontrollierbar. Ist eine gezielte Nachverpressung erforderlich, werden Verpresssysteme mit Spülmöglichkeit eingesetzt. Hierzu werden Manschettenrohre mit einem oder mehreren Nachverpressventilen verwendet. Beim Einsatz von Verpressrohren mit nur einem Nachverpressventil sind zur gezielten Nachverpressung unterschiedlich lange, mit der Tiefe gestaffelte Rohre erforderlich. Die Kunststoffrohre haben Durchmesser von 20 mm bis 30 mm und können mit noch dünneren Spülschläuchen befahren werden.

6.3 Bohrpfähle

Bild 6.27

309

Beispiele für Schaft- und Fußverpressung [31]

Werden Manschettenrohre mit mehreren Nachverpressventilen eingesetzt, so wird jedes einzelne Ventil über einen Doppelpacker durch das Manschettenrohr angefahren und getrennt beaufschlagt. Der Abstand der Manschetten auf dem Manschettenrohr liegt bei ca. 30 bis 50 cm. Die Rohre haben Durchmesser von 30 mm bis 60 mm, damit der Doppelpacker darin auf und ab bewegt werden kann. Nach dem Betonieren des Pfahles sind sofort alle Verpressrohre klar zu spülen, nach ca. 12 bis 24 Stunden mit Wasser aufzusprengen und anschließend mit Injektionsgut zu beaufschlagen. Der Injektionsdruck liegt bei 10 bis 50 bar. Wird der gewünschte Druckaufbau nicht beim ersten Verpressvorgang erreicht, sind weitere Verpressvorgänge erforderlich. Die gezielte Mantelverpressung ist ständig zu überwachen. Zu kontrollieren sind insbesondere die Mischung des Injektionsgutes, der Verpressdruck und die Verpressmengen.

6.3.3.3 Die wichtigsten Stoffe und Materialien Die wichtigsten Eigenschaften und Empfehlungen zu Beton und Bewehrungsmaterialien sind dem Abschnitt 4.8.3.3 zu entnehmen.

310

6 Pfahlgründungen

Werden Bohrpfähle unverrohrt hergestellt, wird eine eventuell erforderliche Stützung der Bohrlochwandung durch eine Ton-Suspension erreicht. Die Anforderungen an Stützsuspensionen sind in DIN EN 1536 und DIN EN 1538 festgelegt. Als Ton wird meistens Bentonit verwendet, der seinen Namen nach seinem ersten Fundort in der Nähe von Fort Benton im US-Staat Wyoming hat. Hauptbestandteil und maßgebend für die mechanischen Eigenschaften ist das Dreischichtenmineral Montmorillonit, das nach einer Lagerstätte Montmorillon in Südfrankreich benannt wurde. Neben Montmorillonit, das stark quellfähig ist, enthält Bentonit noch Quarz, Glimmer, Feldspat, Kaolinit und Illit als Begleitminerale. Alle Bentonite kommen feingemahlen als Bentonitmehl in den Handel. Bentonite kosten je nach Qualität und Transportweg zur Baustelle 130 bis 200 /t. Bei den üblichen Konzentrationen von ca. 40 bis 50 kg Bentonit je m3 Stützflüssigkeit müssen demnach ca. 5 bis 10 Materialkosten pro Kubikmeter Suspension für den Bentonit aufgewendet werden. Bei der Herstellung suspensionsgestützter Bohrpfähle sind folgende Eigenschaften stützender Flüssigkeiten von Bedeutung: Scherfestigkeit Stützflüssigkeiten unterscheiden sich durch ihre Scherfestigkeit von echten (newtonschen) Flüssigkeiten. Die Scherfestigkeit von Bentonit-Suspensionen liegt zwischen 0 und 150 N/m2 und bestimmt die Stützwirkung und das Eindringverhalten. Fließverhalten Das Fließverhalten der Suspension beeinflusst die Verarbeitbarkeit, die Verdrängbarkeit durch den Beton, die Pumpbarkeit und das Eindringverhalten. Während aus Gründen der Standsicherheit der Bohrlochwandung möglichst hohe Scherfestigkeiten gefordert werden, sollen die Suspensionen aus Gründen der Verarbeitbarkeit möglichst dünnflüssig sein. Filtrationsverhalten Das Filtrationsverhalten beeinflusst die Stabilität der Suspension und das Eindringverhalten. Dichte Die Dichte bestimmt die Größe des hydrostatischen Drucks und die Verdrängbarkeit durch den Beton. Die Dichten üblicher Suspensionen liegen bei 1,03 bis 1,05 t/m³. Durch Verunreinigung während des Aushubs kann die Dichte bis auf ca. 1,3 t/m³ ansteigen. Die Stützwirkung der Suspension lässt sich für feinkörnige und grobkörnige Böden wie folgt erklären: Bei feinkörnigen Böden (d10 < 0,2 mm) kann davon ausgegangen werden, dass keine Bentonit-Suspension in den Boden eindringt. An der Grenzfläche Boden/Suspension kommt es durch den Druckunterschied zwischen der Suspension und dem Porenraum des Bodens zur teilweisen Trennung der festen und der flüssigen Suspensionsphasen (Filtration). Die Tonpartikel werden an der Erdwand abgefiltert. Das Filtrat fließt in den Boden ab. Der sich bil-

6.3 Bohrpfähle

311

dende äußere Filterkuchen wirkt als Membran, auf die der hydrostatische Stützdruck der Suspension wirkt. Er wird durch die Membran voll auf die zu stützende Erdwand übertragen. Bei grobkörnigen Böden sind die Tonteilchen der Suspension wegen der Größe der Poren des Bodens nicht in der Lage, die Poren durch Brückenbildung zu schließen. Die Suspension dringt in den Boden ein, wobei dieser Eindringvorgang nach einer bestimmten Strecke zur Ruhe kommt. Er stagniert, wenn der Suspensionsdruck auf das Korngerüst übertragen ist (Bild 4.60). Dieser Vorgang beruht auf der Fähigkeit der Bentonit-Suspension, Schubspannungen übernehmen zu können. Der hydrostatische Stützdruck wird hierbei innerhalb des zu stützenden Erdkörpers und in dem sich bildenden Filterkuchen abgebaut. Die Membranwirkung des Filterkuchens wird bei der Berechnung der Stützwirkung vernachlässigt, da sie beim Anschneiden des Bodens noch nicht vorhanden ist, sondern sich erst mit dem Eindringen der Suspension aufbaut. Die Eigenschaften der Bentonit-Suspension werden im Wesentlichen von Temperatur und Chemismus des Wassers, Art des Bentonits, Energie und Dauer des Mischverfahrens sowie von physikalischen Eigenschaften der Suspension und chemischen Additiven beeinflusst. Die Stützflüssigkeit wird auf der Baustelle aus Bentonitmehl und Leitungswasser hergestellt. Der Mischvorgang wird entweder in einem Chargenmischer diskontinuierlich oder in einer Mischanlage kontinuierlich ausgeführt. Die Art des Mischens beeinflusst den anschließend ablaufenden Quellvorgang. Die üblichen Quellzeiten betragen zwischen zwei und vier Stunden. Beim Einsatz im Bohrloch wird die Bentonit-Suspension durch das Aushubmaterial verunreinigt. Während des Betonierens wird die verunreinigte Suspension abgepumpt. Da die Beseitigung der gebrauchten Suspension häufig Schwierigkeiten bereitet, wird eine möglichst häufige Wiederverwendung der Suspension angestrebt. Hierzu sind spezielle Regenerierungsanlagen erforderlich. Zwar ist Bentonit ein Naturprodukt, so dass beim Ablagern der Suspension keine Beeinträchtigung des Grundwassers befürchtet werden muss, aber das Material verbleibt auf den Deponien für lange Zeit in flüssiger bis breiiger Konsistenz, wodurch die Standfestigkeit des Deponiekörpers beeinträchtigt wird. Neben grundsätzlichen Eignungsversuchen der verwendeten Tone sind ständig Baustellenkontrollen (Übersicht in DIN EN 1536) zur Überprüfung der Fließgrenze mit dem Pendelgerät der Sedimentation mit dem Standzylinder der Filtratwasserabgabe mit dem Filterabpressversuch der Wichte der Suspension mit der Spülungswaage der relativen Viskosität mit dem Marshtrichter erforderlich.

312

6 Pfahlgründungen

6.3.3.4 Der Personalbedarf Eine Bohrmannschaft setzt sich meist aus einem mitarbeitenden Polier und 3 weiteren Arbeitskräften zusammen: 1 Bohrmeister (Polier) 1 Geräteführer 2 Bohrhelfer Der Bauleiter ist nur bei sehr komplexen Baustellen permanent vor Ort. Ansonsten betreut er meist 3 bis 4 Baustellen gleichzeitig. Der Polier arbeitet mit und unterstützt den Bauleiter. Er koordiniert die Arbeitsabläufe der Baustelle und wickelt die schriftlichen Verwaltungsarbeiten ab. Er hat meist den klassischen Berufsweg durchlaufen und verfügt über fachliche Kompetenz und die nötige Erfahrung. Die Geräteführer benötigen keine spezielle Berufausbildung. Sie können von Fachpersonal angelernt werden, müssen aber auf der Baustelle bestehen und die erforderlich technische Fingerfertigkeit im Umgang mit den oft teuren Spezialgeräten aufweisen. Bei größeren Projekten ist meist noch ein Schlosser vor Ort. Ansonsten werden die Reparaturarbeiten an den Geräten auf dem Bauhof erledigt.

6.3.3.5 Informationen zur Kalkulation Für die Herstellung von Bohrpfählen können keine generellen Aufwandswerte genannt werden, zu variantenreich sind die einzelnen Ausführungen und zu unterschiedlich sind die zutreffenden Bodenverhältnisse. Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Zeitansätze gelten gewichtige Teilprozesse bei der Herstellung eines Großbohrpfahls, C 20/25, ∅ 120 cm, Bodenklasse LN DIN 18 301, verrohrt.

6.3 Bohrpfähle

313

Tabelle 6.14 Betriebsmitteleinsatz Teilprozess

Gerät


Personaleinsatz

Kalkulatorische Leistungswerte Praxis

(1) Ansetzen und Ausrichten der Verrohrungsmaschine, Einsetzen des 1. Bohrrohres

II.

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Drehbohranlage

K.1.00.

2 Bohrhelfer

Raupenfahrzeug

K.4.02. AA

Kraftdrehkopf

K.1.01.

Verrohrungsmaschine

K.4.01.

Bohrrohr, doppelw.

K.6.0*.

(2) Bodenaushub Ausstattung wie II.(a) im GreiferBohrschnecke bohrverfahren und gleichzeitiges Nachsetzen der Bohrrohre (3) Eventualleistung Beseitigen von Hindernissen beim Aushub

III.

IV.

V.

2 Bohrhelfer 5 10 m/h

1 Geräteführer K.6.22.

2 Bohrhelfer 1 h/m

K.8.

(4) Reinigung der Raupenfahrzeug Bohrlochsohle (1) Einbau der Bewehrung

1 Geräteführer K.7.00.

Ausstattung wie II.(a) Bohrmeißel

10-15 min

Trägergerät

K.4.02. AA

1 Geräteführer 30 min

D.0.../D.1....

Drehbohranlage

1 Geräteführer 2 Bohrhelfer

K.1.00.

(bei Stößen > 1 h)

(1) Einlassen des Betonschüttrohres

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Drehbohranlage

K.1.00.

2 Bohrhelfer

(2) Betonieren (bei Grundwasser im Kontraktorverfahren) unter oszillierendem Ziehen der Bohrrohre

Trägergerat

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Drehbohranlage

K.1.00.

2 Bohrhelfer

Kraftdrehkopf

K.1.01.

Verrohrungsmaschine

K.4.01.

Unterwasserbetoniereinrichtung

2530- (BGL 91)

(1) Freilegen und Schraubenkompressor, fahrbar Kappen des Pfahlkopfes Abbau- und Spatenhammer

15 30 min

20 30 min

12 m/h

2 Helfer Q.0.0. Q.6.01.

30 - 60min

314

6 Pfahlgründungen

Tabelle 6.15 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten für das Herstellen eines Bohrpfahls im Greiferverfahren Tätigkeit

Tätigkeits- und Rüstzeiten (Drehbohranlage) 10 15 min

Bohrvorgang

Umsetzen und Ausrichten der Bohranlage

Bohrfortschritt - Bohrloch für Pfähle Ø 70 cm Bodenklasse LN DIN 18 301

10 - 14 m/h

Felsklasse FZ 2 DIN 18 301

3 m/h Bohrfortschritt - Bohrloch für Pfähle Ø 180 cm

Bodenklasse LN DIN 18 301

8 - 10 m/h

Felsklasse FZ 2 DIN 18 301

3 m/h

Sonstiges


1 - 2 Tag(e)

Anlaufzeit am Morgen bzw. Abbauzeit am Abend Geräteausfall / -wartung

30 min pro Tag 2 3 Stunden in der Woche


1 2 Tag(e)

6.3.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Grundlagen zur mangelfreien, sach- und vertragsgerechten Ausführung von Bohrpfählen sind in der VOB/C DIN 18 301-"Bohrarbeiten" geregelt. Sie enthält unter anderem Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung. Diese Hinweise werden zwar nicht Bestandteil eines VOB-Vertrages, geben aber sinnvolle Anhaltspunkte zum Inhalt der Leistungsbeschreibung. Nachfolgend seien nur die wichtigsten aufgeführt: Angaben zu Baustellenbegebenheiten und Umwelteinflüssen Belastbarkeit der Vorfluter für Spülwasser inklusive Auflagen und Gebühren Angaben zu Nachbarbebauungen Beschreibung von Boden und Fels Informationen zu vorhandenen Aufschlussbohrungen wie Bodenprofile usw. Anzahl, Art sowie Verwendung der Bohrlöcher

6.4 Vollverdrängungsbohrpfähle

315

6.4 Vollverdrängungsbohrpfähle 6.4.1 Das Bauverfahren im Überblick Bei der Herstellung verschiedener Pfahltypen wird Boden verdrängt. So wird z. B. beim Einrammen eines Fertigpfahles der Boden in unmittelbarer Umgebung der Pfahlspitze zur Seite und auch zur Tiefe hin verschoben. Nach Abschluss der Rammarbeiten ist durch die Bodenverdrängung ein erheblich gestörter Zustand vorhanden, der bodenmechanisch nur schwer erfasst werden kann. Beim Ortbetonrammpfahl (Abschn. 6.6) werden während der Rammarbeit ähnliche Zustände auftreten. Beim Ziehen des Vortreibrohres wird der Horizontalspannungszustand am Mantel jedoch vom Frischbetondruck geprägt. Bei der Ausbildung eines Pfahlfußes durch Ausrammen des Pfropfenbetons wird der Boden in der Umgebung, insbesondere unter dem Fuß, verdichtet. Da beim Teilverdrängungsbohrpfahl (Abschn. 6.5) wie auch beim Vollverdrängungsbohrpfahl die dynamische Beanspruchung des Untergrundes durch das Bohren erheblich geringer ist als bei einem gerammten Pfahl, wird die Verdichtung des Bodens im Bereich des Pfahlschaftes geringer sein und nicht so weit in die Umgebung reichen. Der Horizontalspannungszustand wird auch bei diesen Pfahlsystemen durch den Frischbetondruck geprägt [14]. Gemeinsam ist allen Verdrängungspfählen, dass es beim Einbringen der Pfähle bzw. der Bohrschnecke oder des Schneidkopfes zu einer Verdichtung des anstehenden Bodens kommt, die die Mantelreibung erhöht. Da die Herstellung von Verdrängungspfählen als Rammpfähle in bebauten Gebieten wegen der damit verbundenen Geräusche und Erschütterungen immer seltener zugelassen wird, führte dies zum vermehrten Einsatz von klassischen Bohrpfählen und Teilverdrängungsbohrpfählen mit durchgehender Bohrschnecke. Da beim Teilverdrängungsverfahren vergleichsweise viel Bohrgut gefördert wird, wurden die so genannten Vollverdrängungspfähle entwickelt.

6.4.2 Technische Grundlagen Der Vollverdrängungsbohrpfahl (z. B. Atlas-Pfahl) wird auf der Basis der DIN 1054 und DIN EN 12 699 bemessen und hergestellt. Bei Vollverdrängungsbohrpfählen wird ein unten verschlossenes Rohr in den Boden eingedreht. Am Fuß des Rohres befindet sich ein Schneidkopf bzw. eine Bohrschnecke, die eine wulstförmige Oberfläche des fertigen Pfahles bewirkt. Das seitlich verdrängte Material übt einen Druck auf den umgebenden Boden aus, so dass dort eine Spannungserhöhung in horizontaler Richtung eintritt. Bei nichtbindigen Böden führt die Spannungserhöhung zu einer Verdichtung.

316

6 Pfahlgründungen

Bei nicht wassergesättigten bindigen Böden ist zu erwarten, dass ebenfalls eine Verdichtung eintritt. Bei wassergesättigten bindigen Böden wird insbesondere der Porenwasserdruck ansteigen und das Bodenmaterial in einem größeren Umfeld unter einem erhöhten Spannungszustand stehen. Nach dem Erreichen der erforderlichen Bohrtiefe wird der Bewehrungskorb eingesetzt und das Bohrrohr mit plastischem Beton gefüllt. Beim Herausschrauben bzw. Ziehen des Bohrrohres fließt der Beton in die von der Bohrschnecke freigegebenen Windungen, so dass eine wulstförmige Oberfläche entsteht.

6.4.3 Das Bauverfahren 6.4.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die Herstellung eines Vollverdrängungsbohrpfahles besteht aus verschiedenen Prozessen bzw. Teilprozessen. In der nachfolgenden Tabelle wird der Arbeitsprozess zur Herstellung eines Vollverdrängungsbohrpfahles am Beispiel des Atlas-Pfahles dargestellt.

Bild 6.28

Pfahlabmessungen und ausgegrabener Atlaspfahl [33]


317

Tabelle 6.16 Prozesse der Herstellung von Vollverdrängungsbohrpfählen, Typ Atlas Prozesse I.



Geräte Raupe

(2) Einmessen und Abstecken der Radlader Bohrung, Sicherung der GPS, Theodolit Pfahlachsen durch Festpunkte II. Abteufen der Bohrung

(1) Ansetzen und Ausrichten des Atlas-Gerätes

Trägergerät

(2) Unterlegen der verlorenen Bohrspitze

Kraftdrehkopf

(3) Einbohren des Scheidkopfes auf erforderliche Tiefe III. Einbauen der Bewehrung

(1) Vorfertigen des Bewehrungskorbes inklusive nötiger Abstandshalter (2) Einbau der Bewehrung

IV. Betonieren des Pfahles


Atlas-Gerät Vollverdränger-Bohrschnecke

Trägergerät Atlas-Gerät

(1) Auffüllen des Bohrrohres mit Beton

Trägergerät

(2) Herausschrauben und Ziehen des Bohrrohres

Kraftdrehkopf




Trägergerät

Atlas-Gerät Vollverdränger-Bohrschnecke

Abbau- und Spatenhammer Atlas-Gerät, Kraftdrehkopf Vollverdränger-Bohrschnecke

VI. Räumen der Baustelle

Radlader, Raupe (1) Reinigung von benutzten Flächen, Entsorgung von Verdrängungsmaterial im Bereich des Pfahlkopfes

6.4.3.2 Die Geräte und Verfahren Die auf dem Markt befindlichen Systeme unterscheiden sich im Wesentlichen: in der Ausbildung des Schneidwerkzeuges im Pfahldurchmesser in der Drehrichtung bei Bohren und Ziehen des Rohres

318

6 Pfahlgründungen

Exemplarisch sind im Folgenden zwei Verfahren näher erläutert: a) Atlaspfahl (Fa. Franki) Der Atlaspfahl (Bild 6.29) wird durch seitliche Verdrängung und Verdichtung des Bodens mit Hilfe eines Stahlrohres, an dem unten ein austauschbarer Schneidkopf von 36 bis 56 cm Durchmesser angebracht ist, hergestellt. Der lichte Innendurchmesser des Schneidkopfes ist identisch mit dem des Bohrrohres, das durch eine verlorene Fußspitze wasserdicht verschlossen ist. Schneidkopf und Rohr werden mit einem Drehbohrantrieb mit gleichzeitig vertikalem Anpressdruck erschütterungsfrei in den Boden geschraubt. Der vertikale Anpressdruck wird durch die Aktivierung des Eigengewichtes des schweren Trägergerätes erreicht. Anpressdruck und Drehmoment können beim Bohren gemessen werden. Beide Größen können zur Kontrolle der Bodenaufschlüsse und zur Überprüfung der Tragfähigkeit der durchfahrenen Bodenschichten herangezogen werden, wie es beim Rammpfahl ähnlich mit dem Eindringmaß bzw. der Anzahl der Schläge pro bestimmter Eindringung erfolgt. Nach Erreichen der Endtiefe wird ein Bewehrungskorb eingesetzt, das Rohr und der Vorratsbehälter mit fließfähigem Beton gefüllt, die Fußspitze durch rückwärtiges Drehen des Rohres vom Schneidkopf gelöst und das Rohr ebenfalls rückwärts herausgedreht.

Bild 6.29

Herstellung eines Atlaspfahles [33]


319

Der Beton füllt hierbei den von dem Schneidkopf geschaffenen Hohlraum durch den hohen statischen Druck der Betonsäule im Rohr und Behälter voll aus, so dass im Boden ein wendelförmiger, ca. 5 cm starker Betonwulst um den Pfahlschaft herum verbleibt. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der erschütterungs- und lärmarmen Herstellung. Der Pfahl ist daher besonders gut geeignet für Gründungen in Wohngebieten, Kurorten, in der Nähe von Krankenhäusern und neben gegen Erschütterungen empfindlichen Gebäuden. Der Mindestabstand der Pfahlachse zu einer vorhandenen Bebauung beträgt 80 cm. Der geringe Zeitaufwand für Auf- und Abbau der Maschine, die schnelle Pfahlherstellung und die hohe Tragfähigkeit machen die Pfähle wirtschaftlich. Die Pfahllängen können problemlos den angetroffenen Baugrundverhältnissen angepasst werden. b) Fundexpfähle Fundexpfähle werden mit Durchmessern von 38 und 52 cm ausgeführt (Bild 6.30).

Bild 6.30

Herstellung eines Fundexpfahles [34]

Sie sind Ortbetonpfähle, die mit wiedergewinnbarem Bohrrohr und verlorener Pfahlspitze erschütterungs- und lärmarm niedergebracht werden. Das Rohr wird mit einer schraubenförmig ausgebildeten gusseisernen Pfahlspitze eingebohrt und verdrängt beim Abteufen den Boden. Nach Erreichen der Endtiefe wird das Rohr gezogen. Das Fundex-Bohrgerät ist - wie das Bohrgerät für den Atlas-Pfahl auch - auf einem Raupenfahrzeug montiert und arbeitet somit als Kompaktanlage. Sie fasst Fahrwerk, Mäkler, den hydraulisch zu betätigenden Bohrtisch und die schallgedämpften Antriebsaggregate zu einer Einheit zusammen. Die wesentlichen Elemente für die Pfahlherstellung sind: Verlorene Schraubspitze Es handelt sich hierbei um eine aus Gusseisen hergestellte Bohrspitze, die gegenüber dem nachlaufenden, wiedergewinnbaren Bohrrohr einen Überstand je nach Pfahldurchmesser bis 6 cm hat. Die Spitze erleichtert das Eindringen und Verdrängen des Bodens.

320

6 Pfahlgründungen

Leistungsfähiger Bohrtisch Der Bohrtisch besorgt das Eindrehen des Rohres. Über den Bohrtisch wird das Bohrrohr arretiert und mit einem Hub von ca. 1,0 m schubweise unter Aktivierung des Eigengewichtes des Trägergerätes eingedreht. Die Vorteile sind mit denen der Atlas-Pfähle vergleichbar.

6.4.3.3 Die wichtigsten Stoffe und Materialien Vollverdrängungsbohrpfähle bestehen aus bewehrtem Beton. Die Anforderungen ergeben sich derzeit aus der DIN EN 12 699, Abschn. 6, in welchem wiederum bezüglich der Baustoffe auf die DIN EN 1536 Bezug genommen wird. So ist als Beton mindestens ein C 20/25 zu verwenden. Kornzusammensetzung, Wassergehalt und Fließfähigkeit müssen wie bei konventionellen Bohrpfählen sein (siehe Kapitel 6.3.3.3). Auch an die Bewehrung und die Ausbildung des Bewehrungskorbes sind vergleichbare Anforderungen wie bei Bohrpfählen zu stellen (siehe Kapitel 6.3.3.3). Die nachfolgenden Kapitel zum Vollverdrängungsbohrpfahl beziehen sich beispielhaft auf den o. g. Atlaspfahl.

6.4.3.4 Der Personalbedarf Das Personal zur Herstellung von Vollverdrängungsbohrpfählen besteht heute in der Regel aus: 1 Bohrmeister bzw. Polier, mitarbeitend 1 Geräteführer 1 Bohrhelfer Der Bauleiter ist nur bei sehr komplexen Baustellen permanent vor Ort. Ansonsten betreut er meist 3 bis 4 Baustellen gleichzeitig.

6.4.3.5 Informationen zur Kalkulation Für die Herstellung von Vollverdrängungsbohrpfählen können keine allgemeingültigen Aufwandswerte genannt werden. Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Zeitansätze für gewichtige Teilherstellungsprozesse, gelten für einen Atlas-Pfahl, Durchmesser 46/56 cm, C 20/25.


321

Tabelle 6.17 Betriebsmitteleinsatz Teilprozesse II.

(1) Ansetzen und Ausrichten des Atlas-Gerätes (2) Unterlegen der verlorenen Bohrspitze

Geräte

Personal-


einsatz

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Atlas-Gerät

K.2.0...

1 Bohrhelfer

Kraftdrehkopf

K.2.01....

VollverdrängerBohrschnecke

K.7.03...

IV.

(2) Einbau der vorgefertigten Bewehrung

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Atlas-Gerät

K.2.0...

1 Bohrhelfer


Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Atlas-Gerät,

K.2.0...

1 Bohrhelfer

(1) Freilegen und Kappen des Pfahlkopfes (2) Umsetzen der Bohreinheit

5 min

0,13h/m

Kraftdrehkopf (2) Herausschrauben und Ziehen Vollverdrängerdes Bohrrohres Bohrschnecke

V.

Praxis

2-5 min

(3) Einbohren des Scheidkopfes auf erforderliche Tiefe III.


K.2.01....

5-10 min

0,025 h/m

K.7.03...


Q.0.0.

Abbau- und Spatenhammer

Q.6.01.

Trägergerät

D.0.../D.1....

Atlas-Gerät

K.2.0...

Kraftdrehkopf

K.2.01....

VollverdrängerBohrschnecke

K.7.03...

2 Helfer

30-60 min

1 Geräteführer

5-10 min

1 Bohrhelfer

6.4.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Grundlagen für eine mangelfreie, sach- und vertragsgerechte Ausführung von Bohrpfählen sind in der VOB/C DIN 18 301-Bohrarbeiten aufgeführt. Die DIN enthält unter anderem Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung, wie z. B. Angaben zu Baustellenbegebenheiten und Umwelteinflüssen Belastbarkeit der Vorfluter für Spülwasser inklusive Auflagen und Gebühren Angaben zu Nachbarbebauungen

322

6 Pfahlgründungen

Beschreibung von Boden und Fels Informationen zu vorhandenen Aufschlussbohrungen wie Bodenprofile usw. Anzahl, Art sowie Verwendung der Bohrlöcher.

6.5 Teilverdrängungsbohrpfähle 6.5.1 Das Bauverfahren im Überblick Bereits in den sechziger Jahren wurden in Holland und Belgien so genannte Schneckenbohrpfähle hergestellt. In Deutschland wurden zum ersten Mal 1974 Bauwerke auf Teilverdrängungsbohrpfählen gegründet. Voraussetzung für diese Entwicklung war die Konstruktion von Bohrgeräten mit hydraulischen Drehköpfen, die ein Drehmoment größer ca. 50 kNm erzeugen können. Teilverdrängungsbohrpfähle sind von mehreren Firmen unter den Bezeichnungen Schnecken-Ortbeton-Pfahl (SOB-Pfahl), Schraubbohrpfahl, Schneckenbohrpfahl, VerdrängungsSchraub-Bohrpfahl oder Verdrängungsbohrpfahl (VB-Pfahl) auf dem Markt eingeführt worden und nunmehr in der DIN 1536 als unverrohrte Bohrpfähle mit kleinem oder großem Seelenrohr aufgeführt.

6.5.2 Technische Grundlagen Der Teilverdrängungsbohrpfahl wird nach DIN 1054 bemessen und nach DIN EN 1536 hergestellt. Teilverdrängungsbohrpfähle werden mit einer durchgehenden Hohlbohrschnecke hergestellt. Die maximale Tiefe beträgt ca. 30 m, der maximale Durchmesser ca. 0,8 m. Einzelne Verfahren erlauben Neigungen bis ca. 5 : 1 (das entspricht etwa einer Neigung von 10° gegen die Lotrechte). In der DIN EN 1536, in der der Pfahltyp unter der Bezeichnung Bohren mit durchgehender Bohrschnecke erläutert ist, wird die Neigung auf ca. 6° (entspricht etwa 10 : 1) begrenzt. Alle Herstellverfahren haben folgende Eigenschaften gemeinsam: Es wird unverrohrt gebohrt. Die Stützung der Bohrlochwandung erfolgt durch die mit Bohrgut gefüllte Schnecke. Vorschub und Drehzahl des Bohrgerätes sind so auf die Baugrundverhältnisse abzustimmen, dass die Bodenförderung minimiert wird. Die Bohrschnecke muss beim Ziehen im gleichen Sinn wie beim Bohren gedreht oder ohne Drehung gezogen werden. Die Herstellzeiten eines Pfahles sind kurz (ca. 50 % der Herstellzeiten eines konventionellen Bohrpfahls).

6.5 Teilverdrängungsbohrpfähle

323

Die Verfahren sind nahezu erschütterungsfrei. Sie sind daher besonders geeignet für die Anwendung in dicht besiedelten Gebieten und in Zonen mit besonderem Ruhebedürfnis wie z. B. in Kurorten oder in der Nähe von Krankenhäusern sowie bei setzungsempfindlicher Nachbarbebauung. Die Tragfähigkeit der Pfähle ist durch die teilweise Verdrängung des Bodens (bis ca. 50 % des Volumens des Bohrloches), die eine Verdichtung bewirkt, höher als bei verrohrten Pfählen. Hinzu kommt, dass der Beton unter Druck eingebracht wird, so dass ein inniger Kontakt zwischen Boden und Pfahlbeton entsteht. Der Betonmehrverbrauch (bezogen auf das Volumen des ausgebohrten Hohlraumes) kann bei bis zu 30 % liegen und ist im Wesentlichen auf das Einbringen des Betons unter Druck zurückzuführen. Die Betonrezeptur muss sorgfältig ausgewählt werden, damit der Beton pumpfähig ist. Bei allen Verfahren muss gewährleistet sein, dass in das Innenrohr der Bohrschnecke beim Bohren weder Wasser noch Boden eindringen kann. Die Machbarkeit des Herstellungsverfahrens ist in gleichförmigen nichtbindigen Böden mit einer Ungleichförmigkeitszahl U ≤ 1,5 unter dem Grundwasserspiegel, in lockeren nichtbindigen Böden mit einer Lagerungsdichte D < 0,3, bei Tonen hoher Empfindlichkeiten und in bindigen Böden mit einer Kohäsion im undränierten Zustand cu ≤ 15 kN/m² gemäß DIN EN 1536 nachzuweisen.

6.5.3 Das Bauverfahren 6.5.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die Herstellung eines Teilverdrängungsbohrpfahles gliedert sich in verschiedene Arbeitsprozesse, bzw. Teilprozesse. In der nachfolgenden Tabelle wird der Arbeitsprozess zur Herstellung eines Teilverdrängungsbohrpfahles zusammenfassend dargestellt.

324

6 Pfahlgründungen

Tabelle 6.18 Prozesse der Herstellung von Teilverdrängungsbohrpfählen Prozesse I.



Geräte Raupe

(2) Einmessen und Abstecken der Radlader Bohrung, Sicherung der GPS, Theodolit Pfahlachsen durch Festpunkte II. Abteufen der Bohrung

(1) Ansetzen und Ausrichten des Bohrgerätes

Trägergerät

(2) Unterlegen der verlorenen Fußplatte

Kraftdrehkopf

(3) Abteufen des Bohrrohres III. Einbauen der Bewehrung


Bohrgerät Teilverdränger-Bohrschnecke Trägergerät Bohrgerät

(2) Einbau der Bewehrung IV. Betonieren des Pfahles


Trägergerät

(2) Ziehen des Bohrrohres

Kraftdrehkopf

Bohrgerät Teilverdränger-Bohrschnecke Betonierkopf



Schraubenkompressor, fahrbar, Abbau- und Spatenhammer


Trägergerät Bohrgerät Kraftdrehkopf Teilverdränger-Bohrschnecke



Radlader, Raupe

6.5.3.2 Die Geräte und Verfahren Grundsätzlich sind zwei Verfahren bei der Herstellung von Teilverdrängungsbohrpfählen zu unterscheiden. Verfahren 1 Die Pfähle werden mit einer Durchlaufschnecke (Durchmesser 400 mm bis 1000 mm), die ein Zentralrohr (Seelenrohr) von 100 mm bis 150 mm beinhaltet, hergestellt (Bild 6.31). Hierbei ist das Verhältnis Di : Da < 0,55 einzuhalten. (Di = Zentralrohrdurchmesser, Da = Bohrschneckendurchmesser).


325

Das Zentralrohr ist am Fuß mit einer verlorenen Spitze verschlossen. Nach Erreichen der Endtiefe, die je nach Baugrundaufbau und eingesetztem Gerät bis ca. 30 m betragen kann, wird durch das Zentralrohr beim Ziehen der Schnecke Beton über eine Betonpumpe eingebracht. Der am Fuß der Bohrschnecke austretende Beton muss dabei unter einem Überdruck stehen, der größer ist als der statische Druck der Betonsäule, und der sicherstellt, dass der beim Ziehen der Bohrschnecke freigegebene Raum sofort mit Frischbeton gefüllt wird. Dies ist deshalb besonders wichtig, weil es sonst zu Bodeneinbrüchen oder Hohlräumen kommen könnte.

Bild 6.31

Herstellen eines Teilverdrängungsbohrpfahles mit kleinem Seelenrohr [31]

Die Ziehgeschwindigkeit der Bohrschnecke muss gering gehalten werden, damit unter der Bohrschnecke nicht wie beim Korkenziehen ein Sog entsteht und die Bohrung lokal einstürzt [11].

326

6 Pfahlgründungen

Häufig erhalten die Pfähle nur eine Kopfbewehrung oder bleiben unbewehrt. Ist aus statischen Gründen eine durchgehende Bewehrung erforderlich, so wird der Bewehrungskorb, der entsprechend steif ausgebildet sein muss, mit Unterstützung durch leichte Vibration unmittelbar nach dem Betonieren in den Frischbeton eingebracht. Dabei müssen die planmäßige Lage der Bewehrung und insbesondere die erforderliche Betonüberdeckung sichergestellt sein. Verfahren 2 Auch bei diesem Verfahren wird eine Durchlaufschnecke verwendet (Durchmesser 420 mm bis 800 mm). Das Zentralrohr hat aber mindestens einen Durchmesser von 300 mm und ermöglicht somit das Einstellen eines Bewehrungskorbes vor dem Betonieren (Bild 6.32). Bei diesem Verfahren ist das Verhältnis Di : Da > 0,55. Die Spitze kann entweder wie bei Verfahren 1 verloren oder durch das Zentralrohr widergewinnbar sein. Auch bei diesem Verfahren wird nach dem Erreichen der Endtiefe und dem Einstellen des Bewehrungskorbes in das trockene Zentralrohr der Beton über eine Betonpumpe eingebracht, wobei stets ein Betonüberdruck vorhanden sein muss, der durch Messungen zu kontrollieren ist.

Bild 6.32

Herstellen eines Teilverdrängungsbohrpfahles mit großem Seelenrohr [35]


327

Im Folgenden sei auf einige Besonderheiten hingewiesen, die bei einigen Pfahltypen zur Anwendung kommen: Mantel- und Fußverpressung: Durch gezielte ein- oder mehrmalige Mantelverpressung kann die Pfahlmantelreibung erheblich gesteigert werden [36]. Durch das Bohren mit der Bohrschnecke wird der umliegende Boden bereits vorverdichtet. Durch das Einpressen von Verpressgut wird zusätzlich ein inniger kraftschlüssiger Verbund zwischen Pfahl und Boden erzielt. Bei nachzuverpressenden Pfählen wird das komplette Nachverpresssystem am Bewehrungskorb befestigt. Die sorgfältige Auswahl und Abstimmung der einzelnen Komponenten des Verpressgutes, die Aufbereitung der Mischung und die Steuerung des Verpressvorganges sind von entscheidender Bedeutung für den Erfolg der Nachverpressung. Wird die Pfahllast überwiegend über die Spitze abgetragen, so kann durch eine Pfahlfußverpressung die Gebrauchslast gesteigert oder für eine bestimmte Gebrauchslast die Setzung verringert werden. Einige Herstellverfahren erlauben die Herstellung eines verbreiterten Fußes.

6.5.3.3 Die wichtigsten Stoffe und Materialien Teilverdrängungsbohrpfähle sind Betonpfähle, die in überwiegendem Maße eine Bewehrung erhalten. Sie sind auf der Basis der DIN 1054 zu bemessen, wobei die Anforderungen der DIN EN 1536 zu beachten sind (siehe Abschn. 3.3).

6.5.3.4 Der Personalbedarf Das Personal zur Herstellung von Teilverdrängungsbohrpfählen setzt sich in der Regel zusammen aus: 1 Bohrmeister bzw. Polier, mitarbeitend 1 Geräteführer 1 Bohrhelfer Der Bauleiter ist nur bei sehr komplexen Baustellen permanent vor Ort. Ansonsten betreut er meist 3 bis 4 Baustellen gleichzeitig.

6.5.3.5 Informationen zur Kalkulation Für die Herstellung von Teilverdrängungsbohrpfählen können keine allgemeingültigen Aufwands-, bzw. Leistungswerte genannt werden. Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Zeitansätze für gewichtige Teilherstellungsprozesse sind als Durchschnittswerte zu verstehen.

328

6 Pfahlgründungen


Geräte


Personaleinsatz

Praxis

(1) Ansetzen und Ausrichten des Großbohrgerätes

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Bohrgerät

K.2....

1 Bohrhelfer

Kraftdrehkopf

K.2.01

(2) Unterlegen der verlorenen Fußplatte

TeilverdrängerBohrschnecke

K.7.02...

IV.

.

V.

0,11h/m

(1) Einbau der Bewehrung

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Bohrgerät

K.2....

1 Bohrhelfer


Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Bohrgerät

K.2....

1 Bohrhelfer

Kraftdrehkopf

K.2.01

TeilverdrängerBohrschnecke

K.7.02...

Betonierkopf

K.2.01.0


Schraubenkompressor, fahrbar, Abbauund Spatenhammer

Q.0.0.


Trägergerät

(2) Ziehen des Bohrrohres

5 min

2-5 min

(3) Abteufen des Bohrrohres III.


Bohrgerät Kraftdrehkopf TeilverdrängerBohrschnecke

10-15 min

0,025 h/m

2 Helfer

30-60 min

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

5-10 min

K.2....

1 Bohrhelfer

Q.6.01.

K.2.01 K.7.02...

6.5.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Grundlagen für eine mangelfreie, sach- und vertragsgerechte Ausführung von Bohrpfählen sind in der VOB/C DIN 18 301-"Bohrarbeiten" aufgeführt. Die DIN enthält unter anderem Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung, wie z. B. Angaben zu Baustellenbegebenheiten und Umwelteinflüssen Belastbarkeit der Vorfluter für Spülwasser inklusive Auflagen und Gebühren Angaben zu Nachbarbebauungen Beschreibung von Boden und Fels

6.6 Ortbetonrammpfähle

329

Informationen zu vorhandenen Aufschlussbohrungen wie Bodenprofile usw. Anzahl, Art sowie Verwendung der Bohrlöcher.

6.6 Ortbetonrammpfähle 6.6.1 Das Bauverfahren im Überblick Ortbetonrammpfähle (früher: Ortbetonverdrängungspfähle) gehören gemäß DIN EN 12699 zu den Spezialpfählen innerhalb der Gruppe der Verdrängungspfähle. Sie werden mit Hilfe eines unten verschlossenen Vortreibrohres hergestellt. Zu den bekanntesten Pfahltypen zählen der Simplex-Pfahl, der erstmals 1905 in Deutschland hergestellt wurde, nachdem er bereits 1903 ein US-Patent erhalten hatte [37], und der FrankiPfahl, der 1908 in Belgien zum Patent angemeldet und seit 1932 in Deutschland eingeführt wurde.

6.6.2 Technische Grundlagen Ortbetonrammpfähle werden auf der Basis der DIN 1054 bemessen und der DIN EN 12 699 hergestellt. Bei der Herstellung von Ortbetonrammpfählen wird ein verschlossenes Vortreibrohr eingerammt. Je nach Verfahren erfolgt die Rammung auf dem Kopf oder im Innern des Rohres. Beim Abteufen des Vortreibrohres wird der Boden verdrängt, und es baut sich im Mantelbereich ein erhöhter Horizontalspannungszustand auf, der die Mantelreibung vergrößert. Zum Teil wird dieser erhöhte Horizontalspannungszustand allerdings beim Ziehen der Verrohrung wieder abgebaut [14]. Nach Erreichen der Endtiefe werden bei den meisten Verfahren eine Bodenverdichtung im Fußbereich und eine Fußverbreiterung ausgeführt, um die Tragfähigkeit der Pfähle zu erhöhen und die Setzungen zu vermindern. Die Pfahltragfähigkeiten können hierdurch um bis zu 50 % vergrößert werden.

6.6.3 Das Bauverfahren 6.6.3.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Die Prozesse zur Herstellung von Ortbetonrammpfählen werden in der nachfolgenden Tabelle am Beispiel des Frankipfahles zusammenfassend dargestellt.

330

6 Pfahlgründungen

Tabelle 6.20 Prozesse der Herstellung von Ortbetonverdrängungspfählen, Typ Franki Prozesse I.



Geräte Raupe

(2) Einmessen und Abstecken des Radlader Pfahlansatzpunktes, Sicherung GPS, Theodolit der Pfahlachsen durch Festpunkte II. Abteufen des Pfahles

(1) Ansetzen und Ausrichten der Franki-Ramme

Trägergerät

(2) Pfropfenbeton einfüllen und anstampfen

Freifallbär

Franki-Ramme

(3) Abteufen des Rammrohres mit Innenrohrrammung und Freifallbär (4) Herstellen des Pfahlfußes durch Ausrammen des Pfropfenbetons III. Einbauen der Bewehrung


Trägergerät Franki-Ramme

(2) Einbau der Bewehrung IV. Betonieren des Pfahles

(1) Auffüllen des Vortreibrohres mit Beton

Trägergerät Franki-Ramme

(2) Ziehen des Vortreibrohres V. Nach- bzw. zusätzliche Arbeiten



(2) Umsetzen der Rammeinheit

Trägergerät

Abbau- und Spatenhammer Franki-Ramme, Freifallbär



Radlader, Raupe

6.6.3.2 Die Geräte und Verfahren Verdrängungspfähle werden in der Baupraxis nach verschiedenen Verfahren hergestellt. Im Folgenden seien exemplarisch drei Verfahren näher erläutert: a) Franki-Pfahl Beim Franki-Pfahl wird das stählerne Vortreibrohr durch eine Innenrammung abgeteuft, wobei das Rohr unten durch einen Betonpfropfen wasserdicht verschlossen ist. (Bild 6.33) Der Durchmesser der Vortreibrohre liegt zwischen 420 mm und 610 mm.


331

Die Fallhöhe des ca. 2,0 bis 4,5 t schweren Fallbären beträgt ca. 6 bis 7 m. Beim Abteufen des Vortreibrohres fällt der Rammär stets frei auf den Pfropfenbeton, der sich im Vortreibrohr verspannt und dieses mit hinunterzieht. Nach Erreichen der Endtiefe wird das Vortreibrohr festgehalten und der Fuß ausgestampft. Nach Einstellen des Bewehrungskorbes wird fließfähiger Beton eingefüllt. Da das Vortreibrohr durch die verschlossene Spitze oder den Betonpfropfen immer trocken ist, ist es gängige Praxis, ohne Schüttrohr zu betonieren [2]. Während des Betonierens wird das Vortreibrohr gezogen, so dass ein rauer Pfahlschaft entsteht. Alternativ kann anstelle des Betonpfropfens auch eine Herstellung mit einer Kiesvorverdichtung erfolgen. Die Pfähle können auch bis zu 4 : 1 geneigt hergestellt werden. Franki-Rammen sind in eigenen Werkstätten entwickelte Spezial-Geräte von besonders robuster Bauart, die durch Elektromotore (Stahlrohrpfähle) oder schallgeschützte Dieselmotore (Frankipfähle) angetrieben werden. Die Fortbewegung erfolgt i. d. R. durch ein hydraulisch angetriebenes Schreitwerk, dadurch gibt es keine Beschädigungen des Arbeitplanums. Mit Mäklerkonstruktionen, die eine Nutzhöhe bis zu 23 m haben können, lassen sich Pfähle bis zu 30 m Länge herstellen. Die Bemessung und die Herstellung von Frankipfählen erfolgt nach DIN 1054 und DIN EN 12 699.

Bild 6.33

Herstellung eines Franki-Pfahles [39]

332

6 Pfahlgründungen

Als Besonderheit sei hier erwähnt, dass nach dem gleichen Verfahren Stahlrohrpfähle hergestellt werden können, wobei der Stahlrohrpfahl in Rohrschüssen vorwiegend durch Innenrammung mit einem Freifallbär geringer Abmessung emissionsarm in den Baugrund getrieben wird (Bild 6.34).

Bild 6.34

Herstellung eines Stahlrohrpfahles [38]

Stahlrohrpfähle können mit kleinen Spezialgeräten hergestellt werden, die den Einsatz unter beschränkten Platzverhältnissen ermöglichen. Bei beschränkter Arbeitshöhe wird der Pfahl aus mehreren aufeinander geschweißten Rohrschüssen hergestellt. Nach Erreichen der erforderlichen Tiefe kann der Pfahl sofort belastet werden, da die Rohre im Boden verbleiben. Falls es statisch erforderlich ist, kann das Rohr auch ausbetoniert werden. b) Simplex-Pfahl Beim Simplex-Pfahl wird das dickwandige, stählerne Vortreibrohr durch Kopframmung in den Boden geschlagen (Bild 6.35). Das Rohr ist unten durch eine lösbare Stahlspitze (Fußplatte) wasserdicht verschlossen. Nach dem Erreichen der erforderlichen Rammtiefe wird der vorgefertigte Bewehrungskorb eingehängt und der Beton in das trockene Rohr eingebracht. Das Rohr wird entweder durch Außenrüttler auf der hydraulischen Ziehvorrichtung oder mit Hilfe von Vibrationsrüttlern gezogen, während gleichzeitig der Beton eingebracht und verdichtet wird. Die Fußplatte, die als Pfahlfuß dient, verbleibt im Boden. Die Rammrohre haben Durchmesser von 34 bis 72 cm.


Bild 6.35

333

Herstellung eines Simplex-Pfahles [37]

Auch beim Simplex-Pfahl sind Fußausrammungen möglich. Simplex-Pfähle können ebenfalls geneigt hergestellt werden. c) Ortbetonrammpfahl Zeissl-Mast Das Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vortreibrohr mit einer Klappe verschlossen ist. Nachdem das Rohr durch Kopframmung bis zur vorgesehenen Tiefe eingeschlagen wurde, wird Beton eingefüllt. Das Rohr wird anschließend angezogen, wobei sich die Klappe öffnet und der Beton austritt. Mit der danach wieder geschlossenen Klappe wird der Fuß ausgestampft. Nach Einstellen des Bewehrungskorbes wird der Schaftbeton eingebracht, der durch Vibrieren des Rohres, durch leichte Rammschläge oder durch Innenrüttler verdichtet wird. Dabei wird gleichzeitig das Rohr gezogen. Die Schaftdurchmesser liegen zwischen 40 und 70 cm. Pfähle lassen sich mit diesem Verfahren bis zu etwa einer Länge von 45 m und einer Neigung bis zu 4 : 1 herstellen.

6.6.3.3 Die wichtigsten Stoffe und Materialien Ortbetonrammpfähle werden durch Ausbetonieren des Hohlraumes hergestellt, der zuvor durch das Vortreibrohr erzeugt wurde. Die Vortreibrohre haben je nach Verfahren Durchmesser von ca. 30 cm bis ca. 70 cm. Die Pfähle sind im Allgemeinen bewehrt.

334

6 Pfahlgründungen

Der Pfahlfußbeton zeichnet sich durch einen niedrigen Wasserzementwert aus (erdfeucht). Bei den meisten Verfahren wird der Beton - zumindest im Fußbereich - durch Fallgewichte bzw. Stempel gestampft, wodurch eine hohe Festigkeit und eine große Dichte entstehen. Mit einem gut abgestuften Betonzuschlaggemisch und entsprechender Zugabe des Zements (meist Hochofenzement) werden durch die Stampfverdichtung die Festigkeiten eines Betons B II und eine große Wasserdichtigkeit erreicht [39]. Der Beton muss ausreichend fließfähig sein. Der Bewehrungskorb aus Längsstäben und Wendelumschnürung ist gemäß den Angaben der DIN 1045 nach statischen und konstruktiven Erfordernissen zu bemessen. Die Hinweise in DIN EN 12699 sind zu berücksichtigen.

6.6.3.4 Der Personalbedarf Der Personalbedarf zur Herstellung von Ortbetonverdrängungspfählen kann in der Regel wie folgt definiert werden: 1 Polier, mitarbeitend 1 Geräteführer 1 Rammhelfer Der Bauleiter ist nur bei sehr komplexen Baustellen permanent vor Ort. Ansonsten betreut er meist 3 bis 4 Baustellen gleichzeitig.

6.6.3.5 Informationen zur Kalkulation Für die Herstellung von Ortbetonrammpfählen können, wie bei allen anderen Pfahlarten, keine allgemeingültigen Aufwandswerte genannt werden. Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Zeitansätze für gewichtige Teilherstellungsprozesse sind daher als Richtwerte für die Herstellung eines Frankipfahles anzusehen.


335


Geräte

Trägergerät (1) Ansetzen und Ausrichten der Franki-Ramme Franki-Ramme Freifallbär (2) Pfropfenbeton einfüllen und anstampfen


Personaleinsatz

Praxis

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

K.2....

1 Rammhelfer 10 min

0,15h/m

30-45 min

(4) Herstellen des Pfahlfußes durch Ausrammen des Pfropfenbetons

IV.

(1) Einbau der Bewehrung

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Franki-Ramme

K.2....

1 Rammhelfer

(1) Auffüllen des Vortreibrohres mit Beton

Trägergerät

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

Franki-Ramme

K.2....

1 Rammhelfer

10-15 min

0,04 h/m

(2) Ziehen des Vortreibrohres V.

5 min

J.1.12..

(3) Abteufen des Rammrohres mit Innenrohrrammung und Freifallbär

III.



Schraubenkompres- Q.0.0*. sor, fahrbar, Abbau- Q.6.01. und Spatenhammer

(2) Umsetzen der Rammeinheit

Trägergerät Franki-Ramme Freifallbär

2 Helfer

30-60 min

D.0.../D.1....

1 Geräteführer

5-10 min

K.2....

1 Rammhelfer

J.1.12...

6.6.3.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung In den Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) Ramm- , Rüttel- und Pressarbeiten DIN 18 304 werden Grundlagen für eine mangelfreie, sach- und vertragsgerechte Ausführung von Rammungen benannt. Des Weiteren werden hier Hinweise für das Aufstellen der Leistungsbeschreibung gegeben. Einige ausgewählte Hinweise werden im Folgenden aufgeführt: Angaben zu Baustellenbegebenheiten und Umwelteinflüssen

336

6 Pfahlgründungen

Benennung der Bodenkennwerte Angaben zu Nachbarbebauungen Art und Anzahl der geforderten Probeeinbringungen und Probebelastungen Längen, Querschnittsmaße sowie Materialgüte der Bauelemente Gründungstiefe Ausbildung der Anschlüsse an Bauwerke

6.7 Prüfung von Pfählen 6.7.1 Allgemeines Im Grenzzustand der Tragfähigkeit kann ein Versagen entweder durch Tragfähigkeitsverlust des Bodens in der Pfahlumgebung oder durch Tragfähigkeitsverlust (Bauteilversagen) des Pfahlmaterials eintreten. Bei der Prüfung von Pfählen ist zu unterscheiden zwischen Prüfungen, die sich auf das äußere Tragverhalten beziehen und solchen, die die Qualität des hergestellten Pfahles testen. Im Regelfall sind Pfahlprobebelastungen nach DIN 1054 durchzuführen. Liegen im Hinblick auf Pfahltyp und Baugrundverhältnisse vergleichbare Probebelastungen vor, so dürfen diese wie am Standort ausgeführte Probebelastungen verwendet werden. Der charakteristische axiale Pfahlwiderstand des Einzelpfahls darf aus Erfahrungswerten bestimmt werden, sofern die Pfähle mindestens 5,0 m oder mit dem fünffachen Pfahldurchmesser in den Baugrund einbinden, wobei der größere Wert maßgebend ist. Für die Entscheidung über den Verzicht auf Pfahlprobebelastungen für Zugpfähle ist Sachkunde und Erfahrung auf dem Gebiet der Geotechnik erforderlich.

6.7.2 Statische Probebelastungen 6.7.2.1 Vertikale Probebelastungen Vertikale Probebelastungen dienen dazu, die Tragfähigkeit der Pfähle in axialer Richtung zu ermitteln. Bei der Belastung wird die Pfahlkopfsetzung in Abhängigkeit von der aufgebrachten Last gemessen und in einem Last-Setzungs-Diagramm dargestellt (Bild ). Der charakteristische Pfahlwiderstand, unter dem der Druckpfahl bei einer Probebelastung merkbar versinkt, wird als R1m bezeichnet. Wenn bei einem Versuch der Grenzwert nicht erreicht werden kann, dann wird die aufgebrachte höchste Last als R1m bezeichnet. Der charakteristische Pfahlwiderstand R1,k wird aus den gemessenen Werten unter Verwendung eines Streuungsfaktors ξ zur Berücksichtigung der möglichen Veränderungen des Baugrundes und der möglichen Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung ermittelt (s. DIN 1054).

6.7 Prüfung von Pfählen

337

Der Streuungsfaktor berücksichtigt dabei die Anzahl ausgeführter Probebelastungen sowie die Schwankungen der Ergebnisse. Für die Probebelastung werden entweder eigens für diesen Zweck hergestellte Pfähle oder Bauwerkspfähle benutzt. Der Pfahl wird dabei i. Allg. über hydraulische Pressen belastet, die gegen ein Widerlager aus Gegengewichten (Totlast) oder Reaktionspfählen bzw. -ankern abgestützt werden (Bild 6.36).

Bild 6.36

Belastungseinrichtungen für statische Probebelastungen [40]

Ballastierungen erreichen in der Regel bei 2 bis 3 MN ihre Grenze, wenn auch in Sonderfällen Totlasten bis zu 20 MN aufgebracht worden sind. Bei diesem Belastungssystem liegen die Probleme in der Beeinflussung des Pfahles durch die zusätzliche Belastung der Geländeoberfläche und in der Zentrierung der Lasten. Übliche Belastungseinrichtungen bestehen aus Stahlträgern, die an Reaktionspfählen verankert sind. Als Reaktionspfähle werden häufig Bauwerkspfähle verwendet. Lasten bis zur Größenordnung von ca. 10 MN können auf diese Weise aufgebracht werden, wobei eine besondere Problematik in der gegenseitigen Beeinflussung von Probepfahl und Reaktionspfählen liegt, weswegen bestimmte Mindestabstände einzuhalten sind. Lasten von mehr als 10 MN, wie sie bei Großbohrpfählen auftreten, werden i. Allg. ringförmig, z. B. durch Belastungskronen über Erdanker oder mit räumlichen Fachwerkkonstruktionen über geeignete Zugpfähle in den Boden eingeleitet. Die Prüflast wird über hydraulische Pressen aufgebracht, wobei die Kraft mit einem Manometer bzw. einer Kraftmessdose gemessen wird. Die Setzungen werden über versetzt am Pfahl angeordnete Messuhren mit 0,01 mm Messgenauigkeit ermittelt. Die Träger der Messuhren sind ausreichend weit vom Pfahl entfernt aufzustellen und gegen Temperatureinflüsse zu schützen. Als Kontrollmessung sollten zusätzlich Präzisions-Nivellements durchgeführt werden. Außerdem sind die Horizontalbewegungen des Pfahlkopfes zu beobachten. Für die Durchführung von statischen Probebelastungen können im Wesentlichen drei Belastungsverfahren unterschieden werden: Versuche mit stufenweiser Steigerung der Belastung und Beobachtung der Verformungen. Die Lasten werden erst nach dem vollständigen Abklingen der Verformungen gesteigert (Maintained Load Test).

338

6 Pfahlgründungen

Versuche mit stufenweiser Steigerung der Belastung in gleichen Zeiteinheiten ohne Berücksichtigung der Verformungen (Quick Load Test). Versuche mit gleichbleibender Verformungsgeschwindigkeit. Beobachtet werden die Pfahlkräfte (Constant Rate of Penetration Test). Die beiden ersten Verfahren sind lastgesteuerte Versuche, während das dritte Verfahren weggesteuert ist. Die Belastung ist möglichst soweit zu steigern, bis die Grenzlast erreicht bzw. sogar überschritten ist. Um die bleibenden Setzungen des Probepfahles zu erfassen, sind einige Zwischenentlastungen vorzunehmen. Solche Zwischenentlastungen sind besonders nach Erreichen der am Bauwerk vorgesehenen größten Pfahllast (Gebrauchslast) sowie nach Überschreiten der Grenzlast vorzunehmen. Die Ergebnisse einer statischen Probebelastung sollen in einem Protokoll zusammengestellt und als Last-Setzungs-Diagramm dargestellt werden (Bild 6.37).

Bild 6.37 Empfehlung für die Wahl der Belastungsstufen und Ergebnis der Belastung in Form einer Widerstands-Setzungs-Linie [11]

6.7.2.2 Horizontale Probebelastungen Bei horizontalen Probebelastungen werden i. Allg. die Köpfe zweier benachbarter Probepfähle zusammengespannt oder auseinandergedrückt. Es genügt meist, die Pfahlkopfverschiebung und -verdrehung zu messen, so dass die Versuchseinrichtung sehr einfach ist. Die gesamte Biegelinie eines Pfahles kann durch einen Neigungsmesser (Inklinometer) erfasst werden, wenn in den Pfahlschaft ein entsprechendes Führungsrohr einbetoniert ist. Mit z. B. am Bewehrungskorb von Bohrpfählen befestigten Dehnungsmessstreifen kann auch der Verlauf der Biegemomente ermittelt werden.


339

6.7.3 Dynamische Pfahlprüfungen Da statische Probebelastungen aufwendig und teuer sind, sind dynamische Prüfverfahren entwickelt worden, mit denen die Tragfähigkeit der Pfähle ermittelt bzw. die Pfahllänge und Querschnittsform überprüft werden kann. Dynamische Pfahlprüfungen sind aufgrund ihrer schnellen Durchführbarkeit und der somit hohen Anzahl prüfbarer Pfähle ein sehr wirtschaftliches Verfahren. Grundlagen und Durchführung der dynamischen Pfahlprüfungen sind in [8] beschrieben. Bei dynamischen Pfahlprüfungen wird unterschieden in Integritätsprüfungen (Prüfung der Unversehrtheit der Pfähle und der Pfahllänge) und den dynamischen Pfahltests (Ermittlung der Tragfähigkeit).

6.7.3.1 Integritätsprüfungen (Low-Strain-Method) Bei den Integritätsmessungen nach der Hammerschlagmethode wird mit einem Handhammer eine Stoßwelle in den Pfahl eingeleitet. Am Pfahlfuß und an Impedanzsprüngen (Änderungen der Pfahlgeometrie und des Pfahlmaterials) wird die eingeleitete Stoßwelle reflektiert und am Pfahlkopf durch den aufgesetzten Beschleunigungsaufnehmer aufgezeichnet (Bild 6.38).

Bild 6.38

Beispiel einer Integritätsmessung [41]

Integritätsprüfungen werden heute als Bestandteil der Qualitätskontrolle verwendet. Sie dienen vor allem dazu, z. B. bei Bohrpfählen Unregelmäßigkeiten des Pfahlschaftes, wie Einschnürungen oder Verdickungen, festzustellen. Dabei sollten dem Ausführenden der Integritätsprüfungen alle relevanten Unterlagen, wie z. B. Bohrprotokolle und Baugrundgutachten, zur Verfügung gestellt werden, um seine Messergebnisse besser interpretieren zu können.

340

6 Pfahlgründungen

Des Weiteren sollte nicht nur ein so genannter Problempfahl getestet werden sondern mehrere Pfähle, um ein Normsignal für die Baustelle zu erhalten. Dabei lassen sich z. B. die Einflüsse aus Schichtgrenzen ermitteln [42].

6.7.3.2 Ultraschallprüfverfahren Durch Ultraschallprüfverfahren (Cross-hole sonic logging) kann die Betonqualität von Pfählen überprüft werden. Dazu werden je ein Ultraschallgeber und empfänger parallel in vorab am Bewehrungskorb installierten Stahlrohren mit konstanter Geschwindigkeit entlang des Pfahlschaftes bewegt. Aus der Wellenlaufzeit und der Energie des empfangenen Signals werden Impedanzänderungen und damit Hohlräume, Kiesnester etc. im Beton ermittelt [7].

6.7.3.3 Tragfähigkeitsmessungen (High-Strain-Method) Bei der Tragfähigkeitsmessung werden am Pfahlkopf Dehnungen und Beschleunigungen während des Rammschlages gemessen. Die damit ermittelten Kurven werden z. B. nach dem direkten Case-Verfahren ausgewertet [8]. Die Berechnung der Tragfähigkeit aus den gemessenen Werten nach dem Case-Verfahren erfolgt auf der Grundlage der Wellenmechanik. Der Pfahl wirkt wie ein elastischer Stab, dem durch einen Impuls eine Stoßwelle eingeprägt wird. Die Stoßwelle durchläuft den Pfahl mit einer Wellengeschwindigkeit, die vom Elastizitätsmodul und der Dichte des Pfahlmaterials abhängt. Bei Querschnittsänderungen des Pfahls, am Pfahlfuß und durch auftretende Mantelreibung werden Teile der Stoßwelle reflektiert. Somit wird am Messquerschnitt am Pfahlkopf ständig die Summe der Ausgangswelle und deren Reflektionen gemessen. Hieraus lässt sich bei Kenntnis des Dämpfungsbeiwertes des Bodens die statische Tragfähigkeit des Pfahles ermitteln. Der Dämpfungsbeiwert kann entweder als Erfahrungswert eingesetzt oder über eine Kalibrierung an einer statischen Probebelastung bestimmt werden. Werden weitere Aussagen über das Tragverhalten eines Pfahles (z. B. die Last-SetzungsLinie) benötigt, ist eine Auswertung nach dem Capwap-Verfahren erforderlich.


341

Literatur [1] [2] [3]

[4] [5]

[6]

[7]

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[10] [11] [12] [13] [14]

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Straub, H.: Die Geschichte der Bauingenieurkunst. 4. Aufl., Birkhäuser Verlag, Basel, 1996 Arz, P., Schmidt, H.G., Seitz, J., Semprich, S.: Grundbau, In: Beton-Kalender Teil II, Ernst & Sohn, Berlin, 1994 Becker, H.: Baugrunderkundungen für Pfahlgründungen. In: Vortragsband zum Symposium Stand von Normung, Bemessung und Ausführung von Pfählen und Pfahlwänden, München, 1977. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT), Essen, 1977 Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle, Herausgegeben von der DGGT, Ernst & Sohn, Berlin 2007 Hartung, M.: Qualitätssicherung bei der Pfahlherstellung. In: Pfahl-Symposium 1993, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig (IGB·TUBS), Heft 41, Eigenverlag, Braunschweig, 1993 Meier, K.: Dynamische Pfahltests an Spundbohlen. In: Sonderheft zum 15-jährigen Bestehen des Instituts, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 30, Eigenverlag, Braunschweig 1989 Klingmüller, O.; Schallert, M.; Gottlöber, B.; Mayer, Ch.: Ultraschallprüfung und Hammerschlagprüfung. In: Pfahl-Symposium 2005, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft Nr. 80, Eigenverlag, Braunschweig 2005 Empfehlungen für statische und dynamische Pfahlprüfungen, Arbeitskreis 2.1 der DGGT, 1998 Meseck, H.: Integritätsprüfungen an mantel- und fußverpressten Bohrpfählen. In: Dynamische Pfahltests, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 38, Eigenverlag, Braunschweig, 1991 Franki Grundbau: Firmeninformation "Atlaspfahl" Kempfert, H.-G.; Smoltczyk, U.: Pfähle. In: Grundbautaschenbuch, Teil 3, 6. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin, 2001 Hartung, M.: Einflüsse der Herstellung auf die Pfahltragfähigkeit in Sand. Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 45, Eigenverlag, Braunschweig, 1994 Kolymbas, D.: Pfahlgründungen, Springer-Verlag, Berlin, 1989 Rodatz, W.: Überblick über die Pfahlsysteme Untersuchungsbedarf. In: PfahlSymposium 1993, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 41, Eigenverlag, Braunschweig, 1993 Schnell, W.: Verfahrenstechnik zur Sicherung von Baugruben. 2. Aufl., TeubnerVerlag, Stuttgart, 1995 Kühn, G.: Abhängigkeit der Ramm- und Ziehverfahren von der Bodenbeschaffenheit. In: Baumaschine und Bautechnik, 1980, Heft 8, S. 558-567 Theiner, J.: Rammen und Ziehen - Geräte und Hilfsmittel. In: Tiefbau, Ingenieurbau, Straßenbau, 1987, Heft 1, S. 19-26 van Luipen, P.: Entwicklung von Rammgeräten. In: Pfahl-Symposium 1993, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 41, Eigenverlag, Braunschweig, 1993

342

6 Pfahlgründungen

[19] Brühl, W. Ch.: Das klassische Rammen aus der Sicht von 1978. In: Tiefbau, Ingenieurbau, Straßenbau, 1978, Heft 1, S.14-22 [20] Fa. Krupp: Firmenprospekt Müller-Vibratoren [21] Fa. Franki Grundbau: Firmeninformation Presspfahl [22] Drees, G.: Rammen und Ziehen. In: Grundbautaschenbuch Teil 2, 6. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin, 2001 [23] Fa. Krupp: Firmenprospekt Müller Teleskopmäkler [24] Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen" Häfen und Wasserstraßen, EAU 2004, 10. Auflage, Ernst & Sohn, 2004 [25] Centrum-Pfähle: Typenprüfbericht für Stahlbetonrammpfähle [26] Fotoarchiv G. Maybaum [27] Fa. Bauer Spezialtiefbau: Firmeninformation Bohrpfähle [28] Seitz, J.M.; Schmidt, H.-G.: Bohrpfähle, Ernst & Sohn, Berlin, 2000 [29] Fa. Bauer Spezialtiefbau: Firmeninformation Großdrehbohrgerät BG 9 [30] Fa. Bauer Spezialtiefbau: Firmeninformation Gerätetechnik, Großdrehbohrgerät BG 42, 2005 [31] DIN EN 1536: Bohrpfähle, Ausgabe Juni 1999 [32] Fa. Brückner Grundbau GmbH: Firmeninformation Bohrpfähle [33] Fa. Franki Grundbau: Firmeninformation Atlaspfahl [34] Fa. König Pfahlgründung: Firmeninformation Fundexpfahl [35] Fa. Franki Grundbau: Firmeninformation VB-Pfahl [36] Fa. Brückner Grundbau: Firmeninformation Schraubbohrpfähle [37] Fa. Brückner Grundbau: Firmeninformation Ortbeton-Rammpfähle [38] Fa. Franki Grundbau: Firmeninformation Stahlrohrpfähle [39] Fa. Franki Grundbau: Firmeninformation Frankipfahl [40] Rodatz, W.: Grundbau und Bodenmechanik IV, Studienunterlagen zum Vertiefungsstudium, IGB·TUBS, Eigenverlag, Braunschweig, 1990 [41] Hartung, M.: Integritätstests an Modell- und Bauwerkspfählen. In: Dynamische Pfahltests, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 38, Eigenverlag, Braunschweig, 1991 [42] Wienholz, B.: Anwendungsmöglichkeiten für die Messausrüstung der Pfahldynamik. In: Messen in der Geotechnik, Mitteilung des IGB·TUBS, Heft 44, Eigenverlag, Braunschweig, 1994

7 Grundwasserhaltungen

7.1 Grundlagen der Planung und Ausführung 7.1.1 Einführung Wasser beeinflusst als Grund-, Oberflächen- und Niederschlagswasser wesentlich die Planung und Ausführung von Bauvorhaben des Erd- und Grundbaus. Zu berücksichtigen sind dabei insbesondere Auswirkungen auf die gewählte Konstruktion und die Dimensionierung der Baugrubensicherung, Gründung, Böschungssicherung etc. Zudem prägt es insbesondere bei feinund gemischtkörnigen Böden maßgeblich die Bodenparameter Festigkeit und Steifigkeit. Für zahlreiche Schäden bei Bauvorhaben ist Wasser ursächlich. Die sorgfältige Vorerkundung, Planung und Ausführung sowie die Überwachung im Sinne einer Qualitäts- und ggf. Beweissicherung bei Wasserhaltungen und der dazu erforderlichen Einrichtungen ist deshalb unumgänglich. Maßnahmen zur Wasserhaltung sind in der Bauphase erforderlich, wenn das Gründungsniveau einer Flächengründung unterhalb des Grundwasserspiegels liegt. Nach projektspezifischen Erfordernissen wird das Wasser abgeleitet (Gräben), abgesenkt (Brunnen) und/oder abgesperrt (vertikale und/oder horizontale Barrieren). Grundwasserabsperrungen (Barrieren) werden häufig als Baugrubensicherungen ausgeführt. Die technische, wirtschaftliche und ökologische Bedeutung von Wasserhaltungsmaßnahmen ist durch die folgenden Aspekte gekennzeichnet: Wirtschaftliche Nutzung des Untergrundes unterhalb des Grundwasserspiegels bei Verknappung und Verteuerung besonders des innerstädtischen Baugrundes Optimierte Trassierungen/Gradienten und kurze Wege an Verknüpfungen sowie landschaftsästhetische Gestaltungen im Verkehrswegebau erfordern technisch und wirtschaftlich aufwendige Wasserhaltungen bei der Bauausführung Beeinflussung von Anrainern durch Wasserspiegeländerungen Schonung der Wasserressourcen durch minimale Eingriffe, d. h. keine Absenkung, Rückbau von Barrieren, Entwicklung innovativer Baustoffe etc. Ableitung des geförderten Wassers nach Quantität und Qualität, beispielsweise bei anthropogenen Kontaminationen oder natürlichen Inhaltsstoffen Ingenieurtechnisches Niveau der Maßnahme Plan- und Kalkulierbarkeit sowie Beherrschbarkeit der jeweiligen Maßnahme


344


7.1.2 Erkundung der Boden- und Grundwasserverhältnisse Die sorgfältige Erkundung der Boden- und Grundwasserverhältnisse sowie deren realistische ingenieurtechnische bzw. -geologische Interpretation sind notwendige Voraussetzungen für eine fachgerechte und erfolgreiche Ausführung einer Wasserhaltungsmaßnahme. Die Untersuchung der Boden- und Grundwasserverhältnisse obliegt dem Bauherrn. Der Umfang der erforderlichen Feld- und Laboruntersuchung sowie der Ingenieurleistungen wird individuell und projektspezifisch durch den Sachverständigen für Geotechnik, der üblicherweise vom Entwurfsverfasser eingeschaltet wird, festgelegt. Der geotechnische Bericht bzw. bei untergeordneten Maßnahmen adäquate Angaben des Entwurfverfassers müssen entweder der Ausschreibung beiliegen (selten) oder die Wasserhaltung wird einrichtungstechnisch und baubetrieblich im Detail ausgeschrieben. Grundvoraussetzung für eine zielgerichtete Erkundung der Boden- und Grundwasserverhältnisse sind detaillierte Unterlagen zu dem projektierten Vorhaben sowie Angaben zu benachbarten baulichen Anlagen (vgl. Kapitel 7.1.4): Lagepläne des Projektes, Grundrisse und Schnitte mit Höhenangaben (in m NN), Katasterauszug, Ver- und Entsorgungsinfrastruktur, Kampfmittel etc. Diese Informationen muss der Entwurfsverfasser zusammenstellen. Bohrprofile, Grundwasserverhältnisse, geologische Übersichts- und Baugrundkarten, lokale Besonderheiten von Boden und Fels, Fluss- und Landeskulturbaumaßnahmen. Diese Informationen können bei Geologischen Landesämtern, Bergämtern, Landesvermessungsämtern, Wasserwirtschaftsverwaltungen, Geotechnischen Instituten und Versorgungsunternehmen abgefragt werden. Auf dieser Grundlage werden die geotechnischen und hydrogeologischen Untersuchungen, insbesondere für die Wasserhaltung, geplant und unter fachtechnischer Begleitung ausgeführt. Inhalte dieser Untersuchungen können sein: Ortsbegehung, Luftaufnahmen, organoleptische Beurteilung von Aufschlüssen Aufschlussbohrungen und Pegeleinrichtungen (Bodenprofile, Wasserstände) Kleinstbohrungen und Sondierungen als Ergänzung der Schlüsselbohrungen Durchlässigkeitsversuche in situ und geophysikalische Untersuchungen Bodenmechanische Laboruntersuchungen sowie Wasser- und ggf. Bodenanalytik Bei der Ortsbegehung können unmittelbar geologische, hydrologische und zivilisatorische Gegebenheiten (Geländeform, Quellen, Feuchtstellen, Wasserläufe, Bauwerke etc.) festgestellt und gezielt untersucht werden. Die erforderliche Qualität und Quantität geotechnischer Untersuchungen wird in der DIN 4020 - Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke behandelt.

7.1 Grundlagen der Planung und Ausführung

345

Die Bohrverfahren sind so zu wählen, dass eine durchgehende Gewinnung von Bodenproben zumindest des Aquifers gewährleistet ist. Die EN ISO 22475 gibt einen Überblick über die Eignung verschiedener Bohrverfahren im Boden und Fels. Die DIN 4020 erläutert u. a. Untersuchungen der Grundwasserverhältnisse. Die Abstände der Bohrungen sollen bei homogenem Baugrund bei Hochbauten etwa 20 bis 40 m und bei Linienbauwerken 50 bis 200 m betragen. Bei Einzelfundamenten von Sonderbauwerken (Schornsteine, Brücken etc.) sollen etwa 2 bis 4 Aufschlüsse durchgeführt werden. Im heterogenen Baugrund ist das Aufschlussraster entsprechend zu verdichten. Der Bereich, der um die Baugrube herum aufgeschlossen werden muss, wird von der Absenktiefe und der zunächst geschätzten Durchlässigkeit des Untergrundes bestimmt. Näherungsweise kann ein Bereich untersucht werden, der dem 20-fachen der Absenktiefe s entspricht. Für eine genauere Betrachtung muss die Reichweite R der Absenkung berechnet werden. Diese lässt sich nach der Formel von Sichardt (nicht dimensionstreu) abschätzen:

R ≈ 3000 ⋅ s ⋅ k mit

R: Reichweite der Absenkung [m] s: Absenktiefe [m] k: Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s]

Die Durchlässigkeiten der Böden werden nach DIN 18 130 - Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes unterschieden (Tabelle 7.1): sehr schwach durchlässig

k < 10-8 m/s

schwach durchlässig

10-8 m/s ≤ k ≤ 10-6 m/s

durchlässig

10-6 m/s < k ≤ 10-4 m/s

stark durchlässig

10-4 m/s < k ≤ 10-2 m/s

sehr stark durchlässig

10-2 m/s > k

Tabelle 7.1

Größenordnung der Durchlässigkeit von Böden (Erfahrungswerte) Bodenart

Steine, Geröll Fein- bis Grobkies

Durchlässigkeitsbeiwert k [m/s] Grenzbereiche überwiegend > 10-1 10 bis 10-2 -4 -5

3 ⋅ 10-2 bis 2 ⋅ 10-2

Grobsand Mittelsand Feinsand

-2

10 bis 10 10-6 bis 10-3 10-6 bis 10-3

10-4 bis 10-3 10-4 -5 10 bis 10-4

Lehm Schluff Löß

10-10 bis 10-6 10-9 bis 10-5 10-10 bis 10-5

10-9 bis 10-8 10-9 bis 10-7 10-10

Ton

10-12 bis 10-8

10-9 (schluffig) bis 10-11 (fett)

346


Die Endteufe der Bohrungen ist von der Absenktiefe sowie von der Durchlässigkeit und der Struktur des Untergrundes abhängig. Unbeschadet der gründungstechnisch bedingten Aufschlusstiefe sollen die Erkundungen im Zusammenhang mit der Wasserhaltung mindestens 10 m in den Aquifer und 5 m unter die Brunnensohle sowie bis zur 2-fachen Absenkung unter den Ruhewasserspiegel reichen. Bei Baugruben muss die Erkundungstiefe im Allgemeinen mindestens 2 m unter die Unterkante der Baugrubenumschließung reichen. Wenn bis zu dieser Tiefe keine natürliche Grundwasserbarriere (Grundwasserhemmer) erreicht wird, muss die Erkundung bis mindestens 5 m unter die Unterkante der Umschließung ausgeführt werden. Es ist vorteilhaft, die Bohrungen zu temporären Grundwassermessstellen (Pegeln) und ggf. Brunnen auszubauen und dort die Spiegelhöhe sowie ggf. die Fließgeschwindigkeit zu beobachten. Der Grundwasserstand, die Fließrichtung und die Fließgeschwindigkeit sind jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Deshalb ist es für die Festlegung der Bemessungswasserstände erforderlich, die Beobachtungen frühzeitig vor der Maßnahme und in regelmäßigen Abständen durchzuführen. Während der Baumaßnahme können diese Pegel zur Kontrolle der Wirksamkeit der Wasserhaltung bzw. der Wasserabsperrung genutzt werden. Der temporäre Schutz und der anschließende Rückbau der Pegel ist zu beachten. Vor der Baugrunderkundung ist die Durchlässigkeit und die Struktur des Bodens sowie die Art und Tiefe der Baugrubenumschließung unbekannt. Daher wird empfohlen, die Endteufe der Bohrungen großzügig zu wählen. Aus dem Probematerial der Bohrungen werden nach organoleptischer Ansprache repräsentative Proben ausgewählt und labortechnisch untersucht. Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse werden Schichtenverzeichnisse erstellt und bodenmechanische Klassifikationen durchgeführt. Darauf aufbauend wird der Untergrund als generalisiertes Ingenieurmodell in Schichten mit relevanten Bodenparametern und Bemessungswasserständen abgebildet. Dieses Modell dient als Grundlage für die bautechnische Planung. Für den Entwurf der Wasserhaltung sind zusätzliche Angaben über etwaige Feinschichtungen, unterschiedliche Durchlässigkeiten, jahreszeitliche Spiegelhöhenänderungen (in m NN) und Wasseranalysen (zur Beurteilung der Korrosions- und Verockerungsgefahr etc.) notwendig. Die Bodendurchlässigkeit wird nach DIN 18 130 untersucht. Für bautechnische Zwecke ist es im Allgemeinen ausreichend, die Durchlässigkeit grobkörniger Böden nach der Kornverteilung zu ermitteln (DIN 18 123 - Bestimmung der Korngrößenverteilung). Nach Hazen beträgt die Durchlässigkeit für reinen Sand

k = 0,0116 ⋅ d 102 mit

k: Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] d10: Korndurchmesser bei 10 % Siebdurchgang [mm]

Durch die verbesserte Formel von Beyer wird zusätzlich die Ungleichförmigkeit U = d60/d10 und die Lagerungsdichte des Bodens berücksichtigt:

k = c ⋅ d102

7.1 Grundlagen der Planung und Ausführung mit

347

k: Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] c: Beiwert nach BEYER c = 0,012 bei U = 5, lockerste Lagerung c = 0,005 bei U = 20, dichteste Lagerung d10: Korndurchmesser bei 10 % Siebdurchgang [mm]

Die Durchlässigkeit eines Bodens wird für eine Wassertemperatur von 10°C angegeben. Bei niedrigeren Temperaturen verkleinert und bei höheren Temperaturen vergrößert sich der kWert. Beispielsweise beträgt die Durchlässigkeit bei 5°C 0,87 k und bei 25°C 1,46 k. Des Weiteren wird die Durchlässigkeit durch Gaseinschlüsse, z. B. bei Wiederversickerungen, deutlich reduziert. Zuverlässiger als Laboruntersuchungen sind Durchlässigkeitsversuche im Gelände. Daher sind Probeabsenkungen bei umfangreichen Wasserhaltungen zu empfehlen und bei heterogenem Baugrund sogar erforderlich. Bei einer Probeabsenkung werden die in einem Brunnen entnommene Wassermenge q sowie mindesten zwei Pegelstände des Absenktrichters im stationären Zustand gemessen (Bild 7.1). Aus diesen Werten kann die Durchlässigkeit des Bodens ermittelt werden: k=

mit

q ln x 2 − ln x1 ⋅ π y 22 − y12

k: q: x: y:

Bild 7.1

Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] Förderrate des Brunnens [m3/s] Abstand des Pegels vom Brunnen [m] Spiegelhöhe im Pegel [m]

Pegelanordnung für eine Probeabsenkung

348


Weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Durchlässigkeit sind Versickerungsversuche, Einschwingversuche (k > 10-6 m/s), Packerversuche (Festgestein), Slug-Bail-Tests (kurze Spiegeländerungen im Pegel/Brunnen bei k < 10-4 m/s) sowie Markierungsversuche (Tracerversuche) und Flowmeter-Tests (Fließgeschwindigkeitsmessungen). Die Planung, Durchführung und Auswertung dieser Untersuchungen erfordert besondere Fachkenntnisse. Dafür sind geeignete Fachleute einzuschalten. Bei längerfristigen Wasserhaltungen, insbesondere bei einer Wiederversickerung des Grundwassers, und bei potentiellen Kontaminationen müssen Wasseranalysen durchgeführt werden. Die Analysen sollen den originären Zustand im Hinblick auf die Wasserhaltung (Korrosions-, Verockerungs-, Versinterungs-, Verstopfungsgefahr) beschreiben. Zusätzlich sollen Prognosen über mögliche Veränderungen des Wassers aus der Wechselwirkung zwischen dem Bauverfahren und dem Wasser bzw. Boden ermöglicht werden. Darüber hinaus sind Analysen vor und während/nach der Maßnahme bei der Bewertung des Eingriffs in den Grundwasserhaushalt hilfreich. Bauchemische Untersuchungen zur Baustoffaggressivität sind nur bedingt brauchbar. Für die Analytik und Bewertung der Wasseranalysen empfiehlt sich - auch in ökochemischer Hinsicht - die Einschaltung entsprechender Fachleute.

7.1.3 Verfahren der Wasserhaltung und Wasserabsperrung Ein Bauwerk wird bevorzugt in einer trockenen Baugrube hergestellt. Eine Wasserhaltung bzw. -absperrung ist erforderlich, wenn oberhalb der geplanten Baugrubensohle Grundwasser ansteht. Hierfür werden prinzipiell drei verschiedene Verfahren angewandt: Grundwasserabsenkung Grundwasserabsperrung Grundwasserverdrängung Bei einer Grundwasserabsenkung wird der Grundwasserspiegel durch eine offene Wasserhaltung (vgl. Kapitel 7.2) oder durch Brunnen mit Schwerkraft- oder Vakuumentwässerung (vgl. Kapitel 7.3) bis unter die Baugrubensohle abgesenkt. Eine Grundwasserabsperrung mittels Spund-, Bohrpfahl-, Schlitz- oder Düsenstrahlwände (vgl. Kapitel 4.7 bis Kapitel 4.10) unterbindet den seitlichen Wasserzustrom zur Baugrube. Um zu verhindern, dass Wasser von unten in die Baugrube eindringt, müssen die Verbauwände in eine wasserundurchlässige Schicht einbinden. Wenn keine undurchlässige Bodenschicht in technisch und wirtschaftlich erreichbarer Tiefe ansteht, muss der Baugrund z. B. durch eine Injektions- oder Unterwasserbetonsohle (vgl. Kapitel 4.10 und Kapitel 4.11) abgedichtet werden. Bei Grundwasserabsperrungen wird von einer geschlossenen Grundwasserhaltung gesprochen. Eine weitere Möglichkeit, Baugrubensohlen oder Fehlstellen in Schlitz-, Bohrpfahl- und Spundwänden abzudichten, ist das Verfahren der Bodenvereisung. Aufgrund der hohen Energiekosten wird diese Methode jedoch nur in Sonderfällen angewandt.


349

Bei der Grundwasserverdrängung wird das Wasser durch Druckluft aus dem Arbeitsraum ferngehalten. Dies wird z. B. mit dem Einsatz von Senkkästen ermöglicht. Dieses Bauverfahren ist auf Sonderfälle wie z. B. beim Tunnelbau, bei der Gründung von Brückenpfeilern oder Seeschiffskajen beschränkt. Die Wahl eines geeigneten Verfahrens richtet sich im Wesentlichen nach den folgenden Randbedingungen: Größe und Form der Baugrube Absenktiefe des Grundwasserspiegels Baugrundverhältnisse (Bodenart, Schichtung, Durchlässigkeit) Wasserverhältnisse (gespanntes/nicht gespanntes Grundwasser, Grundwasserstockwerke) Gefährdung der Nachbarbebauung, Verkehrswege und Leitungen Platzverhältnisse vorgesehene Baugrubensicherung Die generellen Vor- und Nachteile der drei Verfahren zur Wasserhaltung sind in der Tabelle 7.2 zusammengestellt: Tabelle 7.2 Vor- und Nachteile der Wasserhaltungsverfahren Wasserhaltungsverfahren Grundwasserabsenkung

Grundwasserabsperrung

Grundwasserverdrängung durch Druckluft

Vorteil

Nachteil

-kostengünstig -in vielen Böden anwendbar -technisch einfach durchführbar -mit jeder Verbauart kombinierbar -keine Wasserdruckbelastung der Verbauwände

- Vorlaufzeit vor Aushubbeginn erforderlich - Platzbedarf für Brunnen - großer Einzugsbereich - wasserhaushaltsrechtliche Probleme - Setzungsgefahr für benachbarte Bauwerke - in Kiesen wegen des starken Wasserandranges häufig nicht anwendbar - Verbauwände müssen wasserdicht sein und auf Wasserdruck bemessen werden - häufig nur wirtschaftlich bei einer wasserundurchlässigen Bodenschicht in geringer Tiefe - nicht zurückgebaute vertikale Abdichtungen (Schlitz-, Bohrpfahlwand) können dauerhaft die Grundwasserströmung beeinflussen

- in allen Böden anwendbar - keine kontinuierliche Entnahme von Grundwasser erforderlich - keine Setzungsgefahr für benachbarte Bauwerke infolge einer Wasserhaltung - Brunnen sind nur für die Entwässerung der Baugrube erforderlich - in praktisch allen Böden anwendbar - keine Grundwasserentnahme erforderlich

- hohe Kosten aufgrund der Arbeiten unter Druckluft - Anwendung generell auf 30 m unterhalb des Grundwasserspiegels begrenzt - nur für kompakte Bauwerke (z. B. Brückenpfeiler, Einzelblöcke von Tunneln) geeignet, da das Bauwerk als Ganzes abgesenkt wird - regelmäßiger Bauwerksgrundriss erforderlich (z. B. kreisförmig oder rechteckig)

350


7.1.4 Planung der Wasserhaltung 7.1.4.1 Grundwasserabsenkung Für die Planung und Dimensionierung einer Grundwasserabsenkung sind umfangreiche Unterlagen erforderlich, die die ausschreibende Stelle, i. d. R. der Bauherr, dem Unternehmer zur Verfügung stellen muss. Zudem legt der Bauherr fest, ob dieser, ggf. unter Einbezug eines Fachplaners, die Planung der Grundwasserabsenkung selbst durchführt oder an den Unternehmer übergibt. Im ersten Fall übernimmt der Bauherr die Verantwortung für die Richtigkeit der Dimensionierung und die Zweckmäßigkeit der Anlage. Der Unternehmer ist für eine technisch einwandfreie Herstellung und Betreibung zuständig. Im zweiten Fall ist der Unternehmer für die Planung der Grundwasserabsenkung verantwortlich. Allerdings bleibt die Gewährleistung für die Richtigkeit der für die Ausschreibung notwendigen Angaben grundsätzlich beim Bauherrn. Dieser muss die Angebote hinsichtlich der Preise und der technischen Eignung überprüfen. Damit der Unternehmer ein Angebot erstellen kann, sind fallweise die folgenden Angaben in den Ausschreibungsunterlagen erforderlich: Zweck, Umfang, Absenkungsziel und ungefähre Dauer der Grundwasserabsenkung Bodenschichtung und Durchlässigkeit Höhe des unbeeinflussten Grundwasserspiegels und dessen Schwankungen Angaben über Gewässer oder Wasserentnahmen, die die Grundwasserabsenkung beeinflussen können, einschl. Wasseranalysen Einbeziehen von Oberflächen-, Sicker- oder Schichtenwasser oberhalb des unbeeinflussten Grundwasserspiegels, einschl. Bemessungsniederschlag Baugrubenabmessungen, Gründungstiefen, Gründungsarten und Lasten benachbarter Bebauung Zustand der von der Absenkung betroffenen baulichen Anlagen vor Beginn der Grundwasserabsenkung und Verteilung der Haftung bei eintretenden Schäden Besondere Maßnahmen zum Schutz benachbarter Grundstücke und Bauwerke Fläche und geforderter Grundwasserstand für Objekte, die durch eine Wiederversickerung zu schützen sind Maximal mögliche Erhöhung des Grundwasserstandes bei einer Wiederversickerung bei fehlendem Vorfluter Bauablauf- und Bauzeitenpläne, soweit nicht durch den Unternehmer bestimmt Betriebsdauer (Brunnenbetriebstage) der Anlage, als Abrechnungsbasis Vorhaltedauer (Brunnenvorhaltetage) der Anlage, als Abrechnungsbasis Wartungsdauer der Anlage (in Kalendertagen) , als Abrechnungsbasis


351

Lage und Aufnahmefähigkeit des Vorfluters, Ableitung in Gerinnen oder geschlossenen Leitungen, ggf. über besondere Bauwerke (z. B. Rohrbrücken) Angaben über die Stromversorgung Anzahl und Beschreibung der Entnahmebrunnen einschließlich Abdichtungen, aller erforderlichen Armaturen und Geräte zur Brunnensäuberung/-regenerierung Leistungsangaben für die einzelnen Pumpen Durchmesser und Länge der Rohrleitungen Art und Stärke der Notstromversorgung Erforderliche Sicherheitseinrichtungen Art und Umfang vorzusehender Reserveanlagen Umstellungen der Wasserabsenkungsanlage beim Fortschreiten der Bauarbeiten Verschließen von Brunnen (z. B. aufgrund behördlicher Auflagen) Einbau von Wassermessvorrichtungen Anzahl und Art der Messpegel Art und Umfang der Prüfungen und ggf. Behandlung des geförderten Wassers aufgrund behördlicher Auflagen Einbau der Anlage innerhalb oder außerhalb der Baugrube Bohrebene für die Herstellung der Absenkungs- und Versickerungsbrunnen Maßnahmen zum Schutz des Bauwerks gegen Aufschwimmen bei unbeabsichtigtem vorzeitigem Ansteigen des Wassers Vorkehrungen für Erweiterungsmöglichkeiten der Grundwasserabsenkungsanlage

7.1.4.2 Grundwasserabsperrung Bei einer Grundwasserabsperrung sind für eine ordnungsgemäße Leistungsbeschreibung vom Bauherrn insbesondere folgende Angaben aufzuführen: Gründungstiefen, Gründungsarten und Lasten benachbarter Bebauung Zusätzliche Belastung des Verbaus Baugrubenabmessung, Höhenlage der Oberkante des Verbaus Besondere Anforderungen an die Dichtigkeit Verbot von Absteifungen des Verbaus gegen ein Bauwerk (z. B. wegen Abdichtungsarbeiten) Ausbildung der Anschlüsse an das Bauwerk Vorhalten oder Liefern von Bauteilen und -stoffen Lage und Art der für den Verkehr vorzusehenden Überfahrten und Übergänge

352


7.1.5 Projektierung und Überwachung der Wasserhaltung Bei dem Entwurf und der Planung einer Wasserhaltungsmaßnahme müssen im Einzelnen bei den im Kapitel 7.1.3 erläuterten Aspekten weitere Einflüsse berücksichtigt werden. Zum Beispiel sind bei einer Grundwasserhaltung mit Brunnen die Auswirkungen einer Grundwasserabsenkung zu untersuchen. Mögliche Probleme liegen beispielsweise in der Setzungsgefahr des umliegenden Bodens, der Beeinflussung des Wasserhaushaltes und der Schädigung der Flora. Diese Faktoren werden im Folgenden näher erläutert.

7.1.5.1 Beeinflussung der Nachbarbebauung durch Setzungen An benachbarten baulichen Anlagen können aufgrund von Grundwasserabsenkungen Setzungsschäden auftreten. Die Schäden werden durch eine Änderung der Spannungsverhältnisse im Boden verursacht. Der durch die Absenkung entfallende Auftrieb bewirkt eine Erhöhung der wirksamen Spannungen im Korngerüst. Diese zusätzlichen Spannungen führen zu einer Zusammendrückung bzw. einer Setzung des Baugrundes. Da der Absenktrichter des Grundwassers je nach Bodendurchlässigkeit stark gekrümmt sein kann, können ggf. große Setzungsdifferenzen auftreten. Bei einer Wiederversickerung sind Setzungen infolge Senkungen/Sackungen bei Wassersättigung vormals teilgesättigter Schichten möglich. Vor Beginn einer Wasserhaltungsmaßnahme ist eine Untersuchung der Gründungsart und -tiefe der Nachbarbebauung erforderlich. Der Zustand der Bebauung soll in einem Beweissicherungsverfahren dokumentiert werden. Während der Wasserhaltung sind eventuell auftretende Setzungen der Nachbargebäude, z. B. durch Nivellements, zu überwachen und ingenieurtechnisch zu bewerten. Falls die Grundwasserabsenkung benachbarte Versorgungsbrunnen z. B. von Industriebetrieben beeinflusst, sind zusätzliche Untersuchungen/Maßnahmen erforderlich.

7.1.5.2 Beeinflussung des Wasserhaushaltes Bei einer Grundwasserabsenkung wird entweder Wasser entnommen und in einen Abwasserkanal bzw. Vorfluter abgeleitet, oder das Wasser wird teilweise oder vollständig wiederversickert. Die Entnahme des Wassers beeinträchtigt den natürlichen Grundwasserhaushalt erheblich. Die Ableitung des Wassers kann problematisch sein. Zum Beispiel können zusätzliche, starke Regenfällen zur Überlastung von Abwassersystemen führen. Eine Wiederversickerung des Wassers kann sinnvoll sein. Die Versickerungsfläche muss weit genug vom Absenktrichter entfernt liegen, damit das abgeführte Wasser nicht sofort der Brunnenanlage zufließt. Eine Wiederversickerung ist aus bautechnischen Aspekten insbesondere bei Grundwasserabsperrungen, bei denen nur das durch die Baugrubensohle eintretende Wasser abgepumpt wird (Restwasserhaltung), sinnvoll.


353

Das Abpumpen und die Wiederversickerung des Grundwassers birgt jedoch ökologische Probleme, wenn das Wasser durch die Baumaßnahme (z. B. durch Zement, Öl etc.) verunreinigt ist. Bei der Wiederversickerung wird das kontaminierte Wasser direkt dem Grundwasser zugeführt. Zudem können durch die Änderung der Grundwasserhydraulik bislang unbekannte Altlasten mobilisiert und verschleppt werden. Ferner kann der Wasserhaushalt nach Beendigung der Absenkung durch im Boden verbleibende Brunnen gestört werden. Wenn ein Absenkungsbrunnen verschiedene Wasserhorizonte erfasst, können diese miteinander in Verbindung treten, wenn bei der Brunnenherstellung keine Abdichtung im Bereich der Sperrschicht angebracht wurde. Dies ist besonders problematisch, wenn dadurch ein Wasserhorizont, der zur Wasserversorgung genutzt wird, verunreinigt wird.

7.1.5.3 Beeinflussung der Flora Bei der Durchführung einer Grundwasserabsenkung muss die benachbarte Flora beobachtet werden, da durch die Absenkung den Pflanzen das Wasser entzogen wird, was zu irreparablen Schäden führen kann. In den Ausschreibungsunterlagen bzw. spätestens im Bauvertrag muss das Absenkziel für das jeweilige Bauverfahren festgelegt werden. Ferner soll bei der Projektierung der Baumaßnahme der Bemessungswasserstand sowie die zulässige Absenkung außerhalb der Baugrube hinsichtlich der Gefährdung der Nachbarbebauung/Flora definiert werden. Die maximale Förderrate bei der Wasserverbringung bzw. die Wasseraufnahmefähigkeit des Vorfluters muss festgesetzt werden. Bei Grundwasserabsperrungen ist ein Grenzwert für die zulässige Restwassermenge vorzugeben. Dieser Grenzwert regelt die Menge des in die Baugrube eintretenden Restwassers global, d. h. bezogen auf die gesamte Baugrubenbegrenzung, und lokal, d. h. pro Wassereintrittstelle. Zur Überwachung einer Wasserhaltung gehört neben den vorab beschriebenen Faktoren die Aufstellung und Durchführung einer Qualitätssicherung. Ferner ist es Aufgabe der Bauüberwachung, die Menge bzw. Vorhaltezeit des Materials und der Geräte sowie die Betriebszeit der Anlage und die Arbeitszeit der Bedienungsmannschaft als Abrechnungsgrundlage zu prüfen. Die Abrechnungseinheiten sind in der DIN 18 305 Wasserhaltungsarbeiten geregelt.

7.1.6 Technische Begriffe und Abkürzungen Zum besseren Verständnis der Verfahrenstechnik der Grundwasserhaltung werden die verwendeten Fachbegriffe der Grundwasserabsenkung (in Anlehnung an die DIN 4049 Hydrologie) und der Grundwasserabsperrung erläutert:

354 Absenktiefe Absenktrichter Absenkziel Anrainer Aquifer Artesisches Grundwasser Aufschlussbohrung Bemessungswasserstand Bodenanalytik Durchlässigkeitsbeiwert EAB Filterstabilität Förderhöhe Gekernte Bohrung Gespanntes Grundwasser Grundwasser Grundwasserabsenkung Grundwasserdruckfläche Grundwasserentspannung Grundwasserhemmer Grundwasserhorizont Grundwasserleiter Grundwassernichtleiter Grundwasseroberfläche

Grundwassersohle

7 Grundwasserhaltungen gibt die Tiefe an, bis zu der das Grundwasser in einem Brunnen abgesenkt werden kann bzw. wird beschreibt den Verlauf des abgesenkten Grundwasserspiegels beschreibt die erforderliche Absenktiefe ist ein benachbartes Gewässer, Bauwerk etc. ist eine grundwasserführende Bodenschicht hat eine Druckfläche über der Grundwasser- und Erdoberfläche ist eine Bohrung, die zur Untersuchung/Bestimmung des anstehenden Bodens dient ist der Wasserstand, der für die Bemessung zugrunde gelegt wird umfasst die Bodenanalyse zur Beschreibung des originären Zustandes des Bodens beschreibt die Wasserdurchlässigkeit eines Bodens (kWert) Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen Häfen und Wasserstraßen beschreibt den Widerstand gegen Auswaschen von Bodenpartikeln bei einer Durchströmung mit Wasser ist die Höhe, bis zu der eine Pumpe Wasser fördern kann ist eine Bohrung, bei der der vollständige Bohrkern (gekernte Bodenprobe) entnommen wird hat eine Druckfläche oberhalb der Grundwasseroberfläche füllt Hohlräume des Untergrundes zusammenhängend aus ist die Differenz zwischen dem Wasserspiegel außerhalb der Wasserhaltung und des Brunnens ist der Ort der Standrohrspiegelhöhen ist die Reduzierung der Grundwasserdruckfläche ist eine im Vergleich zu den übrigen Bodenschichten gering durchlässige Schicht ist der Bereich, in dem Grundwasser ansteht sind geeignet, Wasser weiterzuleiten (Aquifer) sind baupraktisch undurchlässige Bodenschichten ist die obere Grenzfläche des Grundwassers (eine freie Grundwasseroberfläche entspricht der Grundwasserdruckfläche) ist die untere Grenzfläche eines Grundwasserleiters

7.1 Grundlagen der Planung und Ausführung Grundwasserspiegel Grundwasserstauer Grundwasserstockwerk in situ Natürliche Barriere Organoleptische Ansprache Pegel

Probeabsenkung

Quelle Reichweite Restwasserhaltung

Sickerwasser Teufe Thixotropie un-/vollkommene Brunnen Vorfluter Verockerung Wasseranalytik WHG Wiederversickerung

355

ist die gegen die Atmosphäre ausgeglichene Fläche des Grundwassers ist eine wasserundurchlässige Schicht ist ein Aquifer einschließlich der oberen und unteren Begrenzung in natürlicher Lage / vor Ort ist eine baupraktisch undurchlässige Bodenschicht ist eine Untersuchung des Bodens bzw. Wassers ohne Hilfsmittel zwecks Klassifizierung/Beurteilung ist eine Grundwassermessstelle, die zur Überwachung der Spiegelhöhe, ggf. der Fließgeschwindigkeit und zur Probeentnahme ausgebaut ist ist eine Methode zur Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes des Bodens in einem bestimmten Bereich eines Grundwasserhorizontes ist ein örtlich begrenzter Grundwasseraustritt eines Brunnens ist die Strecke, auf der der Grundwasserspiegel abgesenkt wird beinhaltet das Abpumpen des durch die Baugrubensohle eingetretenen Wassers sowie des Oberflächen- bzw. Regenwassers bei einer Grundwasserabsperrung ist unterirdisches, gravimetrisch bewegtes Wasser bezeichnet die Tiefe einer Bohrung ist die Neigung eines Stoffes, sich unter Einwirkung einer dynamischen Belastung zu verflüssigen binden nicht bzw. binden in eine wasserundurchlässige Schicht ein ist ein Gewässer, das ober- bzw. unterirdisch zufließendes Wasser aufnimmt und abführt ist eine Krustenbildung durch Ausfällung von im Wasser gelösten Eisenverbindungen umfasst die Wasseranalyse zur Beschreibung des originären Grundwasserzustandes Wasserhaushaltsgesetz ist das Wiedereinleiten des im Brunnen entnommenen Grundwassers

356


7.2 Offene Wasserhaltung 7.2.1 Das Bauverfahren im Überblick Bei offenen Wasserhaltungen wird das einer Baugrube durch die Sohle und aus den Böschungen zufließende Wasser oberflächlich über Gräben und Rinnen in Pumpensümpfen gesammelt und von dort ständig oder zeitweise abgepumpt. Auf diese Weise wird auch Regenwasser abgeführt. Ihre Anwendung erfordert einen standfesten Untergrund, wie zum Beispiel bindige Böden, Fels mit Klüften und grobem Kies, bei dem keine Auftriebsgefahr besteht. In sandigen und kiesigen Böden dagegen ist dieses Verfahren nur möglich, wenn man die Schleppkraft des Wassers beherrscht. Dies ist vor allem in Feinsanden schwierig.

7.2.2 Technische Grundlagen Spezielle DIN-Normen für das Entwässerungsverfahren gibt es in der VOB/C nicht. Die Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen der im Folgenden aufgeführten Normen sind für die Bauausführung maßgebend: Tabelle 7.3

Übersicht über geltende Normen

DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

4124 18 299

Baugruben und Gräben Allgemeine Regelungen für Bauarbeiten jeder Art

18 300 18 305 18 308

Erdarbeiten Wasserhaltungsarbeiten Dränarbeiten

Offene Wasserhaltungen sind wegen der Grundbruchgefahr nur bis in geringe Tiefen möglich. Mit zunehmender Tiefe wächst aufgrund von stärkerem Wasserandrang die Gefahr von Bodenauflockerungen. Die Standfestigkeit und Tragfähigkeit des Bodens wird gefährdet. Außerdem sind flache Böschungen vorzusehen. Weiter ist zu beachten, dass die Baugrubensohle nie ganz trocken wird, wodurch Abdichtungsarbeiten erschwert oder gar unmöglich werden. Eine vollkommen trockene Baugrube ist nur mit großem Aufwand möglich. Es muss dann nach tieferem Aushub eine ausreichend starke Sauberkeitsschicht aus gut durchlässigem Material zwischen Dränungen auf der Baugrubensohle eingebaut werden. Offene Wasserhaltungen werden häufig, trotz laufender Grundwasserabsenkung, parallel zu Erdarbeiten für den Aushub einer Baugrube notwendig, wenn bindiger oder geschichteter Untergrund geräumt wird. Um Aufweichungen in den jeweiligen Aushubebenen zu vermeiden, die die Erdarbeiten wesentlich erschweren können, müssen laufend Gräben und Pumpensümpfe angelegt werden. Gleichzeitig muss der Erdaushub in geneigten Flächen so erfolgen, dass das Wasser auch zu den Gräben fließen kann. Die offene Wasserhaltung stellt hier somit einen Teil der Erdarbeiten dar. Aus den Böschungen austretendes Wasser wird durch Dränungen, Gräben, Kiesrigolen und Belastungsfilter erfasst und der offenen Wasserhaltung zugeführt.

7.2 Offene Wasserhaltung

357

Besser kann Wasser durch Spülfilteranlagen, die lotrecht oder schräg eingebaut werden können, schon vor seinem Austritt aus den Böschungen erfasst werden. Die Praxis hat gezeigt, dass dadurch die Probleme nicht nur technisch, sondern oft auch wirtschaftlich besser gelöst werden. Bei der offenen Wasserhaltung ist sicherzustellen, dass die gesamte anströmende Wassermenge aufgenommen und abgeführt werden kann. Die anfallende Wassermenge hängt vom Grundwasserspiegelunterschied und vom Durchlässigkeitsbeiwert k des Bodens ab. Zum Beispiel kann die offene Wasserhaltung in feinkörnigen Böden (k = 10-9 bis 10-7 m/s), bei denen der Wasseranfall aufgrund des k-Wertes gering ist, und bei einem Wasserspiegelunterschied bis 5 m wirtschaftlich eingesetzt werden. Dagegen ist dieses Verfahren in grobkörnigen Böden (k = 10-4 bis 10-1 m/s) nur bis zu Spiegeltiefen von 2,5 bis 3 m anwendbar. Verfahren, bei denen die Schwerkraft zur Entwässerung nicht ausreicht (z. B. im Feinsand/Schluff mit ∅ < 0,2 mm bzw. k H; t = T bei T < H; t = 0 bei T = 0 Abstand zwischen Baugrubensohle und Oberkante Wasserstauer [m] Beiwerte [-], vgl. Bild 7.4

Berechnung des Baugrubenzuflusses nach Davidenkoff

Für feinkörnige Böden, in denen einzelne wasserführende Schichten eingelagert sind, können keine allgemein gültigen Regeln zur Berechnung des Wasserzuflusses angegeben werden. Die anfallende Wassermenge ist im Allgemeinen jedoch gering und somit unproblematisch. Es besteht jedoch die Gefahr des Ausfließens wasserführender Schichten. Um eine genauere Betrachtung durchzuführen, ist ein mittlerer Durchlässigkeitsbeiwert k der wasserführenden Schichten zu schätzen. Auf der Grundlage dieses k-Wertes wird der Wasserzufluss für eine offene Wasserhaltung ermittelt. Danach kann je nach Stärke der wasserführenden Schicht ein entsprechender Prozentsatz für den Wasserzufluss angenommen werden.

7.2.4

Das Bauverfahren

7.2.4.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Häufig wird die offene Wasserhaltung in Kombination mit geböschten Baugruben eingesetzt, um das anstehende Grundwasser während Ausschachtungsarbeiten provisorisch oder nach Beendigung dauerhaft aufzufangen und abzuleiten.

360


Im Folgenden wird nur auf die dauerhafte Einrichtung einer offenen Wasserhaltung nach Beendigung des Baugrubenaushubs eingegangen, d.h. nach Fertigstellung des Feinplanums. Einrichten und Betreiben einer provisorischen Wasserhaltung während des Aushubs verlaufen ähnlich. Der Ablauf besteht im Wesentlichen aus einer Aneinanderreihung von Erd- und Dränarbeiten und lässt sich durch folgende Vorgänge beschreiben: Aushub der Sickergräben mit einem Längsgefälle von mindestens 0,5 % (Tiefe 0,5 bis 1,0 m - Breite bzw. Dimensionierung nach anfallender Wassermenge) ggf. Laden und Transportieren des Grabenaushubs aus der Baugrube Verfüllen der unteren Grabenhälfte mit Filtermaterial oder alternativ: Auslegen von Geotextilien und Einbringen von grobkörnigem Bodenmaterial (Sand oder Kies) Verlegen der Dränleitungen Verfüllen und Verdichten der oberen Grabenhälfte, ggf. kann der ausgehobene Boden verwendet werden Aushub des Pumpensumpfes (Anordnung an der tiefsten Stelle der Baugrube ggf. mehrere, Tiefe mindestens 1,0 bis 1,5 m unter Baugrubensohle, Durchmesser ca. 1,0 m) Einsetzen der Verkleidung (Brunnenringe, gelochte Betonrohre, perforierte Fässer o. ä.) Verfüllen des Freiraums zwischen Verkleidung und Erdreich mit Filtermaterial (ggf. Verwendung von Geotextilien) Einsetzen der Pumpen (Unterwasserpumpen) bzw. Aufbau der Pumpen und Verlegen der Saugleitungen (Vakuumpumpen) Verlegen der Druckleitungen zum Vorfluter und Montieren der Anschlüsse einschl. aller Form- und Passstücke Nach Beendigung der Baumaßnahme muss die Anlage zurückgebaut werden: Ausbau der Pumpen Rückbau aller Leitungen Rückbau und Verfüllen des Pumpensumpfes und ggf. der Dränleitungen Tabelle 7.4 Prozesse zur Einrichtung einer offenen Wasserhaltung / Horizontalabsenkung Prozesse

Teilprozesse

Geräte

Aushub der Sickergräben

(1) Ausheben der Gräben und Anschluss an den Pumpensumpf (2) Transport des Bodenaushubs

-

Hydraulikbagger oder Baggerlader

-

Verlegen der Dränageleitungen

(1) Verfüllen der unteren Grabenhälfte mit Filtermaterial (2) Verlegen der Dränageleitungen (3) Verfüllen und Verdichten der oberen Grabenhälfte (1) Aushub des Pumpensumpfes (2) Verlegen der Brunnenringe (3) Verfüllen mit Filterkies

Lkw Radlader oder Baggerlader

I

II Herstellen des PumpenIII sumpfes

-

Radlader oder Baggerlader, Verdichtungsgerät

-

Hydraulikbagger oder Baggerlader, Verdichtungsgerät


361

Prozesse

Teilprozesse

Einbau der Pumpen

(1) Einsetzen der Pumpen (2) Verlegen der Druckleitungen zum Vorfluter (3) Montieren aller Anschlüsse, einschl. aller Form- und Passstücke (1) Vorhalten der Leitungen, der Pumpen und des Pumpensumpfes (2) Ausbau der Pumpen (3) Rückbau der Druckleitungen

IV

Betrieb und Rückbau der Anlage V

Geräte

-

Tauchpumpen und Kleingeräte, ggf. Hydraulikbagger oder Baggerlader

-

ggf. Stromaggregat

-

ggf. Hydraulikbagger oder Baggerlader

7.2.4.2 Die Geräte Baggerlader

Baggerlader sind eine Kombination aus Radladern und Baggern. Zwar ist ihre Leistung sowohl als Lader wie auch besonders als Bagger niedriger als bei den entsprechenden Sologeräten, dennoch stellen sie speziell bei kleineren Bauvorhaben eine echte Alternative dar. Durch ihre universellen Einsatzmöglichkeiten können Transport- und Vorhaltekosten eingespart werden.

Bild 7.5

Baggerlader JCB 4CX [2]

Pumpen

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen Pumpentypen, die bei offenen Wasserhaltungen eingesetzt werden, und deren Funktionsweise erläutert. Die Pumpen werden nach ihrem Standort unterschieden. Zum Einsatz kommen Vakuumpumpen an der Geländeoberfläche und Tauchpumpen, die in den Pumpensumpf eingehängt werden. Wichtig ist, dass die Pumpen trockenlaufsicher und schmutzunempfindlich sind. Im Bauwesen und speziell zur Wasserhaltung kommen heutzutage überwiegend Tauchkörper- und Tauchmotorpumpen zum Einsatz. Diese Pumpen sind in der Lage, neben reinem Wasser auch Schmutzwasser oder Schlämme zu fördern. Tauchmotorpumpen können ganz in das zu fördernde Wasser eingetaucht werden, da der Elektromotor vollkommen wasserdicht in der Pumpe eingebaut ist. Sie werden unter anderem als Schmutzwasser- und als Schlammausführungen angeboten.

362


Während Schmutzwasserpumpen ausschließlich zur Förderung von Wasser, auch mit geringen Anteilen an ausgespülten Sanden und Feinmaterialien, geeignet sind, können mit Schlammpumpen sogar Flüssigkeiten mit einer Dichte bis zu 2,0 kg/dm³ gefördert werden. Alle Tauchmotorpumpen sind nach dem gleichen Grundprinzip aufgebaut. Sie gehören zur Gruppe der Kreiselpumpen und kennzeichnen sich durch die vertikale Anordnung ihrer Motor- und Laufradwelle. Bild 7.6 zeigt beispielhaft den Aufbau von Tauchmotorpumpen. Sie sind laut BGL mit Motorleistungen bis zu 200 kW und Förderhöhen bis zu 386 m erhältlich. Die Wahl der entsprechenden Pumpe ist im Wesentlichen abhängig von der Fördermenge und der erforderlichen Absenktiefe. Bei der Verwendung in Absenkbrunnen muss zusätzlich der Pumpendurchmesser in Abhängigkeit zum Brunnendurchmesser beachtet werden. Aufschluss über das Leistungsvermögen einer jeden Pumpe gibt die Pumpenkennlinie. Ihr kann in Verbindung mit der Förderhöhe die entsprechende Fördermenge Q (l/s) entnommen werden. Die Tauchpumpen werden in die Pumpensümpfe oder auch in die Flachbrunnen eingehängt und drücken das Wasser über Druckleitungen aus der Baugrube. Es entsteht ein so genannter Druckbrunnen (siehe Bild 7.8).

1 Elektromotor 2 Gleitringdichtung 3 Laufrad 4 Diffusor 5 Außenmantel 6 Druckstutzen 7 Elektroanschluss 8 Sieb 9 Anhängebügel

1.Elektromotor 2 Gleitringdichtung 3 Einkanallaufrad 4 Pumpengehäuse 5 Ansaugöffnung 6 Druckstutzen 7 Elektroanschluss 8 Anhängebügel

Bild 7.6

Links: Schmutzwasserpumpen als Normalausführung Rechts: Schlammpumpe mit Einkanallaufrad [3]

Bild 7.7

Schmutzwasserpumpe Master (Fa. Grindex) mit zugehöriger Pumpenkennlinie [4] (Varianten: N Normaldruck , H Hochdruck , L höchste Durchflussmenge)


363

Beim Betrieb von Flachbrunnen oder offenen Wasserhaltungen werden zudem Vakuumpumpen eingesetzt. Sie werden an der Geländeoberfläche positioniert und saugen das Wasser mittels Druckunterschied aus den Pumpensümpfen. Je nach Bauart unterscheidet man Verdränger- oder Kreiselpumpen. Überwiegend werden selbstansaugende Kreiselpumpen verwendet, bei denen eine Vakuumpumpe und eine Wasserpumpe zu einer Einheit gekoppelt sind und die vollautomatisch arbeiten. Durch die Vakuumpumpe wird in der Saugleitung ein Unterdruck erzeugt, durch den das Wasser nach oben gesaugt und von der Förderpumpe abgepumpt wird. Die im Wasser enthaltene Luft wird in einem Trennbehälter separiert und abgeführt. Ihr Antrieb kann durch Elektro-, Benzin- oder Dieselmotoren erfolgen. Die theoretische Saughöhe dieser Pumpen beträgt ca. 8 m. Jedoch können kleine Undichtigkeiten bei Pumpe oder Saugleitung eine drastische Minderung des Wirkungsgrades hervorrufen. Aus diesem Grund liegt die praktische Saughöhe dieser Anlagen bei ca. 4 m.

Bild 7.8

Druckbrunnen (schematisch) [5]

Bild 7.9

Saugbrunnen (schematisch) [6]

364


Förderleitungen

Als Förderleitungen dienen auf Baustellen für Tauchpumpen Schläuche und Schnellkupplungsrohre. Es handelt sich dabei um Synthetik- oder Gummischläuche mit Gewebe- oder Spiraleinlagen und Schnellkupplungen. Schnellkupplungsrohre werden aus verzinkten Stahlblechrohren hergestellt und sowohl in dickwandiger wie dünnwandiger Ausführung angeboten. Entsprechende Kupplungsteile ermöglichen einen raschen Auf- und Rückbau. In der Regel werden für die Druck- und Saugleitungen meist Rohre oder Schläuche gleichen Typs verwendet. Bei der Festlegung der Förderhöhe einer Pumpe sind außer der geodätischen Förderhöhe Reibungsverluste der Förderleitungen zu berücksichtigen. Das Nomogramm (Bild 7.10) zeigt beispielhaft die Druckverluste hv in m für Schläuche, abhängig von der Fördermenge und dem Durchmesser der Förderleitung für jeweils 100 m Länge.

Bild 7.10 Druckverluste bei glatten, innen gummierten Schläuchen für 100 m Länge

7.2.4.3 Die wichtigsten Stoffe Bei der offenen Wasserhaltung werden keine Stoffe oder Materialien benötigt.


365

7.2.4.4 Der Personalbedarf Der Personalbedarf zum Bauen und Betreiben einer offenen Wasserhaltung nach dem Herstellen der Baugrube setzt sich aus folgenden Personen zusammen: 1 Maschinist, der den Baggerlader bzw. Hydraulikbagger bedient 2 Helfer, die den Bodenaushub mit Handarbeit unterstützen, sowie für das Auf-, Abbauen und Betreiben der gesamten Wasserhaltungsanlage zuständig sind

7.2.4.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten Da es sich bei der Herstellung einer offenen Wasserhaltung nicht um eine Spezialtiefbaumaßnahme handelt, sind die kalkulatorischen Aufwands- und Leistungswerte gewichtiger Teilherstellungsprozesse aus der Literatur in Tabelle 7.5 sehr praxisnah. Sonstige Kosten: Die Materialkosten für Brunnenringe betragen in etwa 100 bis 140 EUR/Pumpensumpf und für Filterkies 16/32 mm Körnung 15 EUR/m³ je Ortslage.

Die Einleitungsgebühren in den Vorfluter liegen zwischen 0,80 und 1,00 EUR/m³. Die Kosten für den Pumpenbetrieb liegen je nach Region bei 0,30 EUR/kWh. Nachfolgende Formeln sollen bei der Dimensionierung der Pumpen und Elektromotoren hilfreich sein [7]. Leistungsbedarf der Pumpe PP =

[kW] mit

Q

=

η

=

Förderstrom [l/s] Wirkungsgrad der Pumpe für Kreiselpumpen

= 0,50 bis 0,85

für Kolbenpumpen

= 0,80 bis 0,95

ρ

=

Dichte des Fördergutes [kg/dm³] für Wasser

= 1 kg/dm³

g

=

Fallbeschleunigung (9,81 m/s²)

h

=

Förderhöhe in m

Bemessung des E-Motors PM = α× [kW] mit η

=

Wirkungsgrad des Motors

α

=

Zuschlag zum berechneten Leistungsbedarf bis 7,7 kW

≈ 20%

7,7 bis 40 kW

≈ 15%

> 40 kW

≈ 10%

= 0,80 bis 0,95

366


Tabelle 7.5 Prozess

Betriebsmitteleinsatz Teilprozess

Gerät


(1) Ausheben der Gräben und Anschluss an den Pumpensumpf I

II

Baggerlader oder

D.2.01.

1 Maschinist

Hydraulikbagger

D.1.01.0

1 Helfer

Auslegerunterteil

D.1.41.0

Auslegeroberteil

D.1.42.0

Löffelstiel

D.1.43.0

Tieflöffel

D.1.60. P.2.11.

(1) Verfüllen der Baggerlader oder unteren Gra- Radlader benhälfte mit Filtermaterial

D.2.01.

1 Maschinist

D.3.10.

1 Helfer

ggf. Baggerlader

D.2.01.

(1 Maschinist)

(2) Verlegen der Dränageleitungen

Ausstattung wie I

(2) Verlegen der Brunnenringe

Ausstattung wie I

D.2.01.

1 Maschinist

D.3.10.

1 Helfer

V

20,0 bis 67,5 m³/h

0,05 bis 0,10 h/m

20 - 67,5 m³/h

D.8.61. 1 Maschinist 1 Helfer 1 Maschinist 1 Helfer

20 - 30 h/St

1 Maschinist

(3) Verfüllen mit Ausstattung wie I Filterkies

IV

je 1 Fahrer

P.2.11.0 .AF

1 Helfer

(1) Aushub des Pumpensumpfes


20,0 bis 32,5 m³/h

(2) Transport des Lastkraftwagen 6 x 6 BodenDreiseitenkippeinr. aushubs

(3) Verfüllen und Baggerlader oder Verdichten Radlader der oberen Grabenhälfte Flächenrüttler

III

Personalbedarf

1 Helfer

(1) Einsetzen der ggf. Baggerlader Pumpen Tauchkörperpumpe für Schmutzwasser

D.2.01.

(1Maschinist)

T.0.50.

2 Helfer

(2) Verlegen der ggf. Baggerlader Druckleitungen zum Vorfluter

D.2.01.

(1Maschinist)

(1) Ausbau der Pumpen

ggf. Baggerlader

D.2.01.

(1Maschinist)

Tauchkörperpumpe für Schmutzwasser

T.0.50.

2 Helfer

(2) Rückbau der Druckleitungen

ggf. Baggerlader

2 Helfer

2,0 bis 3,0 h/St.

0,3 bis 0,4 h/m

2,0 bis 3,0 h/St.

(1Maschinist) 2 Helfer

0,3 bis 0,4 h/m

7.2 Offene Wasserhaltung Tabelle 7.6

Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten für das Einrichten einer offenen Wasserhaltung

Tätigkeit Sonstiges

367

Baustelleneinrichtung Vorhalten und Betreiben der Wasserhaltung, vornehmlich Kontrolle und Wartung Räumen der Baustelle

Tätigkeits- und Rüstzeiten nach Je nach Umfang der Baustelle 2 h / AT Je nach Umfang der Baustelle

7.2.4.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Für Wasserhaltungsarbeiten wurden ebenfalls spezielle technische Bedingungen entwickelt, nach denen weitere Vereinbarungen getroffen werden können. Spezielle Technische Bedingungen für Wasserhaltungsarbeiten (STB-WH) [8]

1. Nebenleistungen Erstellen des wasserrechtlichen Antrages 2. Besondere Leistungen (1) Einholen der wasserrechtlichen Genehmigung vor Beginn der Arbeit (2) Herstellung, Unterhaltung und Rückbau von Rohrbrücken und Gräben zur Verlegung von Leitungen 3. Aufmass und Abrechnung Ergänzend zu ATV DIN 18 305, Abschnitt 5 gilt für Brunnen ATV DIN 18 302, Abschnitt 5.

7.2.5 Qualitätssicherung und Kennwerte Um die erforderliche Qualität und Sicherheit einer offenen Wasserhaltung zu gewährleisten, sind die nachfolgend aufgeführten bauvorbereitenden und baubegleitenden sowie Folgemaßnahmen erforderlich.

368


Tabelle 7.7

Maßnahmen zur Qualitätssicherung bei der offenen Wasserhaltung [9]

vor der Baumaßnahme

während der Baumaßnahme

Einholen aller wasserrechtlichen Genehmigungen Ermittlung des Grundwasserstandes Bestimmung der Bodenkennwerte (z. B. k-Wert) Durchführung einer Grundwasseranalyse Einholen von Angaben über Nachbargebäude (Gründung, Statik etc.) Erkundung der Wasserstände benachbarter Gewässer

Messung der geförderten Wassermenge (täglich) Kontrolle der Pumpen bezüglich Sandfreiheit Kontrolle des Grundwasserstandes Prüfen der Dichtigkeit des Leitungssystems Gewährleistung der Stromversorgung

nach der Baumaßnahme Vermessung der Nachbargebäude (Setzungen) Kontrolle der Gebäudeabdichtung Ermittlung des Grundwasserstandes Überprüfung aller Pumpen und Leitungen auf Dichtigkeit nach dem Rückbau der Anlage

7.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Schwerkraftentwässerung 7.3.1 Anwendungsbereiche Wenn eine offene Wasserhaltung, beispielsweise wegen des erforderlichen Absenkzieles, nicht mehr in Frage kommt, wird eine Grundwasserhaltung mit Brunnen vorgenommen. Bei einer Grundwasserabsenkung mit Brunnen werden vor Beginn des Baugrubenaushubs Brunnen eingerichtet, Rohrleitungen verlegt und Pumpen installiert. Danach wird das Grundwasser mit einem zeitlichen Vorlauf zum Erdaushub abgesenkt. Damit der Aushub und die späteren Arbeiten in der Baugrube nicht behindert werden, wird die Anlage bevorzugt außerhalb der Baugrube angeordnet. Bei sehr großen Baumaßnahmen kann es erforderlich sein, die Brunnen innerhalb der Baugrube anzuordnen, um das gewünschte Absenkziel zu erreichen. In diesem Fall müssen bei der Abdichtung des Bauwerkes Zusatzmaßnahmen, wie z. B. dicht einbindende, stählerne Brunnentöpfe, getroffen werden. Bei der Anordnung der Brunnen und bezüglich der Standsicherheit der Baugrubensicherung sind Zwischenzustände zu berücksichtigen. Bei der Grundwasserabsenkung mit Brunnen wird die Größe des Zuflusses in den Brunnen wesentlich von dem Durchlässigkeitsbeiwert k des anstehenden Bodens bestimmt, welcher somit die Wahl des Absenkverfahrens maßgeblich prägt. Im Bild 5.1 werden Anhaltswerte für die Anwendungsgebiete der verschiedenen Absenkungsverfahren in Abhängigkeit von der Bodenart bzw. dem k-Wert und der Absenkungstiefe angegeben. Die Bereiche wurden aufgrund von praktischer Erfahrung ermittelt. Bei der Schwerkraft-, der Vakuum- und Osmoseentwässerung sind die jeweils günstigsten Bereiche besonders hervorgehoben. In den folgenden Kapiteln werden die Wasserhaltungsverfahren der Schwerkraft- und der Vakuumentwässerung erläutert.

15

10

5

Offene W a sserha ltu ng

T ie fbrun nen (V akuu m )

Flac hb runn en (V akuu m)

Tiefbrunnen (Sc hw erk raft)

369

Grundwasserabsperrungen

Absenkziel / Absperrtiefe [m]

20

Grundwasserabsperrungen

7.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Schwerkraftentwässerung

Fla chbru nn e n (Schwerkraft)

0

T on

S c hluff

S and

K ies

Bild 7.11 Anwendungsbereiche der Wasserhaltungsverfahren [9]

7.3.2 Das Bauverfahren im Überblick Bei der Schwerkraftentwässerung fließt das Wasser aufgrund seiner Schwerkraft dem Brunnen zu. Ziel ist es, das Grundwasser durch Abpumpen ca. 0,5 bis 1,0 m unter die vorgesehene Gründungssohle abzusenken. Es wird also ein Höhenunterschied zwischen dem ursprünglichen Grundwasserspiegel und dem Wasserstand im Brunnen herbeigeführt. Eine wirtschaftliche Anwendung der Schwerkraftentwässerung ist bei Böden mit einem k-Wert von k = 10-2 bis 10-4 zu erwarten. Je nach Baugrundverhältnissen werden vollkommene oder unvollkommene Brunnen unterschieden (Bild 7.12). Vollkommene Brunnen binden in eine praktisch wasserundurchlässige Schicht ein und werden nur horizontal angeströmt. Unvollkommene Brunnen enden in einer wasserführenden Schicht. Bei diesen Brunnen muss zusätzlich der Wasserzufluss von unten berücksichtigt werden.

Bild 7.12 Wasserzufluss zu vollkommenen und unvollkommenen Brunnen [9]

370


Bei langfristigen Absenkungen muss die chemische Zusammensetzung des Grundwassers bekannt sein, da nach einiger Zeit eine Korrosions- und Verockerungsgefahr der Filterrohre besteht. Eine Verockerung der Filterrohre entsteht durch Ausfällungen von im Wasser gelösten Eisenverbindungen. Diese Ausfällungen führen zu Krustenbildungen in den Filteröffnungen. In Einzelfällen lassen sich Verkrustungen durch Rückspülen beseitigen. Herrscht Grundwasser vor, das zur Verockerung neigt, empfehlen sich eine Überbemessung des Filters und ein langsamer Absenkvorgang.

7.3.3 Technische Grundlagen Nachfolgend werden die zu beachtenden DIN-Normen zum Herstellen und Betreiben einer Schwerkraft- bzw. Vakuumentwässerungsanlage aufgeführt. Tabelle 7.8 Übersicht über geltende Normen DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

18 300 18 301

Erdarbeiten Bohrarbeiten

18 302 18 305

Brunnenbauarbeiten Wasserhaltungsarbeiten

Bei der Schwerkraftentwässerung unterscheidet man: Flachbrunnenanlagen (Saugbrunnen) Tiefbrunnenanlagen (Druckbrunnen) Wellpoint-Anlagen (Punktbrunnen) Flachbrunnenanlage

Die Wasserförderung aus Flachbrunnen erfolgt durch selbstsaugende Kreiselpumpen, die an der Geländeoberfläche aufgestellt werden. Die Pumpen erzeugen in den Saugrohren einen Unterdruck, durch den das Grundwasser angesaugt wird. Danach wird das Wasser durch die Pumpen der einzelnen Brunnen zu Stich- und Sammelleitungen, die zum Vorfluter führen, befördert. Gebohrte Flachbrunnen haben je nach Bodenart und zu fördernder Wassermenge einen Bohrdurchmesser von ca. 200 bis 400 mm. In die Bohrlöcher wird ein Filterrohr mit einem Durchmesser von 150 bis 300 mm eingestellt. Das Saugrohr wird zentrisch in die Filterrohre eingehängt und endet etwa 2 m oberhalb des Filterrohres. Danach wird der Ringraum zwischen dem Filterrohr und dem Bohrrohr mit Filterkies ausgefüllt und die Verrohrung gezogen. Um Undichtigkeiten zu vermeiden, sollen die Saugrohre aus einem Stück bestehen. Am unteren Ende haben diese Rohre eine Rückschlagklappe, die ein Leerlaufen der Saugleitung und der Kreiselpumpe verhindert. Die Saughöhe einer Kreiselpumpe ist aus physikalischen Gründen auf ca. 8 m und baupraktisch auf ca. 7 m begrenzt. Da der Wasserspiegel im Brunnen tiefer liegt als im Bereich der Baugrubensohle, kann mit Flachbrunnen eine Absenktiefe von maximal 4 m erreicht werden.


371

Sind größere Absenktiefen erforderlich, so muss man eine oder zwei weitere ,,Staffeln von Saugbrunnen anordnen (siehe Bild 7.13 links). Das erfordert einen erheblichen Platzbedarf, eine Vielzahl Brunnen und entsprechende Leitungslängen. Das Absenken in mehreren Staffeln ist also sehr kostspielig. Tabelle 7.9

Bewertung von Flachbrunnenanlagen Vorteil

Nachteil

schneller Aufbau und Arbeitsbeginn möglich (gerin- begrenzte Absenktiefe ger Durchmesser, geringe Tiefe, Normung aller Anla- empfindliche Saugleitung, was bei Beschädigung genteile) oder Undichtigkeiten zum Ausfall der gesamten Anhohe Anpassungsfähigkeit bei Projektänderung oder lage führen kann unvorhergesehenen Bodenverhältnissen Verlängerung der Bauzeit durch Herstellung und Wirtschaftlichkeit

Inbetriebnahme der zweiten Brunnenstaffel Platzbedarf und Aushubmassen vergrößern sich durch die für das Aufstellen der Pumpen und Saugleitungen erforderlichen Bermen die engmaschige und umfangreiche Absenkungsanlage behindert den Baubetrieb

Dieses Absenkverfahren ist zugunsten der Filter-Tiefbrunnen stark zurückgegangen, insbesondere die Anwendung von Mehrstaffelanlagen. Aus diesem Grund werden die Flachbrunnenanlagen im weiteren Verlauf dieses Kapitels nicht weiter beschrieben. Tiefbrunnenanlagen

Bei Tiefbrunnenanlagen wird in jeden Brunnen eine Pumpe eingebaut, die das Wasser nicht hochsaugt, sondern drückt. Es steht also nicht das gesamte Leitungssystem unter Unterdruck, Beschädigungen führen nicht zum Ausfall der gesamten Wasserhaltung. Im Allgemeinen werden elektrisch betriebene Unterwasserpumpen verwendet. Mit Tiefbrunnenanlagen ist jede gewünschte Absenktiefe erreichbar. Die Brunnen sind Kiesschüttungsbrunnen mit Bohrdurchmessern von 400 bis 1500 mm und Filterdurchmessern von 200 bis 1250 mm. Sie sollten möglichst außerhalb der Baugrube liegen, da sie dann weder den Aushub noch die späteren Arbeiten in der Baugrube behindern (siehe Bild 7.13 rechts). Die Bohrung wird so tief abgeteuft wie die Ergiebigkeitsberechnung es erfordert bzw. bis zur Unterkante der wasserführenden Schicht. Von dort aus bohrt man wegen der Bauhöhe der Tauchpumpen noch ca. 1,5 m weiter. Auf dem unten geschlossenen Sumpfrohr sitzen das mit Schlitzen versehene Filterrohr und darüber die Aufsatzrohre. Das Filterrohr muss von Filtermaterial umhüllt sein, damit Teile des anstehenden Bodens nicht in das Filterrohr geschwemmt werden. Das Filtermaterial muss so beschaffen sein, dass einerseits keine Feinteile und andererseits nicht das Material selbst in das Filterrohr eindringen. Meist genügt eine einzelne Filterschicht (Filterkies 3/7 mm), bei Böden mit hohem Feinsandanteil werden 2 Schichten (außen 1/3 mm) geschüttet.

372


Ein weiterer Vorteil der Tiefbrunnenanlage besteht darin, dass diese nachträglich durch beliebig viele Brunnen ergänzt werden können, falls sich herausstellt, dass mit den zunächst installierten Brunnen das Absenkziel nicht erreicht wird. Tabelle 7.10 Bewertung von Tiefbrunnenanlagen Vorteil

Nachteil

Geringe Anfälligkeit gegen Undichtigkeiten im Lei- zeitaufwendiger Aufbau (wegen großer Durchmesser, tungssystem großer Tiefe) nachträgliche Erhöhung der Brunnenanzahl möglich jede gewünschte Absenktiefe ist erreichbar

Bild 7.13 Schnitt durch eine Grundwasserabsenkung, links: Staffelabsenkung (Saugbrunnen); rechts: Tiefabsenkung (Druckbrunnen) [5]

Wellpoint-Anlage (Punktbrunnenanlage)

Als Wellpoint bezeichnet man Flachbrunnen einfachster Art, bei denen das Filterrohr der Brunnen gleichzeitig als Saugrohr dient und direkt mit der Saugleitung verbunden ist. Der Durchmesser der ca. 8 - 10 m langen Brunnenrohre beträgt 2 - 4 Zoll. Da das untere Rohrende auf 1 - 2 m Länge als Filter ausgebildet wird, ist eine Kiesschüttung nicht erforderlich. Die Brunnen werden nicht gebohrt, sondern in den Boden eingespült. Im Brunnenrohr herrscht während des Betriebes Unterdruck, der nur zum Heben des Wassers benötigt wird. Er wirkt nicht auf den Boden. Das Wasser fließt dem Brunnen nur durch die Schwerkraft zu.

7.3.4 Nachweis und Dimensionierung Die Dimensionierung einer Grundwasserabsenkung liefert die Festlegung der Brunnenanzahl, des durchmessers und der tiefe auf der Grundlage des ermittelten Zustromes bzw. des Absenkziels. Bei den Berechnungsansätzen wird in vollkommene und unvollkommene Einzeloder Mehrbrunnenanlagen unterschieden.


373

Vollkommene Einzelbrunnen

Für die Dimensionierung von Einzelbrunnen können die Dupuit-Thiemschen Brunnenformeln unter folgenden Voraussetzungen angewandt werden: -

Die Sickerströmung bildet einen stationären Zustand, den Beharrungszustand. Das strömende Wasser ist homogen und isotrop. Alle Bodenporen sind mit Wasser gefüllt, es befindet sich kein Gas im Boden. Die Wassermenge im Einzugsbereich ist konstant und wird weder durch Verdunstung noch durch oberirdische Zuflüsse verändert. Der Boden ist homogen. Die Durchlässigkeit des Bodens ist in lot- und waagerechter Richtung gleich groß. Die Brunnen erfassen die gesamte Mächtigkeit des Grundwasserleiters. Das lineare Strömungsgesetz von Darcy ist gültig. Der Grundwasserhorizont und die Mächtigkeit des Aquifers ist konstant. Der Kapillarraum bleibt unberücksichtigt. Das Wasser tritt in den Brunnen im Bereich der gesamten benetzten Filterfläche mit gleicher, waagerechter Geschwindigkeit ein.

Obwohl diese Voraussetzungen in der Natur nicht oder nur teilweise zutreffen, geben die Dupuit-Thiemschen Brunnenformeln für die Praxis ausreichend genaue Werte. Unter diesen Voraussetzungen fließt einem Einzelbrunnen das Grundwasser von allen Seiten gleichmäßig zu. Dabei bildet sich um den Brunnen ein parabelförmiger Absenktrichter. Der Trichter steigt vom abgesenkten Brunnenwasserspiegel zunächst steil und dann allmählich flacher an. In der Entfernung R (Reichweite des Brunnens) legt sich die Spiegellinie an den ungesenkten Wasserspiegel asymptotisch an. Für die Berechnung des Wasserzuflusses zum Brunnen werden verschiedene Arten von Grundwasserleitern unterschieden (Bild 7.14).

Bild 7.14 Verschiedene Arten von Grundwasserleitern [10]

374


a)

Grundwasserleiter mit freier Oberfläche: Ein Grundwasserleiter mit freier Oberfläche ist eine wassergefüllte, durchlässige Bodenschicht, die über einer relativ undurchlässigen Sohlschicht (Wasserstauer) liegt.

b)

Grundwasserleiter mit gespannter Oberfläche: Bei einem Grundwasserleiter mit gespannter Oberfläche ist eine wassergefüllte, durchlässige Bodenschicht ober- und unterhalb durch relativ undurchlässige Schichten begrenzt. Der Druck des Grundwassers liegt über dem atmosphärischen Druck.

c)

Grundwasserleiter mit halbgespannter Oberfläche: Ein Grundwasserleiter mit halbgespannter Oberfläche ist eine Übergangsform zwischen einem Leiter mit freier und gespannter Oberfläche. Wenn die obere Begrenzungsschicht eines Grundwasserleiters mit gespannter Oberfläche halb durchlässig ist, entsteht eine senkrechte Fließbewegung nach unten zum Grundwasserleiter hin, sobald in diesem der Druck vermindert wird. Eine Druckminderung tritt auf, sobald dem Brunnen Wasser entnommen wird. Die Horizontalkomponente der Fließbewegung in der oberen Begrenzungsschicht kann wegen der geringen Durchlässigkeit vernachlässigt werden.

d)

Grundwasserleiter mit halbfreier Oberfläche: Ein Grundwasserleiter mit halbfreier Oberfläche liegt vor, wenn die Durchlässigkeit der Begrenzungsschicht so groß ist, dass die Horizontalkomponente der Fließbewegung in der oberen Begrenzungsschicht nicht vernachlässigt werden kann.

Im Folgenden werden die klassischen Berechnungsansätze für freies und gespanntes Grundwasser von Dupuit und Thiem vorgestellt. Für die Formeln von Verruijt und Huismann zur Berechnung von Brunnen bei Grundwasserleitern mit halbgespannter bzw. halbfreier Oberfläche wird auf die weiterführende Literatur verwiesen.

Bild 7.15 Wasserzufluss bei freiem Grundwasserspiegel [10]


375

Die Dupuit-Thiemsche Brunnenformel beschreibt die Spiegelfläche des Absenktrichters eines vollkommenen Brunnens mit freiem Wasserspiegel (Bild 7.15): H 2 − h2 = mit

Q ⋅ (ln R − ln r ) π *k

H:

Abstand zwischen dem abgesenkten Grundwasserspiegel und dem undurchlässigen Horizont [m] Abstand zwischen dem Absenkziel und dem undurchlässigen Horizont [m] Wasserzufluss zum Brunnen [m3/s] Reichweite des Brunnens [m] Brunnenradius [m] Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s]

h: Q: R: r: k: der allgemein y12 − y 22 = mit

Q ⋅ (ln x1 − ln x 2 ) π *k

x1,2: y1,2:

Abstand zwischen der Brunnenachse und einer beliebigen Stelle der Spiegellinie [m] Abstand zwischen dem abgesenkten Grundwasserspiegel und dem undurchlässigen Horizont an einer beliebigen Stelle der Spiegellinie [m]

Durch Umformung ergibt sich der Wasserzufluss zu einem vollkommenen Brunnen mit freiem Wasserspiegel zu: Q=

π ⋅ k ⋅ (H 2 − h 2 ) ln R − ln r

Die Reichweite R des Brunnens beträgt überschlägig R = 3000 ⋅ s ⋅ k mit

s: k:

Absenkziel [m] Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s]

Nach der Ermittlung des Wasserzuflusses Q muss überprüft werden, ob die zufließende Wassermenge vom Brunnen aufgenommen werden kann, d. h. ob das Fassungsvermögen des Brunnens ausreicht. Sichardt definiert das Fassungsvermögen eines Brunnens als die Wassermenge, die der Brunnen je Zeiteinheit durch seine Filterfläche aufnehmen kann. Dabei gilt die Voraussetzung, dass am Brunnenmantel das im Boden größtmögliche Gefälle i auftritt. Durch Versuche ermittelte Sichardt folgenden Zusammenhang (nicht dimensionstreu) zwischen dem Grenzgefälle i und dem Durchlässigkeitsbeiwert k:

376

i=

7 Grundwasserhaltungen 1

15 k

Damit ergibt sich für das Fassungsvermögens eines Einzelbrunnens: Q' = A ⋅ v = (2π ⋅ r ⋅ h) ⋅ k ⋅ i = 2π ⋅ r ⋅ h ⋅ mit

Q': A: v: r: h: k: i:

k 15

Fassungsvermögens eines Einzelbrunnens [m3/s] Filterfläche des Brunnens [m2] waagerechte Fließgeschwindigkeit zum Brunnen [m/s] Brunnenradius [m] Abstand zwischen dem Absenkziel und dem undurchlässigen Horizont [m] Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] hydraulisches Grenzgefälle [-]

Bild 7.16 Wasserzufluss bei einem Grundwasserspiegel mit gespannter Oberfläche [10]

Die entsprechende Gleichung für die Spiegelfläche des Absenktrichters eines vollkommenen Brunnens mit gespanntem Grundwasserspiegel lautet (Bild 7.16): H −h= mit

Q ⋅ (ln R − ln r ) 2π ⋅ k ⋅ m

m:

Mächtigkeit des Grundwasserleiters [m]

oder allgemein

y1 − y 2 =

Q ⋅ (ln x1 − ln x2 ) 2π ⋅ k ⋅ m


377

Somit berechnet sich der Wasserzufluss zum Brunnen folgendermaßen: Q=

2π ⋅ k ⋅ m ⋅ (H − h ) ln R − ln r

Unvollkommene Einzelbrunnen

Bei der Herleitung der Dupuit-Thiemschen Brunnenformeln wurde vorausgesetzt, dass der Brunnen vollständig in den Aquifer eintaucht und die Brunnensohle auf einer undurchlässigen Schicht steht. Daher erhält der Brunnen keinen Zufluss von unten. Diese Voraussetzung trifft aber im Allgemeinen nicht zu. Die in Deutschland üblichen Berechnungsverfahren für unvollkommene Brunnen berücksichtigen den Zustrom von unten mit einem Zuschlag von 10 bis 30 % auf die zuvor ermittelte Wassermenge des seitlichen Zuflusses (vollkommene Brunnen):

Bild 7.17 Erhöhung des Wasserzuflusses bei unvollkommenen Brunnen

a < H: Qu = 1,1 ⋅ Q H < a < 2H:

Qu = 1,2 ⋅ Q

a > 2H:

Qu = 1,3 ⋅ Q

mit

Wasserzufluss bei einem unvollkommenen Brunnen Wasserzufluss bei einem vollkommenen Brunnen Abstand zwischen dem nicht abgesenkten Grundwasserspiegel und einem fiktiven undurchlässigen Horizont Abstand zwischen dem fiktiven Horizont und dem tatsächlich undurchlässigen Horizont

Qu: Q: H: a:

Mehrbrunnenanlagen

Bei einer Grundwasserabsenkung sind i. d. R. mehrere Brunnen notwendig. Die Forchheimersche Mehrbrunnenformel für die Berechnung der gleichzeitigen Absenkwirkung mehrerer Brunnen entspricht im Aufbau der eines Einzelbrunnens.

378


Bei der Herleitung der Formel wurde vorausgesetzt, dass alle Brunnen die gleiche Tiefe haben und es sich um vollkommene Brunnen handelt. Bei gleicher Fördermenge Q der Einzelbrunnen überlagern sich zwar die Absenktrichter, aber die Reichweiten beeinflussen sich nicht gegenseitig. Damit ergibt sich die Gleichung für die Spiegelfläche (Absenktrichter) eines vollkommenen Brunnens bei freiem Grundwasserspiegel zu: H 2 − y2 = mit

H: y: xi: R: Q: n: k:

n⋅Q  1  ⋅  ln R − Σ ln xi  n π ⋅k   Abstand zwischen dem abgesenkten Grundwasserspiegel und dem undurchlässigen Horizont [m] Wasserstand in dem betrachteten Punkt [m] Abstände der einzelnen Brunnen zu dem betrachteten Punkt [m] Reichweite der Brunnen [m] Wasserzufluss zu einem Einzelbrunnen [m³/s] Anzahl der Brunnen Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s]

oder allgemein y'2 − y' '2 =

1 n⋅q  1  ⋅  ln x'− Σ ln x' '  n π ⋅k  n 

Durch Umformung ergibt sich der Wasserzufluss zu: Q=

π ⋅ k ⋅ (H 2 − h 2 )

(ln R − ln ARE )

ARE kennzeichnet den Radius eines Ersatzbrunnens, der flächengleich zu der von den Brunnen umschlossenen Baugrube ist (Bild 7.18).

Bild 7.18 Mehrbrunnenanlage und Ersatzbrunnen, a) kreisförmige Baugrube, b) rechteckige Baugrube [11]

Für eine allseitig vom Brunnen umschlossene, rechteckförmige Baugrube kann der Ersatzradius, wenn die Seitenlängen der Baugrube nicht zu sehr voneinander abweichen, nach folgender Gleichung berechnet werden:

7.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Schwerkraftentwässerung a ⋅b

ARE =

mit

379

π ARE: a: b:

Radius eines Ersatzbrunnens [m] längere Baugrubenseite [m] kürzere Baugrubenseite [m]

Bei rechteckigen Baugruben mit voneinander abweichenden Seitenlängen kann nach Weber der Ersatzradius mit der Gleichung ARE = η ⋅ b

ermittelt werden. η wird in Abhängigkeit vom Seitenverhältnis m = a / b aus Bild 7.19 abgelesen.

Bild 7.19 Ermittlung von ARE bei rechteckigen Baugruben [11]

Die Gleichung für die Spiegelfläche für einen vollkommenen Brunnen mit gespanntem Grundwasserspiegel lautet: H−y=

n⋅q 1   ⋅  ln R − Σ ln xi  2π ⋅ k ⋅ m  n 

oder allgemein y '− y ' ' =

n⋅q 1 1  ⋅  Σ ln x'− Σ ln x' '  2π ⋅ k ⋅ m  n n 

380


Durch Umformung ergibt sich der Wasserzufluss zu: Q=

π ⋅ 2m ⋅ k ⋅ (H 2 − h 2 )

(ln R − ln ARE )

Die Vorgehensweise der Bemessung einer Mehrbrunnenanlage wird im Folgenden zusammengefasst: Festlegung der Absenktiefe unter Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages von 0,5 bis 1,0 m. Ermittlung des Ersatzradius ARE. Abschätzen der Reichweite R:

R = 3000 ⋅ s ⋅ k

Abschätzen der Gesamtwassermenge Q:

Q = n⋅q

Wahl der Anzahl n, der Anordnung und der Durchmesser der Brunnen. In erster Näherung wird der Brunnenabstand entsprechend der Baugrubenbreite b gewählt. Bei großer Mächtigkeit des Aquifers ist die Brunnentiefe durch einen fiktiven, undurchlässigen Horizont zu begrenzen. Nachweis, dass die Spiegellinie auf das gewünschte Maß abgesenkt werden kann. Der Nachweis ist in Baugrubenmitte gemäß des Absenkzieles, an ggf. ungünstigen Stellen, die im Vergleich zum Ersatzbrunnen exponiert liegen (z. B. Ecken einer trockenzuhaltenden Baugrube), und an einem Brunnenrand zur überschlägigen Überprüfung der gewählten Brunnengröße zu führen.

7.3.5 Das Bauverfahren 7.3.5.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse Der wesentliche Ablauf zum Betrieb einer Schwerkraftentwässerung mit Flach- bzw. Tiefbrunnen lässt sich durch folgende Vorgänge konkretisieren: Bohren der Brunnenlöcher, evtl. mit Verrohrung Einbringen der Brunnenrohre, bestehend aus: Sumpf-, Filter- und Aufsatzrohr Verfüllen des Ringraumes mit Filterkies Einsetzen und Anschließen der Tauchpumpen Herstellen von Förder-, Stich- und Sammelleitungen von der Pumpe zum Vorfluter Betreiben, Warten und Überwachen der Anlage nach Beendigung der eigentlichen Baumaßnahme Rückbau aller Anlagenteile und Verfüllen der Brunnenlöcher Abschließend werden in Tabelle 7.11 die oben genannten Arbeitsprozesse einschließlich der dafür erforderlichen Geräte zusammengefasst.

7.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Schwerkraftentwässerung Tabelle 7.11

Prozesse zu gebohrten Flach- bzw. Tiefbrunnenanlagen

Prozesse I

II

381

Teilprozesse

Bohren der Brunnenlöcher

(1) Brunnen bohren (inkl. Verrohrung) (2) Bohraushub beseitigen Herstellen der Absenkbrun- (1) Brunnenrohr aus Sumpf-, Filternen und Aufsatzrohr einbringen (2) Verfüllen des Ringraums mit Filterkies (3) Ziehen der Verrohrung

Geräte -

Drehbohranlage

-

Hydraulikbagger Hydraulikbagger mit Lasthaken oder Drehbohranlage

-

-

III

Einbau der Pumpen

IV

Verlegen der Leitungen

V

Betreiben der Anlage

VI

Rückbau der Anlage

(1) Aufstellen und Anschließen der Kreiselpumpen oder Einbauen der Tauchpumpen (1) Verlegen und Anschließen der Steigleitungen an die Tauchpumpen (2) Verlegen der Abflussleitung zum Vorfluter (1) Vorhalten (2) Überwachen (3) Warten (1) Rückbau aller Leitungen (2) Ausbau der Pumpen und zugehörigen Rohre (3) Verfüllen der Brunnenlöcher

-

Radlader oder Hydraulikbagger Verrohrungsmaschine ggf. Hydraulikbagger mit Lasthaken

-

ggf. Hydraulikbagger mit Lasthaken

-

Zentrale Schaltstation, Notstromaggregat

-


7.3.5.2 Die Geräte Im diesem Abschnitt erfolgt die Beschreibung der Geräte, die zur Herstellung und zum Betreiben einer Tiefbrunnenanlage nötig sind. Die Geräte für die Flachbrunnenanlage sind identisch mit denen der offenen Wasserhaltung aus Kapitel 7.2. Drehbohrgeräte

Bei der Herstellung von Tiefbrunnenanlagen werden die Brunnenlöcher gebohrt. Je nach Abteuftiefe und Brunnendurchmesser werden verschiedene Bohrverfahren angewandt. In Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen wird mit oder ohne Verrohrung gearbeitet. In der Regel werden verrohrte Bohrungen ausgeführt. Nähere Angaben zu verschiedenen Bohrverfahren und Bohrgeräten werden im Kapitel 4.8 Bohrpfahlwände gemacht. Tauchpumpen

Als Pumpen kommen überwiegend Schmutzwassertauchpumpen zum Einsatz. Diese können in normaler Ausführung, wie im Kapitel 7.2 Offene Wasserhaltung bereits erläutert, oder speziell als Brunnenversion für Tiefbrunnenanlagen angewandt werden (siehe Bild 7.20).

382


Bild 7.20 Schmutzwassertauchpumpe, Brunnenversion Typ Master (Fa. Grindex) [12] Tabelle 7.12 Weitere Schmutzwassertauchpumpen der Firma Grindex als Brunnenversion [13] Typ

Minor N

Minor H

Major N

Major H

Master N

Master H

Motor: Spannung

V

400

400

400

400

400

400

Frequenz

Hz

50

50

50

50

50

50

3

3

3

3

3

3

Motorleistung

kW

3,2

3,2

6,1

5,6

8

8

Nennstrom

A

7

6,6

11

12

16

16

Phasen

Leistungsaufnahme kW Drehzahl

1/min

Isolationsklasse

4,4

4

7,6

6,9

10

10

2800

2800

2800

2800

2800

2800

F

F

F

F

F

F

Pumpe: Förderstrom max.

m³/h

115

56

145

65

200

65

Förderhöhe max.

m

23,5

37

25,5

44

27

70

1

1

1

1

1

2

R 4″

R 4″

R 4″

R 4″

R 4″

R 4″

Stufenzahl Druckstutzen

(A)

7.3.5.3 Die wichtigsten Stoffe Rohrleitungen

Die Steigleitungen (80 bis 150 mm) werden über Krümmer an die Sammelleitung angeschlossen, welche zum Vorfluter, Sickerbrunnen oder zur Sickerfläche führt.


383

Die Sammelleitungen haben bei kleineren und kurzen Baustellen Schnellverschlüsse. Diese müssen gut gesichert sein, damit sie sich nicht unbeabsichtigt lösen können. Die Durchmesser betragen l50 bis 300 mm. Vorfluterleitungen mit einem Durchmesser von 200 bis 500 mm sind überwiegend mit Flanschverbindungen versehen. Im Rohrleitungssystem sind zusätzliche Anschlussstellen für eine evtl. offene Wasserhaltung und zusätzliche Brunnen vorzusehen, da sich diese sonst nur schwer während des Betriebes anbringen lassen. Außerdem sind Zapfstellen einzubauen, um die Sandfreiheit der Brunnen überprüfen zu können. Weitere Angaben zu Rohrleitungssystemen sind im Kapitel 7.2 Offene Wasserhaltungen beschrieben.

7.3.5.4 Der Personalbedarf Der Personaleinsatz für die Herstellung einer Tiefbrunnenanlage setzt sich wie folgt zusammen: 1 Maschinist, der das Bohrgerät bedient 2 bis 3 Helfer, die sämtliche anfallende Arbeiten ausführen, wie z. B. Verlegen der Rohrleitungen und Einsetzen der Pumpen Das Bedien- und Wartungspersonal - bei größeren Anlagen sind manchmal mehrere Personen erforderlich - muss in der Lage sein, die Anlage fachkundig in Betrieb zu halten und zu überwachen. Die Bediensteten müssen Fehler in ihr sofort beseitigen, also auch kleinere Reparaturen ausführen und schadhafte Teile auswechseln, sowie die Notstromanlage bzw. den Reserveantrieb ein- und abschalten können. Ferner müssen sie die Sandfreiheit der Brunnen laufend überprüfen und schadhafte Brunnen sofort stilllegen. Durch tägliche Messungen sind die Wasserstände in den Brunnen und Messpegeln zu ermitteln und in Berichten festzuhalten.

7.3.5.5 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten

Die Tabelle 7.13 geht ergänzend auf die gewichtigen Teilprozesse zur Herstellung einer Tiefbrunnenanlage ein. Sie wurde in Anlehnung an Tabelle 7.4 erstellt und zeigt beispielhaft die zu verwendenden Geräte. Die Einrichtung einer Flachbrunnenanlage verläuft ähnlich, unterscheidet sich aber durch Art und Einbau der Pumpen sowie durch die Dimensionierung der Bohrgeräte. Die angegebenen Richtwerte gelten für einen Tiefbrunnen mit Schwerkraftentwässerung in nicht- oder schwachbindigem Boden ohne größere Steine (entspricht Bodenklasse LN nach DIN 18 301). Aus konstruktiven Gründen ist ein Bohrdurchmesser von 600 mm zugrunde gelegt. Die Beseitigung des Bohrgutes kann auch nach dem anschließend durchzuführenden Aushub gemeinsam erfolgen.

384



Teilprozess

Gerät


(1) Brunnen bohren (inkl. Verrohrung)

Hydraulikbagger Bohr- und Rammgerät Kraftdrehkopf Teleskop-Kellystange

Personalbedarf

D.0.01. K.2.00. K.2.01. K.2.04. K.7.00. K.6.0.

1 Geräteführer 2-3 Helfer

D.1.00.0 D.1.41.0 D.1.42.0 D.1.43.0 D.1.60. P.2.11. P.2.11.0 .AF

1 Maschinist


1,5 h/m 1,4 bis 1,7 h/m

Bohrschnecke I

(2) Bohraushub beseitigen

Bohrrohre Hydraulikbagger Auslegerunterteil Auslegeroberteil Stiel

II

(1) Brunnenrohr aus Sumpf-, Filter- und Aufsatzrohr einbringen (2) Verfüllen des Ringraums mit Filterkies

Tieflöffel Lastkraftwagen 6 x 6 Dreiseitenkippeinr. Drehbohranlage wie I oder Hydraulikbagger wie I Lasthaken am Tieflöf- D.1.60. .AC fel Bagger wie I oder D.3.10. Radlader

(3) Ziehen der Verrohrung

Drehbohranlage wie I Tauchmotorpumpe ggf. Bagger wie II

III

(1) Einsetzen der Tauchpumpe einschl. Steigrohr und Brunnendeckel

IV

(2) Verlegen der Abflussleitung zum Vorfluter

Flanschenrohre inkl. Zubehör ggf. Bagger wie II

(1) Rückbau der Abflussleitung (2) Ausbau der Pumpen

V

je 1 Fahrer

Transportkosten eventuell Entsorgungskosten

1 Geräteführer 2-3 Helfer

1 Maschinist 2-3 Helfer

1,0 h/m

1 Geräteführer 2-3 Helfer T.0.40.

(1 Maschinist) 2-3 Helfer 6,0 h/St

T.6..

(1 Maschinist) 2-3 Helfer

0,15 bis 0,35 h/m

ggf. Bagger wie II


0,15 bis 0,35 h/m

ggf. Bagger wie II


4,0 h/St

(3) Beseitigung der ggf. Bagger wie II Absenkbrunnen


Transport- und Entsorgungskosten


385

Tabelle 7.14 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten zur Einrichtung von Brunnenanlagen

Tiefbrunnenanlage

Tätigkeit



1 Tag

Auf- und Abbau der Bohranlage

15 - 100 h

Bohrbrunnen bis 25 m herstellen und rückbauen

50 bis 70 h/St

Kontroll- und Wartungsarbeiten während der Betriebszeit

0,5 - 2 h/Tag


1 Tag

7.3.5.6 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Vor Beginn der Baumaßnahme sollten ein Bodengutachten hinzugezogen sowie Angaben über benachbarte Gewässer und Gründungen angrenzender Gebäude in Erfahrung gebracht werden, denn diese Faktoren beeinflussen die Art und Anzahl der Absenkbrunnen. Wenn kein Bodengutachten vorliegt, ist eine Bodenuntersuchung durchzuführen. Diese sollte folgende geologische, bodenmechanische und hydraulische Verhältnisse erfassen: Schichtung des Baugrundes Grundwasserverhältnisse (freies bzw. gespanntes Wasser) Wasserdurchlässigkeit (k-Wert) des anstehenden Bodens Chemische Zusammensetzung des Grundwassers Weiterhin gelten folgende Spezielle Technische Bedingungen, die als Ergänzung zu den oben genannten Normen herangezogen werden können: STB-BP (siehe Kapitel 6.3 Bohrpfähle) STB-WH (siehe Kapitel 7.2 Offene Wasserhaltung)

7.3.6 Qualitätssicherung und Kennwerte Bauvorbereitende und baubegleitende Maßnahmen zur Qualitätssicherung sind bei allen Wasserhaltungsmaßnahmen erforderlich. Um eine hohe Sicherheit und Qualität bei der Grundwasserabsenkung zu gewährleisten, sind die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Maßnahmen zu beachten. Da manche Maßnahmen identisch mit denen der offenen Wasserhaltung sind, wird in der Tabelle 7.15 auf das Kapitel 7.2.5 verwiesen.

386


Tabelle 7.15 Maßnahmen zur Qualitätssicherung bei Grundwasserabsenkungsverfahren [9] vor der Baumaßnahme


vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

Durchführung von Probebohrungen

Setzungsmessungen an der Nachbarbebauung

nach der Baumaßnahme vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

Schwerkraftanlage

Bereitstellen von zwei unabhängigen Energiequellen Installation von optischen und akustischen Warnanlagen Installation einer Schalteinrichtung zur Stromversorgung der Pumpen Installation einer automatischen Umschaltvorrichtung bei Ausfall einer Pumpe Kontrolle auf Versinterung, Verockerung, Korrosion Kontrolle der Pumpenleistung Kontrolle des Grundwasserstandes unter der Baugrubensohle

7.4 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Vakuumentwässerung 7.4.1 Das Bauverfahren im Überblick Bei Bodenarten, bei denen die Schwerkraft nicht ausreicht, um das Wasser dem Brunnen zufließen zu lassen, ist für eine Grundwasserabsenkung der Aufbau eines Vakuums im Boden erforderlich, durch das das Wasser angesaugt wird. Bei einer Vakuumanlage wird der Unterdruck im Brunnen auf den zu entwässernden Boden übertragen. Dabei ist zu beachten, dass nur der Teil des Vakuums im Boden wirksam werden kann, der nicht zur Hebung des Wassers im Brunnen dient. Die Vakuumentwässerung wird bei Feinsanden und Schluffen mit Durchlässigkeitsbeiwerten von k = 10-4 bis l0-7 m/s angewandt. Die Schwerkraftentwässerung allein kann nicht zur Grundwasserabsenkung dienen. Um das Wasser aus dem Boden zu fördern, muss ein Vakuum erzeugt werden. Durch die Sogwirkung dieses Vakuums wird das Wasser in den Spülbrunnen gesogen. Da Böschungen beim Ausfall des Soges, z. B. durch den Defekt einer Pumpe, bereits nach kurzer Zeit ausfließen können, sind bei der Anwendung des Vakuumverfahrens Ersatzpumpen zwingend erforderlich.

7.4 Grundwasserabsenkung mit Brunnen, Vakuumentwässerung

387

7.4.2 Technische Grundlagen Nachfolgend werden die zu beachtenden DIN-Normen zum Herstellen und Betreiben einer Vakuumentwässerungsanlage aufgeführt. Tabelle 7.16 Übersicht über geltende Normen DIN

Kurzbezeichnung

DIN

Kurzbezeichnung

18 300 18 301

Erdarbeiten Bohrarbeiten

18 302 18 305

Brunnenbauarbeiten Wasserhaltungsarbeiten

Für die Vakuumentwässerung kommen Vakuumtiefbrunnen und Spülfilteranlagen in Frage. Vakuumtiefbrunnen

Vakuumbrunnen sind in Feinböden bei Absenkhöhen > 6 m erforderlich, wenn die Platzverhältnisse eine Staffelabsenkung nicht zulassen. Das Wasser wird durch Tiefbrunnen gefasst. Sie unterscheiden sich von den Tiefbrunnen in Abschnitt 11.1.1 nur durch den oberen luftdichten Abschluss des Kiesfilters (Ummantelung durch feuchten Lehm oder Ton) und den vakuumdichten Abschlussdeckel auf dem Filterrohr (Bild 7.21). Alle Durchführungen, Steigrohr, Stromzuführung, Steuerleitungen und Vakuumleitungen müssen ebenfalls vakuumdicht sein.

a = Filterkiespackung b = Tonabdichtung c = Stromzuführung d = Förderleitung e = Steuerleitungen f = Vakuumleitung

Bild 7.21 Vakuumtiefbrunnen [14]

388


Spülfilteranlagen

Spülfilteranlagen sind die einfachste Form der Unterdruckentwässerung. Die Anlagen gleichen im Aufbau und in der Ausstattung im Wesentlichen den Wellpoint-Anlagen der Schwerkraftentwässerung. Der Unterschied liegt darin, dass infolge der geringen Durchlässigkeit des anstehenden Bodens auch außerhalb des Brunnens ein Unterdruck auf den Boden wirkt. Die Absenkhöhe der Vakuumflachbrunnenanlagen ist auf 4 bis 6 m beschränkt. Um größere Absenkhöhen zu erreichen, muss die Anlage gestaffelt werden. Als Vakuumbrunnen dienen Rohre mit 40 bis 50 mm Durchmesser, an derem unteren Ende eine Spülspitze angeordnet ist. Beim Absenken des Brunnenrohres tritt durch die Spülspitze Wasser unter hohem Druck in den Untergrund aus. Dadurch wird der Boden um den Brunnen herum aufgelockert und durch den Spülstrom außen am Brunnenrohr nach oben gefördert. Durch diesen Vorgang werden die Brunnenrohre auf die gewünschte Tiefe abgeteuft. Das Rohr sollte nicht mit Gewalt abgeteuft werden, da dies zur Verdichtung des anstehenden Bodens führt und dadurch ein freier Wasserzufluss zum Brunnen verhindert wird. Nach dem Erreichen der gewünschten Absenktiefe sollte der Spülvorgang noch einige Sekunden weiterlaufen. Dies bewirkt, dass die schweren Bodenpartikel zurückfallen und ein Kornbett bilden, während die Feinteile weiter auftreiben. Der dadurch entstandene Hohlraum zwischen dem Rohr- und der Lochwandung muss mit Feinsand aufgefüllt werden. Hierfür bestehen verschiedene Möglichkeiten: Verwendung von Filterrohren mit aufgebrachter Feinsandummantelung. Einbringen von Filtersand zwischen Rohr und Boden während des Einspülens (Korndurchmesser 0,20 bis 0,30 mm). Einspülen eines äußeren Mantelrohres zusammen mit dem Brunnenrohr. Nach dem Verfüllen des Hohlraumes zwischen den beiden Rohren wird das Mantelrohr wieder gezogen. Ausspülung eines Loches von ca. 150 mm Durchmesser. Nach dem Verfüllen des Loches mit Füllsand wird das Brunnenrohr in den Feinsand eingespült. Im Abschluss müssen die Brunnenrohre von oben gegen eintretende Luft verschlossen werden. Diese Abdichtung besteht im Allgemeinen aus einem Ton- oder Lehmpfropfen, der ungefähr auf der Höhe des nicht abgesenkten Grundwasserspiegels liegen sollte. Im Böschungsbereich wird durch Kunststofffolie oder Spritzbeton verhindert, dass Luft seitlich in die Anlage eindringt (Bild 7.22). Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme der Anlage wird der Unterdruck nur langsam aufgebaut, um zu verhindern, dass die Feinteile im Boden sofort zum Brunnen hinwandern und die Filterschlitze verschließen. Diese Regulierung erfolgt über ein, am Vakuumaggregat befindliches, Belüftungsventil. Der Unterdruck wird üblicherweise im Halbstundentakt um etwa 0,1 bar erhöht. Auf Grund der geringen Reichweite der Vakuumbrunnen können die Abstände zwischen den einzelnen Brunnen nicht mehr als 1,0 bis 1,5 m betragen. Die Brunnen werden zu Strängen von ca. 50 m Länge zusammengefasst. An jedem Strang sorgt ein separates Vakuumgerät für den erforderlichen Unterdruck.


389

Bei Vakuumanlagen ist es trotz der minimalen anfallenden Wassermenge Vorschrift, dass jeder einzelne Brunnen eingeregelt und abgestellt werden kann. Das Absperrventil wird zwischen der Stich- und der Sammelleitung angeordnet. Die Stichleitungen bestehen aus einem durchsichtigen Kunststoffschlauch, um kontrollieren zu können, ob Sandpartikel im Wasser mitgeführt werden. Diese können zu Verstopfungen und zum Ausfall der gesamten Anlage führen, wenn der entsprechende Brunnen nicht rechtzeitig abgestellt wird. Zusätzlich sind in den horizontalen Saugleitungen alle 25 m Schieber vorzusehen.

Bild 7.22 Spülfilteranlage mit Strömungs- und Druckverhältnissen [14]

7.4.3 Nachweis und Dimensionierung Vakuumanlagen werden i. d. R. auf der Grundlage von Erfahrungswerten dimensioniert. Dabei wird zwischen Flachbrunnen- und Tiefbrunnenanlagen unterschieden: Flachbrunnenanlage Die Dimensionierung einer Vakuumflachbrunnenanlage erfolgt in der Praxis mit Hilfe von empirisch entwickelten Tabellen und Diagrammen. Der Wasserzufluss zum Brunnen kann in Abhängigkeit von der Bodenart und der Absenktiefe nach Tabelle 5.5 abgeschätzt werden. Mit Hilfe des Diagramms im Bild 7.23 wird der erforderliche Filterabstand in Abhängigkeit vom Durchlässigkeitsbeiwert bestimmt.

390


Tabelle 7.17 Wasserzufluss [m3/h] in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit und der Absenktiefe [11] Bodenarten

Ton

Korngröße [mm]

unter 0,002

Durchlässigkeitsbeiwert k [m/s]

10-11 bis 10-8

Wasseranfall je lfd. m Absenktiefe im Kanalbau, bei Baugruben * 0,75

Bild 7.23

Tiefe [m] 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0,01

bis

0,2

fein 0,002 bis 0,006

Schluff mittel 0,006 bis 0,02

grob 0,02 bis 0,06

fein 0,06 bis 0,2

Sand mittel 0,2 bis 0,6

grob 0,6 bis 2,0

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

0,7 1,0 1,2 1,4 1,6 1,75 1,9 2,0 2,1

1,4 1,7 2,1 2,6 3,2 3,9 4,7 5,6 6,6

2,7 3,3 4,1 5,0 6,1 7,3 8,7 10,4 12,5

5,0 5,8 6,7 7,8 8,1 9,7 10,7 14,3 17,7

Absenkkurven in Abhängigkeit von verschiedenen Durchlässigkeitsbeiwerten [11]

Die Kurven im Bild 7.24 sind für einen Filterdurchmesser von 2 Zoll und einer -länge von 1 m gültig. Wenn der Filterabstand für einen Filter mit anderen Dimensionen ermittelt werden soll, sind entsprechende Korrekturen vorzunehmen.


391

Die erforderliche Filterüberdeckung wird nach Tabelle 5.6 in Abhängigkeit des Durchlässigkeitsbeiwertes oder der Zuflussmenge zum Brunnen bestimmt. Tabelle 7.18 Ermittlung der erforderlichen Filterüberdeckung [11] Wasseranfall [m3/h]

k [m/s]

Höhe des abzusenkenden Wasserspiegels

10-11 10-6

10-5

2

2-4

>4

1m 1 bis 2 m 2 bis 3 m > 3m

1,2 m 1,0 m 0,8 m 0,6 m

1,5 m 1,2 m 1,0 m 0,6 m

1,5 m 1,2 m 1,0 m 1,0 m

1,4 m 1,2 m 1,0 m 0,8 m

1,2 m 1,0 m 0,8 m 0,7 m

Tiefbrunnenanlage

Für die Berechnung des Wasserzuflusses bei Tiefbrunnenanlagen wird im Allgemeinen die empirisch ermittelte Formel von Kovacz angewandt: Q=

mit

π ⋅ k ⋅ (H 2 − h 2 ) s + mD ln R − ln ARE mD =

⋅

s

p0 − p

γw

s = H −h

Q: H: h: k: R: ARE: mD: p0: p: γw: s:

Wasserzufluss zum Brunnen [m3/s] Abstand zwischen dem abgesenkten Grundwasserspiegel und dem undurchlässigen Horizont [m] Abstand zwischen dem Absenkziel und dem undurchlässigen Horizont [m] Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens [m/s] Reichweite des Brunnens [m] Radius eines Ersatzbrunnens [m] (vgl. Kapitel 5.2.2) Luftdruckunterschied [bar] atmosphärischer Luftdruck [bar] Vakuumdruck [bar] Wichte des Wassers [kN/m3] Absenkziel [m]

Die Formel wurde von der Dupuit-Thiemschen Brunnenformel abgeleitet (vgl. Kapitel 7.3.4). Für den Einfluss des Vakuums wird der Korrekturfaktor (s + mD) / s eingeführt. Für Absenktiefen von 4 bis 5 m liefert die Formel gute Ergebnisse. Bei geringeren Absenktiefen liegen die errechneten Werte jedoch deutlich über und bei größeren Absenkungen erheblich unter den tatsächlichen Werten. Ferner muss die dem Brunnen zufließende Wassermenge Q mit dem Fassungsvermögen Q' des Brunnens verglichen werden (vgl. Kapitel 7.3.4). Bei einem Vakuumbrunnen setzt sich das hydraulische Gefälle aus zwei Komponenten zusammen.

392


Neben dem hydraulischen Gefälle der Absenkkurve, das durch die Schwerkraft entsteht, muss das Gefälle aus der jeweiligen Druckhöhe berücksichtigt werden. Hierfür wird von Kramer der folgende empirische Ansatz vorgeschlagen: Q'v = Q'+Q'⋅ p ⋅

mit

Q'v: Q': p: ϑ: u:

ϑ u

Fassungsvermögen eines Vakuumbrunnens [m3/s] Fassungsvermögen eines Schwerkraftbrunnens [m3/s] Vakuumdruck [bar] empirisch ermittelter Einflussfaktor, ϑ ≈ 15 d60 / d10

7.4.4 Das Bauverfahren 7.4.4.1 Beschreibung der Arbeitsprozesse

Bild 7.24 Herstellen der Absenkbrunnen durch Einspülen der Filterrohre [5]

In Bild 7.24 werden die Arbeitsschritte zum Niederbringen der Filterrohre dargestellt. Alle weiteren Arbeits- und Teilprozesse zum Herstellen und Betreiben einer Spülfilteranlage sind in Tabelle 7.19 zusammengefasst. Überschlägig sind die erforderlichen Geräte den Prozessen zugeordnet worden.


393

Tabelle 7.19 Prozesse zu Spülfilteranlagen (Wellpoint-Anlagen) Prozesse

Teilprozesse

Geräte

I

Aufbau der Vakuumanlage

-

Vakuumaggregat, ggf. Hydraulikbagger mit Lasthaken

II

Einspülen des Spülfilters

-

Spülfilterausführung (selbstspülend), Spülpumpe

III

Verlegen der Leitungen

-


IV

Betreiben der Anlage

-

Zentrale Schaltstation, Notstromaggregat

V

Rückbau der Anlage

(1) Aufbau der Vakuumpumpen (2) Anschluss der Pumpe an Strom und Wasser (1) Herstellen der Absenkbrunnen durch Einspülen der Filterrohre (2) Spülfilter an Sammelleitung anschließen (3) Einbau der Tonabdichtung (1) Verlegen und Anschließen der Stich- und Sammelleitungen an die Pumpen (2) Verlegen der Abflussleitung zum Vorfluter (1) Vorhalten (2) Überwachen (3) Warten (1) Rückbau aller Leitungen (2) Ziehen der Vakuumlanzen, Beseitigung der Absenkbrunnen (3) Rückbau der Pumpen

-


7.4.4.2 Die Geräte Im diesem Abschnitt erfolgt die Beschreibung der Geräte, die zur Herstellung und zum Betreiben einer Spülfilteranlage benötigt werden. Spülpumpe

Die Spülpumpe ist eine mehrstufige Hochdruck-Wasserpumpe, die bei der Grundwasserabsenkung zum Einspülen der Filter ihre Anwendung findet. Die Pumpe ist auf einem Einachsfahrgestell aufgebaut und wird durch einen Dieselmotor angetrieben.

Bild 7.25 Spülpumpe Typ HC 180/05, Firma Hüdig [12]

Aus dem Lieferprogramm der Firma Hüdig sind folgende Angaben zu Leistungen und Druckgrößen ersichtlich:

394


Förderleistung

27 bis 65 m³/h

Förderdruck

6,0 bis 17,0 bar

Motorleistung

5,0 bis 27,0 kW

Der Absenkerfolg einer Wellpoint- bzw. Spülfilteranlage hängt im Wesentlichen vom richtigen Einspülen der Filter ab. Tabelle 7.20 gibt einen Überblick über die erforderlichen Wassermengen und Drücke der Spülpumpen bei verschiedenen Böden. Tabelle 7.20 Übersicht der Wassermengen und -drücke von Spülpumpen [9]

Nebenbestandteil

Ton

Korngröße Feinsand Mittelsand Grobsand Feinkies Mittelkies Grobkies Brocken

4 4 5 7 15 30 50 50

fein 4 4 6 9 18 30 50 50

feste Konsistenz weiche Konsistenz dicht gelagert locker gelagert

35 20

20 15

Erforderliche Wassermenge zum Einspülen [m³/h] Hauptbestandteil des Bodens Schluff Sand Kies mittel grob fein mittel grob fein mittel 5 6 12 25 50 140 5 8 19 32 65 120 7 12 17 40 95 130 12 20 30 35 120 150 25 30 40 50 80 180 30 30 45 60 90 150 50 50 50 80 120 180 50 50 80 80 120 Erforderlicher Druck zum Einspülen [bar] 18 15 10 7 15 12 8 8 6 3,5 3,5 3,5 3 2,5

grob 180 180 180

5 2,5

Vakuumaggregate Für die Vakuumentwässerung benötigt man ein Vakuumaggregat, welches im gesamten Filter- und Rohrsystem einen Unterdruck erzeugt, durch den das Wasser aus dem Boden in den Brunnen gesogen wird. 1. Sammelleitung 2. Vakuumkessel 3. Wasserpumpe 4. Luftpumpe 5. Schwimmschalter 6. Austritt Luft-Wassergemisch 7. Wasserablauf Bild 7.26 Funktionsprinzip eines Vakuumaggregates [3]


395

Die Pumpen des Vakuumaggregates können durch einen Elektro- bzw. einen Dieselmotor angetrieben werden. Die Arbeitsweise des Elektromotors ist gegenüber dem Dieselmotor wirtschaftlicher, da der Pumpenbetrieb entsprechend der anfallenden Luft- bzw. Wassermenge reguliert werden kann. Mit einem Dieselmotor angetrieben arbeiten die Pumpen, unabhängig vom Luft- bzw. Wasseranfall, kontinuierlich durch.

Bild 7.27 Elektro-Vakuumaggregat Typ HC 487, Firma Hüdig [15]

In der nachfolgenden Tabelle sind Leistungsdaten aus der Produktpalette der Firma Hüdig dargestellt. Weitere Angaben sind bei den verschiedenen Herstellern zu erfragen. Tabelle 7.21 Technische Angaben zur Serie HC 487 [15] Kennlinie

Typ

Wasserpumpe Volumenstrom

Förderhöhe

Vmax

Hmax

m³/h

Anschluss

Vakuumpumpe

Motor

Gewicht

Korngröße max.

Volumenstrom

Vakuum

Leistungsaufnahme

DNS DND

∅

Vmax

pumax

PN

Pmax

m

mm

mm

m³/h

bar

kW

kW

kg

1

HC 487/12

230

24,5

2×108V 2×108V

7,5

210

- 0,99

12,9

16,6

631

2

HC 487/22

300

25,0

2×159V 2×159V

7,5

210

- 0,99

18,7

22,4

645

3

HC 487/32

144

44,0

2×108V 2×108V

7,5

210

- 0,99

18,3

22,0

640

7.4.4.3 Die wichtigsten Stoffe Rohrleitungen Bei Unterdruckleitungen sind die Saugleitungen nicht nur an den Filtern bzw. an den Brunnen, sondern auch zwischen der Saugleitung und der Vakuumpumpe abzuschiebern, damit bei Fehlern im Unterdrucksystem die Vakuumaggregate, Rohrleitungen und Filter getrennt auf Undichtigkeiten kontrolliert werden können.

396


Weitere Angaben zu Rohrleitungssystemen sind im Kapitel 7.2 Offene Wasserhaltungen beschrieben.

Bild 7.28 Anschluss der Spülfilter an die Sammelleitung [16]

Filterrohre

Filterrohre mit Durchmessern von 2 bis 4 Zoll werden mit einem entsprechend langen Aufsatzrohr durch eine Spülpumpe mittels Druckwasser bis auf die gewünschte Tiefe eingespült. Im Allgemeinen werden Kunststoff- oder Stahlrohrfilter mit einer Schlitzlochung von 0,3 bis 0,5 mm verwendet. Bei den meisten Ausführungen ist keine Spüllanze erforderlich. In der Praxis haben sich selbstspülende Filter etabliert (siehe Tabelle 7.22). Diese Spülfilter werden für die Grundwasserabsenkungsverfahren Schwerkraft- und Vakuumentwässerung eingesetzt. Die Länge der Aufsatzrohre richtet sich nach der Baugrubentiefe. Die Stichleitungen, die die Brunnen mit der Sammelleitung verbinden, setzen sich aus 1,0 bis 1,5 m langen Vakuumschläuchen, bestehend aus Gummi oder durchsichtigem Kunststoff, zusammen.


397

Tabelle 7.22 Spülfilterausführungen (selbstspülend) [11] Benennung: Ummantelung aus: Länge: Schlitzung: Spitze mit Ventil, Öffnung: Größe:

Kunststoff-Filter

Universal-Filter

Universal-Filter

Kunststoff oder Stahl 1m 0,3 mm

Kunststoff oder Stahl 1m 0,3 mm

Stahl 2m 0,5 mm

4 mm

30 mm

60 mm

2″

2″

2,5″

3″

4″

max. 10 m³/h

max. 6 m³/h

max. 12 m³/h

max. 20 m³/h

max. 30 m³/h

Der Filter im Schnitt

Zumutbare Absaugleistung bei einem Widerstand von maximal 1 m WS Geeignet für:

Feinböden und lockere Sandböden

Feinböden, alle Sandböden, auch mit Schichten und kiesigen Anteilen

7.4.5 Der Personalbedarf Der Personaleinsatz bei der Herstellung von Spülfilteranlagen ist mit dem der Schwerkraftentwässerung identisch, vergleiche Kapitel 7.3.5.4.

7.4.5.1 Informationen zur Kalkulation Leistung und Kosten

In Tabelle 7.23 wird weiterführend auf gewichtige Teilprozesse zur Herstellung einer Tiefbrunnenanlage eingegangen. Sie wurde in Anlehnung an Tabelle 7.19 erstellt und zeigt beispielhaft die zu verwendenden Geräte.

398



I

II

III IV

V

Teilprozess

Gerät

Vakuumanlage Hydraulikbagger Auslegerunterteil Auslegeroberteil Stiel Tieflöffel (2) Herstellen der Spülfilter Absenkbrun- Spülpumpe nen durch ggf. Bagger wie I Einspülen der Filterrohre (3) Verlegen der Schnellkupplungsrohre inkl. Zubehör Abflussleitung zum Vorfluter Stromaggregat (1) Vorhalten (1) Rückbau aller ggf. Bagger wie I Leitungen (2) Ziehen der ggf. Bagger wie I Vakuumlanzen (3) Rückbau der ggf. Bagger wie I Pumpen

(1) Aufbau der Vakuumanlage

Personalbedarf


T.5.00. D.1.01. D.1.41. D.1.42. D.1.43. D.1.60.


2-3 Helfer 1 Maschinist 15 h/St

2 Helfer (1 Maschinist) T.6.2**

1,0 bis 1,5 h/St

2-3 Helfer 0,55 h/m

R.0.12. (1 Maschinist) 2-3 Helfer (1 Maschinist) 2-3 Helfer

0,21 bis 0,28 h/m


0,20 h/St 0,4 h/St

Tabelle 7.24 Ausgewählte Tätigkeits- und Rüstzeiten zur Einrichtung von Brunnenanlagen

Spülfilteranlagen (Wellpoint-Anlagen)

Tätigkeit Baustelleneinrichtung Punktbrunnen einspülen und rückbauen Aufbau, Inbetriebnahme und Abbau des Vakuumaggregates Kontroll- und Wartungsarbeiten während der Vorhaltezeit Geräteausfall / -wartung Räumen der Baustelle

Tätigkeits- und Rüstzeiten nach Je nach Größe der Baustelle 2 AT 10 bis 15 h 0,5 - 2,0 h/Tag 2 - 10 % der Pumpstd. 1,0 bis 3,0 h je nach Größe der Baustelle

7.4.5.2 Anmerkungen zur Leistungsbeschreibung Für die Ausführung der Vakuumentwässerung gelten ebenfalls die Anmerkungen für die Schwerkraftentwässerungen, die im Kapitel 7.3.5.6 beschrieben werden.

7.5 Grundwasserabsperrung

399

7.4.6 Qualitätssicherung und Kennwerte Bauvorbereitende und baubegleitende Maßnahmen zur Qualitätssicherung sind bei allen Wasserhaltungsmaßnahmen erforderlich. Um eine hohe Sicherheit und Qualität bei der Grundwasserabsenkung zu gewährleisten, sind die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Maßnahmen zu beachten. Da manche Maßnahmen identisch mit denen der offenen Wasserhaltung sind, wird in der Tabelle 7.25 ebenfalls auf das Kapitel 7.2.5 verwiesen. Tabelle 7.25 Maßnahmen zur Qualitätssicherung bei VakuumverfahrenFehler! Textmarke nicht definiert. vor der Baumaßnahme


vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 und Kapitel 7.3.6 7.2.5 Offene Wasserhal- Offene Wasserhaltung und Schwerkraftentwässerung tung Vermeidung von turbulenten Strömungsverhältnissen Durchführung von Probe- Verwendung von Filtern mit glatter Oberfläche bohrungen Entsandung der Brunnen

nach der Baumaßn. vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

Vermeidung der Sauerstoffaufnahme durch Diffusion Bekämpfung von Mangan- und Eisenbakterien durch keimtötende Mittel Aufrechterhalten des Vakuums Einregelung und Abstellen der Brunnen muss einzeln erfolgen

7.5 Grundwasserabsperrung Zur Vermeidung einer Grundwasserabsenkung werden Baugruben im Schutz einer vertikalen und ggf. einer zusätzlichen horizontalen Grundwasserabsperrung hergestellt. Dies ist der Fall, wenn z. B. wasserrechtliche Vorbehalte gegen eine Absenkung vorliegen oder eine Setzungsgefahr für die Nachbarbebauung besteht. Zudem ist bei sehr durchlässigen Böden (z. B. Kies) eine Absenkung oft unwirtschaftlich. Um die der Baugrube von unten zufließende Wassermenge gering zu halten, muss dort entweder eine natürliche, sehr gering durchlässige Bodenschicht vorhanden sein, in die die vertikale Absperrung (Verbauwand) einbindet, oder die Durchlässigkeit des anstehenden Bodens muss, beispielsweise durch Injektionen, verringert werden. Des Weiteren kann eine Düsenstrahlsohle oder die Unterwasserbeton-Bauweise vorgesehen werden. Abgesehen von kurzzeitigen, geringfügigen Absenkungen mittels Brunnen oder offener Wasserhaltung ohne Schadenspotenzial für das Baugrubenumfeld, sollten Grundwasserabsperrungen grundsätzlich in Erwägung gezogen werden. Unbeschadet des anfänglich höheren Aufwandes, sind Absperrungen erfahrungsgemäß technisch und wirtschaftlich vorteilhaft, weil u. a. die geotechnischen und geohydraulischen Unwägbarkeiten einer Wasserhaltung reduziert, der Baugrubenaushub minimiert und letztendlich die Ausführungssicherheit der Baumaßnahme gesteigert werden.

400


Ferner können Verbauwände ggf. in das spätere Bauwerk integriert werden. Bei tiefen Baugruben im Grundwasser neben vorhandenen Bauwerken müssen Baugrubensicherungen generell als Grundwasserabsperrungen ausgebildet werden. Die Grundwasserabsperrung kann mit verschiedenen Verfahren erreicht werden: - Verringerung der Durchlässigkeit des anstehenden Bodens durch Verminderung oder Füllung des Porenanteils - Verdrängung des anstehenden Bodens und Einbau eines Dichtungsmaterials - Aushub des anstehenden Bodens und Einbau eines Dichtungsmaterials Zur Grundwasserabsperrung werden im Allgemeinen durchgängige, flächenhafte Bauteile mit dem Ziel einer hinreichend (technisch) dichten, d. h. sehr gering durchlässigen, Wand bzw. Sohle hergestellt. Da bereits sehr wenige Fehlstellen die Durchlässigkeit der vorgesehenen Absperrung wesentlich erhöhen und zusätzlich die Baugrubensicherung, beispielsweise durch hydraulische Grundbrüche, gefährden können, muss die Ausführung sehr sorgfältig erfolgen. Zudem sind die Fehlstellen später nur mit großem Aufwand detektierbar und nachbearbeitbar. Diesbezüglich wird auf die jeweiligen Anmerkungen zur Qualitätssicherung explizit hingewiesen. In der Tabelle 7.26 sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von vertikalen Grundwasserabsperrungen zusammengestellt. Tabelle 7.26 Überblick über Verfahren zur Herstellung von vertikalen Grundwasserabsperrungen Prinzip

Verringerung der Durchlässigkeit des anstehenden Bodens

Verfahren

Verdichtungswand Injektionswand Gefrierwand

Verdrängung des anstehenden Bodens und Einbau eines Dichtungsmaterials Spundwand Schmalwand Düsenstrahlwand

Aushub des anstehenden Bodens und Einbau eines Dichtungsmaterials Bohrpfahlwand Schlitzwand

Die Tabelle 7.26 bis Tabelle 7.29 geben zwecks Beurteilung der Verwendbarkeit einen Überblick über die Herstellung und Anwendung der einzelnen Verfahren (Systeme) zur Grundwasserabsperrung. Tabelle 7.27 Verfahren zur Verringerung der Durchlässigkeit des anstehenden Bodens System

Herstellungsverfahren

Dichtungsmaterial

übliche Bodenarten

übliche Abmessungen Dicke [m]

Tiefe [m]

Verdichtungswand

Säulenweise Verdichtung des anstehenden Bodens z. B. mit Tiefenrüttlern unter Zugabe von Fremdmaterial

konditionierte Sande/Kiese

Sand, Kies, Geröll

0,5 2

10 20

Injektions-

Einbau von Injektionslanzen, Auspressen des Porenraumes im Boden mit Injektionsmittel, wobei sich um die Injektionslanzen überschneidende Injektionskörper bilden

Zement- oder Ton-ZementSuspension, Wasserglas, Kunstharz

Sand, Kies

0,6 1,5

10 50

wand

7.5 Grundwasserabsperrung

401

Gefrierwand

Abteufen von Bohrungen, Eingefrorenes stellen von Gefrierrohren, GePorenwasser frieren des Porenwassers durch Kälte (z. B. Stickstoffvereisung), die durch die Rohre zugeführt wird

alle Böden mit Wassergehalten größer 6 bis 8%

12

< 30

Düsenstrahlwand (Hochdruckinjektionswand)

Abteufen von Bohrungen, Einpresser einer Suspension mit hohem Druck zwecks Vermischung mit dem anstehenden Boden unter gleichzeitigem Ziehen des Bohrgestänges, wodurch überschnittene Säulen/Wände entstehen

alle Böden

0,5 1,5

< 30

ZementSuspension, evtl. mit Füllstoffen

Tabelle 7.28 Verfahren mit Verdrängung des Bodens und Einbau eines Dichtungsmaterials System


Dichtungsmaterial

Spundwand

Einrammen oder Einrütteln, evtl. Stahl Einhängen in Schlitze mit Bentonit-Zement-Susps.

Schmalwand

Einrütteln von StahlträBentonitgern/Spundbohlen und Auspres- Zementsen des Verdrängungsraumes mit Suspension Dichtungsmaterial beim Ziehen

übliche Bodenarten alle Böden, ggf. mit Rammhilfen locker bis mitteldicht gelagerte grobkörnige Böden


Tiefe [m]

0,01 0,02

< 20

0,05 0,2

< 30

Tabelle 7.29 Verfahren mit Aushub des anstehenden Bodens und Einbau eines Dichtungsmaterials System


Dichtungsmaterial

geeignete Bodenarten alle

0,8 1,5

< 30


Tiefe [m]

Bohrpfahlwand (überschnitten)

Aushub des Bodens im Schutz einer Verrohrung, Einbau von Beton

Schlitzwand

Aushub von Lamellen im Schutz Beton einer Bentonit-Suspension, Einbau von Beton im Kontraktorverfahren

alle

0,6 1,5

< 50

Dichtwand

Aushub von Lamellen im Schutz Bentoniteiner Bentonit-(Zement)(Zement)Suspension, die im Schlitz verSuspension bleibt

alle

0,4 1,5

< 30

Aushub von Lamellen im Schutz einer Bentonit-Suspension, Austausch der Stützflüssigkeit durch spez. Dichtungsmaterial

alle

0,4 1,5

20 50

- Einphasenverfahren Dichtwand - Zweiphasenverfahren

Beton

BentonitZementSuspension, Zusatzstoffe

Für eine zuverlässige, wirtschaftliche Dimensionierung und eine planmäßige Ausführung von Grundwasserabsperrungen sind neben verfahrensspezifischen geotechnischen Voruntersuchungen hydrogeologische Untersuchungen und Nachweise unabdingbar.

402


Unabhängig von möglichen Fehlstellen ist auch bei technisch dichten Grundwasserabsperrungen Restwasser nach Niederschlägen und infolge von Wasserzutritten durch Fugen (z. B. bei Schlitz- und Bohrpfahlwänden) oder durch Schlösser (bei Spundwänden) unvermeidlich. Dieses Restwasser wird i. d. R. durch eine offene Wasserhaltung, ggf. unterstützt durch flache Brunnen, gefasst und abgeleitet. Die Restwasserhaltung ist bei der Kalkulation und bei der Planung des Bauablaufes, hier für den Betrieb der Wasserhaltung bei dem aufgehenden Bauwerk, zu berücksichtigen. Die häufig angewandten Bauverfahren für Grundwasserabsperrungen, die dann eine dichtende und eine statische Funktion erfüllen, sind im Abschnitt 4 'Baugrubensicherungen' detailliert beschrieben.

7.6 Grundwassermanagement und Qualitätssicherung 7.6.1 Grundwassermanagement Großprojekte mit umfangreichen Eingriffen in den natürlichen Wasserhaushalt erfordern ein optimales Grundwassermanagement und abgestimmte Maßnahmen zum Schutz ökologisch wertvoller Bereiche und vorhandener Bausubstanz. Der Bauherr muss neben der Verbringung des von ihm geförderten Grundwassers die wasserbehördlichen Auflagen organisieren und sicherstellen. Hierzu zählt insbesondere eine umfassende Beweissicherung. Im Allgemeinen beinhalten die wasserbehördlichen Genehmigungen, dass der Grundwasserspiegel infolge der Baumaßnahme nur in einem eng begrenzten Bereich schwanken darf. Hierfür werden durch die Wasserbehörde Grundwasserstände definiert, die nicht unter- bzw. überschritten werden sollen. Grundlage für die Festlegung sind die unbeeinflussten Grundwasserstände der letzten Jahre (ca. 20 Jahre) sowie ökologische und pflanzenphysiologische Überlegungen. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit für alle Teilprojekte ein gemeinsames Grundwassermanagement einzurichten. Das Grundwassermanagement kann in eine Grundwassermanagement-Organisation und eine Grundwasserverbringung unterteilt werden. Die Aufgaben der GrundwassermanagementOrganisation umfassen im Einzelnen: - Planung und Errichtung eines Grundwasser-Messstellennetzes - EDV-gestützte Überwachung der Grundwasserstände in zugeordneten Grünflächen mit grundwasserabhängiger Vegetation und in der Umgebung von Bauwerken, die vor Grundwasserabsenkung zu schützen sind - EDV-gestützte Überwachung der Grundwasserförderung und Dokumentation der entnommenen Grundwasservolumina/-volumenströme sowie deren Verbleib - Steuerung der Verteilung des geförderten Grundwassers zwischen wieder zu versickernden und abzuschlagenden Mengen zur Erfüllung der wasserbehördlichen Auflagen bezüglich der Einhaltung von Grundwasserständen in den zu schützenden Arealen - Durchführung von Grundwassermodellrechnungen als Entscheidungshilfe

7.6 Grundwassermanagement und Qualitätssicherung

403

- Qualitätsüberwachung des wieder zu versickernden bzw. abzuschlagenden Grundwassers - Beweissicherung zur Überprüfung, Bewertung und ggf. Abwehr von geltend gemachten Ansprüchen Dritter, einschließlich eines vierteljährlichen Beweissicherungsberichtes - Betriebswirtschaftliche Abwicklung des Grundwassermanagements gegenüber den Bauherren, einschließlich einer Nachweisführung Das von der Organisation betriebene Grundwasser-Messstellennetz dient zur lückenlosen Erfassung der jeweils aktuellen Grundwassersituation. Dies ist für eine gezielte und erfolgreiche Steuerung der Grundwasserverbringung und der Beweissicherung erforderlich. Die Verteilung der Grundwasser-Messstellen richtet sich nach der Höhe der zu erwartenden Grundwasserstandsänderung und nach der Schutzbedürftigkeit der benachbarten Bebauung. In unmittelbarer Baugrubenumgebung, an den Wiederversickerungsarealen und an zu schützenden Gebäuden und Grünbereichen ist eine Konzentration der Messstellen erforderlich. Die Messanlagen werden so ausgelegt, dass das System bei einer Über- bzw. Unterschreitungen der festgesetzten Grenzwerte einen Alarm auslöst, so dass Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Die an den einzelnen Messstellen gewonnenen Daten und die daraus abgeleiteten Grundwassergleichen (Linien gleichen Grundwasserstandes) bilden die Grundlage für die Steuerung der Verbringung des geförderten Grundwassers und für die Beweissicherung. Die Aufgaben der Grundwasserverbringung beinhalten: - Aufbau, Vorhaltung, Unterhaltung, Betrieb und Rückbau eines Leitungsnetzes (von den Übergabestationen der Einzelbaugruben bis zu den Einleite- bzw. Wiederversickerungsstellen), einschließlich der Beschaffung der erforderlichen Genehmigungen und der Ausführungsplanung - Aufbau, Vorhaltung, Unterhaltung, Betrieb und Rückbau der Pumpenanlagen und der zugehörigen Armaturen, einschließlich der Ausführungsplanung - Lieferung, Aufbau, Vorhaltung, Unterhaltung, Betrieb und Rückbau von Wiederversickerungsbrunnen, einschließlich der Ausführungsplanung - Aufbau, Vorhaltung, Unterhaltung, Betrieb und Rückbau der Enteisungs- und Entmanganungsanlage für die Wiederversickerung des geförderten Grundwassers, einschließlich der Ausführungsplanung Die aufgeführten Leistungen werden je nach Baufortschritt bzw. nach Bedarf an Lenz- und Restgrundwasser-Verbringung stufenweise realisiert. Zur Einhaltung der in den wasserbehördlichen Auflagen festgelegten Höchst- und Niedriggrundwasserstände ist eine vollständige bzw. teilweise Wiederversickerung des entnommenen Grundwassers erforderlich. Insbesondere an zu schützenden Gebäuden und Grünanlagen sind umfangreiche Versickerungsmaßnahmen notwendig. Der nicht für die Wiederversickerung benötigte Anteil des entnommenen Wassers wird in einen Vorfluter geleitet. Gegebenenfalls wird ein Teil des Grundwassers in Baugruben, die sich z. B. in der Phase des Unterwasseraushubes befinden, zur Stützung des Wasserstandes in der Baugrube und damit zur Verminderung der Absenkung im Grundwasserleiter eingeleitet.

404


Das zu verbringende Wasser (Lenz- bzw. Restgrundwasser) wird an den Übergabestationen, die i. d. R. am Baugrubenrand stehen, an die Verbringung übergeben. Der Hersteller der Baugrube ist dafür verantwortlich, dass das Wasser die von der Wasserbehörde vorgeschriebene Qualität besitzt. Dafür ist ggf. ein Einsatz von dezentralen Dekontaminationsanlagen erforderlich. Das Wasservolumen und die qualität werden vor der Übergabe in das Verbringungssystem von der Organisation gemessen und geprüft. Durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) wird allgemein die Behandlung wasserrechtlicher Fragen geregelt. Einige Bundesländer haben zusätzlich Landesgesetze erlassen. Diese enthalten insbesondere Verfahrensvorschriften, die Festlegung des Behördenaufbaus und die Verteilung von Zuständigkeiten. Vor der Einleitung eines Genehmigungsverfahrens zur Grundwasserabsenkung wird empfohlen, das jeweilige Landesgesetz einzusehen, um durch die Stellung formell richtiger Anträge Zeitverzögerungen zu vermeiden. Sowohl die Grundwasserabsenkung als auch die Ableitung des anfallenden Wassers sind genehmigungspflichtige Vorgänge (WHG, 1986). Zu beachten ist, dass eine Baugenehmigung (z. B. für die Baugrube und die Wasserhaltungsanlage) keine Bewilligung nach den Vorschriften des WHG darstellt. Ob eine Bewilligungspflicht für die Grundwasserabsenkung vorliegt, wird von der jeweiligen Genehmigungsbehörde entschieden. Generell ist es sinnvoll, bereits in der Planungsphase die Frage der Erlaubnis zu prüfen bzw. durch den Bauherrn prüfen zu lassen. Das Wasser, das in die örtliche Kanalisation abgeleitet wird, ist kein Vorgang, der dem WHG unterliegt. Dennoch besteht eine Genehmigungspflicht. Die Betreiber der Abwassersysteme (Gemeinden oder Verbände) erheben Einleitungsgebühren, die vom Unternehmer zu tragen sind.

7.6.2 Bauvorbereitende und baubegleitende Maßnahmen zur Qualitätssicherung Bauvorbereitende und baubegleitende Maßnahmen zur Qualitätssicherung sind bei allen Wasserhaltungsmaßnahmen erforderlich. Um eine hohe Sicherheit und Qualität bei einer Grundwasserabsenkung (offene Wasserhaltung bzw. Absenkung mit Brunnen) zu gewährleisten, sind die in der Tabelle 7.30 aufgeführten Maßnahmen zu beachten. In der Tabelle 7.31 sind die bauvorbereitenden und baubegleitenden Maßnahmen zur Qualitätssicherung bei Grundwasserabsperrungsverfahren zusammengestellt.


405

Tabelle 7.30 Maßnahmen zur Qualitätssicherung bei Grundwasserabsenkungsverfahren

Offene Wasserhaltung

vor der Baumaßnahme


- Einholen aller wasserrechtlichen Genehmigungen

- Messung der geförderten Wassermenge (täglich)

- Ermittlung des Grundwasserstandes

- Kontrolle der Pumpen bzgl. Sandfreiheit

- Bestimmung der Bodenkennwerte (z. B. k-Wert)

- Prüfen der Dichtigkeit des Leitungssystems

- Durchführung einer Grundwasseranalyse

- Kontrolle des Grundwasserstandes - Gewährleistung der Stromversorgung

nach der Baumaßn. - Vermessung der Nachbargebäude (Setzungen) - Kontrolle der Gebäudeabdichtung - Ermittlung des Grundwasserstandes - Überprüfung aller Pumpen und Leitungen auf Dichtigkeit, nach dem Rückbau der Anlage

- Einholen von Angaben über Nachbargebäude (Gründung, Statik etc.) - Erkundung der Wasserstände benachbarter Gewässer - vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

- vgl. Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

- Durchführung von Probebohrungen

- Setzungsmessungen an der Nachbarbebauung

- vgl. Tabelle 7.7 in Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

Schwerkraftanlage

- Bereitstellen von zwei unabhängigen Energiequellen - Installation von optischen und akustischen Warnanlagen - Installation einer Schalteinrichtung zur Stromversorgung der Pumpen - Installation einer automatischen Umschaltvorrichtung bei Ausfall einer Pumpe - Kontrolle auf Versinterung, Verockerung, Korrosion - Kontrolle der Pumpenleistung - Kontrolle des Grundwasserstandes unter der Baugrubensohle - vgl. Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

Vakuumanlage

- Durchführung von Probebohrungen

-vgl. Kapitel 7.2.5 und 7.3.6 Offene Wasserhaltung und Schwerkraftentwässerung -Vermeidung von turbulenten Strömungsverhältnissen -Verwendung von Filtern mit glatter Oberfläche -Entsandung der Brunnen -Vermeidung der Sauerstoffaufnahme durch Diffusion -Bekämpfung von Mangan- und Eisenbakterien durch keimtötende Mittel -Aufrechterhalten des Vakuums -Einregelung und Abstellung der Brunnen muss einzeln erfolgen

- vgl. Kapitel 7.2.5 Offene Wasserhaltung

406


Tabelle 7.31 Maßnahmen zur Qualitätssicherung bei Grundwasserabsperrungsverfahren vor der Baumaßnahme

Schlitzwand

- Untersuchung der geologischen und topographischen Eigenschaften


nach der Baumaßnahme

- Prüfung des Schlitzwandansatz- - Güteüberwachung, Ultraschallpunktes nach Lage und Richtung prüfung - Kontrolle der BentonitSuspensions-, Beton-, Filtratwassereigenschaften

- Kernbohrung

- Bewehrungsabnahme

- Erd- und Wasserdruckmessung

- Ausführungsbeschreibung

- Vermessen des offen Schlitzes (Inklinometermessung, Seillot)

- Setzpunkte auf GOK

- Eignungsprüfung aller Materialien und Geräte

- Vermessung der Nachbargebäude (Setzungen)

- Festlegung der Schlitzwandtiefe basierend auf den Aufschlussbohrungen - Erstellung von Testlamellen

- Endvermessen des Schlitzes und der Anschlussbewehrung

- Fugenkontrolle - Überprüfung der Systemdichtigkeit über Großpumpversuche

Düsenstrahlsohle/-wand

Bohrpfahlwand

Spundwand

- Vermessung der Nachbarbebauung - Untersuchung der geologischen und topographischen Eigenschaften

- Vermerken und Kontrollieren der Lage und Stellung der Bohlen im Rammplan

- Erdstatische Berechnung

- Kontrolle der Verankerung zwischen den Schlössern


- Kontrolle der Vertikalität und Überschneidung der Bohrungen

- Durchführung von Nachkontrollen - Beseitigung von evtl. Schäden (Schlosssprengung, Aufrollen der Spundwand, Schlossundichtigkeit) - vgl. Schlitzwand

- Reinigung der Bohrlochsohle - Festlegung der UK basierend auf - Sorgfältiger Umgang mit der den Aufschlussbohrungen Bewehrung - Ausführungsbeschreibung - Überprüfung der Betoneigen- Eignungsprüfung aller Materialien und Geräte - Untersuchung der geologischen und topographischen Eigenschaften - Eignungsprüfung aller Materialien

schaften - Hebungs- und Setzungsmessungen - Überwachung der Baustoffeigenschaften

- Kontrolle des Rückflusses (Wichte, Menge, Zusammenset- Kontrolle und Aufzeichnung der zung) Herstellparameter - Kontrolle des Düsenstrahlkörpers (Bohransatzpunkt, Abmessung, Vertikalität, Reichweite) - Wahl des Verfahrens

- Kontrolle und Aufzeichnung der Herstellparameter

- Setzungsmessung - Integritätsprüfung des Düsenstrahlbauwerkes (Druckfestigkeit, Durchlässigkeit) - Kontrolle der Düsenstrahlkubatur, Anschluss an die Fundamente, Dichtigkeit

7.6 Grundwassermanagement und Qualitätssicherung vor der Baumaßnahme


407 nach der Baumaßnahme


- Kontrolle der Eintauchtiefe des Pumpenschlauches

- Messung der Hebung nach dem Lenzen der Baugrube

- Höhenmessungen

- Eignungsprüfung des Betons

- Kontrolle der Betonfüllung in den Trichtern

- Überwachung der Festigkeitsentwicklung mittels Temperaturmessung

- Logistikplan bei mehreren Betonierabschnitten - Berechnung der erforderlichen Pumpenleistung - Angaben zur Nachbarbebauung

- Überwachung des Betons nach B - Setzungskontrolle der Nachbarbebauung II-Richtlinien - Kontrolle des Ausbreitmaßes (45 - Kontrolle der Dichtigkeit bis 50 cm) - Optische Konsistenzkontrolle des Betons pro Lieferung

Bei Verbauwänden, die eine dichtende und eine statische Funktion haben, ist bei der Qualitätssicherung insbesondere auf eine ausreichende Beständigkeit zu achten. Hierfür sind u. a. eine geringe Wasserdurchlässigkeit, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen aggressive Stoffe, eine gute Verformbarkeit und eine hohe Erosionsstabilität erforderlich. Im Einzelnen wird darauf hingewiesen, dass neben der Untersuchung der geologischen und topographischen Baugrundeigenschaften (vgl. Kapitel 7.1.3) eine Ermittlung der Wasserqualität vor jeder Wasserhaltungsmaßnahme (offene Wasserhaltung, Grundwasserabsenkung, Restwasserhaltung) erforderlich ist. Wasseranalysen dienen einerseits für die Beurteilung von Korrosions-, Verockerungs-, Versinterungs- oder Verstopfungserscheinungen. Andererseits ist sicherzustellen, dass sich die Wasserzusammensetzung von der Eintrittsstelle im Brunnen bis zur Einleitungsstelle in den Boden nicht nachteilig verändert. Gegebenenfalls können die Ergebnisse der Wasseranalyse für ein Beweissicherungsverfahren herangezogen werden.

7.6.3 Leckageortung In der Praxis erweisen sich Baugrubenumschließungen zur Grundwasserabsperrung häufig weniger dicht als geplant. Dies führt zu einer deutlich größeren Förderrate für die Restwasserhaltung bzw. zu weitreichenden Absenkungen, was Setzungen in der unmittelbaren Umgebung der Baugrube nach sich ziehen kann. Um dies zu vermeiden, müssen die Wasserzutrittsstellen in der Baugrubenwand lokalisiert werden. Wenn lokale Fehlstellen ein Schadenspotential darstellen und durch summarische Beobachtungen (Pumpversuche) nicht detektierbar sind, sollen Leckageortungen ausgeschrieben werden. Im Folgenden werden einige Messverfahren im Überblick vorgestellt. Die geeignete Methode muss jedoch projektspezifisch gewählt werden. Thermische Verfahren

Beim Abbinden der zementhaltigen Dichtungselemente (z. B. bei Schlitz-, Düsenstrahlwänden/-sohlen, Unterwasserbetonsohlen) wird Wärme freigesetzt, was zur Erhöhung der Bodentemperatur und des Wassers führt. Wenn beim Lenzen der Baugrube aufgrund einer Leckage Grundwasser durch die Verbauwände tritt, führt dies lokal zu einer deutlichen Auskühlung.

408


Durch Temperaturmessverfahren kann die Temperaturverteilung innerhalb der Baugrube erfasst werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine wirtschaftliche und zuverlässige Leckageortung bis in ca. 30 m Tiefe. Zum Einbringen der Messsensoren wird ein verschraubbares Hohlgestänge (∅ = 22 mm) bis in die gewünschte Tiefe gerammt. Danach wird eine Messkette, bestehend aus einer elektrischen Zuleitung und mehreren Temperatursensoren, in das Hohlgestänge eingebracht. Die Messung wird mit einem Präzisionstemperaturmessgerät durchgeführt und die Daten über einen Datenlogger automatisch aufgezeichnet. Aufgrund der einfachen Handhabung können Temperaturmessungen mit großflächig ausgelegtem Raster generell als Qualitätssicherungsmaßnahme eingesetzt werden. Bei Ortung einer Fehlstelle kann durch eine räumliche Verdichtung des Messrasters bereits während der Absenkung eine gezielte Lokalisierung der Leckage erfolgen [17]. Hydraulische Verfahren

Hydraulische Verfahren, wie z. B. Absenk- und Pumpversuche, ermöglichen eine Mengenabschätzung des Wasserzutritts in die Baugrube und eine Unterscheidung zwischen einer allgemein erhöhten Systemdurchlässigkeit und einer durch Fehlstellen verursachten Leckage. Markierungsversuche mit Farbstoffen, Isotopen etc. können die Leckageortung unterstützen. In wassergefüllten Baugruben können zudem durch Fließgeschwindigkeitsmessungen (thermisch, mechanisch) Fehlstellen geortet werden. Diese Verfahren bieten sich für die Abschätzung der Dichtigkeit der Verbauwände an, da im Allgemeinen ein Großteil des Aufwandes für das hydraulische Verfahren (Brunnen, Messpegel) für die Restwasserhaltung sowieso geleistet wird. Eine genaue Lokalisierung der Leckage ist mit einem hydraulischen Verfahren nur selten möglich [17]. Seismische Verfahren

Seismische Verfahren, wie z. B. Ultraschallmessungen, werden vor allem für Detailuntersuchungen herangezogen. Mit diesen Verfahren können Fehlstellen in Absperrungswänden geortet und lokalisiert werden. Ultraschallmessungen sind jedoch nur für vertikale Bauteile - nicht für Baugrubensohlen einsetzbar [17]. Geophysikalische Verfahren

Zu den geophysikalischen Verfahren zählt die Messung hydrogeologischer Potentiale mit rasterförmig instrumentierten Sendern auf der Geländeoberfläche oder in Bohrungen.


409

Literatur [1] Neumann, D.; Weinbrenner, U., Baukonstruktionslehre. Teil 1, 31. Aufl., TeubnerVerlag, 1997 [2] Fa. JCB., Firmenhomepage [3] König, H., Maschinen im Baubetrieb, Grundlagen und Einsatzbereiche, Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin, 1996 [4] Fa. Hüdig, Datenblatt Master Proline (Grindex) [5] Voth, B., Tiefbaupraxis - Konstruktionen, Verfahren, Herstellungsabläufe im Ingenieurtiefbau, Bauverlag GmbH, .Wiesbaden und Berlin:1995. [6] Voth, B.: Tiefbaupraxis Konstruktionen, Verfahren, Herstellungsabläufe im Ingenieurtiefbau, Bauverlag GmbH, .Wiesbaden und Berlin:1995. [7] Hoffmann, M.: Zahlentafeln für den Baubetrieb, Teubner-Verlag, 6. Aufl., 2002 [8] Englert, K.; Grauvogel, J.; Maurer, M.: Handbuch des Baugrund- und Tiefbaurechts, 3. Aufl., Werner Verlag, 2004. [9] Schnell, W.; Vahland, R.; Oltmanns, W.: Verfahrenstechnik der Grundwasserhaltung, Teubner-Verlag, 2. Aufl., 2002 [10] Herth, W.; Arndts, E.: Theorie und Praxis der Grundwasserhaltung [11] Smoltcyk, U.: Grundbau-Taschenbuch Teil 2, 4. Aufl., Ernst & Sohn, Berlin, 1991 [12] Fa. Hüdig, Firmenhomepage, Schmutzwassertauchpumpen [13] Firma Hüdig, Firmenprospekt, Schmutzwassertauchpumpen [14] Simmer, K.: Grundbau Teil 2, 18. Aufl., Teubner-Verlag, Stuttgart, 1999 [15] Fa. Hüdig, Firmenhomepage, Elektro-Vakuumgeräte [16] Kühn, G.: Der maschinelle Tiefbau, Teubner-Verlag, Stuttgart, 1992 [17] Fa. GTC Kappelmeyer, Firmenprospekt, Leckageortung

8 Beispiel: Berechnung und Kalkulation einer innerstädtischen Baugrube 8.1

Situationsbeschreibung

Es ist eine Baugrube für ein mehrgeschossiges Bürogebäude zu erstellen (s. Bild 8.2). Das zu bebauende Grundstück liegt in städtischer Umgebung und ist an drei Seiten durch Strassen begrenzt. Die vierte Seite der Baugrube grenzt unmittelbar an bestehende Nachbarbebauung, bei der es sich um bis zu fünfstöckige Wohnhäuser handelt. Diese sind durch eine Unterfangung zu sichern. Die geplante Baugrubensohle liegt 5,00 m unter der Geländeoberkante. Da auf einem Niveau von -4,50 m unter GOK Grundwasser ansteht, ist der Verbau wasserdicht herzustellen. Aus räumlichen und aus konstruktiven Gründen ist für die Nachbarbebauung eine Unterfangung durch Injektionswände erforderlich. Die anderen Bereiche der Grube werden aufgrund des begrenzten Raumes durch Spundwände gesichert. Der anstehende Boden ist im Bild 8.1 beschrieben. Es handelt es sich um ein Sand-KiesGemisch. Etwa 60 cm unter der Baugrube steht eine wasserundurchlässige Tonschicht an. Da diese als standfest angesehen werden kann, wird eine Kohäsion von c = 15 kN/m² angenommen. Der auszuhebende Boden lässt sich gemäß VOB/C DIN 18 300 in die Klasse 3 "Leicht lösbare Bodenarten" einstufen. Der Durchlässigkeitsbeiwert kann mit k = 10-4 m/s angenommen werden.

Quartär: Sand / Kies

Ton

Bild 8.1

Bodenprofil der Aufschlussbohrung


412

8 Beispiel: Berechnung und Kalkulation einer innerstädtischen Baugrube

Grundriss

Fläche : 6750 m² Umfang : 330 m

Nachbarbebauung

Schnitt A-A + 20,00

GOK ± 0,00 = 96,0 m üNN

- 5,00 Spundwand

Baugrubensohle

Spundwand Unterfangung

Spundwand

Schnitt B-B + 20,00

-5,00 Spundwand

Bild 8.2

Baugrubensohle

Unterfangung

Grundriss und Schnitte der Baugrube inklusive Nachbarbebauung

8.1 Situationsbeschreibung

413

GOK ±0,00

Sand 25°

-1,35 m

Dy wid agØ2 S l = 6,5 m taban 9,7 ker 5 m m, 95 , a 0/10 5 =2 ,50 0 WR 8,0 0 m

1,7

5

3,5

-4,00 m

0 1,7 5

BGS -5,00 m -5,60 m

Ton

-8,00 m

Bild 8.3

Schnitt durch die Baugrubensicherung

0,85

2,10

BGS -5,00 m

2,10

1,25

Fundamentunterkante Nachbarbebauung -3,50 m = 92,50 mNN

-5,60 m 0,50

0,80

0,30

1,60

Bild 8.4

Detail: Unterfangung der Nachbarbebauung

Um unnötige Aufweichungen des Baugrundes zu vermeiden, ist zur Ableitung des Niederschlagswassers eine offene Wasserhaltung vorgesehen. Das anfallende Wasser wird in ringförmig angeordneten Sickergräben gesammelt und den Pumpensümpfen zugeführt. Diese werden jeweils in den Ecken der Baugrube eingerichtet. Zur Vermeidung eines hydraulischen Grundbruches werden frühzeitig vor dem Erreichen der Gründungssohle 6 Entspannungsbrunnen angelegt. Obwohl dies eine Behinderung des Bauablaufes darstellt, wird in diesem Beispiel nicht näher darauf eingegangen. Ebenso wird nur beispielhaft auf die Verankerung der Spundwände eingegangen. Die Anker der Unterfangungen werden ebenfalls nicht weiter berücksichtigt.

414

8.2


Ergebnisse der Tragwerksplanung

Baugrubensicherung mittels Spundwand Spundwandprofil: -

Die Länge der Spundwand die sich aus der Einbindetiefe, Baugrubentiefe und dem Überstand über dem Gelände ergibt, wurde mit 8,00 m berechnet.

-

Die statische Berechnung ergab ein erforderliches Wy von 215 cm³/m, so dass ein Spundwandprofil der Firma Hoesch, Larssen L 600 mit einem vorh. Wy = 510 cm³/m ausgewählt wurde.

-

Das gewählte Spundwandprofil hat eine Profilbreite von b = 600 mm, eine Wandhöhe von h = 150 mm, eine Rückendicke von t =9,5 mm sowie eine Stegdicke von s = 9,5 mm.

Gurtung: -

Die Gurtung wird zur Vereinfachung des Beispiels aus dem gleichen Profil wie die Spundwand selbst hergestellt.

Anker: -

Die angreifenden Kräfte in der Gurtung werden über Stahlzugglieder und Stabanker in den umgebenden Baugrund eingeleitet.

-

Zur Verankerung der Spundwand (s. o.) wird ein Dywidag - Stabanker ∅ 26,5 mm, 950/1050 WR, mit einer Ankerlänge von LA = 9,75 m eingesetzt.

-

Der Neigungswinkel des Ankers wird zu α = 25,0° gewählt

-

Mit der geometrischen Anordnung von Ankerlänge und Winkel ist sichergesellt, dass der Verpresskörper mit seiner gesamten Länge in der oberen Schicht (Sand / Kies) liegt.

-

Die Länge des Verpresskörpers beträgt 3,50 m. Somit beträgt die Länge vom Angriffspunkt des Ankers bis zum Schwerpunkt des Verpresskörpers l = 8,00 m.

-

Der Abstand der Anker untereinander wurde mit a = 2,50 m berechnet.

Unterfangung der Nachbarbebauung -

Wie aus der Situationsbeschreibung (Abschn. 8.1) hervorgeht, ist eine Unterfangung der Nachbarbebauung erforderlich.

-

Die Unterfangung wird durch einen Injektionskörper unterhalb der Außenwände in den Abmessungen gemäß Bild 8.4 hergestellt.

8.3 Leistungsverzeichnis

8.3

415

Leistungsverzeichnis

Tabelle 8.1 Leistungsverzeichnis Pos. Nr.


1

Baustelleneinr. einrichten, vorhalten, räumen Baustelleneinrichtung für sämtliche, in der Leistungsbeschreibung aufgeführten Leistungen einrichten, vorhalten und räumen. Sanitäre Einrichtungen, Tagesunterkünfte, Wasserund Stromanschluss werden vom GU gestellt.

2

Boden Baugrube Aushub bis 5 m Bodenklasse 3

Menge 1,00 psch.

33.750,00 m³

Boden für Baugruben profilgerecht lösen, laden und zur Kippstelle der AG fördern, Verbau wird gesondert vergütet, Aushub ab Geländeoberfläche, Behinderung durch Grundwasserabsenkungseinrichtungen, Maße der Baugrube 90,0 ⋅ 75,0 m, Aushubtiefe bis 5,0 m, Bodenklasse 3. Förderweg 10 km. 3

Spundbohlen lief. St Sp 37 L 8,00m Stahlspundbohlen liefern, einschl. Eck- und Passbohlen, als Doppelbohlen, Schlösser abgedichtet durch bituminöse ausreichend plastische Dichtungsmittel, Stahlsorte St Sp 37, Widerstandsmoment 510 cm³/m Wand, Erzeugnis Larssen 600 oder gleichwertiger Art, Länge 8,00 m.

4

Bohleneinbau Spundwand Klasse 3-5 T 8,00 m

5

6

Bohlen einbauen, als Spundwand in Einheiten aus Doppelbohlen, ab Geländeoberfläche, Einbauverfahren Rütteln, senkrecht, Bodenklasse 3 bis 5 DIN 18 300, Einbautiefe 8,00m Aussteifung Spundprofile Aussteifung des Verbaus als Gurte aus SpundwandStahlprofilen, Stahlsorte S 235 DIN EN 10 027 (St 37), Profil Larssen 600, Verbindungselemente wie Kopfplatten, Knotenbleche, Verschraubungen, Kleinteile werden nicht gesondert vergütet. Einzellänge über 8 bis 10 m, liefern und einbauen. Einschließlich Anspannen der Anker, a = 2,50 m. Kurzzeitanker Klasse LN 200 kN L 9,75 m Verpressanker DIN 4125 als Kurzzeitanker mit Neigung von 25°, liefern und einbauen, einschl. Bohrloch und Verpresskörper herstellen, Bodenklasse LN DIN 18 301, Ankergebrauchslast 200 kN, Länge von Vorderkante Verbau bis Fußpunkt 9,75 m. Ankerkopf nachspannbar. Übertrag

222,36 t

2040,00 m²

255,00 m

102,00 St

EP

GP

[EUR]

[EUR]

416


Pos. Nr.


Menge

Übertrag 7

Bodenverfestigung 10 MN/m² als Unterfangung der Nachbarbebauung, Injektionstiefe bis 5,60 m Injektionsschicht 2,1 m Boden verfestigen von einem Arbeitsplanum 3,50 m innerhalb der Baugrube durch Injizieren von Einpressgut, einschl. Bohrlöcher herstellen, Einpressgut Feinstbindemittelsuspensionen, unter Fundamenten, Bohrtiefe bis 2,10 m unter Arbeitsplanum, Bodengutachten liegt bei, Bodenverfestigung mind. 10 MN/m², Ausführung gemäß Zeichnung Nr. 3. Dicke der verfestigten Bodenschicht mind. 2,10 m. Pumpensumpf herstellen, beseitigen T 1,50 m Pumpensumpf innerhalb von Baugruben herstellen und beseitigen, aus Betonbrunnenringen mit Filterkiespackung, einschl. des erforderlichen Erdaushubs und der Wiederverfüllung, Abteuftiefe 1,50 m, lichter Sohlquerschnitt bis 2,5 m², anfallenden Aushub der Bodenklasse 3 laden und zur Kippstelle des AG fördern. Förderweg 10 km.

180,00 m³

9

Sickergraben Kunstst.-Filterr. T 0,75 bis 1,00 m Sickergraben innerhalb von Baugruben mit Anschluss an Pumpensumpf herstellen, aus geschlitzten Kunststoff-Filterrohren, Wassereintrittsfläche mindestens 10 cm²/m, einschl. des erforderlichen Erdaushubs, Grabentiefe über 0,75 bis 1,00 m, Sohlenbreite 0,5 m. Filterummantelung dem anstehenden Boden anpassen. Anfallenden Aushub der Bodenklasse 3 laden und zur Kippstelle des AG fördern. Förderweg 10 km.

330,00 m

10

Pumpe Elektromot. Pumpensumpf 150 bis 200 m³/h Förderh. 6,5 m

8

4,00 St

4,00 St

Pumpe mit Elektromotor ein- und ausbauen, für 90 Tage vorhalten und betreiben, in Pumpensümpfe, Fördermenge über 150 bis 200 m³/h, geodätische Förderhöhe 6,50 m. Rohrleitungen und Leitungen aus Schläuchen werden gesondert vergütet. 11

Rohrleitung nach Wahl AN ein- u. ausbauen Rohrleitung, nach Wahl des AN, über DN 100 bis 200, ein-, ausbauen und vorhalten einschl. aller Armaturen, Form- und Paßstücke, mit Anschluss an Wasserförderanlagen in Pumpensümpfen.

200,00 m

Summe Netto + 19 % MwSt. Angebotssumme

EP

GP

[EUR]

[EUR]

8.4 Mengenermittlung zum Leistungsverzeichnis

8.4

417

Mengenermittlung zum Leistungsverzeichnis

Pos 2:

Der Bodenaushub errechnet sich aus der Grundfläche der Baugrube und der Aushubtiefe zu: 6.750 m² × 5,00 m = 33.750 m³

Pos 3:

Auf Grundlage der erdstatischen Berechnungen wurde ein Profil Larssen 600 mit einem Widerstandsmoment von 510 cm³ gewählt. Das entsprechende Profil hat eine Eigenlast von 109 kg je Quadratmeter Verbau. Mit Hilfe der in Pos. 4 ermittelten Wandfläche lässt sich das Gewicht berechnen zu: 0,109 t/m² × 2.040 m² = 222,35 t

Pos 4:

Die Spundwand soll an drei Seiten der Baugrube eingebracht werden. Insgesamt werden 255 m der Baugrube mittels einer Spundwand gesichert (siehe Pos. 5). Bei einer Einbringtiefe von 8,00 m ab Geländeoberkante ergibt dies eine zu erstellende Spundwandfläche von: 255 m × 8,00 m = 2.040 m²

Pos 5:

Zur Aussteifung des Spundwandverbaus ist eine Gurtung desselben Profils vorgesehen. Die Länge ermittelt sich zu: 2 × 90 m + 75 m = 255 m

Pos 6:

Aufgrund der gewählten Aussteifung ergibt sich ein Ankerabstand von a = 2,50 m. Daraus ergibt sich folgende Ankerzahl: 255 m / 2,50 m/St = 102 St

Pos 7:

Bei Abdichtungs- und Verfestigungsarbeiten erfolgt die Abrechnung nach Sollmenge (m³) des zu verfestigenden Lockergesteins. Anhand des Bildes 8.4 lässt sich für den Verpresskörper eine Fläche von ca. 2,36 m² bestimmen. Mit der Länge des Verpresskörpers von 75 m ergibt sich folgendes Volumen: 2,36 m² × 75 m = 177 m³ ≈ 180 m³

Pos 8:

Bedingt durch die Dimension der Baugrube werden zur Ableitung des Oberflächenwassers vier Pumpensümpfe benötigt. Sie sollen mit der Abmessung von a × b = 1,50 m × 1,50 m und einer Tiefe von 1,50 m hergestellt werden.

Pos 9:

Die Sickergräben werden ringförmig um die Baugrube angeordnet. Somit ist ihre Länge gleich dem Umfang der Baugrube U = 330 m. Sie sollen das anfallende Wasser sammeln und es unter einem Gefälle von 0,5 % den Pumpensümpfen zuleiten. Die geringste Tiefe sowie die Breite betragen 0,50 m.

Pos 10:

Unter Ansatz einer Regenspende von r = 300 l/(s × ha) infolge Schlagregens muss mit einem theoretischen Zufluss von Q ≈ 200 l/s gerechnet werden. Auf vier Pumpensümpfe verteilt, muss jede Pumpe eine Förderleistung von ca. 50 l/s (entspricht 180 m³/h) bei einer geodätischen Förderhöhe von 6,50 m erbringen.

Pos 11:

Mit der Annahme, dass die Entfernungen zwischen Pumpe und jeweiligem Einleitungspunkt ca. 50 m beträgt, ergibt sich eine erforderliche Förderleitungslänge von: 4 × 50 m = 200 m.

418

8.5


Kalkulation mit vorbestimmten Zuschlägen

8.5.1 Festlegung der Grundlagen Kalkulationsmittellohn: Für die Kalkulation wurde folgende durchschnittliche Belegschaft zu Grunde gelegt: • 1 Polier (Aufsicht) • 1 Werkpolier • 1 Vorarbeiter • 2 Spezialfacharbeiter • 1 Facharbeiter • 3 Fachwerker Der Mittellohn wurde mit den entsprechenden Tariflöhnen zu 34,30 EUR ermittelt.

Vorausbestimmte Zuschläge: Zur Bildung der Einheitspreise wurden nachstehende Zuschläge verwendet: Kostenartengruppe Lohn Sonstige Kosten Gerätekosten Fremdleistungen

Zuschlagsätze 40 % 10 % 30 % 10 %

8.5.2 Einzelkosten der Teilleistung Für alle Positionen: Positionsunabhängig werden für die Ermittlung der Einzelkosten folgende Annahmen getroffen: • Der Kraftstoffverbrauch der eingesetzten Geräte beträgt durchschnittlich 0,2 l/kWh • Der Kraftstoffpreis liegt bei 1,20 EUR/l (ohne MwSt.) • Die für Elektrogeräte anfallenden Stromkosten werden zu 0,30 EUR/kWh angesetzt • Schmierstoffkosten betragen 12 % des Treibstoffverbrauches

Pos. 1: Baustelleneinrichtung Im Rahmen der Baustelleneinrichtung wird ein Radlader mit einer Leistung von 60 kW für den gesamten Bauablauf vorgehalten. Er ist mit Schaufel, Ladegabel und Kehrbesen ausgerüstet und wird positionsübergreifend eingesetzt (z. B. zur Unterstützung des Erdaushubs). Die Bedienung erfolgt durch das Personal der einzelnen Kolonnen. Es wird eine durchschnittliche Einsatzdauer von 5 h/AT bei 100 % Auslastung angenommen.

8.5 Kalkulation mit vorbestimmten Zuschlägen

419

Läst sich seine Arbeit eindeutig einer Teilleistung zuordnen, erfolgt die Abrechnung der Betriebsstoffe in der entsprechenden Position. Aufgrund der Vielzahl an parallel durchgeführten Fertigungsprozessen sind drei Materialcontainer erforderlich. Als Lohnaufwand für Auf- und Abbau werden 5 h je Container angesetzt. Die Transportkosten der Tonnage betragen unabhängig von der Größe 20 EUR/t. Als Zeitansätze für Be- und Entladetätigkeiten auf der Baustelle müssen für Kleingeräte 0,8 h/t und für kompakte Großmaschinen oder sperrige Güter 0,15 h/t einkalkuliert werden. Die Ladekosten auf dem Bauhof ergeben sich zu 20 EUR/t für Klein- bzw. zu 5 EUR/t für Großgeräte. Tabelle 8.2 Zusammenstellung der Tonnagen und monatlichen Vorhalte- und Betriebsstoffkosten Pos. Nr.

Bezeichnung

BGL-Nr.

Geräte Leis- An- Auslastung klein groß tung zahl t

1

Magazincontainer

X.3.01.0003

t

kW

2,2

Radlader mit D.3.10.0060 4 in 1 Schaufel, Ladegabel und Kehrbesen

0,4

Kleingeräte Lot-Rotationslaser

2,0

6,8

2,4

13,4

Tabelle 8.3 Zusammenstellung der Gesamttonnage

Position

Summe Pos. 1 Summe Pos. 2 Summe Pos. 3 Summe Pos. 4 Summe Pos. 5 Summe Pos. 6 Summe Pos. 7a Summe Pos. 7b Summe Pos. 8 Summe Pos. 9 Summe Pos. 10 Summe Pos. 11 Gesamttonnage:

%

Gerätekosten

EUR/h

EUR/Mon.

3 60

1

631,80 100

16,13

1 1

Y.0.51.0005

Summe Pos. 1

St

Betriebsstoffe

Geräte klein t 2,4 0,2 1,2 0,2 0,4 2,4

groß t 13,4 33,2 [222,4] 69,4 [14,4] 13,6 12,3 3,3 14,2 -

6,8

159,4*

* Die Tonnage der Spundbohlen wird nicht berücksichtigt, da ihr Transport über die entsprechenden Positionen abgerechnet wird.

5.251,40

4.000,00 352,00 16,13

10.235,20

420


Berechnung der Betriebsstoffkosten Kraftstoff 0,2 l/Kwh ⋅ 60 Kw ⋅ 1,20 EUR/l = 14,40 EUR/l Schmierstoffe 14,40 EUR/l ⋅ 0,12 = 1,73 EUR/l Betriebsstoffkosten 14,40 EUR/l + 1,73 EUR/l = 16,13 EUR/h Tabelle 8.4 Einzelkosten der Teilleistungen Pos. Nr. 1

Teilleistung und Kostenentwicklung

1 psch Baustelleneinrichtung Lohnaufwand: Materialcontainer auf- und abbauen 3 St × 5,0 h/St Transport: 2 × (6,8 t + 159,4 t) × 20 EUR/t Laden auf der Baustelle: 2 × 6,8 t × 0,8 h/t + 2 × 159,4 t × 0,15 h/t Laden auf dem Bauhof: 2 × 6,8 t × 20 EUR/t + 2 × 159,4 t × 5 EUR/t Gerätevorhaltung: (10.235,20 EUR/Mon. / 21 AT/Mon.) × 50 AT Betriebsstoffe: 16,13 EUR/h × 5 h/AT × 50 AT

Summe Pos. 1

Lohn

Sonstige Kosten

Gerätekosten

Fremdleistung

[Std.]

[EUR]

[EUR]

[EUR]

15,00 6.648,00 58,70 1.866,00 24.369,52

4.032,00 73,70

12.546,00

24.369,52

Pos. 2: Aushub der Baugrube Geräteauswahl: Für den Bodenaushub der Position 2 wird nachfolgend die Tagesleistung eines Baggers und der Transportkette Bagger - Lkw berechnet. Für die Ausführung der Leistung wird folgendes Gerät gewählt: • Hydraulikbagger (Typ CAT 330C LN) • Motorleistung:

160 kW

• Tieflöffelinhalt:

1,50 m³

8.5 Kalkulation mit vorbestimmten Zuschlägen

421

Tabelle 8.5 Leistungsberechnung eines Hydraulikbaggers [1]

Leistungsberechnung nach BML Hydraulik-Universalbagger Hersteller/Typ:

CAT 330C LN

Kenngröße:

Fahrwerk:

Raupen

Art der Arbeit:

Bodenaushub Baugrube, Verladen auf Lkw

Bodenart/Bodenklasse:

Werkzeug:

160 kW

DIN 18 300

Tieflöffel

BGL-Nr.: D.1.00.0160 Füllung VR:

1,50 m³

3

-

Sand-Kies-Gemisch / Klasse 3

Auflockerungsfaktor

fS aus Tafel 9.20

Lagerung mitteldicht

1,14

-

Füllungsfaktor

fF aus Tafel 9.21


1,13

-

Ladefaktor

f L f F / fS

0,99

-

Spielzahl

n aus Tafel 9.24

Tieflöffel:

196

1/h

- Schwenkwinkel

f1 aus Tafel 9.25

Schwenkwinkel 90 Grad (Skizze)

1,00

- Grabtiefe/ -höhe

f2 aus Tafel 9.26

VR >11,0m³, 2,50 m = günst. Bereich

1,00

-

- Art der Entleerung

f3 aus Tafel 9.27

Volumenverhältnis Lkw/Löffel > 6

0,83

-

f4 aus Tafel 9.28

behinderungsfreies Arbeiten

1,00

-

242

m³/h f.M.

Baust./Betr.bedgg.: gut/gut

0,75

-

181 gewählt:

m³/h f.M.

170

m³/h f.M.

Faktoren für:

- Einsatzart Grundleistung

QB VR x fL x n x f1......f4

Nutzungsfaktor

fE aus Tafel 9.2

Nutzleistung

QA QB * f E

Bei der Preisbildung oder Bauablaufplanung ist zu beachten, dass unvorhersehbare Einflüsse (z. B. Transportschwierigkeiten; Arbeiterausfall) sowie Witterungseinflüsse und beengte Baustellenverhältnisse nicht berücksichtigt sind.

Anmerkung:

Bei Laden auf Transportfahrzeuge ist die Leistung der Arbeitskette Ladegerät - Transportfahrzeug maßgebend, s. Abschnitt 4.8

Es ist geplant, den Transport des Aushubes von einem Subunternehmer durchführen zu lassen. Der Subunternehmer plant den Einsatz mit folgendem Lkw: • 4-Achs-Allrad-Lkw (Typ Mercedes Benz 3838) • Motorleistung:

260 kW

• zul. Gesamtgewicht:

35,0 t

422


Tabelle 8.6 Leistungsberechnung der Transportkette Bagger Lkw [1]

Geräteleistung nach BML Transportbetrieb Ladegerät - Lkw Transportgerät:

Lkw MB / 3838 AK

Kenngröße:

32 t

Fahrwerk:

4-Achs-Allrad

Aufbau:

Kipper

Füllvoumen:

BGL-Nr.: P.2.12.0350

Nutzlast:

17,0 t

Kenngröße:

160 kW

Füllung VR:

1,50 m³

260 kW

Leistung: Ladegerät:

R-Bagger mit TL

Art der Arbeit:

Bodenaushub Baugrube, Verladen auf Lkw

Transportentfernung: Fahrgeschwindigkeiten: Bodenart/Bodenklasse:

DIN 18 300

10,0 km 40 km/h

L leer vL

30 km/h

beladen vV


16,0 m³

3

-

Lagerungsdichte

ρ aus Tafel 9.20

mitteldicht

1,72

t/m³

Auflockerungsfaktor

fS aus Tafel 9.20

mitteldicht

1,14

-

Füllungsfaktor Lkw

fF aus Tafel 9.21

erdfeucht

1,08

-

Ladefaktor

fL fF / fS

0,95

-

Nenninhalt der Mulde (gehäuft 1:2 nach SAE) oder Inhalt aus Nutzlast

16,0 m³ VR

Nutzlast (t) ρ * fL

10,4 m³ 10,4

m³

Dauer der Lastfahrt

tv L x 60 / vV

20

min

Dauer der Leerfahrt

tL L x 60 / vL

15

min

Beladezeit

tB VR x fL x 60 / QBL

2,5

min

kleinerer Wert maßgebend:

242 m³/h

QBL Ladegerät:

Kippzeit

tK 0,5 bis 0,7 min

0,6

min

Wagenwechselzeit

tW 0,3 bis 0,5 min

0,4

min

tv+tL+tB+tK+tW

38,5

min

Grundleistung je Lkw

QB VR x fL x 60 / t

15,4

m³/h f.M.

Beladungsrate

t/tB

Umlaufzeit / Beladezeit

15,7

s. unten *)

Nutzungsfaktor

fE aus Tafel 9.2

Baust.u.Betriebsbed.: gut/gut

0,75

-

Anzahl Lkw

z

Transportbetr.faktor Nutzleistung des Transportbetriebs

Umlaufzeit

t

10 Lkw

11 Lkw

12 Lkw

12

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