DE2351713C2 - Verfahren zum Verdichten wasserhaltiger Böden - Google Patents
Verfahren zum Verdichten wasserhaltiger BödenInfo
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- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/02—Improving by compacting
- E02D3/10—Improving by compacting by watering, draining, de-aerating or blasting, e.g. by installing sand or wick drains
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der FR-PS 20 87 755 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem man
ein Fallgewicht von 6—201 aus einer allmählich bis auf 10—12 m gesteigerten Höhe fallenläßt Dabei kann
zwar Wasser freiwerden, das man dann in einer Ruhepause abfließen läßt; eine Zerstörung der Bodenstruktur,
die einer Verflüssigung vergleichbar wäre, ist jedoch weder für erstrebenswert gehalten noch in der
Praxis erreicht worden. Bei stark bindigen oder torfhaltigen Böden und Schüttungen, konnte mit dem
bekannten gattungsgemäßen Verfahren eine ausreichende Verdichtung nicht erzielt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lagerungsdichte und die Tragfähigkeit von wasserhaltigen
tonigen bis schluffigen oder torfigen Böden sowie Schüttungen erheblich zu vergrößern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalendes Anspruchs 1 gelöst.
Die somit planmäßig hervorgerufene Zerstörung der festen Bodenstruktur bewirkt, daß sich der Boden wie
eine Suspension von Körnern in einer flüssigen Phase verhält. Es handelt sich um ein Phänomen, das bisher bei
Erdbeben aufgetreten ist und daß als derart schädlich betrachtet worden ist, daß man glaubte, der betroffene
Boden sei auf lange Sicht für jegliche Verwendung als Baugrund ungeeignet.
Erfindungsgemäß erreicht man die Verflüssigung dadurch, daß das Erdreich innerhalb einer großen Dicke
erheblichen dynamischen Drucken ausgesetzt wird, die in der Lage sind, die feste Struktur des Erdreichs zu
brechen; das sind im allgemeinen Drucke von 3 bis 40 Bar, die dadurch erreicht werden können, daß
dynamische Kräfte ausgeübt werden, die die Größenordnung von 1000 t erreichen. Das Verfahren besteht
aus aufeinanderfolgenden Zyklen; jeder Zyklus weist eine Anfangsphase auf, in welcher dynamischer Druck
zur Verflüssigung ausgeübt wird, und eine anschließende Ruhepause, in der das Porenwasser abgeführt und
der Boden restrukturiert wird, wobei er einen neuen, gegenüber dem ursprünglichen Boden dichteren und
widerstandsfähigeren Boden bildet Der so erhaltene neue Boden ist entweder gleich als Baugrund geeignet
oder erst nach Durchlaufen eines neuen Zyklus.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in
wesentlich kürzerer Zeit eine Verdichtung zu erreichen, die derjenigen mindestens gleichwertig ist, die innerhalb
langer Zeitdauer unter dem Einfluß einer statischen Überlast von mehreren Bar erreicht wird.
Bei einer typischen Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beaufschlagt man die Oberfläche
des zu verdichtenden Erdreichs mit dynamischen Drücken der Größenordnung 3 bis 40 Bar, ganz
allgemein mit mehreren 10 Bar, wobei der jeweilige Druck auf eine Fläche von wenigstens 1 — lOqm
einwirkt, und sich bis in große Tiefe, etwa 3—20 m, auf
große Oberflächen, etwa 10—40 qm, und erheblichen
Volumina, etwa 100 bis 1000 m3 mit dynamischen Einwirkungen von mehreren Bar, z. B. wenigstens
2—5 Bar (das entspricht dynamischen Kräften von 500—10 000 t) fortsetzt Zu diesem Zweck werden
vorzugsweise Fallgewichte von 6—5Ct mit einer Fallhöhe von 6—20 m verwendet
In jedem Falle bestimmt ein Fachmann die Druckwerte und die Größe der zu behandelnden Oberflächen in
Abhängigkeit der Eigenschaften des Bodens zu Beginn und im Laufe der Veränderung und in Abhängigkeit der
gefundenen Werte.
In bestimmten Fällen läßt sich die Wirksamkeit des Verfahrens mit dem Ziel größerer Schnelligkeit und
besserer Erdergebnisse dadurch verbessern, daß vor Beginn der Arbeit mit dem Fallgewicht eine wasserdurchlässige
Schicht aus grobkörnigem Material auf das Gelände aufgeschüttet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Diagrammen mit vorteilhaften
Einzelheiten erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Verhalten eines Bodens, der einem
erfindungsgemäßen Arbeitszyklus unterworfen wird,
F i g. 2 ein Beispiel eines pressiometrischen Profils bei einem lehmig tonigem Boden, und
F i g. 3 das Verhalten eines Bodens, der einer Reihe von Arbeitszyklen unterworfen wird.
F i g. 1 zeigt die Entwicklung der Energieaufnahme der Volumenänderung, des Porenwasserdruckes und
der Tragkraft eines Bodens während eines Zyklus, der aus einer Verfiüssigungsphase und einer darauffolgenden
Phase der Wasserabfuhr und der Restrukturierung besteht. Während der Verflüssigung wird die Struktur
des Bodens gebrochen; alle zwischengranulären Beanspruchungen werden durch den Porenwasserdruck
aufgehoben oder vermindert und der Porenwasserdruck wird gleich dem Gewicht des darüberliegenden Bodens,
im allgemeinen mehr als doppelt so groß wie der hydrostatische Wert. Dieser Verflüssigung folgt unmittelbar
ein sofortiges Zusammensacken, das je nach der Körnigkeit des Bodens und dem Anteil der ursprünglichen
ifohlräume verschieden ist, aber kaum weniger als 3% der gesamten Dicke der kompressiblen Lage
beträgt. Das Phänomen ist bei Torf und schlammigem Erdreich mit nicht vernachlässigbarem Prozentsatz von
organischer Materie besonders augenfällig. Der Boden
enthält immer mehr oder weniger Gas wie Luft, Methan usw. und verhält sich daher wie eine Zusammensetzung
Fest-Flüssig-Gas. Unter dem Einfluß der dynamischen Belastung wird die Gasphase zusammengedrückt Es
tritt sofort ein erhebliches globales Zusammenschrumpfen auf. Das Porenwasser, das plötzlich einem
erheblichen Druckgradienten ausgesetzt ist öffnet das Korngerüst des Bodens, der dem Einfluß der Schockwellen
vorher verflüssigt worden ist, und schafft so durch innere Durchbrüche ein richtiges Netz von Leitungen
mit mannigfaltigen Verzweigungen.
In dem iviaß, wie der Pcrenwasserdruck entschwindet
formt sich das Netz der intergranuläreTi Bindungen erneut und restrukturiert sich das Material; der
mechanische Widerstand wächst zunächst während der ganzen Periode der Dissipation des Wasserdruckes sehr
schnell und dann unter dem Einfluß von abschließenden thixotropen Phänomenen sehr langsam.
Die in einem m3 wirkende Energie und die entsprechende Verkleinerung des Volumens sind in
Fig. 1 in den Kurven (1) und (2) dargestellt der Porenwasserdruck in Prozenten des Verflüssigungsdruckes und die Tragkraft (beispielsweise der pressometrische
Grenzdruck) in den Kurven (3) und (4). Es ist ersichtlich, daß die Volumenverringerung etwa proportional
mit der aufgebrachten Energie wächst, solange der Porenwasserdruck unter dem Verflüssigungsdruck
bleibt so daß so die Sättigungsenergie bestimmt werden kann; der maximale Porenwasserdruck während des
Einwirkens von dynamischem Druck nimmt darauf schnell mit der Zeit ab. Die durch einen anfänglichen
Wert (PlJo gegebene Tragkraft wird während der
Verflüssigungsphase sehr gering, wächst dann während der Dissipation des Porenwasserdruckes sehr stark und
erreicht schließlich einen Wert (P IJoo, der wesentlich
größer als der anfängliche Wert ist
Die Beaufschlagung mit Energie in einem einzigen Zyklus kann nur bei trockenen oder sehr durchlässigen
Böden genügen. Bei anderen Böden ist es vorteilhaft, in
mehreren Zyklen vorzugehen; die Ergebnisse eines solchen Vorgehens sind in F i g. 3 dargestellt. Ein
zweiter Zyklus wird erst durchgeführt, wenn der während des vorhergehenden Zyklus entstandene
Porenwasserdruck entschwunden ist, so daß beispielsweise bei schlammigem, wassergesättigtem Erdreich die
Durchführung einige Monate dauern kann.
Die günstigste Zyklenzahl wächst in dem Maße, wie sich die Durchlässigkeit des Bodens verringert so daß
die praktische Grenze dieser Technik bei sehr undurchlässigem tonigem Boden liegt.
ίο Um optimale Ergebnisse zu erhalten, werden
Abmessungen und Form des Fallgewichtes in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu behandelnden Bodens
gewählt Der optimale Wirkungsgrad ist dann erreicht wenn die in einem Schlag erhaltene Verdichtung in der
!5 Größenordnung von 10 bis 20% der Abmessungen des
Fallgewichts liegt
Pas Fallgewicht sollte zusätzlich leicht kegelstumpfförmig sein, damit seitliche Reibungskräfte zwischen
ihm und dem Boden und Saugkräfte während des Anhebens verringert werden.
Es kann nützlich sein, alle Schläge des Fallgewichts an einer Stelle auszuführen und dann erst an die folgende
Stelle weiterzugehen oder wenigstens einmal alle Stellen eines elementaren Bodenvierecks (4 m · 4 m
beispielsweise) zu berammen und erst dann zum zweiten Schlag und dann zum dritten überzugehen.
Dabei kann man, wenn die Durchführungszeit die wichtigste Bedingung für das Projekt ist, die Anzahl der
Phasen auf Kosten einer dann erheblichen, zur Verdichtung notwendigen, Energie verringern.
In Fig.2 sind links die Deformationsmodulkurven
und rechts die Werte des Grenzdruckes in Abhängigkeit von der auf der Ordinate in Metern angegebenen Tiefe
dargestellt. Die gestrichelten Kurven sind auf vor der
J5 Verfestigung gemessene Werte bezogen, die strichpunktierten
Kurven sind auf nach der Verfestigung am Ende der Dissipation des interstitiellen Druckes
gemessene Werte bezogen und die ausgezogenen Kurven sind auf nach einer Zeitdauer von neun
Monaten gemessenen Werte bezogen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zum Verdichten wasserhaltiger Böden, bei dem man ein mehrere Tonnen schweres
Fallgewicht aus einer Höhe von mehreren Metern jeweils unmittelbar nacheinander auf vorbestimmte
Stellen des zu verdichtenden Geländes aufprallen läßt und die Aufprallfolge nach einer Ruhepause, in
der freigewordenes Wasser abfließt, nötigenfalls in einem oder mehreren Durchgängen wiederholt, )0
dadurch gekennzeichnet, daß zum Verdichten stark zusammendrückbarer torfiger, toniger,
lonig-sandiger bis schluffiger Böden oder Schüttungen
Gewicht und Fallhöhe des Fallgewichts so gewäh't werden, daß unter der Einwirkung der bei ^
jedem Aufprall hervorgerufenen dynamischen Kräfte der Porenwasserdruck soweit erhöht wird, daß die
Scherfestigkeit des Bodens aufgehoben und dadurch die Wasierdurchlässigkeit dts Bodens momentan
erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß vor Beginn der Arbeit mit dem Fallgewicht eine wasserdurchlässige Schicht aus
grobkörnigem Material auf das Gelände aufgeschüttet wird.
3. Verfahren nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ruhepause zwischen
den Aufprallfolgen so wählt, daß der Boden restrukturiert.
30
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