Das "Merkblatt Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund" ist im Jahr 2010 mit stark veränderter Gliederung und aktualisiertem Inhalt neu erschienen. Den Hauptteil des Merkblattes bildet die Beschreibung von verschiedenen Bauverfahren für den Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund. Während bei den geokunststoffummantelten Säulen das zugfeste Geotextil den Hauptteil der seitlichen Stützung innerhalb des wenig tragfähigen Bodens übernimmt, sind Schotter- und Stopfsäulen vollständig auf die seitliche Stützung des sie umgebenden Bodens angewiesen, charakterisiert durch die undränierte Scherfestigkeit c_u. Es wird daher besonders auf die Bedeutung der c_u-Werte eingegangen.

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

1 Einleitung

Seit langem schon müssen bei der Planung von Straßenbaumaßnahmen auch Gebiete mit wenig tragfähigem Untergrund in die Betrachtung mit einbezogen werden. Aus diesem Grund wurden von der FGSV bereits im Jahre 1965 "Richtlinien für den Bau von Straßen in Moorgebieten" herausgegeben. Vom Arbeitsausschuss "Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund" der FGSV wurde dann im Jahre 1988 das "Merkblatt über Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund" erstellt, das dann im Jahre 2010 mit stark veränderter Gliederung und aktualisiertem Inhalt neu herausgebracht wurde. In diesem Merkblatt, werden zunächst die wenig tragfähigen Böden geologisch beschrieben und es wird auf die erforderlichen Baugrunderkundungen eingegangen. Anschließend werden die beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund eingesetzten Baustoffe genannt. Den Hauptteil des Merkblattes bildet die Beschreibung von verschiedenen Bauverfahren für den Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund, das Aufzeigen von Mindestanforderungen und Grenzen, Angaben zu Berechnungsverfahren sowie zu den jeweils erforderlichen Überwachungsmaßnahmen.

Die gezeigten Bilder wurden jeweils dem Merkblatt entnommen.

2 Wenig tragfähiger Untergrund

Wenig tragfähige Böden sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aufgrund ihres ungünstigen Verformungsverhaltens nicht ohne vorherige besondere Maßnahmen für den Straßenbau genutzt werden können. Natürlich entstandene wenig tragfähige Böden kommen flächenhaft verbreitet im Bereich von Mooren, Binnensee- und Flussgebieten sowie in den Küstengebieten vor. Künstliche wenig tragfähige Böden werden in Deponien und in Spülflächen und somit in überwiegend kleinen Arealen angetroffen.

Zu den natürlich entstandenen wenig tragfähigen Böden gehören im Wesentlichen Torfe, Mudden, Faulschlamm, Seekreide, Beckenton, Seeton, Auelehm, Klei, Darg und Schlick.

Zu den künstlichen wenig tragfähigen Böden gehören Kippen mit den Inhaltsstoffen Hausmüll, Industriemüll und Bodenablagerungen sowie Spülflächen mit den Inhaltsstoffen natürliche Böden und Industrieschlämme.

3 Baugrunderkundung

Baumaßnahmen beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund sind in die geotechnische Kategorie GK3 nach DIN 1054:2010-12 bzw. DIN EN 1997-1:2009-09 einzustufen. Es werden daher vom Bearbeiter vertiefte geotechnische Kenntnisse und Erfahrungen in dem jeweiligen Spezialgebiet erforderlich, was im Regelfall nur durch einen Sachverständigen für Geotechnik geleistet werden kann.

Der Sachverständige für Geotechnik mit Erfahrung im Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund sollte auch die Planung der Baugrunduntersuchungen auf der Basis der Angaben in der DIN EN 1997-2:2010-2 vornehmen. Ziel der geotechnischen Untersuchung ist es, die Lage, Tiefe und Zusammensetzung der relevanten Bodenschichten zu erkunden und ihre bodenmechanischen und bautechnischen Eigenschaften sowie die Grundwasserverhältnisse zu ermitteln.

Hierbei sind nicht nur die Straßen- bzw. Dammtrasse zu betrachten, sondern es müssen auch die durch die Baumaßnahme beeinflussten Randbereiche erfasst werden. Um die mit der geplanten Baumaßnahme verbundenen Risiken frühzeitig abschätzen zu können, werden die entsprechenden Baugrunderkundungen bzw. ein Teil davon schon in einem frühen Planungsstadium erforderlich, wobei Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen für die verschiedenen Planungszustände auch auf die Angaben im M GUB abzustimmen sind.

Da bei Straßenbaumaßnahmen auf wenig tragfähigem Untergrund mit geringen Scherfestigkeiten und hohen Zusammendrückbarkeiten der anstehenden Weichschichten zu rechnen ist, kommt der Ermittlung der charakteristischen Scherparameter φ_k und c_k und vor allem der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit c_u,k sowie des charakteristischen Steifemoduls E_s,k eine besondere Bedeutung zu. Für die Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit c_u,k sollten möglichst Feld-Flügelsondierungen nach DIN 4094-4 ausgeführt werden. Die Durchführungen von Laborflügelsondierungen liefert häufig unrealistische Ergebnisse.

Die Ergebnisse von Feld-Flügelsondierungen sind zur Ermittlung von charakteristischen Werten entsprechend den Vorgaben der DIN 4094-4 in Abhängigkeit von der Fließgrenze w_L bzw. vom Plastizitätsindex abzumindern. Da es bei Torfen naturgemäß diese Werte nicht gibt, sind die in Torfen gewonnenen Messwerte auf der Basis von jeweiligen Erfahrungen auf ca. 50 % abzumindern.

Wenn irgendwie möglich sollten die über die eingesetzten Feldflügelsonden generell erhaltenen c_u,k-Werte durch Nachrechnung von tatsächlich eingetretenen Geländebrüchen überprüft bzw. die Messwerte geeicht werden, da bei Einsatz unterschiedlicher Sondenfabrikate unter gleichen Randbedingungen unterschiedliche Messwerte registriert wurden.

Sofern geotechnische Untersuchungen in Altablagerungen bzw. Deponien durchgeführt werden, sind die Empfehlungen Geotechnik der Deponiebauwerke (DGGT 1996) und die einschlägigen Arbeitsschutzrichtlinien zu beachten. Nur mit großformatigen direkten Aufschlüssen wie Schürfe ist eine Erkundung der Zusammensetzung einer Altablagerung möglich.

4 Baustoffe

Für den Bau von Straßendämmen eignen sich im Wesentlichen rollige Böden der Gruppen SW, SI, SE, GW und GE sowie Baustoffgemische nach den TL SoB-StB und Baustoffe mit entsprechender Kornverteilung nach den TL BuB E-StB.

Zur Reduzierung der Belastung des wenig tragfähigen Untergrundes und damit zur Reduzierung der daraus resultierenden Setzungen können Leichtbaustoffe wie z. B. Blähton, EPS-Hartschaumstoffe (expandiertes Polystyrol) oder Schaumglas eingebaut werden. In Bezug auf Blähton und EPS wird auf das "Merkblatt über die Verwendung von Blähton als Leichtbaustoff im Erdbau des Straßenbaus" bzw. das "Merkblatt über die Verwendung von EPS-Hartschaumstoffen als Leichtbaustoff im Erdbau des Straßenbaus" verwiesen.

5 Bauverfahren

5.1 Allgemeines

Die wesentlichen Bauverfahren für den Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund sind ­

- Konsolidierungsverfahren, ­

- Bodenaustauschverfahren, ­

- Verfahren mit aufgeständerten Gründungspolstern, ­

- Verfahren unter Einsatz von Leichtbaustoffen.

Eine Kombination der oben genannten Verfahren ist je nach den jeweils vorliegenden Randbedingungen möglich und sinnvoll.

5.2 Konsolidierungsverfahren

Beim Konsolidierungsverfahren werden durch das Aufbringen einer flächigen Belastung das Porenwasser und zum Teil auch die Porenluft zu einem gewissen Grad (abhängig von der Belastungsgröße) ausgepresst, wobei die wenig tragfähigen Böden sich setzen. Durch die dadurch bedingte Verringerung des Porenraumes nehmen die undränierte Scherfestigkeit c_u und der Steifemodul Es zu. Der zeitliche Verlauf der Setzungen je Laststufe wird von der Wasserdurchlässigkeit der anstehenden Weichschicht und den Entwässerungsmöglichkeiten des Porenwassers bestimmt. Die aufzubringenden Belastungen und die Entwässerungsmöglichkeiten sind so zu steuern, dass die Setzungen bei Verkehrsfreigabe weitgehend abgeklungen sind. Die jeweiligen Belastungsgrößen sind dabei so festzulegen, dass keine Grund- oder Geländebrüche entstehen.

Die Konsolidierungsverfahren können in Abhängigkeit von der Art der Belastung im Wesentlichen wie folgt unterteilt werden: ­

- Überschüttverfahren, ­

- Verfahren mit Unterdruckentwässerung, ­

- Elektroosmose.

Die genannten Verfahren können durch Maßnahmen unterstützt werden, die entwässernd (Einbau von Vertikaldränagen), bodenbewehrend (Einbau von Geweben oder Geogittern in der Dammaufstandsfläche) oder gewichtsreduzierend (Einbau von Leichtbaustoffen) wirken.

Das Bild 1 zeigt eine Überschüttung von Dammkrone und Böschungen.

Zur Verkürzung der Entwässerungswege und damit zum Erreichen einer schnellen Konsolidierung unter den jeweils aufgebrachten Schüttstufen ist der Einbau von Vertikaldräns sinnvoll.

Bild 1: Überschüttung von Dammkrone und Böschungen (Prinzipskizze)

Bild 2: Einbau von Vertikaldräns

Gemäß den Angaben auf dem Bild 3 sind mindestens 2 bis 4 Dräns (abhängig von der Weichschichtmächtigkeit und vom Dränabstand) jeweils seitlich des Dammgrundrisses einzubauen.

Beim Verfahren mit Unterdruckentwässerung wird die Konsolidierung durch Aufbringen eines Unterdruckes im Porenraum der wenig tragfähigen Schicht erreicht. Das Bild 4 zeigt eine Schemaskizze einer Unterdruckentwässerung.

Bild 3: Anordnung der Vertikaldräns im Querschnitt

Bild 4: Schemaskizze einer Unterdruckentwässerung

5.3 Bodenaustauschverfahren

Beim Bodenaustausch wird der anstehende wenig tragfähige Boden ganz (Bodenvollaustausch) oder teilweise (Bodenteilaustausch) ausgehoben und durch gut verdichtbare tragfähige Böden ersetzt.

Da es immer schwieriger wird, Ablagerungsflächen für den Bodenaushub zu finden, werden diese Verfahren nur noch bei geringen Austauschdicken angewandt. Beim Bodenteilaustausch ist zu berücksichtigen, dass die zu erwartenden Restsetzungen in Bezug auf die spätere Straße verträglich sein müssen.

Der Bodenaustausch kann je nach den vorliegenden Randbedingungen in trockener Baugrube oder unter Wasser erfolgen.

Bei relativ kleinen Bauflächen ist auch ein Bodenaustausch im Schutz temporärer Verbauelemente möglich.

Bild 5: Regelquerschnitt beim Bodenaustausch

Bild 6: Arbeitsablauf beim Bodenaustausch mit Verbaukästen

Bild 7: Schematische Darstellung der Verdichtung mit schweren Fallplatten

Der Erfolg der Bodenaustauschmaßnahme ist durch Bohrungen und Sondierungen nachzuweisen.

Eine Alternative zum Bodenaustausch ist das Verdrängen und Verdichten des wenig tragfähigen Bodens mit schweren Fallplatten.

5.4 Aufgeständerte Gründungspolster

5.4.1 Allgemeines

Bei einem aufgeständerten Gründungspolster werden die vertikalen Einwirkungen aus dem Eigengewicht des Dammes über eine in der Dammaufstandsfläche angeordnete geokunststoffbewehrte Bodenschicht in vertikale Tragglieder und von diesen in den tragfähigen Baugrund geleitet. Bei den erforderlichen geostatischen Berechnungen geht man davon aus, dass sich im Damm jeweils zwischen den vertikalen Traggliedern ein Gewölbe ausbildet und nur der unterhalb des Gewölbes liegende Dammteil auf der Bewehrung lastet. Das Bild 8 zeigt schematisch den Tragmechanismus eines aufgeständerten Gründungspolsters.

Bild 8: Aufgeständerte Gründungspolster

5.4.2 Verformbare Tragglieder

Zu den verformbaren vertikalen Traggliedern zählen:

- Geokunststoffummantelte Schotter, Kies- oder Sandsäulen, ­

- Schottersäulen,

- Schotterstopfsäulen.

Der wenig tragfähige Boden kann über die Säulen, wie bei einem Vertikaldrän, schnell entwässern, was zu einer schnellen Konsolidierung führt.

Während bei den geokunststoffummantelten Säulen das zugfeste Geotextil den Hauptteil der seitlichen Stützung innerhalb des wenig tragfähigen Bodens übernimmt, sind Schotter- und Stopfsäulen vollständig auf die seitliche Stützung des sie umgebenden Bodens angewiesen.

Durch den Einbau der Tragglieder im Verdrängungsverfahren (Regelfall) und die schnelle Konsolidierung erhöht sich die Tragfähigkeit des angrenzenden Bodens und damit auch die undränierte Scherfestigkeit c_u. Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit der seitlichen Bodenstützung muss der c_u-Wert auf der Basis von Erfahrungen nach Einbau der vertikalen Tragglieder bzw. vor dem Einbau des Gründungspolsters mindestens c_u,k = 25 kN/m² betragen.

5.4.3 Starre vertikale Tragglieder

Zu den starren vertikalen Traggliedern zählen u. a.: ­

- Fertigmörtelstopfsäulen,

- Betonrüttelsäulen,

- Mörtelsäulen (CSV Säulen),

- Boden-Bindemittel-Mischsäulen,

- Fertigpfähle.

Das Bild 9 zeigt schematisch die Anordnung von starren vertikalen Traggliedern unter einem Damm.

Bild 9: Starre vertikale Tragglieder

Sofern nicht im Einzelfall nachgewiesen, sollte die Anwendung der o. g. Säulen auf wenig tragfähige Böden mit einer undränierten Scherfestigkeit von c_u,k ≥ 15 kN/m² beschränkt werden. In stark organischen Böden (z. B. Torf) sollten Mörtelsäulen und Boden-BindemittelMischsäulen nicht eingesetzt werden.

5.5 Auswirkungen der undränierten Scherfestigkeit c_u

Bei Dammschüttungen auf wenig tragfähigem Untergrund kommt der undränierten Scherfestigkeit c_u (jeweilige Anfangsscherfestigkeit) eine besondere Bedeutung zu. Die jeweilige Schüttdicke ist in Abhängigkeit vom jeweiligen c_u-Wert über Geländebruchberechnungen so zu ermitteln, dass eine ausreichende Standsicherheit gegeben ist.

Mit jeder aufgebrachten Schüttstufe erhöht sich im Zuge der Konsolidierung der wenig tragfähigen Schichten deren cu-Wert. Je nach der Größe des Ausgangs-c_u-Wertes wird es bei mehreren Schüttstufen im Regelfall erforderlich, die mit der jeweiligen Konsolidierung einsetzende Erhöhung der c_u-Werte vor dem Aufbringen weiterer Schüttstufen jeweils entsprechend nachzuweisen.

Durch den Einbau verformbarer Tragglieder im Verdrängungsverfahren erhöhen sich ebenfalls der c_u-Wert des angrenzenden Bodens und damit seine Tragfähigkeit. Für die Betrachtung, ob der anstehende Boden den verformbaren Traggliedern über einen entsprechend großen c_u-Wert eine ausreichende seitliche Stützung geben kann, ist daher nicht die undränierte Scherfestigkeit vor dem Einbau der Tragglieder, sondern die Scherfestigkeit nach dem Einbau unmittelbar vor dem Einbau des Gründungspolsters maßgebend. Der im Merkblatt im Abschnitt 5.4.2.3 genannte c_u-Wert von mindestens c_u,k = 25 kN/m² ist bei entsprechender Bodenverdrängung durch die Tragglieder im Regelfall problemlos nachweisbar.

6 Maßnahmen beim Ausbau bestehender Straßen

Bei Verbreiterungen von Straßen muss unter dem Verbreiterungsbereich und unter dem alten Straßenkörper mit unterschiedlichen Setzungen gerechnet werden. Die Baumaßnahmen sind daher so darauf abzustimmen, dass nach Fertigstellung der Straße keine Schäden auftreten.

Die Bilder 10 bis 15 zeigen beispielhaft Lösungen von Verbreiterungen mit Neuaufbau des Straßenkörpers.

Bild 10: Verbreiterung mit Absenkung der Gradiente

Bild 11: Ausbau mit Aufrechterhaltung des Verkehrs, links neu ausgebaut, rechts alter Zustand

Bild 12: Verbreiterung mit vollständigem Bodenaustausch und Absicherung der alten Fahrbahn mit Spundwand

Bild 13: Verbreiterung mit Behelfsstraße auf Vorbelastungsdamm

Bild 14: Verbreiterung mit Vorbelastung und Vertikaldräns

Bild 15: Dammverbeiterung mit EPS-Leichtbaustoff

7 Messverfahren

Durch das Aufbringen von Lasten auf einen wenig tragfähigen Untergrund werden im Untergrund Vertikal- und Horizontalbewegungen sowie Porenwasserüberdruck aktiviert, deren zeitlicher und räumlicher Verlauf kontrolliert werden muss, damit es nicht zu unzulässigen Verformungen bzw. Brüchen kommt. Es werden daher baubegleitende Messungen erforderlich. Hierzu gehören im Wesentlichen:

- Setzungsmessungen,

- Horizontalverformungsmessungen,

- Porenwasserdruckmessungen,

- Sohldruckmessungen,

- Dehnungsmessungen an Bodenbewehrungselementen.

8 Berechnung von Standsicherheiten und Verformungen

Alle Maßnahmen beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund sind naturgemäß so zu planen und auszuführen, dass sowohl in den Bauzuständen als auch im Endzustand ausreichende Sicherheiten gegen Grundbruch, Geländebruch und Böschungsbruch vorliegen und keine unzulässigen Verformungen entstehen. Es werden daher entsprechende Standsicherheits- und Setzungsberechnungen erforderlich. Da beim Überschüttverfahren zur Setzungsbeschleunigung Vertikaldräns und bei aufgeständerten Gründungspolstern Geokunststoffe und Geotextilien eingebaut werden, sind auch hierfür entsprechende Nachweise erforderlich.