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Starkregen und Hochwasser – wie sich das Korngerüst des Bodens verändert

Grundsätzlich sind heftige Regenfälle und Hochwasser Bestandteile des natürlichen Geschehens. Zur Katastrophe (Flutkatastrophe) werden sie, wenn Menschen und materielle Werte betroffen sind.

Allein im Jahre 2018 konnten in Europa mehrere Hochwasser mit unterschiedlich starken Schadensbildern beobachtet werden:

  • Nordfrankreich und Westdeutschland Januar 2018
  • Kroatien März 2018
  • Mitteldeutschland Mai 2018
  • Tirol August 2018
  • Sizilien, Mallorca und Südfrankreich Oktober 2018

Da alle natürlichen Systeme zu einem Gleichgewicht streben, werden durch außergewöhnliche äußere Einflüsse auch außergewöhnliche Reaktionen erzeugt.

Der nachstehende Text beschäftigt sich mit möglichen Reaktionen des Bodens als Baugrund auf extreme Wettereinflüsse, wobei die Auswirkungen temporär oder dauerhaft sein können. Da bei jeder Veränderung des Bodens ein Einfluss auf die darauf gegründeten Gebäude zu erwarten ist, werden im Anschluss Möglichkeiten zur Stabilisierung des veränderten Bodens aufgezeigt.

Definition und Entstehung von Starkregen bzw. Hochwasser

Wenn große Niederschlagsmengen innerhalb einer bestimmten, meist nur recht kurzen Zeitspanne fallen, wird von Starkregen gesprochen. Aber auch Dauerregen kann mit sehr hoher Intensität auftreten und damit in die Kategorie des Starkregens fallen. Die offiziellen Richtlinien dazu hat der Deutsche Wetterdienst als nationale Behörde festgelegt. Er unterscheidet zwei Stufen des Starkregens. Ein Starkregen, Stufe 1 (markantes Wetter) ist ein Niederschlagsereignis, bei dem mehr als 10 l/m² in einer Stunde oder mehr als 20 l/m² in sechs Stunden fallen. Ein Starkregen, Stufe 2 (Unwetter) ist ein Niederschlagsereignis, bei dem mehr als 25 l/m² in einer Stunde oder mehr als 35 l/m² in sechs Stunden fallen.

Starkregen tritt bei Gewittern auf. In dem Fall kann Starkregen auch mit Hagel durchmischt sein und von Fallböen begleitet werden, weil die vielen Regentropfen die Luft mit sich in die Tiefe reißen.
Starkregenereignisse treten lokal auf und treffen selten eine ganze Region. Das ist nur bei sehr kräftigen Tiefs der Fall, wenn der Dauerregen die Starkregenschwelle überschreitet.
Starkregen ist ein Phänomen, das hauptsächlich im Sommerhalbjahr auftritt. Für die großen Niederschlagsmengen in recht kurzer Zeit müssen massive Quellwolken mit großen Wassermengen entstehen. Dies ist nur bei ausreichend warmer Luft möglich, da kalte Luft weniger Feuchtigkeit aufnehmen kann. Ausgenommen davon sind die oben angesprochenen Tiefdrucksysteme mit Dauerregen, welche besonders in Staulagen der Gebirge zu ergiebigen Regenfällen führen.

Durch Starkregen können Hochwasserereignisse entstehen, da in kurzer Zeit sehr viel Regen fällt und der Boden kaum Zeit hat, diesen aufzunehmen. Auch die Kanalisation ist bei besonders intensiven Regenfällen überfordert. Somit sind rasch ansteigende Wasserpegel (Hochwässer) und nachfolgende Überschwemmungen, Sturzfluten oder Erdrutsche und Muren die Folge.

Bei Flüssen und kleineren Fließgewässern spricht man von Hochwasser, wenn ihr Abfluss für längere Zeit (mehrere Tage) den normalen Wert (mittlerer Abfluss) deutlich übersteigt. Übersteigt der Abfluss das Fassungsvermögen des Baches (Gerinne), kann es zu Überschwemmungen kommen.

Bei besonders schnell anlaufenden Hochwasserwellen spricht man von Sturzflut. Im Küstenbereich kann die normale Tide durch Wind (Driftstrom) zu einer Sturmflut verstärkt werden, die über Flüsse kilometerweit ins Landesinnere vordringen kann. Hochwasserereignisse, die durch Tsunamis ausgelöst werden, treten in Europa für gewöhnlich nicht auf.

Prozesse im Baugrund

Während Starkregenereignissen erfolgt der größte Teil des Abflusses oberflächlich, eine Infiltration in den Boden findet kaum statt. Durch Überflutung oder Hochwasser finden dennoch besondere Prozesse im Boden statt, da diese Ereignisse in der Regel einen direkten Einfluss auf die Grundwasserstände haben: Bodenschichten, die ansonsten nicht durch Grundwasser beeinflusst sind, werden durchströmt, bei Böden im Grundwasserbereich ändert sich ggf. die Fließgeschwindigkeit oder es kommt zu einer Umkehr der Fließrichtung.

Besonders stark sind die Auswirkungen von Starkregen- bzw. Hochwasserereignissen bei erosionsempfindlichen Böden wie Schluffen und Feinsanden, da diese Böden eine Kornstruktur aufweisen, die die nachfolgend aufgezeigten Schadensbilder begünstigen.

Durch die Wirkung über das Grundwasser können auch Gebiete betroffen sein, die vom eigentlichen Starkregen oder einer oberflächlichen Überschwemmung verschont geblieben sind, was das Herleiten des direkten kausalen Zusammenhangs für den Laien erschwert.

Suffosion und Erosion

Beim Auf- und Ablaufen der von Hochwasserwellen bzw. beim Abfluss des Starkregens entstehen starke hydraulische Gefälle, welche zu Bewegungen im Korngerüst des Bodens führen können. Möglich ist hierbei eine Fugenerosion und/oder Kontakterosion an Schichtgrenzen oder eine Umlagerung innerhalb eines Erdstoffs. Neben der hydraulischen Belastung sind dabei auch geometrische Voraussetzungen erforderlich. Es muss möglich sein, dass die Partikel eines feinen Erdstoffs auch durch die Poren eines groben Erdstoffs bewegt werden können.

Bei der Suffosion werden die feineren Partikel eines Korngemisches von der Sickerströmung im Boden umgelagert. Sie werden dabei durch die Poren oder aus den Poren des aus der gröberen Kornfraktion gebildeten, tragenden Kornskeletts transportiert. Dabei bleibt das Volumen des Bodens zunächst konstant, solange sich die gröberen Bodenkörner noch gegenseitig abstützen. Die Stabilität der Bodenmatrix wird jedoch zunehmend verschlechtert, so dass die Gefahr eines plötzlichen Versagens (Kollaps) besteht. Fortschreitende Suffosion kann Erosionsvorgänge begünstigen, wenn die Stabilität des Korngerüsts vermindert wird. Der Übergang von Suffosion zu Erosion kann dann fließend sein. Suffosion tritt in der Regel in nicht kohäsiven Böden auf. Für den Nachweis der Suffosionssicherheit gibt es eine Vielzahl verschiedener Verfahren, die unter jeweils unterschiedlichen Gesichtspunkten und Systematiken entwickelt wurden. Im Merkblatt Materialtransport im Boden (MMB) der Bundesanstalt für Wasserbau werden verschiedene Verfahren empfohlen.

Bild 1: Phasen der Suffosion. a) Sickerströmung im Boden umlagert die feineren Partikel eines Korngemisches b) zunehmende Verschlechterung der Bodenmatrix c) plötzliches Versagen (Kollaps)

Grafische Darstellung der Phasen der Suffosion

Eine weitere Art des Materialtransportes ist die Erosion. So werden durch Wasserströmung verursachte Umlagerungen und der Transport nahezu aller Kornfraktionen eines Bodens bezeichnet. Dabei kommt es zu einer Veränderung der tragenden Bodenstruktur. Es können verschiedene Formen der Erosion unterschieden werden.

Die innere Erosion findet in größeren, meist röhrenförmigen Hohlräumen im Inneren des Bodenkörpers statt. Das Entstehen der inneren Erosion wird durch bereits vorhandene Hohlräume, unterschiedliche Lagerungsdichten, Anisotropie des Bodens und auch durch vorhergehende Suffosion gefördert.

Die Kontakterosion beginnt an der Kontaktfläche zweier unterschiedlich zusammengesetzter Böden (grobkörniger und feinkörniger Boden). Dabei erfolgt ein Transport von Bodenteilchen aus dem feinkörnigen Boden in den Porenraum des grobkörnigen Bodens, wo der Prozess als innere Erosion seine Fortsetzung finden kann.

Fugenerosion ist eine rückschreitende Erosion an den Grenzflächen zwischen massiven Bauwerken wie z. B. Fundamenten und Boden oder an den Grenzflächen zwischen einer kohäsiven und einer unterlagernden, nicht kohäsiven Bodenschicht. Sie führt zu einer progressiven Hohlraumbildung.

Entscheidend für die Erosionsvorgänge ist hierbei neben der Beschaffenheit der Kornfraktionen auch die Höhe des hydraulischen Gradienten.

Die Folgen der Erosion sind eine stärkere Zusammendrückbarkeit der Böden unter Belastung.

Bild 2: Phasen der Kontakterosion

Grafische Darstellung einer Kontakterosion

Sackungen durch Grundwasseranstieg

Nach DIN 4019 ist eine Sackung definiert als „Verschiebung in Richtung der Schwerkraft infolge einer Umlagerung des Korngerüstes, verursacht durch den Verlust der Bindekräfte (z. B. Kapillarkohäsion) im Korngerüst“.

Sackungen entstehen dadurch, dass sich, bei einem rolligen Boden mit geringem Wassersättigungsgrad, das Wasser um die Berührungspunkte der Körner sammelt. Zwischen den Körnern treten Haftkräfte auf, weshalb die Körner keine dichte Struktur bilden können. Das Porenvolumen ist daher relativ groß. Durch die Oberflächenspannung entsteht zwischen den Körnern eine Reibung, welche als scheinbare Kohäsion bezeichnet wird. Wird ein unter Auflast stehender, nicht wassergesättigter Boden mit Wasser gesättigt, dann tritt eine plötzliche Kompression auf, da die Kapillarspannungen abgebaut werden. Diese wird als Sackung bezeichnet. Sackungen treten somit auf, wenn bei einem im Gleichgewicht befindlichen Boden die Sättigung erhöht wird. Die Größe des Setzungsmaßes ist korrelierend zur Porenzahl des Bodens vor und nach der Sackung.

Besonders stark tritt diese Erscheinung in nicht-bindigen, gleichförmigen Böden auf, z. B. Löß. Böden im Körnungsbereich von 0,02 bis 0,08 mm gelten als sackungsfähige Böden.

Durch den Anstieg des Grundwasserspiegels in bisher nicht vom Grundwasser beeinflussten Bodenschichten kann es zu Sackungen in zuvor nicht bestimmbarer Größenordnung kommen. Weitere Sackungen können infolge Suffosion und/oder Erosion eintreten. Dabei kann die Schwächung des Korngerüstes auch zu einem allmählichen Zusammenbruch führen, welcher die teilweise zu beobachtende zeitliche Verzögerung der Verformungen im Baugrund erklärt.

Folgen für Gebäude

Selbstverständlich kann durch den stark erhöhten Oberflächenabfluss bei Starkregen- oder Hochwasserereignissen starke Oberflächenerosion im Nahbereich von Gebäuden entstehen. Dadurch können die Gebäude direkt beschädigt werden. Als Folge von Hangrutschen oder Muren können ganze Gebäudeteile weggespült werden oder abreißen.

Die Schäden an Bauteilen und Gebäuden sind in dem Fall deutlich und klar einem Ereignis zuzuordnen. Mit der Beseitigung der Ursachen kann auch gleich eine Sicherung/Reparatur durchgeführt wurden.

Weniger deutlich und damit auch schlechter zu erfassen und einem konkreten Ereignis zuzuordnen sind Schäden, die durch die oben beschriebenen Prozesse im Baugrund anstehen. Durch Suffosion, Erosion und Sackungen kommt es zu Setzungen von Fundamenten und dadurch zu Rissbildungen im Gebäude.

Sanierungsmöglichkeiten

Bei der Sanierung von beschädigten Gebäuden ist neben der oberflächlichen Sanierung der Risse vor allem die Sanierung der Gründung des Gebäudes essenziell, da sonst nur die Symptome, nicht aber die Probleme selbst behoben werden. Um eine weitere Zunahme oder auch eine Reaktivierung von bereits sanierten Rissen zu verhindern, sind Maßnahmen vorzusehen, mit welchen die bodenmechanischen Eigenschaften der durch Starkregen oder Hochwasser negativ beeinflussten Bodenschichten verbessert werden können oder Maßnahmen, mit welchen die anfälligen Bodenschichten überbrückt werden können.

Zum Einsatz kommen dabei zwei Arten von Systemen, die entweder ein Fortschreiten der Schäden verhindern sollen (dauerhafte Fixierung des neuen Ist-Zustandes) oder Systeme, bei denen die aufgetretenen Änderungen ganz oder in Teilen rückgängig gemacht werden sollen. Im Folgenden werden einige Vertreter der beiden Arten näher vorgestellt. Am Markt befinden sich darüber hinaus noch viele Spezialanwendungen, so dass die Aufzählung nicht als abschließend zu betrachten ist, sondern vielmehr die verschiedenen Wirkmechanismen verdeutlichen soll.

Fixierende Systeme

Düsenstrahlverfahren

Das Düsenstrahlverfahren kann grundsätzlich als Vorgang beschrieben werden, mit dem Boden oder mäßig festes Gestein in seine Bestandteile zerlegt wird und mit zementhaltiger Mischung versetzt bzw. teilweise durch diese Mischung ersetzt wird. Das Auflösen des Bodengefüges wird durch einen energiereichen Flüssigkeitsstrahl bewirkt, wobei die Flüssigkeit die Zementsuspension sein kann, nach den Aushärten entsteht ein tragfähiger Festkörper im Boden, dessen mechanisch Eigenschaften von dem hydraulischen Bindemittel (Zement) bestimmt werden und eher einem Magerbeton als natürlichem Boden ähneln.

Aufgrund des hohen Drucks des Düsenstrahls wird das Verfahren auch irreführend als „Hochdruckinjektion“ bezeichnet, obwohl es sich um ein klassisches Injektionsverfahren handelt. Im Vergleich zu diesen werden keine Stoffe in den Baugrund injiziert, sondern der Baugrund wird durch den Injektionsstrahl in einem vorher bestimmten Bereich gelöst und mit dem Injektionsmittel vermischt. Dies kommt einer Bodenvermörtelung gleich.

Die Ausführung erfolgt in mehreren Arbeitsschritten, welche mit der Herstellung eines Bohrloches mit einer bestimmten Länge beginnt. Anschließend wird der mit dem Düsgestänge verbundene Düsenträger bis zur Bohrlochsohle eingeführt. Dieser Arbeitsgang entfällt, wenn Gestänge und Düsenträger auch zum Bohren verwendet werden. Im Weiteren erfolgt das eigentliche Düsen der mit Zement verfestigten Flüssigkeit unter gleichzeitigem Ziehen und Drehen des Gestänges, mit vorher festgelegten Werten für Zieh- und Drehgeschwindigkeit, Pumpendruck und Durchflussrate.

Herstellung verpresster Mikropfähle

Bei Mikropfählen handelt es sich um Pfähle mit Durchmessern von < 0,3 m. Zu unterscheiden ist hierbei zwischen dem Ortbetonpfahl, der eine durchgehende Längsbewehrung aus Betonstahl aufweist, und dem Verbundpfahl, der durch ein Tragglied aus Stahl gekennzeichnet ist. Die Tragwirkung wird durch ein- oder mehrmaliges Nachverpressen erreicht. Da dabei ein Verpresskörper entsteht, wurden Varianten dieses Pfahlsystems früher als Wurzelpfähle bezeichnet. In neuerer Zeit finden vorwiegend Einzelstabpfähle Anwendung.

Für bestehende Fundamente kann im Vorfeld der Herstellung der verpressten Mikropfähle eine Fundamentverbreiterung mittels Streichbalken notwendig werden.

Bodeninjektionen

Bei diesem Verfahren werden die Stoffe in den Baugrund eingebracht, die die Hohlräume der Bodenmatrix füllen und stabilisieren. Der Druck wird dabei so gewählt, dass evtl. vorhandenes Porenwasser verdrängt wird, die Kornstruktur selbst aber erhalten bleibt.

Nach dem Aushärten des Füllstoffes – üblich sind Zementsuspensionen oder nicht expandierende Kunstharze – übernehmen diese zusammen mit dem Korngerüst des Bodens den Lastabtrag.

Bild 3: Sanierung mittels fixierender Systeme

Wiederherstellende Systeme mit Kunstharz

Bei dieser Sanierungsvariante werden stark expandierende Spezialharze in den Baugrund injiziert, womit eine Verbesserung des Baugrundes bewirkt wird. Der vorhandenen Porenraum wird mit dem Harz aufgefüllt, wodurch ein zukünftiges Kollabieren der Hohlräume oder ein Verschieben der Matrix ausgeschlossen wird.

Die Durchführung der Injektionsarbeiten erfolgt über die Herstellung von Bohrlöchern mit einem Durchmesser von etwa 15 mm. In diese werden Injektionslanzen eingeführt. Anschließend wird in alle Injektionslanzen relativ gleichzeitig ein Kunstharz injiziert. Dieses expandiert zielgerichtet in die Bodenschichten, welche den geringsten Widerstand entgegensetzen. Das Expansionsharz dehnt sich im Baugrund sekundenschnell aus und schon nach wenigen Minuten sind mehr als 90 % der Endfestigkeit erreicht. Sobald der Untergrund ausreichenden Widerstand gegen die Expansionskräfte des Harzes bietet, ist nur noch eine Ausweichbewegung nach oben möglich.

Durch zielgerichtete Injektion kann damit auch eine Anhebung der bereits abgesenkten Boden- und Bauteilbereiche erreicht werden. Bei Durchführung einer Kunstharzinjektion mit dem Ziel der Anhebung der bereits abgesenkten Bereiche ist gleichzeitig eine intensive messtechnische Begleitung erforderlich.

Zusätzlich zu einer Anhebung kann durch ein entsprechend dichtes Raster der Injektionen auch eine dauerhafte Sicherung gegen Setzungen erreicht werden.

Bild 4: Sanierung mittels wiederherstellender Systeme

Zusammenfassung/Folgerungen

Die Erfahrung zeigt, dass bei jedem Hochwasserereignis Sekundärschäden zu beobachten sind, die auf eine Veränderung des Bodens zurückzuführen sind. Dies gilt auch für Gebiete, die nicht direkt überschwemmt wurden, sondern bei denen „nur“ eine signifikante Änderung des Grundwassers zu beobachten war.

Mit Kenntnis über die Böden und die mutmaßlich aufgetretenen Veränderungen können Sanierungsverfahren eingesetzt werden, die eine weitere Schädigung des Gebäudes ausschließen und auch für zukünftige Grundwasserveränderungen sichern. In dem Fall ist es unerlässlich zu prüfen, ob das statische System des Gebäudes den geänderten Lastabtrag aushalten kann.

In den meisten Fällen ist es darüber hinaus möglich, aufgetretene Setzungen nicht nur zu stabilisieren, sondern tragende Elemente wie Stützen und Fundamente durch gezielte Hebungen wieder in die ursprüngliche Lage zu bringen. Damit reduzieren sich zum einen die erforderlichen Reparaturen der sichtbaren Schäden, wesentlicher ist aber, dass das ursprüngliche statische System wiederhergestellt wird.

Vielen Dank für diesen Gastartikel an die Autoren der IFB Eigenschenk GmbH:

  • Rachel Fischer, M. Sc., seit 4 Jahren bei der IFB Eigenschenk GmbH als Projektleiterin tätig, Fachbereiche Baugrund und Tiefbau/Spezialtiefbau
  • Dr.-Ing. Tobias Kubetzek, seit 6 Jahren bei der IFB Eigenschenk GmbH als Fachbereichsleiter Tiefbau/Spezialtiefbau und Fachbereichsleiter Gebäudeschadstoffe tätig