Die Tiefenrüttel- verfahren

Prospekt 10-02 D

Die Tiefenrüttelverfahren sind vielseitige Systeme zur Bau­grundverbesserung und dienen vor allem der Gründung von Bau werken auf nicht aus rei­chend tragfähigem Baugrund.

Keller entwickelte den Tiefen­rüttler (Patent 1934), der zu­nächst nur zur Verdichtung von Sand und Kies, also von grob körnigen Böden, einge­setzt wurde.

Heute verbessert Keller mit einer Vielzahl unterschied­licher Rüttler und Verfahren die ver schiedensten Locker­gesteins böden.

Inhalt

Tiefenrüttelverfahren im Überblick ......................... 3

Rütteldruckverfahren .......... 4

Rüttelstopfverfahren ........... 6

Pfahlartige Gründungs-elemente ............................... 8

Varianten der Tiefenrüttelverfahren ........ 10

Kontrolle..............................11

Adressen ............................ 12

3

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00,60,002 0,006 0,02 0,06 6,0 20 600,2 2,0

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Tiefenrüttelverfahren im Überblick

Der BaugrundÜblicherweise beschreibt ein Baugrund gut-ach ten den Boden. Genügen die Eigenschaf-ten des Baugrundes nicht den geplanten Beanspruchungen, empfehlen sich die Tiefen-rüttelverfahren zur Baugrundver bes serung. Sie können bis in nahezu beliebige Tiefen aus-geführt werden.

Der TiefenrüttlerDer zylindrisch geformte Tiefenrüttler ist etwa 3 bis 5 m lang und ca. 2 t schwer. Als wesentliches Element enthält der Rütt ler eine elektrisch angetriebene Unwucht, die ihn in horizontale Schwingungen versetzt. Er wird mit Aufsatzrohren an die vorgesehene Arbeitstiefe angepaßt und dabei von Kränen, Baggern oder speziell entwickelten Träger-geräten (Tragraupen) geführt.

Die VerfahrenTiefenrüttler werden in drei Verfahren einge-setzt, die sich hinsichtlich der Wirkungsweise und der Lastabtragung unterscheiden. Das Gründungskonzept wird deshalb von Keller oftmals in enger Zusammenarbeit mit dem Baugrundgutachter und dem Statiker entwi-ckelt.Mit dem Rütteldruckverfahren werden grob körnige Böden in sich selbst verdichtet.Beim Rüttelstopfverfahren werden in gemischt- und feinkörnigen, nicht ver dich-tungsfähigen Böden lastabtragende Säu len aus Kies oder Schotter eingebaut.

Mit dem dritten Verfahren werden pfahlarti-ge Gründungselemente hergestellt, über die ver hältnismäßig hohe Lasten abgetragen wer-den können, wenn ein dauernder tragfähiger Verbund mit Stopfsäulen nicht gewährleistet ist.

Die AusführungBei der Ausführung wird der schwingende Rüttler bis zur vorgesehenen Verbesserung-stiefe in den Baugrund versenkt, und dann wird je nach Verfahrensart von unten nach oben Boden verdichtet, eine Stopfsäule aufge-baut oder ein pfahlartiges Gründungselement hergestellt.

Die VorteileDie Tiefenverdichtungsverfahren sind sehr an-passungsfähig, und die Ausführungszeiten sind verhältnismäßig kurz. Nachfolgende Bauarbei-ten können meistens in kurzem räum lichen und zeitlichen Abstand folgen, und auf dem verbesserten Baugrund kann wie bei üblichen Flachgründungen gebaut werden. Dadurch sind die Tiefenrüttelverfahren besonders wirt-schaftlich.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Umweltver-träglichkeit. Es werden natürliche Stoffe ein-gebaut. Der Bodenaustrag ist dabei verhält-nismäßig gering.

Anwendungsgrenzen der Tiefenrüttelverfahren

Das Prinzip des Rüttelprozesses

Korngröße [mm]

Ton Schluff

Sieb

durc

hgan

g [G

ew. %

]

Sand

Rüttelstopfverfahren

Rütteldruckverfahren

Übergangs- bereich

Kies Steine

4

Das Rütteldruckverfahren in grobkörnigen Böden

Gerät und AusführungDie Verdichtung grobkörniger Böden erfolgt am wirkungsvollsten durch Rüttler mit einer eher niedrigen Frequenz, die für eine Bo den-eigenverdichtung am geeignetsten sind. Der Rüttler wird üblicherweise an einem Kran oder Bagger hängend eingesetzt. Das Versen-ken, aber auch das Verdichten, kann durch mehr oder weniger kräftige Wasserspülung über integrierte Leitungen erleichtert bzw. verbessert werden. Die Verdichtung von unten nach oben erfolgt in vorher festgeleg-ten Hebungsstufen und Zeitintervallen. Die Verdich tungs leistung ist vom wirkungsvollen Rüttler und darüber hinaus vom Baugrund abhängig.

Bodenmechanische AspekteUnter dem Einfluß der Schwingungen des Rüttlers werden die Bodenkörner in einem Einflußbereich, der von Boden, Gerät und Verfahrensweise abhängt, in eine dichtere Lagerung gebracht. Je nach Bodenbeschaf-fenheit und Verdichtungsaufwand tritt eine Volumenverminderung ein, die bis zu 15 % betragen kann.

1 Einfahren

Der vibrierende Rüttler dringt, unterstützt durch die Spülkraft des Wassers, bis zur geplan-ten Tiefe in den Boden ein. Dabei werden Bo-denfeinteile mit dem Rücklaufwasser ausgespült. Nach dem Erreichen der End tiefe wird der Wasserfluß reduziert.

Das GründungskonzeptDie Reichweite der Verdichtung beim ein-zelnen Verdichtungsvorgang hängt von vielen Einflußparametern ab. Keller verfügt über einen reichen Erfahrungsschatz, um ein an ge-mes senes Gründungskonzept zu erstellen. Die optimale Anordnung der Verdichtungspunkte läßt sich jedoch am besten über Versuche erreichen, bei denen unterschiedliche Raster-maße und Verfahrensweisen getestet werden. Bei guter Verdichtung können große Lasten mit Flächenpressungen bis zu 1 MN/m² ab ge-tragen werden.

Durch eine entsprechende Anordnung der Verdichtungszentren lassen sich Bodenkör per beliebigen Ausmaßes verdichten. Die erzielte Bodenverdichtung ist mittels Sondierungen einfach und wirtschaftlich nach zu weisen.

Spitze

Unwucht

E-Motor

elastische Kupplung

Wasser-

oder

Luftzufuhr

Verlänge- rungs rohr

Verdichtung unter Flächenlasten

Verdichtung unter Fundamenten

Lagerungsdichte des Bodensvorher nachher

Das Verfahren

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0

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–2

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Natürlich gelagerte oder auch künstlich aufgeschüttete Sande und Kiese sind oftmals zu locker und unterschiedlich gelagert, um für eine bestimmte Bebau­ung brauchbar zu sein. Mit Tiefenrüttlern von Keller läßt sich die Lagerungs­dichte unabhängig vom Grundwasserstand erhöhen und vergleichmäßigen.

2 Verdichten

Die Bodenverdichtung erfolgt in Stufen von unten nach oben. Sie erfaßt einen Bodenzylin-der von bis zu 5 m Durch-messer. Die Erhöhung des Verdichtungs grades zeigt sich in einer steigenden Stromauf-nahme des Rüttler motors.

3 Nachfüllen

Um den Rüttler herum bildet sich ein Absenk-trichter, der mit angefah-renem Material (A) oder vorhandenem Material (B) gefüllt wird. Hierzu sind bis zu 15 % des behandel-ten Volumens er forderlich.

4 Abschließen

Nach durchgeführter Rütteldruckverdichtung wird die Ober fläche ab-gezogen und mit einem Ober flächenrüttler nach-verdichtet.

SonderanwendungenMit Tiefenrüttlern können auch schlanke Bauelemente wie Dalben, Erdanker oder Stahlprofile in sandigen Böden ver senkt und dauerhaft verankert werden. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von verdichteten Wand- und Sohlbereichen zur Verminderung der Wasserdurchlässigkeit.

Rüttler mit Absenk trichter

Schon 1939 wurden auf einer Baustelle in Berlin 35 m Ver dich­tungstiefe erreicht. Mittlerweile liegen die maximalen Ver­dichtungstiefen bei über 50 m.

Tie

fe

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2

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0,2

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0,8

1

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149163664100225400

9001600

Rüttelstopfverfahren in gemischt­ und feinkörnigen Böden

Gerät und AusführungMeistens wird bei der Rüttelstopfverdichtung der Schleusenrüttler eingesetzt, bei dem grob körniges Zugabematerial mit Druckluft-unterstützung an der Rüttlerspitze austritt. Wegen der erforderlichen speziellen Ausrü-stung wurden Tragraupen mit Mäklerführung entwickelt, die einen zusätzlichen Andruck beim Versenken und Verdichten ermöglichen (Aktivierung). Beim Rüttelstopfverfahren wird in alternierenden Schritten gearbeitet. Der beim Rütt ler hub austretende Kies oder Schotter wird beim Andrücken verdichtet und seitlich in den Boden verdrängt. Auf diese Weise entstehen Stopfsäulen, die im Verbund mit dem Boden die Lasten abtragen.

Bodenmechanische AspekteSoweit in gemischt- und feinkörnigen Böden durch horizontale Schwingungen und seitliche Verdrängung noch eine Verdichtung erreicht werden kann, was in erster Linie vom Grad der Wassersättigung abhängt, ist dieser Verbes serungsanteil wie beim Rütteldruck ver-fahren zu bewerten. Das Rüttelstopfver fahren in seiner reinen Form geht dagegen davon aus, daß der umge-bende Boden selbst nicht verdichtet wird. Die Ver besserung beruht auf der höheren Steifig-keit und dem größeren Scher widerstand der eingebrachten Rüttelstopfsäule.

1 Vorbereiten

Mit der Rüttlertrag rau pe wird der am Mäkler geführ-te Schleusenrütt ler über dem eingemes senen Punkt ausgerichtet und das Gerät hy drau lisch abgestützt. Ein Frontlader belädt den Ma-terialkübel.

2 Füllen

Der Materialkübel wird am Mast hochgefahren und entleert seinen Inhalt in die Schleuse. Nach dem Schlie-ßen der Schleu senklappe unterstützt Preßluft den Ma-terialfluß zur Austrittsstelle an der Rüttlerspitze.

Das Verfahren

normaler Baugrund behandelt. Die zulässige Sohl pressung liegt nach erfolgter Stopfver-dichtung etwa zwischen 150 und 400 kPa.

Das GründungskonzeptWährend sich die Bodeneigenverdichtung durch Sondierungen verhältnismäßig einfach nachweisen läßt, kann die Wirkung der Stopf-verdichtung in situ nur mit Belastungsversu-chen geprüft werden. Keller hat jedoch zu-verlässige Bemessungsmethoden entwickelt, in die die Geometrie der Stopfsäulen und der Reibungswinkel des Zugabematerials ein-fließen. Gründungstechnisch wird ein durch Stopfverdichtung verbesserter Boden wie

Material- auslaß

Material- schleuse

Rüttler- und Materialrohr- verlängerung

(Vorrats-behälter)

E-Motor

Material- rohr

Unwucht

elastische Kupplung

ϕS = 45.0°

ϕS = 42.5°

ϕS = 40.0°

ϕS = 37.5°

ϕS = 35.0°

μB = ⅓

Bemessungsdiagramm für Rüttelstopfverdichtung

Setzungsermittlung für Einzelfundamente

Verb

esse

rung

sfak

tor

Setz

ungs

verh

ältn

is s

/s∞ *

Anz

ahl S

topf

säul

en

Flächenverhältnis A / AS

bezogene Tiefe t/d

* s∞ = Setzung einer unendlich gedachten Lastfläche

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Gemischt­ und feinkörnige Böden besitzen oft eine ungenügende Tragfähigkeit. Übersteigen die feinkörnigen Anteile 10–15 %, ist eine ausreichende Eigenver­dichtung nicht mehr zu erwarten. Dann kommt das Rüttelstopfverfahren zur Verbesserung in Frage. Dieses Verfahren ist auch für die Verbesserung von grobkörnigen Anschüttungen aus Bauschutt, Schlacke oder Abraum geeignet.

3 Einfahren

Der Rüttler verdrängt und durchfährt den Bo-den bis zur geplanten Tiefe, unterstützt von austretender Druckluft und der Kraft der Mast-winden.

4 Verdichten

Nach dem Erreichen der Endtiefe wird der Rüttler etwas angehoben, wobei das Zugabematerial unter Druckluft in den sich bil-denden Hohlraum eintritt. Beim Wiederversen ken wird dieses in den Boden gedrückt und verdichtet.

5 Abschließen

So baut sich die Rüttel-stopf säule in alternierenden Schritten bis zur geplanten Höhe auf. Beim Herrichten des Feinplanums ist eine Nachverdichtung der Aus-hubsohle oder der Einbau einer Ausgleichsschicht er-forderlich.

Aushubsohle nach Rüttelstopfverdichtung

Die Rüttelstopfver­dichtung wurde Ende der fünfziger Jahre ent­wickelt. Ohne besondere Aufrüstung ist ein Arbei­ten mit Schleuse und Tra­graupe bis in etwa 20 m Tiefe möglich.

Vorteile der Arbeit mit dem Schleusenrüttler:

• ZugabematerialtrittimmeranderRütt-lerspitze aus, wodurch eine kontinuierli-che Säule erzeugt wird.

• EsistnureineinmaligerEinfahrvorgangerforderlich.

• EinEinbrechenderBodenöffnungbeikritischen Böden ist durch Druckluft-unterstützung nicht möglich.

• DurchdieMäklerführungwerdendieStopfsäulen senkrecht hergestellt.

• EswirdkeinWasseralsSpüleinsatzverwendet, daher keine Ver schlam mung der Arbeitsebene.

Tie

fe

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Pfahlartige Gründungselemente

Betonstopfsäulen (BSS) und Fertigmörtelstopfsäulen (FSS)

Ausgegrabene Betonstopfsäule

Herstellung von Betonstopfsäulen

Gerät und AusführungDiese Gründungselemente werden in der gleichen Weise hergestellt, wie im Rüttel-stopf verfahren beschrieben. Als Zugabematerial wird besonderer Beton der Güte C 8/10 bis C 25/30 eingebaut. Die-ser verhält sich wie das Zugabematerial bei der Rüttelstopfverdichtung. Verdichtungsef-fekte auf den umgebenden Boden durch Rüt-teln und Verdrängung werden dadurch nicht geschmälert.

Bodenmechanische AspekteDie Wirkung der Gründungselemente ent-spricht weitestgehend der von Pfählen.

Das GründungskonzeptFür Betonstopfsäulen und Fertig mör tel-stopfsäulen besitzt Keller eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Beim Gründungsentwurf wird für diese Grün dungs elemente ein äußeres Tragver hal-ten angegeben, das durch eine Vielzahl von Probebelastungsergebnissen nach DIN 1054 belegt ist. Je nach anstehendem Baugrund und verwendetem Material können zulässige Be-lastungen bis zu 900 kN erreicht werden. Betonstopfsäulen und besonders Fertig-mörtelstopfsäulen lassen sich sehr gut mit der normalen Rüttelstopfverdichtung kombinie-

ren, indem der untere oder obere Teil der Säulen unverfestigt bleibt und somit gewisse Pufferzonen bildet. Derartige Säulen werden als Teilvermörtelte Stopfsäulen bezeichnet.

Rüttler mitMaterialrohr

Aktivierung

Tragraupe

Herstellen der Säule

Material- zugabe

Versenken Ausformen des Fußes

nicht tragfähiger Baugrund

tragfähiger Baugrund

Materialaustritt

Säulenfuß

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Sie werden angewendet, wenn feinkörnige Böden keinen tragfähigen Verbund mit Stopfsäulen bilden können. Ebenso bei Vorhandensein erheblicher organi­scher Bodenbestandteile, die sich zersetzen oder schrumpfen können, oder bei höheren Belastungen.

Betonrüttelsäulen (BRS)

Ausgegrabene Betonrüttelsäule

Betonrüttelsäule im Querschnitt

Herstellung von Betonrüttelsäulen

Gerät und AusführungBetonrüttelsäulen werden in ganzer Länge aus pumpfähigem Beton der Güte C 20/25 herge-stellt. Hierbei wird die Fußtragfähigkeit durch mehrmaliges Heben und Senken des Rüttlers verbessert, während der Schaft wegen der hohen inneren Festigkeit des Betons in einem Zuge erstellt wird.

Bodenmechanische AspekteBei den Betonrüttelsäulen wird auf die ge-zielte Verdichtung des umgebenden Bodens verzichtet. Wie bei den anderen pfahlar-tigen Gründungselementen kann aber im Fußbe reich eine hochgradige Verbesserung ausgeführt und damit eine besonders hohe Trag fähigkeit und geringe Verformung erzielt werden.

Das GründungskonzeptFür Betonrüttelsäulen besitzt Keller ebenfalls eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. Betonrüttelsäulen sind im Schaft in der Regel mit Durchmessern zwischen 40 und 60 cm schlanker als die anderen pfahl arti gen Grün-dungselemente. Die Belastung kann je nach anstehendem Baugrund und entsprechend ei-ner möglichen Fußausbildung bis zu 1200 kN betragen.

Vorbereiten zum EinfahrenEinfahren und

Ausformen des FußesHerstellen des

Schaftes

nicht tragfähiger Baugrund

tragfähiger Baugrund

Aktivierung

Tragraupe

Rüttler mit Betonrohr

Beton- pumpe

Fertigbeton

Materialaustritt

Säulenfuß

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Varianten der Tiefenrüttelverfahren

Mehrfachrüttler und UnterwasserverdichtungRütteldruckverdichtungen großer Flächen über und unter Wasser können mit Mehr-fachrüttlern ausgeführt werden.

Bei Stopfverdichtungen unter Wasser, zum Beispiel zur Gründung von Kaimauern oder Brückenpfeilern, wird Schotter über eine spezielle Feststoffpumpe zur Rüttlerspitze gepumpt und dann in den Untergrund ein-gerüttelt.

Rüttelstopfverdichtung ohne SchleusenrüttlerBei geeignetem Baugrund kann das Rüttel-stopfverfahren auch im Bagger- oder Kran-betrieb ausgeführt werden. Dabei wird mit Wasserspülung oder trocken gearbeitet. Die Spülhilfe dient zum schnelleren Einfahren, zum Offenhalten des Ringraumes um den Rüttler und fallweise zur Herstellung großer Säulendurchmesser.Es kann auch Recyclingmaterial verwendet werden.

Sandstein

Fels

Ton, Lehm

weicher Boden

ausgebaggert und mit Sand aufgefüllt

Feststoffpumpe

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Kontrolle

Bei allen Tiefenrüttelverfahren können elek-tronische Meßgeräte eingesetzt werden, um eine zuverlässige, gleichmäßige Ausführung sicherzustellen und zu dokumentieren.

Das MeßgerätZur Prozeßsteuerung, Kontrolle und Regi-strie rung können wichtige Herstellungsdaten eines jeden Verdichtungsvorganges gemessen, gespeichert und als Aufmaßbeleg ausgedruckt werden.

Die Meßeinrichtung besteht aus

• SteuerpultimFührerhausderTragraupe,

• ZentraleinheitmitDatenspeicherund

• PC mit Drucker im Baubüro.

Die MeßwerteBeim Verdichtungsvorgang werden verschie-dene Baustellendaten automatisch registriert. Werte wie Zeit, Tiefe, Vorschub, Andruck und Stromaufnahme können darüber hinaus grafisch dargestellt werden. Bei Bedarf ist es auch möglich, den Energieaufwand zu regist-rieren.

Bedienpult und Zentraleinheit des Meßgerätes M5

Belastungsversuche sind eine gute Möglichkeit, die Verbesserung des Bodens zu prüfen

Zeit[sek]

Programm: Tiefenrüttelverfahren (3.0.0)Inventar: 9130517 Baustelle: 1234173Los: 0 Punkt: 241 lfd. Nr.: 15Datum: 15.10.08 Zeit: 05:10:47 Intervall: 4 sekWichte: 1.5 kN/mLegende:

Punktdauer: 34.33 min max. Tiefe: 10.00 m rel. Gewicht: 0.58 t/m

Andruck[bar]

Tiefe[m]

Strom[A]

Vorschub[m/min]

Ereignis Uhrzeit Tiefe Elektr. Susp. Gewicht Gewicht Neigung Neigung Energie Punkt Netto Gesamt Rts/Lks Vor/ZurNr. Art Bezeichnung hh:mm:ss [m] [kVAh] [cbm] [t] [t] [Grad] [Grad]

01 09 Punkt Anfang 05:10:47 0.1 0.00 0.00 2.98 2.98 -0.2 +0.302 10 Punkt Ende 05:45:08 0.1 21.03 0.00 2.79 5.77 -0.4 +0.2

Ein Unternehmen der Keller Group plc

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