Demanega

Die Geschichte der geotechnischen Verankerungen nimmt eigentlich im Felsbau ihren Ursprung und wurden ab 1934 eingesetzt, im Lockergestein ab 1958.

Grundsätzlich haben Anker die Aufgabe, die erwartbaren Kräfte über die gesamte Nutzungsdauer hinweg mit Sicherheitsreserven abzubauen. Im Gegensatz zu Pfählen und Bodennägeln, die über die gesamte Länge hinweg kraftschlüssig mit dem Boden verbunden sind, verfügen Anker über eine freie Stahllänge, sodass der Bereich der Krafteinleitung festgelegt werden kann. Das Tragverhalten von Ankern wird in der Bauausführung durch Zugversuche validiert. Zudem besteht die Möglichkeit der Nachkontrolle und Nachjustierung.

Bodenanker sind Verpressanker und setzen sich aus

• Zuggliedern
• Ankerköpfen und dem
• Verpresskörper

zusammen.

und bestehen aus Einstabankern, aus Litzenankern (7 Einzelspanndrähte) oder aus Bündelankern (nicht mehr üblich).

Wie im Spannbetonbau erweist es sich als vorteilhaft, hochfeste Stähle zu verwenden, sodass der Stahlquerschnitt reduziert wird. Die Reduzierung des Stahlquerschnittes bedingt eine Reduzierung der Stahldehnungen, sodass der Kraftanteil, der sich auf das Stahlglied überträgt, geringer ist und der Boden stärker in die Kraftableitung einbezogen wird. Ebenso trägt die Form und Steifigkeit der Ankerplatte zum Kraftabtrag bei, indem bei größeren und steiferen Ankerplatten der Kraftanteil im Stahl wiederum kleiner ist. Balken und Rippen sowie ein Baugrubenverbau mit hoher Biegesteifigkeit sind in diesem Sinne einzelnen Platten überlegen.

Bodenanker aus Baustahl (selbstbohrende Rohranker) sind eher den Nägeln und Verpresspfählen zuzuordnen, da die freie Stahllänge kaum definiert werden kann.

Bei Einstabankern sind zur Verankerung Gewindemuttern üblich, die einfach justiert werden können. Bei Litzenankern und Bündelankern werden Klemmkeile eingesetzt, welche ein Nachjustieren komplizierter machen und durch Schlupf charakterisiert sind.

Der Verpresskörper besteht aus Zementstein (in der Regel Portlandzement, in sulfahtahltigen Wässern Hochofenzement) und überträgt die Ankerkraft in den Baugrund. Die Länge des Verpresskörpers ergibt sich aus der erforderlichen Ankerkraft sowie aus den Berechnungen (Krafteinleitungsschwerpunkt). Üblich sind Krafteinleitungslängen von 4 bis 8 Metern, darüber hinaus ist keine wesentliche Laststeigerung erwartbar. Eine Belastbarkeit ist nach 5 bis 8 Tagen möglich. Das Nachverpressen (einmalig oder mehrmalig) erhöht die Tragfähigkeit deutlich und beginnt in der Regel einen Tag nach der Erstverpressung. Gerade bei bindigen Böden ist das Nachverpressen wichtig.

In sehr grobkörnigem Lockergestein oder in sehr klüftigem Fels kann eine Zumentsuspension verwendet werden, um die Poren und Klüfte präventiv zu verschließen.

Herstellung

Ankerbohrungen werden in der Regel mit Durchmessern von 80 bis 150 mm durchgeführt.

Durchführbar sind auch Ankerlängen von über 50 Metern. Umso länger die Bohrlochlänge, umso größer ist allerdings auch die Richtungsabweichung.

Bohrverfahren im Lockergestein sind:

• Rammbohrung (mit Verrohrung, ohne Spülung): Nichtbindige Böden (locker bis mitteldicht), auch gegen drückendes Grundwasser (Abdichtung)
• Drehschlagbohrung mit dem Außenhammer (ohne Verrohrung, Spülung mit Luft): Fels
• Drehschlagbohrung mit dem Senkhammer (ohne Verrohrung, Spülung mit Luft): Fels, feste bindige Böden ohne Wasser
• Überlagerungsbohrung (mit Verrohrung, Spülung mit Luft, Wasser oder Suspension): Nichtbindige Böden und bindige, wenig standfeste Böden
• Schneckenbohrung (ohne Verrohrung und ohne Spülung): Standfeste bindige Böden, weicher Fels
• Kernbohrung (mit Verrohrung, Spülung mit Wasser): Fels, ausnahmsweise bindige Böden

Im harten Fels wird meistens die Drehschlagbohrung mit dem Senkhammer verwendet (Luftspülung).

Nach Fertigstellung des Bohrlochs erfolgt bei unverrohrten Bohrungen die Verfüllung des Bohrlochs vom Bohrlochtiefsten mit Zementsuspension aus und sodann der Einbau des Ankers. Bei verrohrten Bohrungen erfolgt das Verfüllen durch das Innengestänge oder von einer Verpresskappe aus.

Die Nomenklatur „Verpressanker“ resultiert aus dem Umstand, dass nach der Verfüllung weitere Zementsuspension unter einem Druck von 5 bis 15 bar eingepresst wird. Die Verrohrung wird abschnittsweise zurückgezogen. Im Bereich der freien Stahllänge wird der Anker freigespült.

Beim Nachverpressen werden mit dem Zugglied Kunststoffleitungen eingebaut. Der teilweise erhärtete Verpresskörper wird dabei aufgesprengt und mit Drücken von 5 bis 30 bar weiter verfüllt, sodass sich eine deutlich bessere Verzahnung und Verspannung ergibt (Tragkrafterhöhungen von ca. 30 Prozent).

Krafteinleitung

Eine Bodenvernagelung unterscheidet sich grundsätzlich nicht von einer Verankerung. Im Falle der Verankerung kommt die Vorspannung hinzu. Ähnlich wie im Stahlbau, wo im Bereich von Stahlschrauben Vorspannungen aktiviert werden, die sich bei Scherverbindungen als Haftreibung äußern, sodass die angewandte Kraft innerhalb der Schraube auch bei Scherverbindungen axial und nicht quer übertragen wird, um die Beanspruchbarkeit zu erhöhen, verhält sich das Kraftmodell im Grundbau.

Indem ein Bodenanker im Rahmen einer Vorspannung verkürzt wird, wird eine Vorspannkraft implementiert, die sich im Anker als Zugkraft und im Boden als gleichwertige Druckkraft äußert. Eine zusätzliche Belastung Z, die als Zugbelastung im Anker wirkt, äußert sich in einer Erhöhung der Zugkraft im Anker Z_S sowie in einer Entlastung im Boden Z_B. Die Vorspannwirkung ist gegeben, solange eine Restvorspannung im Boden vorhanden ist. Wird die Laststeigerung bis zur Grenzspannung erhöht, baut sich die gesamte Vorspannung im Boden ab. Die Kraftverhältnisse lassen sich im Vorspanndreieck darstellen, aus welchem hervorgeht, dass sich eine zusätzlich applizierte Kraft hauptsächlich in der Bodenentlastung und nicht im Stahlzugglied äußert.

Wird ein Ankersystem effizient bemessen, wird folglich nur ein geringer Teil der Vorspannkraft auf die Stahlzugglieder angesetzt. Insofern die Vorspannung im Boden abgebaut wird, geht die Wirkung der Vorspannung verloren.

Die Tragfähigkeit von Verpressankern ergibt sich durch die radiale Verspannung des Verpresskörpers. Demgegenüber beträgt der Überlagerungsdruck nur einen Bruchteil der Verspannung, die durch Nachverpressen erhöht wird. Daraus folgt, dass für die Aktivierung der Widerstände zwar eine Überlagerung notwendig ist, dass diese aber ab ca. 4 Metern nicht mehr weiter steigernd wirkt.

Ebenso wichtig ist – wie aus Diagrammen hervorgeht -, dass ab einer bestimmten Verpresskörperlänge keine wesentliche Steigerung der Tragfähigkeit mehr erreichbar ist. Die maximal aufnehmbare Scherbeanspruchung wird nämlich nur in einem Teilbereich aktiviert. Umso steifer der Baugrund ist, umso ungleichmäßiger ist die Spannungsverteilung. Vergleicht man einen dichten mit einem weniger dichten Baugrund, zeigt sich, dass sich durch die Scherbewegungen, die sich ausbilden, der dichtere Baugrund auflockert, während der weniger dichte Baugrund sich verdichtet.

Wird eine Zugkraft auf den Anker appliziert, beginnt sich dieser luftseitig zu dehnen. Angenommen wird, dass sich die Zugkraft über die Verpresslänge vollständig auf den Baugrund überträgt und bergseitig null wird. Wird die maximale Scherfestigkeit erreicht, sinkt die Scherspannung luftseitig auf die Restscherfestigkeit herab, indem das Maximum der Scherfestigkeit im Grenzbereich des Verpresskörpers erreicht wird, während die maximal aufnehmbare Spannung bergseitig noch nicht erreicht ist. Daraus ergibt sich eine Spannungsverteilung mit einer Spannungsspitze. Mit Steigerung der Last wandert die Spannungsverteilung zunehmend von der Luftseite zur Bergseite.

Nachhaltige Geotechnik: Planung einer verankerten Baugrube

Nachhaltige Geotechnik: Planung einer Nagelwand

Literatur:

[1] Dietmar Adam, Klaus Breit, Jürgen Stadler, Johann Kainrath: „Zur Wirkungsweise von vorgespannten Ankern“, Technische Universität Wien, Wien 2012

[2] Achim Hettler, Theodoros Triantafyllidis und Anton Weißenbach: „Baugruben“, Ernst und Sohn Verlag, Berlin 2018

[3] Lutz Wichter & Wolfgang Meiniger: „Verankerungen, Vernagelungen und Mikropfähle in der Geotechnik“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2022