Alpine Länder verfügen über die dritte Dimension, die Höhe, die mehr Komplexität auf weniger Raum ermöglicht. Allerdings bedeutet die Höhe vielfach auch Herausforderung. Geologisch betrachtet befinden sich die kritischen Böden meistens in Überschwemmungsgebieten, was – in Hängen – meistens nicht der Fall ist, was das Bauen im Hang oftmals erleichtert.
Abseits vom Bauen im Land geht aber auch im flacheren Land die Tendenz in die Tiefe. Die Knappheit an Bauland und die Verdichtung sowie der Bau von Untergeschossen und Tiefgaragen machen auch im urbanen Umfeld immer öfter tiefe Baugruben notwendig.
Ein Aushub wirft zahlreiche Probleme auf: Die Standfestigkeit benachbarter Bebauungen steht auf dem Spiel. Die Baugrube droht, einzustürzen und Schäden sowie Gefahr für Mensch und Leben zu verursachen. Das Wasser, länger anhaltender Regen oder drückendes Grundwasser verursachen Herausforderungen. Im geneigten Gelände besteht die Gefahr von Rutschungen, etwa dann, wenn der Boden wassergesättigt ist oder bindige Schichten mit geringer Scherfestigkeit im Untergrund auftauchen.
Vielfach wird noch nicht einmal ein geotechnischer Nachweis geführt. Die Böschungsneigung richtet sich nach Erfahrungswerten, was grundsätzlich auch gut, nur nicht immer sicher, ist. Insbesondere in der Baupraxis wird häufig die scheinbare Kohäsion ausgenutzt, die feuchte Sande entwickeln, um steilere Böschungen auszuführen, die aber nicht dauerhaft stabil sind. Überhaupt ist es bei länger andauernden Böschungen notwendig, diese mit Plastikfolien zu bedecken, um sowohl due Wasserzufuhr als auch die Verdunstung zu verhindern.
Insofern die maximale Böschungsneigung erreicht ist, diese aber nicht ausreicht, um den notwendigen Raum innerhalb der Baugrube zu verwirklichen, dann müssen konstruktive Böschungssicherungen durch verkleidete Baugruben ausgeführt werden, die in Wänden, Ankern, Bohrpfählen, Nägeln oder Zugpfählen bestehen.
„In trockenen grobkörnigen Böden beträgt die größtmögliche Hang- oder Böschungsneigung tan β dem Schüttwinkel von Sand und Kies, welcher allgemein dem Winkel der inneren Reibung tan φ gleichgestellt wird“ [1]. Der Böschungswinkel ist folglich eine Funktion des inneren Reibungswinkels.
Solche Böschungsneigungen tan β stellen sich in der Natur vielfach ein, etwa bei Kiesschüttungen. Steigt man auf die Kiesböschung, vollzieht sich bei jedem Schritt ein Grundbruch. In der Natur sind häufig Situationen erreicht, die an den Grenzen der Tragfähigkeit anzuordnen sind. Für die Natur selbst ist das kein Problem. Nach dem Versagen stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand ein. Für bauliche menschliche Umgebungen ist dieses Verhalten hingegen nicht hinnehmbar. Der effektiv anwendbare Böschungswinkel ist folglich ein um einen Sicherheitsbeiwert abgeminderter innerer Reibungswinkel.
Das alles ist in der Baupraxis noch nicht ausreichend. Zu berücksichtigen sind allfällige Auflasten sowie hydrogeologische Veränderungen am Boden.
Bei einheitlichen homogenen Böden oberhalb des Grundwassers sind Tabellenwerte anwendbar, um die maximalen Böschungshöhen und Böschungsneigungen festzusetzen und zu begrenzen. Diese Tabellen liegen auf der sicheren Seite, da nicht der gesamte Reibungsanteil angesetzt wird. Feinkörnige Böden verfügen darüber hinaus über die Kohäsion und können folglich – theoretisch – steiler geböscht werden. Allerdings ist die Empfindlichkeit gegenüber Wasser problematisch. Wird der Böschungsfuß durchnässt, droht ein Teileinsturz.
Zulässige Böschungsneigungen für homogene, leicht- bis mittelplastische Böden von zumindest steif-plastischer Konsistenz ohne einfallende Schicht- oder Kluftflächen und ohne wasserführende Schichten können tabellarisch angesetzt werden. Stärker plastische Böden werden wesentlich durch die Kohäsion charakterisiert. Die theoretische Neigung kann sehr steil ausfallen, doch ist aufgrund potenzieller Störungsflächen eine Begrenzung auf 1:2 sinnvoll [2].
Gemischtkörnige Böden werden hingegen durch die ungünstigste Schicht charakterisiert. „Treten diese ungünstigen Schichten nur in geringer Stärke auf, so besteht bei steilen Hanganschnitten die Möglichkeit, die Böschungszonen durch Dränagen und Stützmaßnahmen (Steinpackungen, Stützkörper aus Beton oder Einkornbeton) zu sichern“ [1].
Baugruben können bis 5 Meter Höhe grundsätzlich in den folgenden Grenzen ohne Nachweis ausgeführt werden:
- bei Sanden, Kiesen und weichen feinkörnigen Böden bis 45°;
- bei steifen und halbfesten feinkörnigen Böden bis 60°;
- bei Fels und festen feinkörnigen Böden bis 80°.
Steiler und höhere Böschungen müssen explizit nachgewiesen werden.
Aber auch die angegebenen Höhen sind nur dann anwendbar, wenn die Verdichtung ausreichend ist, keine Gleitflächen einfallen, kein Zufluss von Schicht- und Oberflächenwasser stattfindet, kein Fließsand im unentwässerten Zustand vorliegt, keine Erschütterungen (unter anderem aus Verkehr) vorliegen.
Stehen Böschungen längere Zeit frei, ist ein Abdecken durch Plastikfolien notwendig, aber auch Auftragen von bewehrtem oder unbewehrtem Spritzbeton, Zementmilch, Bitumen sowie die Ausführung von Entwässerungsgräben.
Werden die Höhe von 5 Metern oder die Neigung überschritten, sind geotechnische Nachweise notwendig. Allerdings auch bei gefährdeten Bauwerken in der Nachbarschaft, bei Verkehrsinfrastruktur oder sehr steilen Geländen mit Auflasten.
Böschungen im Fels sind ein Fall für sich. Dass Felswände an und für sich standfest sind, ist kein allgemein gültige Feststellung. Das Trennflächengefüge ist wesentlich. Durch veränderliches Gefüge, aufgelockertes Gefüge, engscharige Trennflächen mit hohem Durchtrennungsgrad, Streichrichtungen der Trennflächen parallel zur Einschnittsachse, keilförmigen Verlauf der Trennflächen sind ungünstige Rahmenbedingungen gegeben.
Bei günstigen Voraussetzungen liefert die Literatur [2] hingegen standardisierte Entwurfsböschungen je nach Gesteinsart, Trennflächengefüge und
Darüber hinaus kommen bei konstruktiver Notwendigkeit unter anderem Berme in der Felsböschung, Anker, Felsnägel, Plomben, Abmauerungen, Schutzzäune zur Anwendung.
Wenn Leopold Müller als Vordenker der Felsmechanik festhält, dass der Geotechniker dem Fels nicht eine Form aufzwingt, sondern im Fels selbst und seinen mechanischen Gegebenheiten die notwendige Form zur Gestaltung von Felsbauten erkennt, dann trifft dies einen schonenden Umgang mit unserer Natur auf den Punkt.
Böschungssicherungen werden durch ingenieurbiologische Bauweisen, durch Pflasterung, durch Futtermauern oder durch Spritzbeton durchgeführt und schützen vor Verwitterung, Erosion und Steinschlag. Spritzbeton kommt für vorübergehende Zwecke in Stärken von 8 bis 15 cm und für bleibende Zwecke von 15 bis 25 cm, unter Umständen bewehrt, zur Ausführung. Dadurch werden Auflockerung, Verwitterung und Erosion verhindert, indem Spalten und Klüfte gefüllt werden. Durch Anker, Nägel und Stahlschienen ist eine tiefgründige Einbindung möglich.
Kritische Felsböschungen werden abgeflacht oder durch Stützmauern verstärkt. Liegt die Gefahr des Ausbrechens und Abstürzens einzelner Steine vor, entsteht bei hohen Niederschlagsmengen oder Frostwechsel die Gefahr des Steinschlags. Angewandt werden dann Spritzbetonschalen mit Entwässerungsbohrungen als aktive Sicherung und Steinschlagsicherungen als passive Schutzmaßnahmen.
Wie steil Felsböschungen effektiv ausgeführt werden können, entscheidet letztlich die Geologie, die lokal sehr verschieden sein kann.
Literatur:
[1] Wolfgang Dachroth: „Handbuch der Baugeologie und Geotechnik“, Springer Verlag, Berlin 2017
[2] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017
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