Lastverteilungsschichten aus Geozellen über vertikalen ...

Institut für Geotechnik Markscheidewesen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. N. Meyer
Forschungsthema
Untersuchungen zur Wirkungsweise einer Kombinationsbauweise aus
CMC-Säulen und mit Geozellen stabilisierten Lastverteilungsschichten
Bearbeitung: Dr.-Ing. Ansgar Emersleben
Förderung: Soiltec GmbH, BVT Dyniv GmbH
Laufzeit: 2010 - 2013
Ausgangslage:
Beim Bau von Verkehrswegen und/oder anderen Konstruktion wie Logistikflächen, Lagern
etc. auf weichen Böden kommen häufig Bodenverbesserungsmaßnahmen wie z.B.
CMC-Säulen, Schottersäulen etc. zum Einsatz. Bei einer ausreichenden Überdeckung
der vertikalen Tragelemente im Boden bildet sich bei ausreichender Verdichtung und
einem ausreichend geringen Säulenabstand ein Gewölbe innerhalb der Überdeckung
aus, durch das die aufgebrachten Belastungen von der Weichschicht zwischen den
Säulen auf die Säulen umgelagert werden. Die Setzungen der Weichschicht können
zusätzlich durch eine oberhalb der Säulenköpfe angeordnete Geokunststoffbewehrung
reduziert werden. Die in der Regel hochzugfeste Geokunststoffbewehrung unterstützt
zudem die Gewölbewirkung und die Lastumverteilung [EBGEO, 2010]. Mit abnehmenden
Überdeckungshöhen oberhalb der Säulen (Gewölbehöhen), weicheren Böden zwischen
dem engen Raster der vertikalen Tragelemente bei schlaffer Lasteintragung und
größer werdenden Säulenabständen wird die Gewölbeausbildung oberhalb der Tragelemente
zunehmend gestört, wodurch eine Lastumlagerung der aufgebrachten Belastungen
von den Weichschichten auf die Säulen ebenfalls reduziert wird und die Verformungen
zunehmen. Zur Setzungsreduzierung und –vergleichmäßigung und zur Unterstützung
der damit verbundenen Lastumlagerung auf die Säulen sind insbesondere bei
geringen Überdeckungshöhen zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Häufig werden in
diesem Fall Lastverteilungsschichten mit einer erhöhten Steifigkeit oberhalb der Säulenköpfe
angeordnet. Die üblicherweise hydraulisch gebundenen, zementverfestigten oder
geokunststoffbewehrten Lastverteilungsschichten wirken auf Grund der vergrößerten
Steifigkeit zusammen mit den Säulen anschaulich wie ein Balken auf zwei Stützen und
verteilen so die auftretende Belastung von der Weichschicht auf die Säulen (Abb. 1).
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Forschungsthema:
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Abb. 1: Wirkprinzip
von Lastverteilungsschichten
Als Alternative zu herkömmlichen Lastverteilungsschichten können auch mit Geozellen
stabilisierte Bodenschichten verwendet werden (Abb. 2).
Abb. 2: Einbau von Geozellen
oberhalb von CMC
Säulen

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Geozellen sind dreidimensionale Zellen aus polymeren Kunststoffen, die mit dem Füllboden
zusammen einen Verbundwerkstoff ergeben. Die Zellenwände verhindern dabei
das seitliche Ausdehnen des Füllbodens unter Belastung und erhöhen dadurch die Steifigkeit
und das Lastverformungsverhalten des Bodens. Durch die vergrößerte Steifigkeit
des mit Geozellen stabilisierten Bodens in Folge des Lastabtragsverhaltens der Geozellen
wird auch die Spannungsverteilung im Untergrund beeinflusst. Durch die Geozellenstabilisierung
werden die aufgebrachten Lasten über eine größere Fläche verteilt und
die Spannungen und damit auch die Verformungen in der Kontaktfläche zwischen Stabilisierungsschicht
und Untergrund reduziert. Die Wirksamkeit der Geozellen als Lastverteilungsschicht
wurde in unterschiedlichen Probefeldern bereits messtechnisch nachgewiesen.
Die durchgeführten Messungen haben gezeigt, dass in Folge der mit Geozellen
stabilisierten Bodenschichten die aufgebrachten Belastungen in die vertikalen Tragelemente
eingeleitet werden, während gleichzeitig die Weichschichten zwischen den
Tragelementen entlastet werden (Abbildung 2 und 3). Als Folge der verminderten Vertikalspannungen
werden auch die Setzungen der Weichschicht signifikant reduziert.
Vertikalspannung [kN/m²]
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Druckmessdosen DMD 4_Feldmitte
Druckmessdosen DMD 5_Säulenkopf
Geozellen 2 - lagig verlegt
Überschüttung
Vertikalspannung
auf der Säule
Vertikalspannung
zwischen den Säulen
30.01.2009
30.04.2009
30.07.2009
30.10.2009
30.01.2010
30.04.2010
30.07.2010
30.10.2010
30.01.2011
Abb. 2: Vertikalspannungsverteilung bei
Verwendung einer Lage Geozellen innerhalb
der Lastverteilungsschicht
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Vertikalspannung [kN/m²]
350
325
300
275
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
Druckmessdosen DMD 3_Feldmitte
Druckmessdosen DMD 1_Säulenkopf
Druckmessdosen DMD 2_Säulenkopf
Geozellen 1 - lagig verlegt
Überschüttung
Vertikalspannung
auf Säulen
Vertikalspannung
zwischen den Säulen
30.01.2009
30.04.2009
30.07.2009
30.10.2009
30.01.2010
30.04.2010
30.07.2010
30.10.2010
30.01.2011
Abb. 3: Vertikalspannungsverteilung bei
Verwendung von zwei Lagen Geozellen
innerhalb der Lastverteilungsschicht

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Ziele des Forschungsvorhabens:
Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll die Wirkungsweise einer aus Geozellen bestehenden
Lastverteilungsschicht systematisch untersucht werden. Dazu werden in
großmaßstäblichen Modellversuchen Parameterstudien zu Überdeckungshöhen, Säulenabständen,
Geozellenparametern und Füllmaterialien durchgeführt, um Anwendungsgrenzen
der Kombinationsbauweise abzuschätzen und das System zu optimieren.
Basierend auf den Modellversuchen und den durchgeführten Feldversuchen soll eine
analytisches oder numerisches Bemessungskonzept zur Dimensionierung der Kombinationsbauweise
entwickelt werden.
Kontaktperson:
Dr.-Ing. A. Emersleben
0 53 23/ 72 36 99
Ansgar.Emersleben@tu-clausthal.de
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