Zum hydraulischen Grundbruch in runden Baugruben mit Einsatz von Entspannungsbohrungen

Andermahr, Nicholas; Pulsfort, Matthias; Ziegler, Martin

doi:10.18154/RWTH-2020-11575

Zum hydraulischen Grundbruch in runden Baugruben mit Einsatz von Entspannungsbohrungen

Andermahr, Nicholas^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nicholas Andermahr

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XX, 195 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Pulsfort, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11575
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/807725/files/807725.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Entspannungsbohrungen (frei) ; Geohydraulik (frei) ; Kiespfähle (frei) ; hydraulischer Grundbruch (frei) ; runde Baugruben (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die zunehmende Bevölkerungsdichte in den deutschen Städten und die Erweiterung der Randgebiete erfordert die Erweiterung und den Neubau der Infrastruktur. Neben der Verlegung des Verkehrs in den Untergrund werden vor allem die Ver- und Entsorgungsleitungen unterirdisch erstellt. Vermehrt kommt dazu die Rohrvortriebstechnik zum Einsatz. Um mittels der Rohrvortriebstechnik lange Strecken aufzufahren, sind Zwischenangriffe nötig, die meist mit kreisrunden Schächten realisiert werden. Oftmals binden solche Schächte in das Grundwasser ein, welches innerstädtisch nicht großflächig abgesenkt werden kann, um bspw. Schäden an der umliegenden Bebauung zu vermeiden. Daher besteht bei solchen Schächten oftmals die Notwendigkeit, den Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch zu führen. Um diesen Nachweis einzuhalten, ist aufgrund der räumlichen Anströmung runder Baugruben einerseits eine lange Einbindetiefe erforderlich. Andererseits ist die nach den erdstatischen Standsicherheitsnachweisen erforderlich Einbindetiefe aufgrund der Ringtragwirkung sehr gering. Um die große Abweichung zwischen hydraulisch und erdstatisch erforderlicher Einbindetiefe zu reduzieren, können konstruktive Maßnahmen zur Reduktion des Wasserdrucks getroffen werden. Eine dieser Maßnahmen sind Entspannungsbohrungen, die mit Filterrohren ausgebaut oder als Kiespfähle erstellt werden können. Die Entspannungsbohrungen erreichen aufgrund ihrer höheren Durchlässigkeit gegenüber dem Baugrund eine günstige Umlenkung der Strömung im Inneren der Baugrube. Bisher sind jedoch wenig detaillierte Angaben zur Anordnung der Entspannungsbohrungen und zur Nachweisführung in den Normen und Regelwerken vorhanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher zunächst die allgemeine Wirkungsweise der Entspannungsbohrungen beschrieben und vergleichende Berechnungen zur Verwendung rotationssymmetrischer und dreidimensionaler numerischer Strömungsberechnung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass rotationssymmetrische Berechnungen mit der Abbildung der Entspannungsbohrungen als umlaufender Schlitz den Wasserdruck gegenüber einer dreidimensionalen Berechnung mit diskreter Abbildung der Bohrungen teilweise deutlich unterschätzen. Auf Grundlage der Voruntersuchungen wurde ein Nachweiskonzept erstellt, das im Anschluss an dreidimensionale numerische Strömungsberechnung die analytische Ermittlung des maßgebenden Bruchkörpers vorsieht. Der maßgebende Bruchkörper wird über den Vergleich der Ausnutzungsgrade bestimmt. Die zwei untersuchten Bruchkörperformen werden dazu in ihrer Größe variiert und die jeweils einwirkenden stabilisierenden und destabilisierenden Kräfte miteinander verglichen. Die Anwendbarkeit des Berechnungsansatzes wurde zuvor anhand von Vergleichsrechnungen mit einem am Institut für Geotechnik der RWTH Aachen University entwickelten Berechnungsansatz gezeigt. Mit diesem Nachweiskonzept wurden anschließend die Einflüsse der Parameter der Anordnung der Entspannungsbohrungen (Anzahl, Abstand zur Verbauwand, Länge und Durchmesser der Bohrungen) sowie die Einflüsse der Baugrubengeometrie (Einbindetiefe und Durchmesser der Baugrube) auf den Ausnutzungsgrad im Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch untersucht. Zusätzlich wurde der Einfluss unterschiedlicher Verhältnisse der Durchlässigkeit von Entspannungsbohrungen und Baugrund untersucht. Die starke gegenseitige Beeinflussung der Parameter lässt jedoch eine entkoppelte Betrachtung nicht zu. Zudem ändern sich die Einflüsse der Anordnung der Entspannungsbohrungen auf den Ausnutzungsgrad bei Veränderung der Baugrubengeometrie oder des Verhältnisses der Durchlässigkeit. Die Wirksamkeit der Entspannungsbohrungen hängt somit von der wechselseitigen Beeinflussung all dieser Parameter ab. Mit der Parameterstudie konnten jedoch die Parameter mit dem größten Einfluss auf die Wirksamkeit herausgestellt werden. Im Anschluss an die Parameterstudie wurden dimensionslose Bemessungsdiagramme entwickelt, mit denen der planende Ingenieur für bestimmte Randbedingungen die erforderliche Anzahl der Entspannungsbohrungen sowie ihre Länge und Anordnung innerhalb der Baugrube bestimmen kann. Die untersuchen Randbedingungen wurden im Rahmen dieser Arbeit auf den Bereich der hohen Wirksamkeit der Entspannungsbohrungen eingeschränkt. Liegen im konkreten Anwendungsfall Randbedingungen vor, die nicht durch die erstellten Bemessungsdiagramme abgedeckt sind, hat der planende Ingenieur in dieser Arbeit jedoch ein Nachweiskonzept zur Hand, mit dem eigene Untersuchungen möglich sind.

The increasing population density in German cities and the expansion of peripheral areas require the expansion and new construction of infrastructure. In addition to transferring the traffic underground, the supply and disposal lines will be constructed underground. Pipe jacking technology is increasingly being used for this purpose. In order to drive long distances using pipe jacking technology, intermediate headings are necessary, which are usually carried out with circular shafts. Such shafts are often located in areas with high groundwater levels, which cannot be lowered over large areas in the city to avoid damage to the surrounding buildings. For this reason, it is necessary to provide evidence against hydraulic heave in such shafts. In order to comply with this proof, a long embedment depth is required on the one hand due to the spatial inflow of round excavation pits. And on the other hand, the embedment depth resulting from the earth static stability proofs is very low due to the ring carrying capacity. In order to reduce the large deviation between the hydraulic and earth static required embedment depth, constructive measures can be taken to decrease the water pressure. One of these measures are relief drillings, which can be constructed with filter pipes or as gravel piles. Due to their higher permeability compared to the subsoil, the relief drillings achieve a favourable deflection of the groundwater flow in the inner part of the excavation pit. So far, however, little detailed information is available on the arrangement of the relief drillings and on the verification of safety against hydraulic heave in the standards and regulations.In the context of this work, the general mode of action of the relief drilling was described and comparative calculations for the use of rotationally symmetric and three-dimensional numerical flow calculations were carried out. The results show that rotationally symmetric calculations with the relief drillings as circumferential slot underestimate the water pressure compared to a three dimensional calculation with discrete modelling of the boreholes. On the basis of the preliminary investigations, a verification concept was drawn up. After the three-dimensional numerical flow calculation, the concept provides the analytical determination of the decisive fracture body. The decisive fracture body is determined by the comparison of the utilisation rates. The two investigated shapes of the fracture body are varied in size and the acting stabilizing and destabilizing forces are compared. The applicability of the calculation approach was previously shown on the basis of comparative calculations with another calculation approach. This approach was previously developed at the Chair of Geotechnical Engineering at RWTH Aachen University by Aulbach (2013). With this verification concept, the influences of the parameters of the arrangement of the relief drillings (number, distance to the excavation wall, length and diameter of the boreholes) as well as the excavation pit geometry (embedment depth and diameter of the excavation pit) on the utilisation rate were subsequently examined. In addition, the influence of different ratios of the permeability of the relief drillings and the subsoil was investigated. However, the strong mutual influence of the parameters does not allow a separate consideration. In addition, the influences of the arrangement of the expansion boreholes on the utilisation rates change with a change in the excavation pit geometry or the ratio of permeability. The effectiveness of the relief drillings thus depends on the mutual influence of all these parameters. However, the parameter study was able to identify the parameters with the greatest influence on the effectiveness. Following the parameter study, dimensionless design charts were developed with which the required number of relief drillings as well as their length and arrangement within the excavation pit for certain boundary conditions can be determined. The investigated boundary conditions were limited to the range of the high effectiveness of the relief drillings within the scope of this work. If, in a specific application, boundary conditions are given which are not covered by the design charts, this work provides a verification concept with which further investigations can be carried out.

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