Der Impulsverdichter zur mitteltiefen Verdichtung und Verbesserung von Böden

Abstract

Die ordnungsgemäße Abtragung von Bauwerkslasten erfordert eine Gründung auf tragfä-higem und setzungsarmem Baugrund. Insbesondere im Bereich von Infrastruktur-, Damm-, Straßen- und Eisenbahnbauten sowie im städtischen Raum zur effizienten Nut-zung von Bauplätzen stellen Gründungsmaßnahmen auch auf gering tragfähigen bzw. setzungsempfindlichen Böden eine Notwendigkeit dar. Es werden dabei sowohl Tiefgrün-dungs- als auch Bodenverbesserungsmaßnahmen angewendet. Letztere stellen häufig die wirtschaftlichere Alternative dar. Dementsprechend groß ist die Nachfrage nach geeigne-ten Verfahren von oberflächennahen bis tief reichenden Bodenverbesserungsmethoden. Zahlreiche Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten bieten heute eine breite Palette von Verfahren für die Oberflächenverdichtung (z. B. Vibrations-, Oszillations- und selbst-regelnde Walzen) und für die Tiefenverdichtung (z. B. Rütteldruckverdichtung, Rüttelstopf-verdichtung, dynamische Intensivverdichtung). Für die mitteltiefe Verdichtung bzw. Ver-besserung von Böden stand bis vor kurzem keine dafür ausgelegte Gerätschaft mit einem effizienten Einsatzpotenzial zur Verfügung. Mit der Konstruktion des Impulsverdichters (Rapid Impact Compactor - RIC) besteht die Möglichkeit, diese Lücke zwischen Oberflächen- und Tiefenverdichtung zu schließen. Der Impulsverdichter ist eine Weiterentwicklung des "Rapid Runway Compactors", der in den frühen 1990ern von BSP International Foundations Limited in Kooperation mit dem Briti-schen Verteidigungsministerium zur raschen Reparatur von Bombenkratern auf Militär-flugpisten entwickelt wurde, jedoch nie im Detail untersucht und folglich der Einsatz auch nie optimiert werden konnte. Im Rahmen eines von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) ge-förderten Projektes [ADAM et al., 2010] ist der Vorgang der Impulsverdichtung grundlegend numerisch und experimentell mit dem Ziel untersucht worden, die für die Abgrenzung der Einsatzgebiete des Impulsverdichters maßgebenden Eigenschaften wie Verdichtungswir-kung und die Tiefe der Verdichtung bei unterschiedlichen Bodenaufbauten und Bodenar-ten sowie die Erschütterungswirkung auf die Umgebung und die Wellenausbreitung im Boden zu ermitteln. In diesem Beitrag werden Ergebnisse aus numerischen Simulationen und experimentellen Untersuchungen am Interaktionssystem Impulsverdichter - Untergrund vorgestellt, mitein-ander verglichen und diskutiert, um die Wirksamkeit des Impulsverdichters und seine Wir-kung auf die Umgebung offenzulegen. Mit den numerischen Simulationen sind Parameter-studien durchgeführt worden, die im Experiment auf eine wesentlich engere Bandbreite beschränkt sind. Im gegenständlichen Fall ist es gut gelungen, die wesentlichen in der Na-tur auftretenden Effekte nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ nachzubilden. Es wurden sowohl numerisch als auch experimentell Abstandsgesetze ermittelt, die das Abklingenden der maximalen resultierenden Schwingschnellen an der Bodenoberfläche mit zunehmender Distanz vom Verdichtungspunkt angeben. Es wurde festgestellt, dass nicht nur die Bodenart für die Wellenausbreitung und Erschütterungswirkung maßgebend ist, sondern auch die Steifigkeit und der Verdichtungsgrad - und bei bindigen Böden der Wassergehalt - eine wesentliche Rolle spielen. Sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen ergaben, dass mit steigen-der Anzahl von Verdichtungsstößen und der damit zusammenhängenden Verdichtung bzw. Verfestigung des Untergrundes auch die Tiefe der Verdichtungszwiebel zunimmt. Die Verdichtungstiefe ist bei nichtbindigen Böden (sandige Kiese) am größten, bei gemischt-körnigen Böden (schluffige Feinsande) etwas geringer und bei bindigen Böden (sandige Schluffe) am geringsten. Numerische Simulationen zeigen bei bindigen Böden mit zuneh-mender Zahl von Verdichtungsstößen eine verstärkte seitliche Verdichtungswirkung. Die-ser Effekte spiegelt sich bei den Experimenten im Feld durch eine stärker werdende Ver-drängung wider. Mit Hilfe von Rammsondierungen wurden im Feld die in Abhängigkeit von den Bodenarten und den Bodeneigenschaften variierenden Verdichtungstiefen messtechnisch nachgewie-sen. Dabei bestätigt sich wiederum, dass die Verdichtungstiefe umso größer ist, je grob-körniger der Böden ist. Demzufolge lassen sich Kiese und Sande tiefreichender verdichten als Sand-Schluff-Gemische und Schluffe. Daraus ergibt sich auch die Bandbreite der Tie-fenwirkung von rund 4 bis 7 m. In günstigen Fällen, d.h. beispielsweise bei locker gelager-ten sandigen Kiesen auf einem Untergrund mit hoher Steifigkeit, sind sogar noch etwas größere Verdichtungstiefen erzielbar. Die Kombination aus numerischen Simulationen und experimentellen Untersuchungen in Form von dynamischen und geotechnischen Messungen liefern ein umfassendes Bild über die Vorgänge, die während der Impulsverdichtung auf dem Gerät und im Boden passieren. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass aufgrund der reproduzierbaren Vorgänge, die im Zuge der Bodenverdichtung mit dem Impulsverdichter auftreten, in Hin-kunft eine arbeitsintegrierte Qualitätskontrolle auf Basis der Messungen von den dynami-schen Bewegungsvorgängen des Verdichtungsgerätes möglich sein sollte. Abschließend wird festgestellt, dass die Impulsverdichtung eine effiziente und wirtschaftli-che Verdichtungsmethode darstellt, die eine mitteltiefe Verdichtung bzw. Homogenisierung einer großen Bandbreite von locker gelagerten nichtbindigen bzw. weichen bis steifen schwachbindigen Böden oder anthropogenen Anschüttungen ermöglicht. Einer breiten Anwendung des Impulsverdichters sollte damit nichts mehr im Wege stehen.