Die Tiefenrüttelverfahren - der Keller Grundbau GmbH

Prospekt 10-02 D
Die Tiefenrüttel-
verfahren

Inhalt
Tiefenrüttelverfahren
im Überblick ......................... 3
Rütteldruckverfahren .......... 4
Rüttelstopfverfahren ........... 6
Pfahlartige Gründungselemente
............................... 8
Varianten der
Tiefenrüttelverfahren ........ 10
Kontrolle..............................11
Adressen ............................ 12
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.

Tiefenrüttelverfahren im Überblick
Der Baugrund
Üblicherweise beschreibt ein Baugrund gutach
ten den Boden. Genügen die Eigenschaften
des Baugrundes nicht den geplanten
Beanspruchungen, empfehlen sich die Tiefenrüttelverfahren
zur Baugrundver bes serung.
Sie können bis in nahezu beliebige Tiefen ausgeführt
werden.
Der Tiefenrüttler
Der 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 Trägergeräten
(Tragraupen) geführt.
Die Verfahren
Tiefenrüttler werden in drei Verfahren eingesetzt,
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 entwickelt.
Mit dem Rütteldruckverfahren werden
grob körnige Böden in sich selbst verdichtet.
Beim Rüttelstopfverfahren werden in
gemischt- und feinkörnigen, nicht ver dichtungsfähigen
Böden lastabtragende Säu len
aus Kies oder Schotter eingebaut.
Anwendungsgrenzen der Tiefenrüttelverfahren
Siebdurchgang [Gew. %]
100
80
60
40
20
0
Ton Schluff
Rüttelstopfverfahren
Sand
Mit dem dritten Verfahren werden pfahlartige
Gründungselemente hergestellt, über die
ver hältnismäßig hohe Lasten abgetragen werden
können, wenn ein dauernder tragfähiger
Verbund mit Stopfsäulen nicht gewährleistet
ist.
Die Ausführung
Bei der Ausführung wird der schwingende
Rüttler bis zur vorgesehenen Verbesserungstiefe
in den Baugrund versenkt, und dann
wird je nach Verfahrensart von unten nach
oben Boden verdichtet, eine Stopfsäule aufgebaut
oder ein pfahlartiges Gründungselement
hergestellt.
Die Vorteile
Die Tiefenverdichtungsverfahren sind sehr anpassungsfähig,
und die Ausführungszeiten sind
verhältnismäßig kurz. Nachfolgende Bauarbeiten
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 wirtschaftlich.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Umweltverträglichkeit.
Es werden natürliche Stoffe eingebaut.
Der Bodenaustrag ist dabei verhältnismäßig
gering.
Übergangs-
bereich
Rütteldruckverfahren
Kies Steine
0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,6 2,0 6,0 20 60
Korngröße [mm]
100
80
60
40
20
0
Das Prinzip des
Rüttelprozesses
3

Verdichtung unter
Flächenlasten
Verdichtung unter
Fundamenten
4
Verlänge-
rungs rohr
elastische
Kupplung
Wasser-
oder
Luftzufuhr
E-Motor
Unwucht
Spitze
Das Rütteldruckverfahren
in grobkörnigen Böden
Gerät und Ausührung
Die Verdichtung grobkörniger Böden erfolgt
am wirkungsvollsten durch Rüttler mit einer
eher niedrigen Frequenz, die für eine Bo deneigenverdichtung
am geeignetsten sind. Der
Rüttler wird üblicherweise an einem Kran
oder Bagger hängend eingesetzt. Das Versenken,
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 festgelegten
Hebungsstufen und Zeitintervallen. Die
Verdich tungs leistung ist vom wirkungsvollen
Rüttler und darüber hinaus vom Baugrund
abhängig.
Bodenmechanische Aspekte
Unter 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 Bodenbeschaffenheit
und Verdichtungsaufwand tritt eine
Volumenverminderung ein, die bis zu 15 %
betragen kann.
Lagerungsdichte des Bodens
vorher nachher
Das Gründungskonzept
Die Reichweite der Verdichtung beim einzelnen
Verdichtungsvorgang hängt von vielen
Einflußparametern ab. Keller verfügt über
einen reichen Erfahrungsschatz, um ein an gemes
senes Gründungskonzept zu erstellen. Die
optimale Anordnung der Verdichtungspunkte
läßt sich jedoch am besten über Versuche
erreichen, bei denen unterschiedliche Rastermaße
und Verfahrensweisen getestet werden.
Bei guter Verdichtung können große Lasten
mit Flächenpressungen bis zu 1 MN/m² ab getragen
werden.
Das Verfahren
1 Einfahren
Der vibrierende Rüttler dringt, unterstützt
durch die Spülkraft des Wassers, bis zur geplanten
Tiefe in den Boden ein. Dabei werden Bodenfeinteile
mit dem Rücklaufwasser ausgespült.
Nach dem Erreichen der End tiefe wird der
Wasserfluß reduziert.
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.

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 Bodenzylinder
von bis zu 5 m Durchmesser.
Die Erhöhung des
Verdichtungs grades zeigt sich
in einer steigenden Stromaufnahme
des Rüttler motors.
Rüttler mit Absenk trichter
3 Nachfüllen
Um den Rüttler herum
bildet sich ein Absenktrichter,
der mit angefahrenem
Material (A) oder
vorhandenem Material (B)
gefüllt wird. Hierzu sind
bis zu 15 % des behandelten
Volumens er forderlich.
4 Abschließen
Nach durchgeführter
Rütteldruckverdichtung
wird die Ober fläche abgezogen
und mit einem
Ober flächenrüttler nachverdichtet.
Sonderanwendungen
Mit 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.
Schon 1939 wurden
auf einer Baustelle in
Berlin 35 m Ver dichtungstiefe
erreicht.
Mittlerweile liegen
die maximalen Verdichtungstiefen
bei
über 50 m.
Tiefe
0
–1
–2
–3
–4
–5
–6
–7
–8
–9
–31
–32
–33
–34
–35
–48
–49
–50
5

6
Material-
schleuse
Rüttler- und
Materialrohr-
verlängerung
(Vorratsbehälter)
elastische
Kupplung
E-Motor
Material-
rohr
Unwucht
Material-
auslaß
Rüttelstopfverfahren in gemischt­
und feinkörnigen Böden
Gerät und Ausführung
Meistens wird bei der Rüttelstopfverdichtung
der Schleusenrüttler eingesetzt, bei dem
grob körniges Zugabematerial mit Druckluftunterstützung
an der Rüttlerspitze austritt.
Wegen der erforderlichen speziellen Ausrüstung
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 Aspekte
Soweit 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 verfahren
zu bewerten.
Das Rüttelstopfver fahren in seiner reinen
Form geht dagegen davon aus, daß der umgebende
Boden selbst nicht verdichtet wird. Die
Ver besserung beruht auf der höheren Steifigkeit
und dem größeren Scher widerstand der
eingebrachten Rüttelstopfsäule.
Bemessungsdiagramm für
Rüttelstopfverdichtung
Verbesserungsfaktor
7
6
5
4
3
2
1
ϕ S = 45.0°
ϕ S = 42.5°
ϕ S = 40.0°
ϕ S = 37.5°
μ B = ⅓
ϕ S = 35.0°
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Flächenverhältnis A / A S
Das Gründungskonzept
Während sich die Bodeneigenverdichtung
durch Sondierungen verhältnismäßig einfach
nachweisen läßt, kann die Wirkung der Stopfverdichtung
in situ nur mit Belastungsversuchen
geprüft werden. Keller hat jedoch zuverlässige
Bemessungsmethoden entwickelt,
in die die Geometrie der Stopfsäulen und
der Reibungswinkel des Zugabematerials einfließen.
Gründungstechnisch wird ein durch
Stopfverdichtung verbesserter Boden wie
Das Verfahren
1 Vorbereiten
Mit der Rüttlertrag rau pe
wird der am Mäkler geführte
Schleusenrütt ler über
dem eingemes senen Punkt
ausgerichtet und das Gerät
hy drau lisch abgestützt. Ein
Frontlader belädt den Materialkübel.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
2 Füllen
Der Materialkübel wird
am Mast hochgefahren und
entleert seinen Inhalt in die
Schleuse. Nach dem Schließen
der Schleu senklappe
unterstützt Preßluft den Materialfluß
zur Austrittsstelle
an der Rüttlerspitze.
normaler Baugrund behandelt. Die zulässige
Sohl pressung liegt nach erfolgter Stopfverdichtung
etwa zwischen 150 und 400 kPa.
Setzungsermittlung für
Einzelfundamente
Setzungsverhältnis s/s ∞ *
0 4 8 12 16 20 24 28
bezogene Tiefe t/d
* s∞ = Setzung einer unendlich gedachten Lastfläche
1600
900
400
225
100
64
36
16
9
4
1
Anzahl Stopfsäulen

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 Boden
bis zur geplanten
Tiefe, unterstützt von
austretender Druckluft
und der Kraft der Mastwinden.
Aushubsohle nach
Rüttelstopfverdichtung
4 Verdichten
Nach dem Erreichen der
Endtiefe wird der Rüttler
etwas angehoben, wobei
das Zugabematerial unter
Druckluft in den sich bildenden
Hohlraum eintritt.
Beim Wiederversen ken
wird dieses in den Boden
gedrückt und verdichtet.
5 Abschließen
So baut sich die Rüttelstopf
säule in alternierenden
Schritten bis zur geplanten
Höhe auf. Beim Herrichten
des Feinplanums ist eine
Nachverdichtung der Aushubsohle
oder der Einbau
einer Ausgleichsschicht erforderlich.
Vorteile der Arbeit mit dem
Schleusenrüttler:
• Zugabematerial tritt immer an der Rüttlerspitze
aus, wodurch eine kontinuierliche
Säule erzeugt wird.
• Es ist nur ein einmaliger Einfahrvorgang
erforderlich.
• Ein Einbrechen der Bodenöffnung bei
kritischen Böden ist durch Druckluftunterstützung
nicht möglich.
• Durch die Mäklerführung werden die
Stopfsäulen senkrecht hergestellt.
• Es wird kein Wasser als Spüleinsatz
verwendet, daher keine Ver schlam mung
der Arbeitsebene.
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.
Tiefe
0
–1
–2
–3
–4
–5
–6
–7
–8
–9
–13
–14
–15
–16
–17
–18
–19
–20
7

Herstellung von
Betonstopfsäulen
8
Pfahlartige Gründungselemente
Betonstopfsäulen (BSS) und
Fertigmörtelstopfsäulen (FSS)
Gerät und Ausführung
Diese Gründungselemente werden in der
gleichen Weise hergestellt, wie im Rüttelstopf
verfahren beschrieben.
Als Zugabematerial wird besonderer Beton
der Güte C 8/10 bis C 25/30 eingebaut. Dieser
verhält sich wie das Zugabematerial bei
der Rüttelstopfverdichtung. Verdichtungseffekte
auf den umgebenden Boden durch Rütteln
und Verdrängung werden dadurch nicht
geschmälert.
Bodenmechanische Aspekte
Die Wirkung der Gründungselemente entspricht
weitestgehend der von Pfählen.
Das Gründungskonzept
Für Betonstopfsäulen und Fertig mör telstopfsäulen
besitzt Keller eine allgemeine
bauaufsichtliche Zulassung.
Beim Gründungsentwurf wird für diese
Grün dungs elemente ein äußeres Tragver halten
angegeben, das durch eine Vielzahl von
Probebelastungsergebnissen nach DIN 1054
belegt ist. Je nach anstehendem Baugrund und
verwendetem Material können zulässige Belastungen
bis zu 900 kN erreicht werden.
Betonstopfsäulen und besonders Fertigmörtelstopfsäulen
lassen sich sehr gut mit der
normalen Rüttelstopfverdichtung kombinie-
Tragraupe
nicht tragfähiger Baugrund
tragfähiger Baugrund
Versenken Ausformen des Fußes
Aktivierung
Rüttler mit
Materialrohr
Materialaustritt
Säulenfuß
Ausgegrabene Betonstopfsäule
ren, indem der untere oder obere Teil der
Säulen unverfestigt bleibt und somit gewisse
Pufferzonen bildet. Derartige Säulen werden
als Teilvermörtelte Stopfsäulen bezeichnet.
Material-
zugabe
Herstellen der Säule

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
Rüttler mit
Betonrohr
Tragraupe
nicht tragfähiger Baugrund
tragfähiger Baugrund
Betonrüttelsäule
im Querschnitt
Vorbereiten zum Einfahren
Aktivierung
Beton-
pumpe
Fertigbeton
Gerät und Ausführung
Betonrüttelsäulen werden in ganzer Länge aus
pumpfähigem Beton der Güte C 20/25 hergestellt.
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 Aspekte
Bei den Betonrüttelsäulen wird auf die gezielte
Verdichtung des umgebenden Bodens
verzichtet. Wie bei den anderen pfahlartigen
Gründungselementen kann aber im
Fußbe reich eine hochgradige Verbesserung
ausgeführt und damit eine besonders hohe
Trag fähigkeit und geringe Verformung erzielt
werden.
Das Gründungskonzept
Für 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 Gründungselemente.
Die Belastung kann je nach
anstehendem Baugrund und entsprechend einer
möglichen Fußausbildung bis zu 1200 kN
betragen.
Einfahren und
Ausformen des Fußes
Materialaustritt
Säulenfuß
Herstellen des
Schaftes
Herstellung von
Betonrüttelsäulen
9

10
Varianten der Tiefenrüttelverfahren
Mehrfachrüttler und
Unterwasserverdichtung
Rütteldruckverdichtungen großer Flächen
über und unter Wasser können mit Mehrfachrüttlern
ausgeführt werden.
Ton, Lehm
Sandstein
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 eingerüttelt.
weicher Boden
Fels
ausgebaggert und mit
Sand aufgefüllt
Feststoffpumpe
Rüttelstopfverdichtung
ohne Schleusenrüttler
Bei geeignetem Baugrund kann das Rüttelstopfverfahren
auch im Bagger- oder Kranbetrieb
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.

Kontrolle
Bei allen Tiefenrüttelverfahren können elektronische
Meßgeräte eingesetzt werden, um
eine zuverlässige, gleichmäßige Ausführung
sicherzustellen und zu dokumentieren.
Das Meßgerät
Zur Prozeßsteuerung, Kontrolle und Registrie
rung können wichtige Herstellungsdaten
eines jeden Verdichtungsvorganges gemessen,
gespeichert und als Aufmaßbeleg ausgedruckt
werden.
Die Meßeinrichtung besteht aus
• Steuerpult im Führerhaus der Tragraupe,
• Zentraleinheit mit Datenspeicher und
• PC mit Drucker im Baubüro.
Programm: Tiefenrüttelverfahren (3.0.0)
Inventar: 9130517 Baustelle: 1234173
Los: 0 Punkt: 241 lfd. Nr.: 15
Datum: 15.10.08 Zeit: 05:10:47 Intervall: 4 sek
Wichte: 1.5 kN/m
Legende:
Zeit
[sek]
0
500
1000
1500
2000
1
2
Tiefe
[m]
Vorschub
[m/min]
Andruck
[bar]
0
5
10
15
-40
-20
0
20
40
0
200
400
Punktdauer: 34.33 min max. Tiefe: 10.00 m rel. Gewicht: 0.58 t/m
Strom
[A]
0
50
100
150
Ereignis Uhrzeit Tiefe Elektr. Susp. Gewicht Gewicht Neigung Neigung
Energie Punkt Netto Gesamt Rts/Lks Vor/Zur
Nr. 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 +0.3
02 10 Punkt Ende 05:45:08 0.1 21.03 0.00 2.79 5.77 -0.4 +0.2
Die Meßwerte
Beim Verdichtungsvorgang werden verschiedene
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 registrieren.
Bedienpult und
Zentraleinheit des
Meßgerätes M5
Belastungsversuche sind
eine gute Möglichkeit, die
Verbesserung des Bodens
zu prüfen
11

www.KellerGrundbau.de
www.KellerGrundbau.at
www.keller-mts.ch
www.KellerGrundbau.com
Ein Unternehmen der Keller Group plc