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SCHWERPUNKT - BAUGRUND

AUF SCHLECHTEM BODEN

Der Mangel an Bauland führt in vielen Fällen dazu, dass auch Flächen bebaut werden, die von vornherein als problematisch im Sinne eines Setzungsrisikos betrachtet werden müssen. Obwohl das Baugrundrisiko letztlich beim Bauherrn liegt, sind doch die beteiligten Bauexperten aufgerufen, sinnvolle Maßnahmen zur präventiven Bodenverbesserung zu ergreifen.

Einführung

Von schlechtem Baugrund wird in der Regel gesprochen, wenn er für eine Bebauung ungeeignet ist oder wenn Schäden am Bauwerk auf den Baugrund zurückgeführt werden. In der Geotechnik wird allerdings nicht der Begriff „schlechter“ Baugrund verwendet, sondern allenfalls von Defiziten in der Art oder Bemessung der Gründung gesprochen.

Insofern ist also nicht der Baugrund schlecht, sondern eher die Art, wie die Bauwerksgründung geplant wurde. Hier können Defizite allerdings auf zahlreiche Ursachen zurückgeführt werden:

• Unkenntnis des Baugrundaufbaus, der Bodenschichtung
• Unkenntnis der Bodeneigenschaften
• Fehler in der Gründungsbemessung
• Überbeanspruchungen der Gründungskonstruktion
• Externe Einflüsse, Witterung

Es sollen im Folgenden Beispiele für geotechnische Lösungen zur Gründung von Bauwerken auf schlechtem Baugrund aufgezeigt
werden.

Baugrund

Als Baugrund wird hier der durch Baumaßnahmen oder Bauwerke beeinflusste Untergrund bezeichnet. Der Baugrund ist einerseits
geologisch durch seine Genese (z. B. Sedimentation) in teilweise sehr langen Zeiträumen geprägt und andererseits können insbesondere in Siedlungsräumen anthropogene Einflüsse starke Veränderungen hervorrufen.

Das Sedimentationsgeschehen erzeugt bereichsweise die Bildung einer flachen (söhligen) Bodenschichtung. Dies gilt beispielsweise für durch Wind bewirkte (äolische) Sedimentationen (z. B. Löss).
Allerdings zeigt bereits ein Blick in morphologisches und geologisches Kartenwerk, dass dies höchstens kleinräumig gilt. So ist
beispielsweise in der Nähe von Gewässern oder der Küste mit jüngeren, auch organischen Ablagerungen zu rechnen (z. B. Auelehm). Aber auch Eiszeiten haben teilweise hoch vorbelastete Böden (z. B. Geschiebemergel) und starke Umlagerungen (z. B. Grund- und Endmoränen) hinterlassen. Derartige, geologisch alte und vorbelastete Böden sind in der Regel gut tragfähig. Dagegen sind häufig sehr junge (quartäre) Ablagerungen aufgrund fehlender geologischer Vorbelastung und der hohen organischen Anteile (z. B. Mudde, Torf) sehr viel schlechter tragfähig. Diese sehr vereinfachte Charakterisierung des Baugrundes kann beispielsweise für viele Bereiche Norddeutschlands angewandt werden, während in anderen Regionen dortige geologische Einflüsse zu weiteren Bodenarten geführt haben. Wesentlich für die geotechnische Beurteilung des Baugrundes und der ihn bildenden Bodenschichten sind technische Kennzahlen und physikalische Eigenschaften, von denen nachfolgend eine Übersicht gegeben ist.

Baugrundeigenschaften und Gründungsprobleme

Gründungsprobleme

Im obrigen Bild sind einzelne Gründungsprobleme den Baugrundeigenschaften zugeordnet. Versagen durch mangelnde Tragfähigkeit ist beispielsweise auf Grundbruchversagen von Gebäuden oder Fundamenten zurückzuführen. Verbreiteter sind dagegen Baugrundschwächen durch unerwartete oder ungleichmäßige Verformungen, die zumindest zu Einschränkungen der Gebrauchstauglichkeit der Bauwerke führen können.

Setzungsdifferenzen durch Inhomogenitäten und nicht angepasste Gründungen

Derartige Gründungsprobleme sind auf unerwartet große Kompressibilitäten oder nicht erkannte Inhomogenitäten des Baugrundes zurückzuführen. Die Gründung der Gebäude wurde nicht auf diese Baugrundverhältnisse angepasst. Ebenso sind Schäden durch Bodenwasser oder Grundwasser anzutreffen, die auf unerwartete Grundwasserschwankungen oder unerkannte Schichtwasserbildungen zurückzuführen sind.

Verformungen

Verformungen des Baugrundes werden in der Geotechnik als Setzungen und Sackungen beschrieben, wobei Setzungen in lastbedingte und lastunabhängige Setzungen gegliedert werden. Bei lastbedingten Setzungen findet eine Kompression unter den neu aufgebrachten Lasten statt, die teilweise sofort (Sofortsetzung) und teilweise zeitlich verzögert als Konsolidation oder Primärsetzung auftritt. Daran können sich Kriechsetzungen anschließen (Sekundärsetzung). Lastunabhängige Setzungen treten meist als Sackungen auf und sind beispielswiese auf Baugrundveränderungen (Bergbau, Subrosion) zurückzuführen.

Darstellung von Setzungen (sofort, primär und sekundär)
Vergleich der Setzungsverläufe

Für die Gründungsbemessung ist in der Regel nicht der Betrag der Setzungen von Belang, sondern Unterschiede innerhalb des
Bauwerks (Schiefstellung) und der zeitliche Verlauf der Setzungen. So können selbst große Setzungen bereits in der Bauphase abklingen und Restsetzungen damit unschädlich für das Gebäude sein. Dagegen können selbst kleine Setzungen zu Schäden führen, weil sie erst langsam abklingen und sich erst spät auf das bereits fertiggestellte Bauwerk auswirken. Beide Setzungsverläufe sind exemplarisch im Bild links dargestellt. Insofern sind neben den Kompressibilitäten auch die Konsolidationsparameter des Baugrundes von Bedeutung. Diese sind besonders bei weichplastischen und organisch geprägten Böden von großer Wichtigkeit.

Die Ursache für Gründungsprobleme oder sogar Schäden an Bauwerken sind in der Regel unerkannte Baugrundschwächen, die meist auf nicht ausreichende Erkundungen zurückgeführt werden müssen. Diese sind erforderlich, um das zweifellos bestehende Baugrundrisiko angemessen einzugrenzen. Ebenso müssen dann an die Baugrundverhältnisse angepasste Gründungslösungen gefunden werden, die allerdings geeignete Bemessungen und natürlich auch zutreffende Prognosen des Verformungsverhaltens erfordern.

Bodenaustausch: Lösungen im Grundwasser mit Kastenbodenaustausch (Möbius)

Beispiele für organische Baugrundprobleme

Organische oder organogene Böden sind aufgrund ihrer sehr hohen Kompressibilität, die zu großen lastbedingten Setzungen führen kann, aber auch aufgrund der langsamen Konsolidation und ihres Kriechverhaltens Ursache für Baugrundprobleme. Ausgewählte Beispiele derartig „schlechten“ Baugrunds und der dafür möglichen geotechnischen Lösungen sollen nachfolgend genannt werden.

Eine einfache Lösung bietet sich meist durch Austausch der problematischen Böden durch besser tragfähiges Material an. Derartige Lösungen sind meist nur oberhalb des Grundwassers machbar, wobei auch dafür Speziallösungen existieren (Kastenbodenaustausch).

Ein Bodenaustausch erzeugt heutzutage jedoch meist ein weiteres Problem, denn der ausgehobene Boden muss anschließend geeignet entsorgt werden. In Abhängigkeit von den umweltchemischen Belastungen sind nur sehr begrenzt kostengünstige Bodenverwertungen möglich und teure Bodenbeseitigungen sind erforderlich. Diese können investitionshemmende Größenordnungen erreichen. Insofern sind geotechnische Lösungen ohne Bodenaustausch sinnvoll. Dafür stehen eine Vielzahl von Verfahren des Spezialtiefbaus zur Verfügung. Für eine Logistikhalle, deren Standort auf Torfböden mit hohem Grundwasser liegt, sind beispielsweise Baugrundverbesserungen durch den Einbau von säulenartigen Tragelementen geeignet, um eine ausreichend verformungsarme Gründungsebene für das darauf abzusetzende Gebäude zu schaffen. Diese Methode eignet sich insbesondere auch bei hohem Grundwasserstand und flächigen hallenartigen Gebäuden. Beachtung muss allerdings der Schaffung ausreichender Befahrbarkeit für die Baugeräte durch ausreichende Vorschüttungen geschenkt werden.

Baugrundverbesserung mit Rüttelstopfsäulen

Eine ähnliche geotechnische Lösung wurde für eine Straßenverbreiterung erforderlich. Hier besteht ein Straßendamm auf organischen Böden (ca. 10 m mächtige Torf- und Muddeschicht). Während die bestehende Straße auf organischen Böden teilweise „schwimmend“ gegründet war und die Verformungen weitgehend akzeptiert und durch wiederholte Nachbesserungen behoben wurden, ist dies bei Verbreiterungen nicht mehr möglich. Die Baugrundunterschiede sind infolge der stark unterschiedlichen Verformungseigenschaften zu groß. Der Baugrund weist unter der Last des bestehenden Straßendamms und der Verkehrsbelastung eine Vorbelastung auf. Setzungen sind in diesem Bereich bereits eingetreten und durch Dammerhöhungen (sichtbar durch die Kompression des Torfs unter dem Straßendamm) kompensiert worden. Hier liegen vergleichsweise erhöhte Kompressibilitäten vor. Im Verbreiterungsbereich liegen dagegen unbelastete (unkonsolidierte) und zudem zunehmend mächtigere organische Böden vor. Hier wurde zunächst eine Vorkonsolidation mit Vertikaldräns zur Schaffung einer ausreichend tragfähigen Arbeitsebene erforderlich. Erste Sofort- und Primärsetzungen konnten damit vorweggenommen werden. Sodann ist eine Baugrundverbesserung mit Rüttelstopfsäulen vorgesehen. Damit werden die Tragfähigkeitseigenschaften durch das Einbringen steiferen Materials und das seitliche Komprimieren der anstehenden Böden deutlich verbessert. Eine Vermörtelung der Säulen soll dabei weiterem organischen Abbau und Sekundärsetzungen vorbeugen.

Baugrundverbesserung durch Vorkonsolidation und Rüttelstopfsäulen

Eine besondere geotechnische Lösung wurde für eine Straßensanierung erforderlich. Hier quert die auf in der Regel gut tragfähigem Baugrund (in diesem Fall Sande) gegründete Straße einen lokal deutlich geringer tragfähigen und damit sehr kompressiblen Bereich (ca. 50 m Länge). Dieser ist durch sehr weiche, organische Ablagerungen in einem nach Rückgang der letzten Vereisung verbliebenen „Toteisloch“ entstanden. Es kommt zu lang andauernden Setzungen der Straße in diesem Bereich. Die Setzungsunterschiede an den Rändern führen in der Folge zu Schäden und Rissbildungen in der Asphaltdecke, die wiederholte Sanierungen bedeuten. Geotechnische Lösungen hätten in diesem Fall umfangreiche Maßnahmen mit langfristiger Sperrung der Straße bedeutet. In diesem Fall wurde stattdessen eine schonendere Lösung gefunden. Das bedeutet, dass weitere Setzungen in diesem Bereich durchaus akzeptiert werden. Es ist davon auszugehen, dass diese langsam weiter abklingen werden. Allerdings werden zur Vergleichmäßigung der Setzungen geotextile Bewehrungslagen erforderlich, die im Zuge von Sanierungen des Oberbaus in Längs- und Querrichtung verlegt werden. Dies ist ohne Sperrungen möglich.

Straßensanierung über „Toteisloch"

Fazit

Baugrund wird in der Regel als „schlecht“ bezeichnet, wenn er Gründungsprobleme oder sogar Schäden am darauf gegründeten Bauwerk verursacht. Derartiger Baugrund ist durch geringe Tragfähigkeiten oder Kompressibilitäten geprägt. Er ist dadurch nicht schlecht. Letztlich sind angepasste geotechnische Lösungen zur Gründung in oder auf derartigem Baugrund sinnvoll und möglich. Standsicherheit muss in jedem Fall gegeben sein. Verformungen und Setzungen müssen jedoch in Grenzen toleriert werden. Voraussetzung dafür sind allerdings folgende wesentliche Gesichtspunkte:

• Kenntnis des Baugrundaufbaus durch ausreichende geotechnische Erkundung
• Bestimmung der Bodeneigenschaften durch bodenmechanische Labor-Kennwerte
• Prognosen des Bauwerksverhaltens durch geotechnische Bemessungen
• Konzeptionierung einer an die Baugrundverhältnisse angepassten Gründung
• Abstimmen auf die Boden-Bauwerks-Interaktion, Setzungsverträglichkeit

Das Finden dieser geotechnischen Lösungen setzt eine intensive Interaktion von Bauherr, Tragwerksplaner und geotechnischem
Ingenieur voraus, da häufig konkurrierende Anforderungen an den Baugrund und das Tragwerk sinnvolle Kompromisslösungen erfordern.

Zunehmend bestimmen auch umwelttechnische Gesichtspunkte die Wahl der Gründung, da die Möglichkeiten der Entsorgung und
Verwertung von Aushub-Böden immer weiter eingeschränkt und mit zunehmenden Kosten verbunden sind.

Autor

Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Grubert, M.S

GGU Gesellschaft für Grundbau und Umwelttechnik mbH, Braunschweig

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