Im Gegensatz zu Bodenankern wirken Bodennägel als schlaffe Bewehrungselemente, die in der Regel – im häufigsten Anwendungsfall als Nagelwand – mit 10 Grad fallend eingebaut werden und gemeinsam mit einer Spritzbetonschicht einen Verbundkörper herstellen, indem die Reibungskräfte im Boden aktiviert werden. Die Nagelwand wirkt als Verbundkörper wie eine Schwergewichtswand.
Neben der Nagelwand werden Bodennägel auch vertikal eingesetzt, um Hänge zu sichern.
Aufgrund des schlaffen Einbaus müssen im Fall der Nagelwand Verformungen im Bereich von 10 bis 15 mm hingenommen werden, um die Reibungskräfte zu aktivieren. Das kann bei benachbarten Bauwerken zum Problem werden, sodass Verformungsmessungen, technische Maßnahmen und – gegebenenfalls – alternative Formen der Hangsicherung notwendig werden, die verformungsarm sind.
Die Böschungsneigung beträgt in der Regel bis 80 Grad. Die Nägel werden durch Rammen, Bohren oder Einpressen in einem flächigen Raster von 1,0 bis 1,5 Meter eingebaut. Die Nägel werden entweder mit Abstandhaltern in Bohrlöchern (in der Regel Durchmesser 76 mm) verpresst oder als Hohlstäbe eingebaut, die dann mit Zementmörtel verpresst werden.
Für die Dimensionierung von Nagelwänden können nach folgende Richtwerte herange- zogen werden [6]:
- Nagellänge: 0,5 bis 0,7 fache Wandhöhe
- Nagelneigung zur Horizontalen: 0 bis 30°
- Nageldichte: 0,5 bis 2 Nägel/m2
- Nagelabstand: 0,7 bis 1,5 m.
Wasseraustritte müssen abgeleitet werden. Ebenso ist ein Korrosionsschutz bei permanenten Bodennägeln notwendig. Ansonsten gelten die Bodennägel als temporär und werden nach Fertigstellung des Bauwerks statisch durch das Tragwerk des Bauwerks ersetzt.
Der Herausziehwiderstand muss durch Versuche an mindestens 3% Bodennägeln ermittelt werden. In der Praxis werden häufig auch Erfahrungswerte aus Diagrammen angewandt. Für eine Bemessung können die effektiven Spannungen durch Reibung aus Auflast und Kohäsion bis zum Maximalwert aus Erfahrung angewandt werden.
Nachweistechnisch muss die äußere sowie die innere Tragfähigkeit nachgewiesen sein. Die äußere betrifft die Widerstände gegen Grundbruch, Gleiten, Kippen sowie die Gesamtstandsicherheit (Geländebruch). Der Geländebruch- oder Böschungsbruchnachweis betrifft Nachweise gegen Versagen des Böschungskörpers auf einer Gleitfuge, bei welcher die Scherfestigkeit überschritten ist. Der exakte Versagensmechanismus wird iterativ bestimmt. In zahlreichen Böden sind Gleitkreise zu erwarten.
Daneben muss der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit durch Vermeidung schädlicher Verkantungen unter Einhaltung der zulässigen Lage der Sohl- spannungsresultierenden nachgewiesen werden.
Schädliche Verkantungen bei Stützbauwerken mit Flach- bzw. Flächengründung vermieden, wenn die zulässige Lage der Sohldruckresultierenden eingehalten wird. Eine ausreichende Sicherheit gegen den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist gegeben, „sofern sie auf mindestens mitteldicht gelagertem nichtbindigem bzw. auf mindestens steifem bindigen Boden hergestellt wird und die Sicherheit gegen Geländebruch für die Bemessungssituation BSP nachgewiesen wurde“ [4].
Berechnung Nagelwand, DMN*Engineering
Die innere Tragfähigkeit betrifft die Bemessung der Nägel auf Herausziehen sowie auf Materialversagen und den Nachweis der Stahlbetonschale.
Das Ziel der Berechnungen ist es, ausreichende Sicherheit gegen das Herausziehen (im Grenzzustand GEO2) bzw. das Materialversagen (im Grenzzustand STR)
für jeden Bodennagel nachzuweisen.
Beim Herausziehwiderstand wird der Nachweis auf Geländebruch geführt, indem Gleitflächen variiert werden, die sämtliche oder einen Teil der Nägel schneiden. Diese Nachweise sind aufwändig, doch mit Finite-Elemente-Programmen gut durchführbar.
In der Vergangenheit wurden analytische Zweikörperuntersuchungen geführt, die aus der bautechnischen Ausführung von Nagelwänden resultieren, die reihenweise von oben nach unten vorgeht, und fortschreitend eine höhere Nagelwand realisiert und diese nachweist. Theoretisch betrachtet unterscheidet sich die Zweikörperbruchmechanismus kaum vom Gleitflächenversagen [5].
Bei Zweikörperbruchmechanismen wirkt ein aktiver Erdkeil hinter dem vernagelten Erdkeil und schiebt diesen unter einem Gleitflächenwinkel zu schieben, der iterativ und praktisch mit 3 bis 4 Berechnungen ermittelt wird. Der Erdkeil wird mit Böschungsfuß und Nagelenden gewählt. Es handelt sich um einen Nachweis mit ebenen Gleitflächen. Ist der Nachweis nicht erfüllt, werden die Nagelabstände verringert.
Das Materialversagen wird mit der Bemessungsbeanspruchung aus Erddruck geführt. Beim Erddruckansatz wird in der Regel 85% des aktiven Erddrucks angesetzt.
Letztlich umfasst die innere Tragsicherheit auch die Bemessung der Stahlbetonschale, die unter Bezug zur Plattentheorie streifenförmig als punktgelagerte Platte berechnet werden kann.
Praktische Ausführung
Die Anwendung der Bodenvernagelung erfolgt abschnittsweise: Es wird so viel Boden ausgehoben, wie kurzfristig frei standfest. Zur Anwendung kommen Bodennägel, die in Bohrlöchern mit Zementsuspension eingesetzt werden (Vollstäbe) oder selbstbohrende Nägel mit Zementspülung (Hohlstäbe). Die Teilböschung wird dann mit Spritzbeton gesichert. Die Ankerköpfe werden mit Ankerplatten befestigt. Im Gegensatz zu Bodenankern werden Bodennägel nicht vorgespannt. Das Prinzip besteht in der Herstellung eines Verbundkörpers mit dem Boden, ähnlich einer Schwergewichtsmauer. Die Bodennägel werden erst durch Relativbewegungen aktiviert und sind folglich nicht setzungsarm.
Die Anwendung ist durch die Herstellung von Teilböschungen flexibel und platzsparend.
Literatur:
[1] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017
[2] Wolfgang Dachroth: „Handbuch der Baugeologie und Geotechnik“, Springer Verlag, Berlin 2017
[3] Gerd Möller: „Geotechnik – Bodenmechanik“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2013
[4] Gerd Möller: „Geotechnik – Grundbau“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2017
[5] Lutz Wichter & Wolfgang Meiniger: „Verankerungen, Vernagelungen und Mikropfähle in der Geotechnik“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2022
[6] Conrad Boley: „Handbuch Geotechnik – Grundlagen, Anwendungen, Praxiserfahrungen“, Vieweg Teubner, Wiesbaden 2012
Demanega 
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