Das Bauen im gewachsenen Boden wirft die Planungen immer wieder einmal aus den geordneten Bahnen. Die Bodenuntersuchungen sind unvollständig, wozu auch, der Bau soll rasch voranschreiten, die Überraschung ist dann groß, wenn der Boden wenig tragfähig und weich ist, es muss dann die schnelle Lösung her, die es vielfach nicht gibt. Der Pfusch ist angerichtet. Meistens geht alles gut, manchmal auch nicht. Das Risiko ist hoch.
Das positive an weichen Böden ist vielfach, dass ihre Mächtigkeit begrenzt ist, weil der Ursprung in Überschwemmungsgebieten zeitlich oft begrenzt war. Die Begrenzung kann aber dann schon auch einmal 10 bis 20 Meter ausmachen.
Lockergesteine werden grundsätzlich in grobkörnige und feinkörnige Böden unterteilt. Feinkörnige Böden weisen ein grundauf anderes Verhalten auf als grobkörnige Böden. Grobkörnige Böden werden durch Reibung (und Kohäsion) charakterisiert. Bei feinkörnigen Böden resultiert die Kohäsion aus elektrochemischen Verbindungen. Folglich sind diese Böden zwar wenig wasserdurchlässig, das Wasser bestimmt aber maßgeblich das Verhalten, sodass eine Überflutung die Kohäsion vollständig aufheben kann.
Bindige Böden haben die Tendenz, bei Kontakt mit Wasser schlammig zu werden. Die Plastizitätszahl bezeichnet den Wassergehalt, der notwendig ist, um den Boden vom plastischen in den flüssigen Zustand übergehen zu lassen. Umso geringer die Plastizitätszahl, umso geringer die erforderliche Wassermenge. Bei gering plastischen Böden reicht eine geringe Wassermenge für eine große Konsistenzänderung.
Die Plastizität bezeichnet nicht den Wassergehalt, sondern das Wasserbindevermögen, das nur bei feinen Körnern ausgeprägt ist. Ein grobkörniger Boden hat keine Plastizität.
Ton ist gegenüber Schluff plastischer und wasseraufnahmefähiger, jedoch wasserundurchlässiger. Folglich ist beim Ton aber auch die Wasserabgabe gering, was als Baugrund problematisch ist. Für den Ton kennzeichnend sind die schuppenförmigen Mineralbestandteile, die die hohe Zusammendrückbarkeit bedingen.
Jeder geologische Ton enthält Schluff, weshalb Ton und Schluff gemeinsam auftreten. Steinharter Ton kann – je nach Plastizitätszahl – beim Belasten zerfallen. Insbesondere bei Ton ist die Kohäsion, die sich aus der Oberfläche ergibt, gegenüber der Reibung aus Masse weitaus ausgeprägter.
Mit Letten ist ein Gemisch aus Tonschüppchen, Glimmerblättchen, Schluff und vielfach feinem Sand gemeint. Wasser löst den Letten extrem schnell auf.
Feinkörnige oder bindige Böden werden nach ihrer Konsistenz in breiig, weich, steif, halbfest und fest / hart unterteilt. Weicher Boden lässt sich noch kneten. Breiiger Boden quillt durch die Finger. Steifer Boden lässt sich schwer kneten, höchstens rollen. Die Knetbarkeit kennzeichnet die Plastizität des Bodens.
Grundsätzlich erfolgt die Klassifizierung durch Ermittlung des Wassergehalts an der Ausrollgrenze wp, der Schrumpfgrenze ws und der Fließgrenze wL. Dabei wird der Wassergehalt mit dem Wassergehalt an der Fließ- und Ausrollgrenze verglichen. Die Klassifizierung ist folglich vom Wassergehalt abhängig.
Weicher Boden hat eine Plastizitätszahl zwischen 0,5 und 0,75. Umso kleiner die Plastizitätszahl, umso wasserempfindlicher ist dieser.
Elastizitätsmodul E und Verformungsmodul Ev von Fels liegen bei etwa 100 GPa = 100.000 N/mm² N/mm² N/mm² N/mm², für weichen Boden hingegen bei etwa 1 MPa = 1 N/mm².
Gerade dort, wo weiche oder stark zusammendrückbare Schichten im geologischen Untergrundaufbau erwartet werden, sind entsprechend große Untersuchungstiefen zu wählen.
Bauen in weichen Böden wirft zahlreiche Probleme und Herausforderungen auf. Aufgrund dessen ist von der Geotechnischen Kategorie 3 auszugehen, welche ungewöhnliche und besonders schwierige Baugrundverhältnisse klassifiziert, wenn die folgenden Baugrundverhältnisse auftreten [1].
– Bindige Böden, deren Restscherfestigkeit maßgebend sein kann,
– Bindige Böden ohne ausreichende Duktilität (z. B. strukturempfindliche Seetone),
– Weiche organische und organogene Böden mit größerer Mächtigkeit.
Insbesondere Baugruben in weichen Böden werfen eine Vielzahl an Schwierigkeiten auf.
Als wenig tragfähiger Boden wird ein quartärer Boden mit hohem Wassergehalt und hoher Setzungsgefährdung bezeichnet, der noch keiner größeren, wirksamen Normalspannung ausgesetzt war [2]. Praktisch betrachtet gehören zu diesen Böden Schluffe und Tone, Klei, Auenlehm, Faulschlamm, organische Böden (Mudde. Torf), junge Seetone oder Beckenschluffe, aber auch Auffüllungen, Deponien, Kippen und Spülflächen. Insofern diese Böden nicht entfernt werden können, wachsen die technischen Herausforderungen. Diese Böden reagieren sehr empfindlich auf dynamische Einwirkungen.
Das Verformungsverhalten ist maßgeblich durch die Konsolidationstheorie geprägt, welche eine Sofortsetzung s0, eine Konsolidationssetzung s1 und eine Sekundärsetzung s2 in Rechnung stellt:
„Wenig tragfähiger weicher Untergrund zeigt folgendes Verformungsverhalten: Unmittelbar mit der Lastaufbringung entstehen ein Porenwasserüberdruck und dreidimensionale volumenkonstante Schubverformungen. Da das Porenwasser keine Schubspannungen übertragen kann, hängen die Anfangsstandsicherheit und die Größe der Sofortsetzungen des Dammes maßgeblich von der Anfangsscherfestigkeit cu des weichen Untergrundes ab. Durch anfängliche Zusammendrückung nimmt cu zu“ [2]. Dabei bezeichnet cu die Kohäsion des undränierten bindingen Bodens.
Erst nach der Konsolidation ist die dränierte Scherfestigkeit anzusetzen.
Als „weiche Böden“ bezeichnet werden normal konsolidierte Schluffe, Tone und Mudden: „Bei der ersten Kompression dieser weichen Böden entstehen elastische und plastische Volumendehnungen. Bei der folgenden Entlastung und Wiederbelastung entstehen hauptsächlich elastische Dehnungen“ [3]. Je nachdem, ob der Boden konsolidiert ist oder nicht, erfolgt die Ermittlung der Scherfestigkeit für den dränierten oder nicht-dränierten Boden.
Weiche Böden haben eine Scherfestigkeit des undränierten Bodens zwischen 40 kN/m2 ≥ cu,k ≥ 20 kN/m2. Durchlässigere Schichten wie Feinsand oder Grobschluff, die unter Porenwasserüberdruck stehen, wirken sich nachteilig aus.
Bauliche Maßnahmen
Die Probleme beginnen mit der Verdichtbarkeit. Breiige oder weiche bindige Böden sind wegen des hohen Wassergehaltes nicht effizient verdichtbar. Bindige Böden können durch Auflast / Entwässerung verdichtet werden, durch das Rüttelstopfverfahren oder durch Oberflächenverdichtung. Folglich kommen in der Regel für die Oberflächenverdichtung Vibrationsstampfer mit geringen Frequenzen zur Anwendung.
Ebenso ist die Vakuumkonsolidierung für weiche bis flüssige Böden anwendbar, womit eine beschleunigte Konsolidation hervorgelöst wird, ohne Material für eine Auflast anschaffen zu müssen.
Für weiche Böden steht geotechnisch die Methode des Bodenaustausches zur Verfügung. Die weichen Schichten können ganz ersetzt werden. Vielfach ist allerdings nur ein teilweise Bodenaustausch wirtschaftlich, bei welchem eine Pufferschicht von 0,5 bis 1,5 m eingebaut wird, um die Setzungen gleichmäßig zu gestalten und zu verringern.
Weiche bis flüssige Böden können ebenso durch Verdrängen ausgetauscht werden.
Wird eine Gründung in einem weichen Boden ausgeführt, in dem die weiche Schicht nur begrenzt ist, kann die Gründung tiefer gelegt werden, um tragfähigere Schichten zu erreichen. Ist die weiche Schicht mächtiger, kommen Tiefgründungen zur Anwendung, nämlich Pfahlgründungen, Brunnengründungen oder Senkkästen. Tiefgründungen funktionieren nach dem Prinzip der Mantelreibung und / oder des Pfalspitzendrucks, insofern ein solcher in Rechnung gestellt werden kann.
In weichen Böden werden die Pfähle zusätzlich horizontal belastet, indem Bodenverschiebungen eine Biegebeanspruchung hervorlösen. Insofern sich der Boden um den Pfahl stärker setzt als der Pfahl selbst, ist von eine negativen Mantelreibung die Rede.
Grundsätzlich geht die Tendenz in weichen Böden zu Gründungsplatten. Die Lasten werden auf die Platte ausgebreitet. Die Setzung ist durch die Steifheit der Platte tendenziell gleichmäßig. Dennoch kann die gleichmäßige Setzung ausgeprägt sein und zum Problem werden. Die Frage betrifft oftmals die Bedeutungskategorie des Gebäudes. Was ein privater Nebenbau verkraften kann, geht für das öffentliche Bauwerk zu weit.
Weiche Böden dürfen bis 1,25 m tief senkrecht abgegraben werden, wenn die anschließende Geländeoberfläche nicht stärker als 1:2 geneigt ist. Bei bindigen Böden mit steifer, halbfester und fester Konsistenz beträgt die Tiefe 1,75 m bei Böschung 1:1.
Weiche Böden bedingen sehr ungleichmäßige Setzungen im Baugrund. Durch Ausführung einer geotextilen Trenn- und Filterschicht sowie einer hoch zugfesten Geokunststoffbewehrung werden die Setzungen zwar nicht verringert, aber vergleichmäßigt.
Bei Baugruben oder Stützbauwerken in weichem Boden ist eine Umlagerung des Erddruckes, der in der Regel bei grobkörnigen Böden erlaubt und üblich ist, weil sich mit den angesetzten Widerständen und Ankern auch die Erddruckverteilung verändert.
Böschungen mit weichen Schichten im Untergrund müssen anderen Bruchmechanismen unterstellt werden als Böden im homogenen grobkörnigen Baugrund. Weiche Schichten sind dabei als Gleitschichten zu berücksichtigen.
Grundbruchberechnungen gelten nur für Böden, die zumindest eine weiche Konsistenz haben. Geschichteter Boden dürfen in der Regel dann als homogen im Grundbruchsicherheitsnachweis behandelt werden, wenn der Reibungswinkel der einzelnen Schichten um nicht mehr als 5 Grad vom arithmetischen Mittel abweicht. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, ist der Mechanismus grundsätzlich ein anderer und entspricht dem Modell von starren Bruchkörpern auf geraden Gleitlinien [1]. In jenem Fall tritt auch ein Durchstanzproblem im Boden auf.
Böschungsuntersuchungen können im homogenen Boden oder bei mächtigem, weichem Untergrund können in der Regel mit kreisförmigen Gleitlinien untersucht werden. In nichtbindigen Böden sind auch hangparallele Untersuchungen zu führen. Bei Böschungen im weichen Boden ist in der Regel die Verformung ausschlaggebend.
Baugruben im weichen Boden stehen ständig in Gefahr, durch Aufbruch der Baugrubensohle oder durch hydraulischen Grundbruch zu versagen. Hinzu kommt die Setzungsproblematik, die auch benachbarte Gebäude betrifft. Geeignet sind daher Spundwände, Bohrpfahlwände und Schlitzwände, während Trägerbohlwände und aufgelöste Pfahlwände in der Regel ungeeignet sind [4].
Folglich sind spezielle technische Vorkehrungen notwendig:
– Erstellung der Wand in kleinen Abschnitten,
– Verlängerung der Wand unter die erforderliche Tiefe,
– Unterbeton als Gewölbe oder Biegebalken von Verbauwand zu Verbauwand,
– Mehrere Aushubstufen bei Baugrubentiefen von mehr als 3 Metern,
– Verankerung des streifenweise eingebrachten Unterbetons,
– Aussteifende Sohle im Vorfeld (zum Beispiel Düsenstrahlverfahren) bei Baugruben über 5 Meter tiefe.
Der Unterbeton dient als Aussteifung an der Baugrubensohle und wird streifenweise ausgeführt, ist mindestens 20 cm dick und gegebenenfalls bewehrt.
Verankerte Baugruben werden in der Regel auf Geländebruch sowie auf Bruch in der tiefen Gleitfuge untersucht. Steht unterhalb des Fußpunktes ein Boden mit geringerer Scherfestigkeit an, ergeben sich große Ankerlängen.
Vor allem auch die Grundwasserabsenkung wirft bei weichen Böden erhebliche Probleme auf, weil der Auftrieb verloren geht und folglich die Setzungen ausgeprägt sind. Alternativ kommen eine Injektionsschicht zur Abdichtung oder eine Unterwasserbetonsohle zur Anwendung.
Innerhalb der Baugrube werden in der Regel eingelagerte Bänder aus Feinsand oder Grobschluff entwässert. Restschichtwasser oder Oberflächenwasser werden gedränt.
Da das Verhalten von weichen Böden kaum vorherzusagen ist, sind laufende Messungen unabdingbar.
Literatur:
[1] Gerd Möller: „Geotechnik – Bodenmechanik“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2013
[2] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017
[3] Conrad Boley: „Handbuch Geotechnik – Grundlagen, Anwendungen, Praxiserfahrungen“, Vieweg Teubner, Wiesbaden 2012
[4] Achim Hettler, Theodoros Triantafyllidis, Anton Weißenbach: „Baugruben“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2018
Demanega 
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