Feldversuch zum Rüttelstopfsäuleneinbau und Betrachtungen zur Hohlraumaufweitung

Die Rüttelstopfverdichtung kommt als Baugrundverbesserung weltweit in fein‐ und grobkörnigen Böden zum Einsatz. Jedoch sind die Zustandsänderungen des anstehenden Bodens infolge des vollverdrängenden Säuleneinbaus und der induzierten Vibration noch nicht ausreichend untersucht. Im ersten Teil dieses Beitrags werden daher in einem Feldversuch die Auswirkungen der Rüttelstopfsäulenherstellung auf den Zustand des anstehenden Bodens untersucht. Dabei zeigt sich, dass der Rüttelstopfsäuleneinbau in grobkörnigen Böden zu einer Verbesserung der bautechnischen Eigenschaften des anstehenden Bodens führen kann. Motiviert durch den Feldversuch betrachtet der zweite Teil der Arbeit anhand von simplifizierten Beispielen einen grundsätzlichen Vergleich verschiedener Hohlraumaufweitungsprozesse. Mithilfe eines hypoplastischen Stoffmodells wird dabei die Aufweitung eines Hohlraums infolge (1) einer monotonen und infolge (2) einer zyklischen Belastung betrachtet. Beide Fälle werden im Hinblick auf eine qualitative Übertragbarkeit auf die Modellierung der Säuleninstallation verglichen. Es zeigt sich ein qualitativ unterschiedliches Bodenverhalten: Eine monotone Aufweitung führt zum kritischen Zustand im Boden, während eine zyklische Aufweitung in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit zu einer Verdichtung und/oder einer Spannungsrelaxation führt. Eine vollständige Vernachlässigung der Rüttlervibration in entsprechenden numerischen Modellen erscheint daher nicht zutreffend.

Vibro replacement stone columns are used for ground improvement worldwide in coarse‐grained as well as fine‐grained soils. However, the changes in the soil's state due to the stone column installation including the induced vibration have not yet been investigated sufficiently. In the first part of the article, the effects of the stone column installation are investigated using a field test. It is shown that the installation in coarse‐grained soils can lead to an improvement in the structural properties of the surrounding soil. Based on the field test, a theoretical comparison of different cavity expansion processes is presented in the second part of this paper using simplified numerical examples. For that purpose, the expansion of a cavity in the soil due to (1) a monotonic and (2) a cyclic loading is investigated using a hypoplastic constitutive model. Both cases are compared to investigate their ability to simulate the column installation process. However, a qualitatively different soil behaviour is observed: A monotonic expansion will result asymptotically in the critical state of the soil, while a cyclic expansion leads to a compaction and/or a stress relaxation depending on the permeability. Therefore, neglecting the cyclic deformation of the soil in simulating the stone column installation seems to be inappropriate.