Rutschungen und Murenabgänge sind nicht nur im alpinen Raum, sondern auch in Mittelgebirgslandschaften und in Regionen mit Lockergesteinsformationen bekannt und erfordern erhebliche Sanierungsaufwendungen. Allein für Rheinland-Pfalz werden die Kosten für die Beseitigung derartiger Schäden und entsprechende Sicherungsmaßnahmen auf ca. 10 Mio. € geschätzt. Die Ursache für solche Schäden ist zumeist anthropogen (ca. 80 %) bedingt. Initiiert werden sie meist durch Witterungseinflüsse und Eingriffe in das natürliche Hanggleichgewicht. Vor allem flache Böschungsoberflächen (ca. 50° bis 60°) mit Lockergesteinsbedeckung sind gegenüber diesen Einflüssen anfällig. Zur Sanierung oder bereits in der Planungsphase von Böschungsanschnitten sind daher geeignete Maßnahmen vorzusehen.

Hierbei ist die statisch-konstruktive Stützung des Böschungsgleichgewichtes Ziel der Sicherungsmaßnahmen. Besonderes Augenmerk ist auf die Entwässerungsbedingungen und eine naturnahe Sicherungslösung zu legen. Systeme, wie sie aus der Sicherung von Felshängen bekannt sind, bieten bei sandig-kiesigen Lockergesteinsböschungen zumeist keine wirtschaftlich befriedigende Lösung. Alternativ können für diesen Anwendungsfall Systeme eingesetzt werden, die die Vorteile einer Vernagelung und vollflächig begrünbarer kleinräumiger Oberflächenstrukturen verbinden. Vorgestellt wird der Einsatz von Geokunststoffen als alternatives Oberflächensicherungssystem in Kombination mit Böschungsvernagelungen.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Vernagelung und Böschungssicherung mit Geokunststoffen

1.1 Grundlagen/Systemdarstellung

Der Einsatz von dehnsteifen Geokunststoffen in der Geotechnik zum Zwecke der Bewehrung ist gängige Praxis. Nachfolgend wird eine solche Anwendung in Kombination mit Vernagelungen nach DIN EN 14490 vorgestellt (Bild 1), die als alternative Konstruktion die Sicherung von Lockergesteinsböschungen einsetzbar ist. Es eröffnet sich bei dieser Anwendung der Vorteil einer umweltschonenden Bauweise und die Möglichkeit der Begrünung. Das System NAIL EC stellt eine Kombination aus

• statischer Hangsicherung durch Dauer- oder Temporärnägel,
• speziellen auf die Geogitter abgestimmten Kopfplatten,
• statisch wirksamer Oberflächensicherung durch eine Kombination von hochzugfesten Secugrid^Ò-Geogittern und langzeitstabiler Erosionsschutzmatte Secumat^®,
• im Einzelfall geotextilen Schutz-, Trenn- und Filterlagen Secutex^®,
• sowie im Regelfall einer standortspezifischen Oberflächenbegrünung

dar. Die hohe Dehnsteifigkeit der Geogitter in Längs- und Querrichtung ist Grundlage für eine Kraftübertragung zwischen Vernagelung und der Oberflächennahen Geokunststoffbewehrung. Durch die monolithischen Flachstäbe ist ferner eine hohe Robustheit und einfache Verlegung sichergestellt. Durch eine flexible Abstimmung der Einzelkomponenten auf die Projektrandbedingungen können flexible und wirtschaftliche Lösungen erreicht werden.

Bild 1: Systemdarstellung

1.2 Funktionsweise

Das System NAIL EC sichert übersteile Böschungen dauerhaft oder temporär gem. DIN 14490. Die Standsicherheit der Böschungen wird grundsätzlich über eine Vernagelung erreicht. Die Sicherung der Oberfläche und die Lasteinleitung in die Nagelköpfe wird über Geogitter und Kopfplatten (Bild 2) sichergestellt. Um Spannungsspitzen an den Kopfplattenrändern zu mindern und um ein Abscheren zu vermeiden, wird unterhalb der Kopfplatten ein Schutzvlies eingebaut. Auf es statisch wirksame Geogitter wird ein Erosionsschutz in Form eines Wirrgeleges aufgebracht. Letzeres stellt den Erosionsschutz sicher und ermöglich das Aufbringen einer dünnen Oberbodenlage und gegebenenfalls einer Anspritzbegrünung. Die Funktionsweise gleicht der in (Rugger, Flum 2006) beschrieben Lösungen. Infolge der begrenzten Neigungen ergeben sich rechnerisch (vgl. Abschnitt 2) Kräfte die den wirtschaftlichen Einsatz von Geokunststoffen an der Oberfläche erlauben.

Bild 2: Details der Bauteile

1.3 Anwendungsbereich

Der optimale Anwendungsbereich der Systemlösung NAIL EC liegt bei Lockergesteinsböschungen mit Neigungen zwischen b= 50..60 °. Flachere oder steile Frontneigungen, Bermen oder die Integration von bestehenden Bauteilen, Baumbeständen sind ebenfalls möglich. Je nach Anwendungsfall kann die Konstruktion als Temporärsicherung oder Permanentkonstruktion vorgesehen werden. Die Konstruktion eignet sich daher:

• als Alternative zu temporären Baugrubensicherungen,
• als Dauerhafte begrünte Böschungssicherungen mit Neigungen zwischen 45 bis 65°,
• für den Einsatz im Lockergesteins- und bedingt im Festgesteinsbereich,
• als Alternative zu Felssicherungen mit teuren Stahldrahtgeweben.

1.4 Herstellung

Die Herstellung des Systems gleicht der Herstellung von Vernagelungen nach DIN EN 14490. Je nach Situation wird die Böschung abschnittsweise oder über die gesamte Höhe profiliert und die Vernagelung eingebaut. Im Anschluss erfolgt die Verlegung von Geogitter und Erosionsschutzmatte. Beim Produkt NAIL EC ist die Erosionsschutzmatte bereits auf das Geogitter aufkaschiert, sodass die Verlegung ein in einem Arbeitsgang erfolgen kann. Das Ausrollen der Oberflächensicherung beginnt an der Böschungskrone orthogonal zur Kopfline. Nach statischem Erfordernis und nach konstruktiven Gesichtspunkten wird das Geogitter am Kopf und am Fuß der Böschung in einem Einbindegraben gesichert. Nach der Verlegung werden das Schutzvlies und die Kopfplatten aufgebracht. Es hat sich als hilfreich erwiesen die Kopfplatten mit einer leichten Vorspannung, z. B. mit Drehmomentschlüssel, zu sichern, um ein kraftschlüssiges Anliegen der Konstruktion sicherzustellen. Im Nachgang werden nach Erfordernis Oberboden und/oder Anspritzbegrünung oder Pflanzungen aufgebracht. Die Begrünung sollte je nach Standortdisposition und örtlichen Verhältnissen abgestimmt und ein spezielles Begrünungskonzept für die jeweilige Situation erstellt werden. Nachpflanzungen mit Baum- und Strauchwerk sind ebenso problemlos möglich, wie die Integration von Bestandsbäumen oder Bauteilen.

1.5 Systemvorteile

Die Vorteile der Systemlösung NAIL EC ergeben sich aus dem Anwendungsbereich und der Konstruktion selbst:

• Naturnahe Sicherung von Fels/Lockergesteinsböschungen gegen Erosion und Böschungsbruch.
• Entwicklung von dauerhaft begrünten standsicheren Böschungen mit standort-typischer Vegetation und einem Minimum an Unterhaltung, Eingriffen in das Landschaftsbild und Bauzeit.
• Das System ist flexibel. Es kann auf Unebenheiten und geologisch bedingte Inhomogenitäten reagiert werden.
• Das System ist wirtschaftlich,
• Der Einsatzbereich beschränkt sich nicht nur auf Lockergesteinsbereiche. Auch Festgesteinshorizonte, verwitterungsempfindliche Gesteine können bedingt hiermit gesichert und nachträglich dauerhaft begrünt werden.
• Hinsichtlich der Vernagelungen sind alle möglichen Nagelsysteme nach DIN EN 14490 (GEWI / ISCHEBECK / GFK-Anker / Litzenanker pp.) einsetzbar.
• Die Lasteinleitung und Kopfkonstruktion können flexibel angepasst werden.
• Integration des Bauwerkes in das Landschaftsbild.

2 Vorschlag zur Bemessung

2.1 Theoretische Grundlagen

Unterschieden wird bei der Bemessung von Böschungsvernagelungen zwischen geschlossenen Ankerwänden und aufgelösten Elementwänden, bei denen der Anteil der Ankerplatten nur maximal ca. 40 % der Böschungsoberfläche entspricht. Während bei den geschlossenen Ankerwänden eine konstruktiv bewehrte Spritzbetonschicht die Böschungsoberfläche stützt und vor atmosphärischen Einflüssen schützt, wird diese Funktion bei aufgelösten Elementwänden durch sehr dünne Spritzbetonschichten, Seilnetze oder wie hier beschrieben durch eine Kombination zugfester Geogitter und kleinräumiger Unterstützung eines natürlichen Bewuchses durch eine Erosionsschutzschicht übernommen. Bei letzterer Variante wird daher ein großer Teil der Kräfte den oberflächennah anstehenden Böden zugeordnet, deren Kohäsion und Scherfestigkeit maßgebenden Einfluss auf die Bemessung ausüben.

Beim hier vorliegenden System werden die Komponenten Begrünung/Durchwurzelung sowie ein langzeitstabiles statisch tragendes Geokunststoffnetz mit zusätzlichem Erosionsschutzsystem kombiniert.

Die Betrachtung der Standsicherheit aufgelöster Ankerwände bzw. vernagelter Systeme muss im Wesentlichen in drei Teilbereiche untergliedert werden:

• Nachweise der Gesamtböschung nach DIN 4084 unter Berücksichtigung der Vernagelung sowie tiefreichender Bruchkörper;
• Nachweise zur Stabilität der Böschungsoberfläche zwischen den Nägeln.
• Nachweise zur Beanspruchung der Einzelelemente im Kopfbereich der Vernagelung.

Für aufgelöste Systeme ergibt sich beim Nachweis der Stabilität der Böschungsoberfläche die Schwierigkeit, die an der Oberfläche tatsächlich auftretenden Kräfte und Verformungen realistisch zu beschreiben. Diese werden wesentlich durch die geologischen Bedingungen und die Scherfestigkeit der anstehenden Böden, das gewählte Rastermaß der Böschungssicherungssysteme sowie den Bauvorgang beeinflusst. Durch schonenden Abtrag bei der Herstellung der Rohböschung sind großflächige Auflockerungen nach Möglichkeit zu vermeiden.

Für die Sicherung der Böschungsoberfläche wurde von Noll & Heckötter [4] ein Bemessungsverfahren vorgestellt, das von lokalen, pyramidenförmigen Bruchschollen zwischen den Ankerköpfen ausgeht. Dieser Ansatz ist insbesondere für Lockergesteinsböschungen geeignet, da sich die Größe eines Bruchkörpers aus klassischen bodenmechanischen Ansätzen ergibt und die Tiefe einer Auflockerungszone nicht geschätzt werden muss.

Für regelmäßige angeordnete Verankerungssysteme mit vorgespannten Kopfplatten kann davon ausgegangen werden, dass sich insbesondere in Lockergesteinsböschungen oberflächennah Traggewölbe im Boden ausbilden. Für die Gewölbeschalen, die oberflächennah liegen, wird bei ungünstigen Spannungsverhältnissen im Regelfall eine zusätzliche Stützung zwischen den Ankerköpfen erforderlich.

Insbesondere bei inhomogener Geologie ist der Ansatz der Kohäsion als stützende Komponente nur bedingt möglich. Die Oberfläche ist daher auch bei reduzierter Kohäsion ausreichend gegen das Abrutschen einzelner Bruchschollen zu sichern.

Durch die Wahl standortgerechter Pflanzen kann mittelfristig je nach Standortbedingungen durch die Durchwurzelung eine Ersatzkohäsion in der Größenordnung von 3 bis 5 kN/m² in Ansatz gebracht werden. Für den Anfangszustand und bei lokalem Ausfall der Begrünung ist jedoch eine statisch tragende technische Ergänzung erforderlich.

Die Geogitterkomponente überspannt die Böschungsoberfläche als Membran, die punktuell im Bereich der Ankerkopfplatten aufgelagert ist.

2.2 Bemessungsansatz

Die Beanspruchung des Oberflächensicherungssystems erfolgt in Anlehnung an die EBGEO 2009 und (Noll, Heckötter 2003), zeigt den zum Prisma vereinfachten Bruchkörper in Ansicht und Querschnitt (Bild 3). Die haltende Reibungskomponente Q ist dabei von dem Reibungswinkel der Böden abhängig, die haltende Kraftkomponente C und Z nur von der charakteristischen Kohäsion der Lockergesteinsschichten. Letztere wird nur für die obere und untere Prismenschnittfläche angesetzt, so dass implizite Reserven enthalten sind. Da die Kohäsion in Lockergesteinsböden naturgemäß gering ist und infolge atmosphärischer Einflüsse und lokaler Auflockerungen nur vorsichtig angesetzt werden darf, wird eine zusätzliche, haltende Kraftkomponente P_k erforderlich, die an der Böschungsoberfläche angreift. Die Kraftkomponente P_k ist dabei die Resultierende aus dem die Böschungsoberfläche überspannenden Geokunststoffsystem. Die nachfolgende Durchwurzelung bleibt dann als Sicherheit enthalten.

Bild 3: Ansicht und Schnitt einer aufgelösten Elementwand in Anlehnung an (Noll, Heckötter 2003)

Bild 4: Zuordnung der Flächenlast zu einem Streifen einer Haupttragachse mit der Ersatzbreite b_ers

Die aus dem Nachweis resultierende Beanspruchung P_k wird als ebene Flächenlast einem Feld des Geokunststoffsystems bzw. der statisch tragenden Geogitterkomponente zugeordnet. Da die Haupttragrichtung der Membran vorzugsweise auf der kürzesten Achse zwischen zwei Stützstellen angenommen werden kann (Zaeske 2001), werden die Lasten gemäß dem Bild 4 einem Streifen der Bewehrung zugeordnet.

In Abhängigkeit der Dehnsteifigkeit J_k der Bewehrung, der Breite b bzw. bei runden Ankerplatten gegebenenfalls der Ersatzbreite b_ers und der resultierenden charakteristischen Belastung F_k kann das Stichmaß f als Verhältnis zur lichten Weite l_W sowie die Dehnung der Bewehrung in Anlehnung an [5] aus Bild 5 entnommen werden.

Weiter ist nachzuweisen die

• Einhaltung der zulässigen Beanspruchung des Geogitters unter Berücksichtigung eventueller Beschädigungen und Witterungseinflüssen,
• Einhaltung der zulässigen Durchstanzkraft am Ankerkopf,
• Einhaltung der zulässigen Bodenspannung aus der konstruktiven Vorspannung der Ankerköpfe,
• Ermittlung der erforderlichen Geometrie des Verankerungsgrabens am Böschungskopf und gegebenenfalls am Böschungsfuß.

Alle Nachweise werden im GZ1B nach DIN 1054:2005 geführt.

Zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit ist insbesondere eine Verformungsbegrenzung erforderlich, die über die Dehnsteifigkeit der Bewehrung und Kriechdehnung unter Dauerlast gesteuert wird. Letztere sollte 0,5 % nicht überschreiten. Bei einem Rastermaß von 2,0 m entspricht eine Kriechdehnung von 0,5 % z.B. einem Stichmaß von ca. 0,05 m. Die Begrenzung der Kriechdehnung ist unter Nutzung kriecharmer Polyester-Rohstoffe und einer entsprechend hohen Vorstreckung erreichbar (Bild 5).

Bild 5: Bemessungsnomogramm in Anlehnung an (Zaeske 2001)

2.3 Laborative Untersuchungen/Durchstanzen

Zum Nachweis der Durchstanzbeanspruchung im Kopfbereich wurden am Institut für textile Bau- und Umwelttechnik System-Versuche durchzuführen, bei denen Kopfplattenvarianten und Schutzlagen unter verschiedenen Lastneigungen variiert wurden (Bild 6). Das Geokunststoffsystem wurde dabei zur Abbildung der Anpressung an die Böschungsoberfläche zwischen zwei Stahlplatten eingespannt, wobei die Bodenseite durch eine Sandmatte abgebildet wurde. Das Bild 7 zeigt exemplarisch den Einfluss der Lastneigung bzw. der Ankerneigung im Verhältnis zur Böschungsnormalen. Unter sonst gleichen Randbedingungen beträgt die Abminderung der maximalen Ankerlast bis ca. 30 %.

Bild 6: Versuchsstand zur Prüfung der Durchstanzbeanspruchung

Bild 7: Einfluss der Lastneigung unter sonst gleichen Versuchsrandbedingungen

3 Praktische Umsetzung/Beispiele

Mit dem System NAIL EC wurden bereits mehrere Böschungssicherungen ausgeführt. Erfahrungen über die Praktische Umsetzung sowohl des Systems, als auch in Bezug auf die Dauerhaftigkeit und die Begrünung liegen vor. Die folgenden Bilder zeigen die Umsetzung im Rahmen einer Baumaßnahme in Mitteldeutschland (Bilder 8 und 9).

Bild 8: Regelquerschnitt

Bild 9: Bauphase Böschung fertiggestellt

Bild 10: Böschung ca. 8 Wochen nach Fertigstellung mit Begrünung

5 Schlussfolgerungen und Ausblick

Das Sicherungssystem NAIL EC erlaubt die wirtschaftliche Sicherung von Lockergesteinsböschungen oder bedingt Festgesteinsböschungen. Die Standsicherheit wird hierbei dauerhaft auf der Basis bestehender Regelungen und Verfahren DIN EN 14490 in Kombination mit Geokunststoffen sichergestellt. Schnelle und einfach Bauabläufe sowie eine flexible Anwendung zeichnen das System aus. Die Berechnung erfolgt in Anlehnung nach die EBGEO und (Zaeske 2001), gestützt durch umfangreiche Laborversuche zum Trag- und Systemverhalten. Die praktische Umsetzung und die vorliegenden Erfahrungen belegen die Funktionstüchtigkeit der Bauweise.

Literaturverzeichnis

Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V.: EBGEO (2009), Empfehlungen für Bewehrungen aus Geokunststoffen (Ausgabe 2009), Ernst & Sohn Verlag;

Müller-Rochholz, J.; Recker, Ch.; Herold, A. (2005): Geokunststoffe und Böschungsvernagelung, FS-KGEO München, 2005

Noll, T.; Heckötter, C. (2003): Böschungssicherung als aufgelöste Nagelwand. Bautechnik 80 (2003), Heft 2, Ernst & Sohn Verlag

Ruegger, R.; Flum, D.: Anforderungen an flexible Böschungsstabilisierungssysteme bei der Anwendung in Boden und Fels, Tagungsband Bauen in Boden und Fels, TAE Esslingen, 2006

Vollmert, L.; Herold. A. (2008): Kombination von Vernagelung und Geokunststoffen zur Sicherung von Lockergesteinsböschungen, Heft 06, Bautechnik 2008, Ernst & Sohn Verlag

Zaeske, D. (2001): Zur Wirkungsweise von unbewehrten und bewehrten mineralischen Tragschichten über pfahlartigen Gründungselementen, Schriftenreihe Geotechnik, Universität Gh Kassel, Heft 10, 02/2001