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Bodenstabilisierung nach dem CSV-Verfahren

Die Baugrundverbesserung der Dammaufstandsflächen an der Staatsstraße S 84 Dresden-Meißen mit Anschluss an die neue Elbebrücke erfolgte mit Trockenmörtelsäulen. Die Entwicklung der Baugrundverbesserung mit Trockenmörtelsäulen begann Anfang der 1990er Jahre in der COPLAN Ingenieurgesellschaft, Eggenfelden. Ausgehend von zunächst reinen Kalksäulen, werden heute überwiegend für die Stabilisierung ungenügend tragfähiger Baugrundverhältnisse zementgebundene Mörtel mit Zuschlägen von bis zu 4 mm Größtkorn verwendet.

Das Trockengranulat (Zement-/Sandmischung) wird über eine Transportschnecke, an dessen Ende ein Verpresskopf mit einem Durchmesser von ca. 13 cm angeordnet ist, im Vollverdrängungsverfahren in den Baugrund eingebracht. Durch den Verdrängungsvorgang wird der Boden unmittelbar am Säulenrand seitlich verdichtet. Abgestimmt auf die lokale Konsistenz des zu verbessernden Bodens, werden im Allgemeinen Säulen mit 13–18 cm Durchmesser hergestellt.
Das für die Hydratation des Trockenmörtels erforderliche Wasser wird unmittelbar dem die Säule umgebenden Boden entzogen. Gegenüber dem erforderlichen Anmachwasser bei der Betonherstellung sind für den Abbindevorgang von Trockenmörtelsäulen deutlich geringere Wassermengen erforderlich. Damit verbunden ist auch eine hohe Duktilität des ausgehärteten Säulenmaterials.
Die in diesem Bericht angegebenen technischen Daten wurden im Rahmen der Qualitätssicherung bei der Untergrundverbesserung einer Straßenbaumaßnahme in Sachsen ermittelt.

Bauvorhaben

Im Zuge des Ausbaus der Staatsstraße S 84 Niederwartha-Meißen wurden von Oktober bis November 2010 im 1. Bauabschnitt Untergrundverbesserungen mit Hilfe von Trockenmörtelsäulen von der Fa. Laumer GmbH & Co. CSV Bodenstabilisierung KG, Massing ausgeführt. Mit einem vorgegebenen quadratischen Raster von 0,75 m bis 0,95 m wurden über 12000 Säulen mit einer Stabilisierungstiefe von im Mittel 4,3 m in den Baugrund eingebracht. Der mit CSV-Säulen stabilisierte Untergrund wird als Dammaufstandsfläche mit bis zu 6,5 m Schütthöhe belastet.
Zur Gewährleistung einer für die Lasteinleitung in die Stabilisierungssäulen erforderlichen Gewölbewirkung wird über den Säulenköpfen eine zementverfestigte Bodenschicht mit einer Dicke von 1 m eingebaut. Nach den Berechnungsergebnissen von Baugrund Dresden (Baugrundgutachter) können die Absolutsetzungen gegenüber dem unverbesserten Untergrund durch die Stabilisierungsmaßnahme bis in eine Größenordnung von unter 20 % der Setzungen ohne CSV-Verbesserung reduziert werden. Aus vergleichbaren Bauvorhaben bzw. Untergrundverhältnissen ist bekannt, dass infolge der Untergrundverbesserung mit CSV-Säulen neben der Reduzierung der Verformungen auch eine deutliche Beschleunigung der Setzungen zu erwarten ist [4].

Technische Daten

Die für die Abtragung der Damm- und Verkehrslasten erforderliche Druckfestigkeit des Säulenmaterials hängt maßgeblich vom Verdichtungsgrad des eingebrachten Trockenmörtels ab. Im Zuge der Fremdüberwachung wurden hierzu umfangreiche Laborversuche von der öffentlichen Prüfstelle für Baustoffe und Geotechnik an der Hochschule Konstanz durchgeführt. Geprüft wurden ausgegrabene Säulenstücke von in situ hergestellten CSV-Säulen, und ergänzend, zur Abschätzung der möglichen Verdichtungsgrade, das für die Säulenherstellung verwendete Trockengranulat mit Hilfe von Proctorversuchen. Nach einer Aushärtungszeit von 28 Tagen wurde an dem im Bild 2 dargestellten Probekörper mit den Abmessungen d = 13,7 cm und h = 24,0 cm eine Druckfestigkeit von qu = 24,4 N/mm² ermittelt. Dieses Versuchsergebnis liegt deutlich über den vorgegebenen Mindestanforderungen von qu > 15,0 N/mm². Die Rohdichte des ausgehärteten Säulenmörtels wurde mit 2,29 kg/dm³ bestimmt. Mit einem Wassergehalt von w = 4,72 % errechnet sich daraus eine Trockendichte von ρd = 2,19 kg/dm³.
Zum Vergleich des erreichten Verdichtungsgrades auf der Baustelle wurde die Trockendichte des Trockenmörtels auch im Proctortopf (einfache Proctordichte, Ø 150 mm) bestimmt. Mit einer Streubreite von ρd = 2,15 bis 2,17 kg/m³ liegt der auf der Baustelle erreichte Verdichtungsgrad von ρd = 2,19 kg/m³ damit gut über dem im Labor bestimmten Referenzwert von im Mittel 2,16 kg/m³.
Die angegebene Trockendichte von 2,16 kg/m³ muss für den Vergleich mit den in situ vorhandenen Dichten noch korrigiert werden. Innerhalb des Säulenquerschnitts sind herstellungsbedingt im Kernbereich gegenüber den Randbereichen geringere Dichten vorhanden. Mit einer Gewichtung von 100 % für den Außenbereich (ca. Ø 9 bis 15 cm) und 95 % für den Kern liegt die mittlere Dichte des Trockenmörtels, gemittelt über den Säulenquerschnitt, in einer Größenordnung von ρd (Mittelwert) ≈ 2,12 kg/m³. Die Bruchlast des Probekörpers wurde mit 357 kN ermittelt.
Wie in Bild 3 dargestellt, wurde der Trockenmörtel unter Baustellenbedingungen homogen und damit ohne jegliche Bodeneinschlüsse mit einem sehr hohen Verdichtungsgrad eingebaut. Bei den weggesteuert durchgeführten Abnahmeprüfungen wurden Probesäulen mit Laststufen bis über 180 kN gefahren (Säulenkopfausbildung s. Bild 1).
Alle gemessenen Säulenkopfverformungen liegen nach einer ausreichenden Aushärtungszeit nahezu einheitlich in der Größenordnung von 4 bis 5 mm. Diese sehr geringen Säulenkopfverformungen resultieren aus dem hohen Säulenverbund bzw. der Mantelreibung zwischen CSV-Säulen und dem umgebenden verdichteten bzw. verbesserten Boden. Hinsichtlich der Interpretation der Versuchsergebnisse ist zu beachten, dass die in den Säulenkopf eingetragene Belastung bei der Einzelsäulenprüfung nur zu einem reduzierten Lastanteil bis in die Aufstandsebene der CSV-Säule übertragen wird. Infolge der Saugspannungen des Trockenmörtels wird der die Säulen unmittelbar umgebende Boden verdichtet und gleichzeitig entwässert, so dass der für das Tragverhalten maßgebliche wirksame Durchmesser gegenüber dem Nenndurchmesser der zementgebundenen Mörtelsäule größer ist [3].

Prüfergebnisse in unterschiedlichen Böden

Bodengruppe nach DIN 18196 WL
[%]
WP
[%]
IC
[-]
qU
[N/mm²]
max. Prüflast
[kN]
max. Δs
[mm]
Aushärtezeit
[Tage]
TL 31,3 16,9 0,75 29,537 180,39 2,11 49
TL 28,2 18,6 0,73 32,246 182,60 1,74 9
TM 43,4 20,1 0,61 20,274 180,23 4,10 9
TA 53,0 26,8 0,91 21,380 180,07 6,97 22

WL= Fließgrenze
WP= Ausrollgrenze
IC= Konsistenz
qu= einaxiale Druckfestigkeit
ΔS= maximale Säulenkopfverformung in der maximalen Laststufe

Abschätzung der erforderlichen Aushärtungszeit bei geringem Wasserangebot

Bei Trockenmörtelsäulen hängt die Festigkeitsentwicklung vom verfügbaren Feuchtigkeitsangebot und damit indirekt auch von der Aushärtungszeit ab. Der für den Aushärtevorgang erforderliche Wasseranteil ist deutlich geringer als der zur Gewährleistung eines pumpfähigen Betons erforderliche Wassergehalt. Damit verbunden ist auch eine gute Festigkeitsentwicklung und Duktilität des Trockenmörtels nach abgeschlossener Hydratation. Bei sehr geringen Wassergehalten können Verzögerungen in der Säulenbefeuchtung und damit dem zeitlichen Abbindeverhalten auftreten. Dieser Umstand ist bekannt und wird durch oberflächiges Befeuchten und/oder Einhaltung längerer Abbindezeiten baupraktisch berücksichtigt.
Zur Abschätzung der in unterschiedlichen Böden in situ möglichen Befeuchtungs- bzw. Aushärtegeschwindigkeit wurden in verschiedenen Böden nach Abschluss der für die Qualitätssicherung durchzuführenden Belastungsprüfungen aus einer Tiefe von ca. 1 m, unmittelbar angrenzend an die CSV-Säule, Bodenproben entnommen und hinsichtlich Wassergehalt und Plastizität in der Prüfstelle Konstanz näher untersucht. Die Ergebnisse sind zusammen mit anderen Prüfergebnissen in Tabelle 1 gegenübergestellt.

Dipl.-Ing. Richard Laumer, Alfred Führer, Geschäftsführer der Laumer GmbH & Co. CSV Bodenstabilisierung KG

Literatur

  1. Merkblatt für die Herstellung, Bemessung und Qualitätssicherung von Stabilisierungssäulen zur Untergrundverbesserung Teil I – CSV-Verfahren DGGT.
  2. Prüfberichte/Abnahmeprotokolle Hochschule Konstanz.
  3. Reitmeier, W. et al.: Baugrundverbesserung – Wirkungsweise, Unterschiede, Qualitätssicherungsaspekte mit ausgewählten Beispielen aus Baden-Württemberg, 4. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Technische Akademie Esslingen, 2004.
  4. El-Mossallamy: Stabilization of Soil with Displacement Columns of Dry Sand-Cement/Lime Mix: Construction Methods, Physical Behavior and Numerical Modeling, XVth International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering 27–31 August 2001, Istanbul 2001.

Bautafel

Baugrundverbesserung der Dammaufstandsflächen an der Staatsstraße S 84 Dresden-Meißen
Bauherr: Freistaat Sachsen Straßenbauamt Meißen-Dresden
Baugrundgutachten: Baugrund Dresden Ingenieurgesellschaft mbH
Objektplanung: VIC Verkehrsanlagen GmbH Dresden, STRABAG AG, Direktion Sachsen, Bereich Ostsachsen
Baugrundverbesserung: Laumer GmbH & Co. CSV-Bodenstabilisierung KG, Öffentliche Prüfstelle für Baustoffe und Geotechnik Hochschule Konstanz
Fachtechnische Beratung der Stabilisierungsmaßnahme: Prof. Dr.-Ing. W. Reitmeier

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  • Über diese
    Datenseite
  • Product-ID
    3948
  • Erstellt am
    30.04.2012
  • Geändert am
    01.03.2016