Im Zusammenhang mit dem Um- und Ausbau der Autobahn A 10 ,,Berliner Ring" wurden seit dem Jahr 1996 sieben Autobahndreiecke umgestaltet. Hierzu erfolgte der Neubau von Großbrücken mit Gesamtlängen bis 200 m. Die Pfeiler und Widerlager wurden ausnahmslos flach gegründet. Nach DIN 4019 sind für Setzungsberechnungen vorzugsweise Rechenmoduln E* durch Rückrechnung von Setzungsbeobachtungen zu gewinnen. Die an 15 Bauwerken ausgeführten Setzungsmessungen wurden dementsprechend ausgewertet. Mit den vorliegenden Messergebnissen konnten durch Rückrechnung für Sand und Geschiebemergel Rechenmoduln E* ermittelt werden. Diese wurden durch Vergleichsrechnungen überprüft und fanden Bestätigung. An zwei Beispielen von Brückenneubauten wird gezeigt, dass es möglich ist, mit rückgerechneten Rechenmoduln E* bei gleichartigen Böden genauere Setzungen prognostizieren und somit unwirtschaftliche Gründungsmaßnahmen vermeiden zu können.

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

1 Einleitung

Im Zusammenhang mit dem Um- und Ausbau der Autobahn A 10 "Berliner Ring" wurden seit dem Jahr 1996 sieben Autobahndreiecke (AD) unter Berücksichtigung der vorhandenen und zukünftig zu erwartenden sehr hohen Verkehrsmengen neu gestaltet. Hierzu wurden pro AD zwischen drei und fünf Großbrücken mit Stützweiten bis ca. 200 m neu errichtet. Die Gründung der Pfeiler und Widerlager erfolgte ausnahmslos als Flachgründung. Da festgestellt wurde, dass zwischen prognostizierten und gemessenen Setzungen erhebliche Differenzen auftraten, wurde eine systematische Auswertung vorliegender Setzungsmessungen von mehr als 15 Großbrücken an vier Autobahndreiecken vorgenommen. Zusätzlich wurde noch ein Bauwerk am südlichen "Berliner Ring" in die Auswertung einbezogen. Die Lage der Autobahndreiecke an der A 10 "Berliner Ring" ist aus Bild 1 ersichtlich.

2 Geologische Verhältnisse

Die oberflächennahe und damit für die Setzungen von Bauwerken maßgebende Geologie wird in Brandenburg durch quartäre Ablagerungen der letzten beiden Eiszeiten (Weichsel- und Saalevereisung) bestimmt.

Die Untergrundverhältnisse an den vier Autobahndreiecken lassen eine regionalgeologische Unterscheidung in Bereiche der Urstromtäler mit Sandablagerungen und hoch anstehendem Grundwasser (AD Spreeau, Bauwerk 31 und AD Oranienburg) sowie Ablagerungen der Hochflächen (AD Barnim) überwiegend in Form von Geschiebemergel zu. Am AD Havelland liegt eine Wechsellagerung aus Sanden und Geschiebemergel vor.

Die Lagerungsdichte der Sande schwankt zwischen extrem locker bis dicht, die Konsistenz des Geschiebemergels zwischen weich bis halbfest. Damit kann ein Großteil der in Brandenburg vorkommenden Bodenarten hinsichtlich des Setzungsverhaltens beurteilt werden.

Bild 1: Übersichtsplan A 10 "Berliner Ring"

3 Allgemeines

3.1 Ausführung der Setzungsmessungen

Entsprechend ZTV-ING (2013) sind bei Ingenieurbauwerken an Bundesfernstraßen vom Baubeginn bis zur Bauwerksabnahme unter sinngemäßer Anwendung der DIN 4107 und DIN 1076 Setzungs- und Verformungsmessungen durchzuführen. Für die Bewegungsbeobachtungen ist ein Messprogramm aufzustellen, welches alle maßgebenden Bauzustände berücksichtigt und Aufschluss über Bewegungen des Bauwerkes gibt.

In Ergänzung zur ZTV-ING (2013) werden im Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg bei Neubaumaßnahmen von Ingenieurbauwerken an Autobahnen in den Verdingungsunterlagen Vorgaben zur Ausführung von Setzungsmessungen gemacht. Vor Herstellung der Sauberkeitsschicht sind mindestens zwei frostfrei gegründete Höhenfestpunkte zur Sicherstellung des Zusammenhangs aller Messungen während der Bauzeit und nach Abnahme des Bauwerks anzulegen und einzumessen. Die Höhenfestpunkte müssen außerhalb des Einflussbereichs der Bauwerkssetzungen liegen. Die Messungen sind mittels Feinnivellement mit einer Genauigkeit von ± 1 mm auszuführen. Die Messzeitpunkte werden wie folgt vorgegeben:

–­ ­ ­ ­ ­ ­ Fertigstellung Sauberkeitsschicht

– ausgeschaltes Fundament ausgeschalter Pfeiler/ausgeschaltes Widerlager

– Baugrubenverfüllung bzw. Hinterfüllung Widerlager

– Rohbau Überbau

– Fertigstellung Überbau.

Auf der Sauberkeitsschicht und der Oberkante Fundament werden Hilfspunkte angelegt, welche später aufgegeben werden. Die dauerhaften Messbolzen an den Pfeilern und Widerlagern werden in die Setzungsmessungen einbezogen. Bei Aufgabe von Messpunkten (Sauberkeitsschicht und Fundament) müssen die Folgemesspunkte vorhanden sein und zeitgleich mit gemessen werden. Die Anordnung der Messpunkte an einem Widerlager ist im Bild 2 exemplarisch dargestellt.

Bild 2: Anordnung der Messpunkte an einem Widerlager

3.2 Bauwerkskonstruktionen und Belastung

Bei den Bauwerken handelt es sich um statisch unbestimmte Durchlaufkonstruktionen, deren Gebrauchstauglichkeit sehr stark von den Untergrundverformungen bzw. Verformungsunterschieden zwischen den Stützstellen bestimmt wird. Das Bild 3 zeigt eine Verbundbrücke mit einem Stahlhohlkasten mit einer Gesamtlänge von 171 m bei Einzelstützweiten zwischen 38 und 47 m am AD Barnim.

Bild 3: Bauwerk 1Ü0 der A 10 am AD Barnim

Die Hauptbelastung der Pfeilerfundamente der untersuchten Bauwerke erfolgt fast ausschließlich lotrecht, mittig. Der Eintrag von außermittigen Belastungen kann nach Herstellung des Überbaus aus Lagerreibung, Temperatur und Wind sowie bei Anordnung von Festlagern auch aus Bremsen resultieren. Aufgrund der während der Setzungsmessungen fast ausschließlich lotrecht, mittigen Belastung wurden diese Messergebnisse vorrangig zur Auswertung herangezogen.

Bei den Widerlagern kann nur unter Eigengewicht von in etwa lotrecht, mittiger Belastung ausgegangen werden. Mit Einbau der Hinterfüllung sowie Auflagerung des Überbaus ändert sich die Belastung, sodass an der Vorderkante der Widerlager höhere Sohlpressungen gegenüber der Hinterkante zu erwarten sind. Die Hinterfüllung der Widerlager hat nach den Vorgaben des Landesbetriebes Straßenwesen Brandenburg bei Neubaumaßnahmen von Ingenieurbauwerken an Autobahnen vor dem Betonieren des Überbaus zu erfolgen.

3.3 Setzungsmessungen an Brücken der Reichsautobahn

Casagrande (1936) hat Setzungsmessungen an 72 Brückenbauwerken in Deutschland, gebaut im Zuge der Reichsautobahn in den Jahren 1934/1935, ausgewertet und zusammengestellt. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse ist in der Tabelle 1 gegeben.

Tabelle 1: Ergebnisse der Setzungsmessungen an Brücken der Reichsautobahn (Casagrande 1936)

Ziel der Ausarbeitung war, die Erfassung der obersten Bodenschichten hinsichtlich Tragfähigkeit und Zusammendrückbarkeit besser beurteilen sowie eine Nachprüfung der Theorie der Setzungsberechnung durch Vergleich mit tatsächlich aufgetretenen Setzungen vornehmen zu können. Weiterhin sollte die Möglichkeit größerer Wirtschaftlichkeit beim Entwurf neuer Brückenfundierungen geprüft werden. Einige, der in Casagrande (1936) erfassten Bauwerke, lagen auf dem Gebiet des Landes Brandenburg.

Aus den Ergebnissen der Setzungsbeobachtung wurde geschlussfolgert, dass bei Geschiebemergel sowie Sand- und Kiesschichten höhere Belastungen als bis dahin zulässig und dabei nur unwesentlich höhere Setzungen zu erwarten sind. Weiterhin wurde festgestellt, dass Dammschüttungen dementsprechend Widerlagerhinterfüllungen so früh als möglich erfolgen sollen, um nachträglich unregelmäßige Bewegungen der Bauwerke zu vermeiden.

4 Ergebnisse der Setzungsmessungen

4.1 Bauwerke im Sand

Das AD Spreeau verbindet die A 10 mit der A 12 nach Frankfurt (Oder) 8 km westlich davon befindet sich das Bauwerk 31. Regionalgeologisch liegt das AD im Berliner Urstromtal. Das Bauwerk 31 im Dahmedurchbruch, einem Nebental des Berliner Urstromtals. Im Untergrund stehen hier bis in größere Tiefen ausnahmslos eng gestufte Sande (SE nach DIN 18196, Cu < 3) an. Das Grundwasser reicht bis nahe der Geländeoberkante (AD Spreeau) bzw. wurde am Bauwerk 31 in ca. 4,5 m Tiefe erbohrt. Die Lagerungsdichte der Sande wurde mittels schwerer Rammsondierungen ermittelt. Bis ca. 10 m Tiefe sind die Sande mitteldicht, teilweise auch locker, darunter dicht gelagert.

Die Gründung erfolgte meist unmittelbar über dem Grundwasserspiegel bzw. teilweise auch darunter im Spundwandkasten mit Unterwasserbetonsohle. Die Untergrundverhältnisse und die Gründungssituation am AD Spreeau sind im Bild 4 exemplarisch dargestellt.

Das AD Kreuz Oranienburg verbindet die aus Berlin kommende A 111 mit der A 10 und der Bundesstraße B 96. Regionalgeologisch liegt das AD im Bereich des Haveldurchbruchs, einer pleistozänen Schmelzwasserabflussbahn. Am Standort des Bauwerkes 1Ü2 stehen hier bis in eine Tiefe von ca. 11 m eng gestufte Sande (SE nach DIN 18196, Cu < 3) an. Darunter folgt Geschiebemergel. Das Grundwasser wurde bei ca. 2 m Tiefe erbohrt (Bild 5). Die Lagerungsdichte der Sande wurde mittels schwerer Rammsondierungen und Drucksondierungen ermittelt. Die Lagerungsdichte der Sande innerhalb des Bauwerksgrundrisses ist sehr stark schwankend und reicht von extrem locker bis mitteldicht. Der Geschiebemergel weist überwiegend eine halbfeste bis feste Konsistenz auf.

Bild 4: Untergrundverhältnisse und Gründungssituation am AD Spreeau

Bild 5: Untergrundverhältnisse und Gründungssituation am AD Kreuz Oranienburg ­ Bauwerk 1Ü2

Die Gründung erfolgte unmittelbar über dem Grundwasserspiegel.

Angaben zu den Bauwerken, Fundamentabmessungen und Sohlpressungen sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2: Bauwerksangaben, Fundamentabmessungen und Sohlpressungen Bauwerke im Sand

Die Auswertung der Setzungsmessungen erfolgte für folgende Belastungssituationen:
­ ­ ­ ­ ­
– Sauberkeitsschicht (Nullmessung)

– Eigengewicht Fundament

– Eigengewicht Pfeilerschaft

– Eigengewicht Rohbau Überbau

– Eigengewicht nach Fertigstellung Überbau.

Eine Zusammenstellung aller Messergebnisse der Setzungsmessungen in Abhängigkeit von der Sohlpressung bei Bauwerken im Sand ist im Bild 6 gegeben.

Bild 6: Gemessene Setzungen in Abhängigkeit von der Sohlpressung bei Bauwerken im Sand

Bei den ausgewerteten Setzungsmessungen wurden bei Sohlpressungen bis ca. 350 kN/m² bis 25 mm Setzungen gemessen. Die Setzungen nehmen mit Lastaufbringung in etwa linear zu, wobei 100 kN/m² Belastung ca. 7 ± 3 mm Setzung verursachen. Bei extrem lockerem Sand muss für 100 kN/m² Sohlpressung mit 30 mm Setzungen gerechnet werden.

Im Rahmen der Erstellung der Baugrundgutachten wurden mit der zu erwartenden Belastung aus der Vorstatik der Bauwerke Setzungsberechnungen ausgeführt. Da die Unterbau- und Überbauabmessungen der Bauwerke zwischen Bauwerksentwurf und Ausführungsplanung nicht geändert wurden, ist ein Vergleich zwischen prognostizierten und gemessenen Setzungen möglich. Im Mittel lagen die gemessenen Setzungen bei ca. 40 % der Prognosesetzungen. Eine Verbesserung der Setzungsvorhersage ist demnach anzustreben.

Weitere Einzelheiten zu den hier nicht dargestellten Untergrundverhältnissen, Gründungssituationen und Belastungsabfolgen wie Ent- und Wiederbelastung können Schüßler (2016) entnommen werden.

4.2 Bauwerke im Geschiebemergel am AD Barnim

Das AD Barnim verbindet die A 10 mit der A 11 und der Bundesstraße B 2. Regionalgeologisch liegt das AD Barnim auf der gleichnamigen Barnimhochfläche. Hier steht bis > 25 m Tiefe fast ausschließlich Geschiebemergel an. Der Geschiebemergelkomplex unterteilt sich in einen oberen Mergel der Weichseleiszeit, welcher an der Oberfläche zu Geschiebelehm verwittert ist und einen unteren Mergel der Saaleeiszeit. An der Oberfläche und auch zwischengelagert sind teilweise geringmächtige Sandschichten vorhanden (Bild 7). Das erste Hauptgrundwasserstockwerk existiert unterhalb des Geschiebemergelkomplexes.

Bild 7: Untergrundverhältnisse am AD Barnim

Die Untergrundverhältnisse an insgesamt zehn Bauwerksstandorten wurden durch vier Ingenieurbüros beurteilt. Weiterhin lagen Ergebnisse der Baugrunduntersuchungen aus dem Jahre 1968 vor. Der Geschiebemergel ist als schluffig-toniger Sand bzw. stark sandiger Ton mit Feinkornanteilen zwischen 35 und 45 % zu bezeichnen. An mehr als 100 Bodenproben wurden folgende bodenmechanischen Klassifikationskennwerte ermittelt:

Natürlicher Wassergehalt wn:                     5,4 ... 16,8 %    i. M. 11,7 %

Wassergehalt an der Fließgrenze wl:       16,7 ... 24,3 %    i. M. 20,3 %

Wassergehalt an der Ausrollgrenze wp:     9,5 ... 13 %       i. M. 11,4 %

Plastizitätszahl Ip:                                       6,4 ... 12,5 %    i. M. 8,8 %

Porenzahl en:                                             0,28... 0,5          i. M. 0,38

Nach DIN 18196 ist der Geschiebemergel als Sand-Ton-Gemisch ST* bis leicht plastischer Ton TL einzugruppieren. Die Konsistenz Ic des Geschiebemergels liegt rechnerisch ohne Berücksichtigung eines Überkornanteils zwischen 0,5 und 1,4, das heißt zwischen weich und fest. In Ödometerversuchen wurden im Spannungsbereich zwischen 100 und 200 kN/m² Steifemoduln Es zwischen 3,6 und 4,6 MN/m² ermittelt.

Die Gründung der Bauwerke erfolgte überwiegend ohne weitere Maßnahmen im natürlich anstehenden Boden. Angaben zu den Bauwerken, Fundamentabmessungen und Sohlpressungen sind in der Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3: Bauwerksangaben, Fundamentabmessungen und Sohlpressungen Bauwerke im Geschiebemergel am AD Barnim

Die Auswertung der Setzungsmessungen erfolgte für folgende Belastungssituationen: ­ ­ ­ ­ ­ ­

– Sauberkeitsschicht (Nullmessung)

– Eigengewicht Fundament

– Eigengewicht Pfeilerschaft bzw. aufgehendes Widerlager

– Hinterfüllung Widerlager

– Eigengewicht Rohbau Überbau

– Eigengewicht nach Fertigstellung Überbau.

Eine Zusammenstellung aller Messergebnisse der Setzungsmessungen in Abhängigkeit von der Sohlpressung bei Bauwerken im Geschiebemergel am AD Barnim ist im Bild 8 gegeben.

Bild 8: Gemessene Setzungen in Abhängigkeit von der Sohlpressung bei Bauwerken im Geschiebemergel am AD Barnim

Im Geschiebemergel mit den hier ermittelten Porenzahlen en = 0,35 ... 0,45 kann pro 100 kN/m² Sohlpressung von 6 ± 4 mm Setzung ausgegangen werden. Bei den ausgewerteten Setzungsmessungen wurden bei Sohlpressungen von 330 kN/m² maximal 25 mm Setzungen gemessen (Bild 8). Die Setzungen nehmen mit Lastaufbringung in etwa linear zu. Teilweise wurden noch Messergebnisse bis ein Jahr nach Fertigstellung der Bauwerke ausgewertet. Im Geschiebemergel kann nach diesen Messergebnissen davon ausgegangen werden, dass sich die Setzungen unmittelbar nach erfolgter Lastaufbringung einstellen und nennenswerte langanhaltende Konsolidierungsprozesse nicht zu erwarten sind.

Im Rahmen der Erstellung der Baugrundgutachten wurden mit der zu erwartenden Belastung aus der Vorstatik der Bauwerke Setzungsberechnungen ausgeführt. Die aus den Laborversuchen ermittelten Steifemoduln wurden nicht verwendet. Die Werte zu den Baugrundsteifigkeiten basierten auf Erfahrungen der Ingenieurbüros. Im Mittel lagen die gemessenen Setzungen bei 70 % der Prognosesetzungen. Teilweise entsprach die Prognose auch den gemessenen Setzungen.

4.2 Bauwerke bei Wechsellagerung aus Sand und Geschiebemergel am AD Havelland

Das AD Havelland verbindet die A 10 mit der A 24 Richtung Hamburg bzw. Rostock. Regionalgeologisch betrachtet, befindet sich das AD auf der Hochfläche des Ländchens Glien, einer Grundmoränenfläche des Brandenburger Stadiums der Weichselkaltzeit. Unter bebauungsbedingter Auffüllung stehen hier über einem oberen Geschiebemergelhorizont sogenannte obere Sande an. Der obere Geschiebemergel hat Mächtigkeiten zwischen wenigen Dezimetern und mehreren Metern und ist der Weichseleiszeit zuzuordnen. Unter dem oberen Geschiebemergel folgen weichsel- bis saalekaltzeitliche Sande. Darunter folgt wiederum Geschiebemergel, welcher saaleeiszeitlichen Ursprungs ist und durch Sande unterlagert wird. Die v. g. Schichtung wurde bis 25 m Tiefe erkundet (Bild 9). Grundwasser wurde ab den oberen Sanden angetroffen.

Bild 9: Untergrundverhältnisse am AD Havelland

Bei den Sanden handelt es sich überwiegend um eng gestufte Sande (SE nach DIN 18196, Cu < 3). Die Ermittlung der Lagerungsdichte erfolgte mittels schweren Rammsondierungen, Drucksondierungen und Bohrlochrammsondierungen. Die oberen Sande sind locker bis mitteldicht, die zwischen oberen und unteren Geschiebemergeln lagernden Sande überwiegend mitteldicht bis dicht und die unteren Sande dicht gelagert. Der Geschiebemergel ist nach DIN 18196 überwiegend als Sand-Ton-Gemisch ST* bis leicht plastischer Ton TL einzugruppieren. Die Konsistenz Ic des Geschiebemergels liegt zwischen 0,6 und 1,25, das heißt zwischen weich und halbfest. Die Porenzahlen en des weichselkaltzeitlichen Geschiebemergels wurden zwischen 0,32 und 0,46, die des saalekaltzeitlichen Geschiebemergels zwischen 0,28 und 0,37 ermittelt.

Die Gründung der Bauwerke erfolgte überwiegend ohne weitere Maßnahmen im natürlich anstehenden Boden oberhalb des Grundwasserspiegels. Angaben zu den Bauwerken, Fundamentabmessungen und Sohlpressungen sind in der Tabelle 4 zusammengestellt. Die Auswertung der Setzungsmessungen erfolgte analog zum AD Barnim.

Eine Zusammenstellung aller Messergebnisse der Setzungsmessungen in Abhängigkeit von der Sohlpressung bei drei Bauwerken am AD Havelland (Wechsellagerung aus Sand und Geschiebemergel) ist im Bild 10 gegeben.

Tabelle 4: Bauwerksangaben, Fundamentabmessungen und Sohlpressungen Bauwerke am AD Havelland (Wechsellagerung aus Sand und Geschiebemergel)

Bild 10: Gemessene Setzungen in Abhängigkeit von der Sohlpressung bei den Bauwerken am AD Havelland (Wechsellagerung aus Sand und Geschiebemergel)

Die Sande und der Geschiebemergel am AD Havelland entsprechen in ihren Eigenschaften denen am AD Spreeau und AD Barnim. Demzufolge wurde ein etwa gleiches Setzungsverhalten bei einer Wechsellagerung Sand/Geschiebemergel festgestellt. Pro 100 kN/m² Sohlpressung wurden 8 ± 4 mm Setzung gemessen. Die Setzungen nehmen mit Lastaufbringung in etwa linear zu.

Abweichend zur Vorgabe der Ausschreibung wurden die Widerlager bei einem Bauwerk am AD Havelland erst nach Fertigstellung des Überbaus hinterfüllt. Während der Widerlagerhinterfüllung wurden die Setzungen zusätzlich kontinuierlich gemessen. Im Zuge der Herstellung der Widerlagerhinterfüllung und der hier bis 9 m hohen Anschlussdämme traten zwischen 27 und 39 mm Setzungen auf. Diese mussten durch eine Höhenkorrektur der Lager ausgeglichen werden. Weiterhin wurden leichte Verdrehungen der Widerlager zur anschließenden Dammschüttung festgestellt. Mit Einbringen der Widerlagerhinterfüllung haben sich die Sohlpressungen unterhalb der Widerlagerfundamente in etwa verdoppelt. Die gemessenen Setzungen liegen beim etwa 1,5fachen der vorangegangenen Setzungen bei gleicher Belastungszunahme. Damit resultieren die Setzungen aus Mitnahmesetzungen der anschließenden Dammschüttungen, welche eine Breite in der Dammaufstandsfläche von 45 m haben. Bei großflächigen schlaffen Schüttungen ist bei gleicher Belastung in der Gründungssohle mit größeren Setzungsbeträgen gegenüber kleineren starren Fundamentflächen zu rechnen. Die Forderung der Hinterfüllung der Widerlager vor Betonage des Überbaus hat demnach seine Berechtigung. Dies wurde bereits durch Casagrande (1936) festgestellt.

5 Vergleich der Ergebnisse der Setzungsmessungen

Zur Plausibilitätskontrolle wurden die vorliegenden Setzungsmessungen mit Literaturangaben zu Bauwerken in Berlin und Brandenburg (Muhs 1961; Richter 1995; VEB Baugrund Berlin) sowie Brückenbauwerken der Reichsautobahn Casagrande (1936) verglichen (Bild 11).

Bild 11: Gemessene Setzungen an den Autobahndreiecken im Vergleich mit Literaturangaben

Die vorliegenden Messergebnisse der Bauwerke an den Autobahndreiecken liegen im Vergleich zu den Literaturangaben in etwa gleicher Größenordnung. Sande und Geschiebemergel zeigen ein ähnliches Lastsetzungsverhalten. Minimal können bei Fundamentgrößen zwischen 40 und 100 m² 4 mm Setzung pro 100 kN/m² Sohlpressung und maximal 12 mm Setzung pro 100 kN/m² Sohlpressung angegeben werden. Eine Ausnahme stellen die Messergebnisse an den Flakbunkern in Berlin dar. Für die mit ca. 6.400 m² sehr großflächigen Bauwerke wurden bis 16 mm Setzung pro 100 kN/m² Sohlpressung gemessen. Die Abhängigkeit spezifischer Setzungen von der Fundamentgröße wird damit bestätigt. Bei extrem locker gelagerten Sanden ist mit größeren Setzungsbeträgen zu rechnen (Bauwerk 1Ü2 am AD Kreuz Oranienburg).

6 Bewertung der Baugrunduntersuchungen

Für alle Bauvorhaben wurden umfangreiche Labor- und Felduntersuchungen ausgeführt. Hierbei wurde festgestellt, dass Laborversuche zur Zusammendrückbarkeit (Ödometerversuche) bei Sand und Geschiebemergel keine verwertbaren Ergebnisse bringen. Der Einbau von Sandproben mit einer definierten Lagerungsdichte gestaltete sich außerordentlich schwierig, sodass die Ergebnisse keine Verwendung fanden. Die Ödometerversuche vom Geschiebemergel wurden ebenfalls verworfen, da hier im Vergleich zu Erfahrungswerten unrealistisch kleine Steifemoduln erhalten wurden. Selbst die Bestimmung der Konsistenz ist im Geschiebemergel schwierig, da in den meisten Fällen aufgrund des Überkornanteils korrigierte Wassergehalte verwendet werden sollen. Dies führt aufgrund der geringen Plastizität meist zu unzutreffenden Konsistenzzahlermittlungen gegenüber manuell-visuellen Prüfungen. Daher wurde bei der Konsistenzzahlermittlung der natürliche Wassergehalt verwendet. Annähernd stimmen diese Ergebnisse mit den manuell-
visuellen Prüfungen überein. Zuverlässig erscheint hingegen die Ermittlung der Porenzahl aus ungestörten Proben als Anhaltwert für die Zusammendrückbarkeit. Eine Abhängigkeit von Konsistenz- und Porenzahl zu Rechenmoduln für Setzungsberechnungen wird auch in der TEV (1979) angegeben.

Als Felduntersuchungen wurden sowohl Ramm- als auch Drucksondierungen ausgeführt. Die Auswertung zur Bestimmung der Lagerungsdichte erfolgte nach DIN 4094. Vergleichende Untersuchungen zwischen Ramm- und Drucksondierungen an einem Standort haben gezeigt, dass nicht immer gleiche Werte für die Lagerungsdichte ermittelt werden. Eine quantitative Auswertung von Drucksondierungen im Geschiebemergel brachte keine verwertbaren Ergebnisse. Lediglich zwischen oberen und unteren Geschiebemergelkomplexen konnte eine Zunahme des Spitzendrucks festgestellt werden (Bild 7).

In den Baugrundgutachten wurden Steifezahlen zur Setzungsberechnung angegeben. Am AD Barnim lagen von vier Büros Angaben vor. Die Baugrundverhältnisse sind am gesamten AD relativ einheitlich. Vergleichsrechnungen mit den Angaben der verschiedenen Baugrundgutachten haben gezeigt, dass die Ergebnisse der Setzungsberechnung mit dem gleichen Berechnungsverfahren bis zu 50 % abweichen können.

7 Bestimmung von Baugrundsteifigkeiten

Mit den Ergebnissen der Setzungsmessungen und den auftretenden Belastungen wurden für die vorhandenen Untergrundverhältnisse für die Bauwerke, die ausschließlich im Sand und ausschließlich im Geschiebemergel gegründet wurden, entsprechende Rechenmoduln E* bestimmt.

Die Rückrechnungen erfolgten mittels direkter Setzungsberechnungen nach DIN 4019 für starre Rechteckfundamente mit der allgemeinen Formel für geschichteten Baugrund

Formel siehe PDF.

Die Annahme starrer Fundamente konnte nachgewiesen werden (Schüßler 2016) und wurde an einigen Bauwerken bei Messungen sowohl am Fundamentrand und gleichzeitig am Pfeilerschaft durch gleiche Messergebnisse bestätigt.

Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Ergebnisse einer Setzungsberechnung bei den klaren geometrischen Gründungs- und Belastungsverhältnissen der hier behandelten Bauwerke ausschließlich vom Rechenmodul E* abhängen. Für die lotrechte effektive Zusatzspannung in der Tiefe z = 0 wird von lotrecht mittiger Belastung ausgegangen. Die DIN 4019 unterscheidet vier Möglichkeiten zur Ermittlung des Rechenmoduls E* zur Prognose von Setzungen. Vorzugsweise sind die für die Durchführung von Setzungsberechnungen erforderlichen Moduln durch Rückrechnung von Setzungsbeobachtungen an vergleichbaren Bauwerken und vergleichbaren Baugrundverhältnissen zu gewinnen. Dieser Weg wird beschritten. Die Tiefenabhängigkeit der Bodensteifigkeit ist zu berücksichtigen. Richter (1995) nennt hierfür folgenden Ansatz:

Formel siehe PDF.

t ist in Gleichung (2) in m mit t = 0 ab ursprünglicher Geländeoberfläche anzusetzen. Der Ansatz nach Gleichung (2) wurde auch für die Rückrechnung von Steifemoduln nach TEV (1979) verwendet. Folgende Werte für C1 werden angegeben:

Pleistozäne Sande und Kiese: C1 = 0,25

Geschiebemergel:                    C1 = 0,20

Für die ausschließlich im Sand gegründeten Bauwerke ergaben sich unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen zur Ermittlung der Lagerungsdichte folgende Mittelwerte der Rechenmodule E*0:

sehr locker (D = 0,1)                5 MN/m²

locker (D = 0,2)                      10 MN/m²

mitteldicht (D = 0,3)               21 MN/m²

mitteldicht (D = 0,45)             37 MN/m²

Für die ausschließlich im Geschiebemergel gegründeten Bauwerke kann im Wesentlichen von Porenzahlen en zwischen 0,35 und 0,45 ausgegangen werden. Die Konsistenz lag bei Berücksichtigung des natürlichen Wassergehaltes wn sowie den manuell-visuellen Prüfungen zwischen steif und halbfest (Ic = 0,75 bis 1,25). Die Rechenmoduln E*0 können mit 20 bis 30 MN/m² angegeben werden, wobei der niedrigere Wert für steife Konsistenz zu verwenden ist.

Die ermittelten Rechenmoduln E*0 wurden für Vergleichsrechnungen zu gemessenen Setzungen der Bauwerke am AD Havelland verwendet und fanden Bestätigung (Schüßler 2016).

8 Prognose von Setzungen

8.1 A 11, Bauwerk 0Ü2

Das Bauwerk 0Ü2 überführt eine Landesstraße über die A 11 am km 3,725. Die A 11 verläuft hier in Einschnittslage. Vor dem Reichsautobahnbau lag das Urgelände bei ca. 72,5 m NN. Die Einschnittssohle der A 11 liegt bei ca. 67,5 m NN, die Oberkante der überführten Landesstraße bei 74 m NN. Folgende Angaben lagen zum Bestandsbauwerk vor:

Baujahr 1938

Konstruktionsart Durchlaufträger Stahl

Stützweiten 2 x 15,60 m

Gründung flach, Fundamente mit Spundwänden umschlossen

Gründungstiefe 2,00 m unter OK Fahrbahn

Setzungsschäden keine

Der Ersatzneubau wurde als mittelstützenfreies Rahmenbauwerk in Stahlverbundbauweise mit einer Stützweite von 45 m 2013/2014 neu gebaut.

Zur Beurteilung der Untergrundverhältnisse lag der bodenmechanische Bericht aus dem Jahr 1935 mit 10 bis zu 15 m tiefen Bohrungen vor. Im Jahr 2009 erfolgte die Erstellung eines Baugrund- und Gründungsgutachten für das Ersatzbauwerk mit zusätzlichen Bohrungen und Drucksondierungen bis 25 m Tiefe. Unter bebauungsbedingter Auffüllung folgen im oberen Bereich Decksande. Diese werden bis in Tiefen > 25 m von Geschiebemergel unterlagert (Bild 12). Oberhalb des Geschiebemergels kann sich in überlagernden Sanden ein sogenanntes oberes Grundwasser ausbilden.

Die Decksande sind mitteldicht gelagert. Der Geschiebemergelkomplex unterteilt sich in einen oberen Geschiebemergel (bis ca. 5 m unter Einschnittssohle) und einen unteren Geschiebemergel. Der obere Geschiebemergel weist eine weiche bis steife Konsistenz bei Porenzahlen en zwischen 0,39 und 0,42 auf. Der darunter folgende untere Geschiebemergel hat eine halbfeste bis feste Konsistenz bei Porenzahlen en zwischen 0,34 und 0,37.

Die ursprüngliche Planung sah für den Ersatzneubau aufgrund der verformungsempfindlichen Konstruktion eine Gründung auf 20 m langen Bohrpfählen (Ø 1,50 m) vor. Aus wirtschaftlichen Erwägungen und baupraktisch zu erwartenden Schwierigkeiten wurde der Gründungsentwurf seitens des Auftraggebers abgelehnt und eine Flachgründung auf Höhe der alten Gründung ausgeführt. Die hierfür notwendigen Setzungsprognosen wurden durch den Auftraggeber erstellt.

Bild 12: Baugrundschnitt Widerlager Ost Ersatzneubau A 11, Bauwerk 0Ü2 mit ursprünglich geplanter Bohrpfahlgründung

Das Bauwerk 0Ü2 liegt ca. 2,5 km vom AD Barnim entfernt. Somit konnten die Ergebnisse und Auswertungen der Setzungsmessungen übertragen werden und in eine Setzungsprognose einfließen. Für die 7 m breiten Widerlager wurden Sohlpressungen an der Vorderkante von 406 kN/m² und an der Hinterkante von 94 kN/m² im Endzustand ermittelt. Hiernach ergaben sich Setzungen an der Vorderkante von 16 mm und an der Hinterkante rechnerisch gegen null. Nach Fertigstellung des Bauwerks wurden Gesamtsetzungen zwischen 9 und 11 mm gemessen. Die Notwendigkeit einer Bohrpfahlgründung bestand demnach nicht.

8.2 A 12, Bauwerk 5

Das Bauwerk 5 überführt die A 12 am km 14,94 über eine Kreisstraße. Folgende Angaben lagen zu dem 2014/2015 erneuerten Bauwerk (Bild 13) vor: Baujahr 1936 Konstruktionsart Einfeldplatte Stahlbeton Stützweite 10,70 m Gründung flach Gründungstiefe 1,50 m Setzungsschäden keine Das neue Bauwerk wurde auf gleicher Ordinate zum alten Bauwerk flach gegründet. Der Überbau ist mittels Betongelenken aufgelagert. Diese Konstruktion ist aufgrund nicht vorhandener Lager wartungsarm jedoch verformungsempfindlich. Durch den Anbau des Seitenstreifens der A 12 wurde das Bauwerk um ca. 2 m verbreitert.

Zur Beurteilung der Untergrundverhältnisse lagen vier 10 m tiefe Bohrungen aus dem Jahr 1935 vor. Hier wurden im oberen Bereich zwischen 4,50 und 7,50 m Sande und darunter Ton festgestellt. In den Sanden oberhalb des Tones wurde ein oberes Grundwasser erbohrt. Im Jahr 1997 wurden zur weiteren Erkundung der Untergrundverhältnisse zwei 15 m tiefe Bohrungen und drei schwere Rammsondierungen ausgeführt. Die Ergebnisse bestätigten die Schichtenfolge aus dem Jahr 1935. Im Labor wurden u. a. Ödometerversuche ausgeführt. Auf Grundlage der Versuchsergebnisse wurden Setzungen für den Neubau von 4 bis 6 cm bei Sohlpressungen von ca. 190 kN/m² für den Verbreiterungsbereich ermittelt. Daraufhin sollte bis 10 m Tiefe eine CSV-Bodenstabilisierung durchgeführt werden. Im Jahr 1998 wurden zusätzlich Drucksondierungen bis 26 m Tiefe ausgeführt. Hierbei wurde die Unterkante des Tones bei ca. 19 m Tiefe festgestellt. Aufgrund der ermittelten Spitzendrücke im Ton von ca. 1 MN/m² wurde der Vorschlag unterbreitet, das Bauwerk auf 23 m langen Bohrpfählen zu gründen.

Bild 13: Längsschnitt Ersatzneubau A 12, Bauwerk 5

Im Jahr 2009 wurde ein zweiter Bodengutachter mit der Beurteilung der Untergrundverhältnisse beauftragt. Es wurden nochmals zwei Bohrungen ausgeführt und im Labor Klassifikationskennwerte ermittelt. Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist im Bild 14 dargestellt.

Bild 14: Untergrundverhältnisse Ersatzneubau A 12, Bauwerk 5 (2009)

Bei dem anstehenden Ton handelt es sich um Geschiebemergel mit Porenzahlen en zwischen 0,38 und 0,41. Auf Grundlage der nunmehr vorliegenden Untersuchungsergebnisse wurde eine Setzungsprognose erstellt. Für die anstehenden Böden wurden folgende Rechenmodule E*0 angesetzt:

Sand:                      40 MN/m²

Geschiebemergel:  20 MN/m²

Die angegebenen Rechenmodule E*0 entsprechen den Ergebnissen der Rückrechnungen. Weiterhin wurde die Tiefenabhängigkeit nach Gleichung (2) berücksichtigt. Für die 7 m breiten Widerlager wurden Sohlpressungen an der Vorderkante von 243 kN/m² und an der Hinterkante von 78 kN/m² ermittelt. Die Aushubentlastung wurde nur mit 1,5 m ohne Berücksichtigung des vorhandenen Autobahndammes angesetzt. Hiernach ergaben sich Setzungen von 12 bis 20 mm.

Bild 15: Setzungsmessungen Ersatzneubau A 12, Bauwerk 5, 1. Bauabschnitt

Die Ergebnisse der ausgeführten Setzungsmessungen sind im Bild 15 dargestellt. Bis zur Fertigstellung des Bauwerks wurden 8 bis 10 mm Setzungen gemessen. Diese liegen noch unterhalb der Prognosewerte. Bei Berücksichtigung einer Vorbelastung durch den ca. 6 m hohen Autobahndamm lassen sich mit den Rechenansätzen der Setzungsprognose die gemessenen Werte nachvollziehen. Bei Kenntnis der Böden, deren Eigenschaften und zutreffenden Bodenmodellen sind realitätsnahe Setzungen prognostizierbar und unwirtschaftliche Gründungsmaßnahmen können vermieden werden.

Literaturverzeichnis

Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), (2013), Bundesanstalt für Straßenwesen

C a s a g r a n d e, L. (1936): Setzungsbeobachtungen an Brückenbauten der Reichsautobahn, IVBH –­ Internationale Vereinigung für Brückenbau und Hochbau Kongressbericht, Band 2

S c h ü ß l e r, M. (2016): Auswertung von Setzungsmessungen an Brückenbauwerken am Berliner Ring, geotechnik 1, Verlag Ernst & Sohn (in Vorbereitung)

M u h s, H. (1961): Ergebnisse der Setzungsmessungen an den Hochhäusern im Hansaviertel und am Hochhaus Heilsberger Dreieck in Berlin, Mitteilungen der Degebo, Heft 15

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VEB Baugrund Berlin, undatiert (unveröffentlicht): Zusammenstellung von Bauwerken, an denen Setzungsbeobachtungen vorgenommen wurden auf Standorten in der DDR bzw. an vergleichbaren Standorten der Nachbarländer

Technische Vorschrift (TEV) Gesteinseigenschaften TEV 122-01 und TEV 1204-01 des VEB Baugrund Berlin, 1979