Eine Fachtagung Ende Oktober an der HSR Hochschule Rapperswil behandelte die geotechnischen Grundlagen für die Planung im GaLa-Bau. Der Schulungstag vermittelte einen Überblick über die wichtigsten Bodeneigenschaften und stellte bewährte Verfahren der Geotechnik vor. Zielpublikum waren Gartenbauer, Landschaftsarchitekten, und Umweltfachleute.
Wer die Landschaft gestaltet, kommt mit Böden in Kontakt. Um Misserfolge zu verhindern, müssen die Eigenschaften des Bodens respektiert werden. Dabei bilden die Bodenkennwerte die Grundlage für sämtliche baulichen Massnahmen. Hier kommt die Geotechnik zum Einsatz. Es geht ihr darum Bodeneigenschaften zu bestimmen, das Verhalten des Bodens unter Krafteinwirkung und Klimaeinflüssen zu verstehen und die Grenzen des zulässigen Verhaltens zu erkennen, damit funktionsfähige und sichere Bauwerke erstellt werden können.
Dr. Hansruedi Schneider, Professor an der HSR Abteilung Bauingenieurwesen, empfahl den Anwesenden in seiner Begrüssungsrede die Eigenschaften des Bodens in der Planung besser zu berücksichtigen. „Wenn Wunschvorstellungen unter Einbezug eines Geotechnikspezialisten auf die Realisierbarkeit überprüft werden, lassen sich mögliche geotechnische Probleme bereits frühzeitig erkennen“, fuhr er fort. Diese seien vielfältig. So zählen Verkippungen und Deformationen oder Setzungen und Verschiebungen von Bauwerken aber auch Erosionen, Verdichtungsschwierigkeiten und ungenügende Tragfähigkeiten von Fundationen oder Frost- und Auftauprobleme zu den wichtigsten Aufgaben, mit denen sich Baufachleute auseinander setzen müssten. Dabei sei zu beachten, dass Wasser die Schwierigkeiten um ein Vielfaches potenziert.
Boden/Baugrund: Begriffe und Definitionen
Christian Bommer von der Fachstelle für Geotechnik an der HSR wies darauf hin, dass nebst Landschaftsarchitekten, Gartenbauern und Agronomen sich auch andere Fachleute wie Bauingenieure und Geologen mit «Boden» befassen. Versteht die erstgenannte Berufsgruppe unter dem Begriff eine äusserst belebte Materie (A- und B-Horizont), in welcher ein reger Austausch von Stoffen stattfindet, denkt die andere an Baugrund als unbelebten Untergrund (C-Horizont). Deshalb ist bei der Kommunikation in Projektteams die Bedeutung des Wortes zu klären.
Der Referent erklärte, dass sich unter der Humus- und Mutterbodenschicht «inertes Baugrundmaterial» befindet. Dieses wird in zwei Gesteinstypen unterteilt. Unter Festgestein nennt die Alltagssprache Stein oder Fels. Es ist eine mechanisch widerstandsfähige Materie. Dazu zählen Sedimentgesteine (Kalk- und Sandstein, Nagelfluh, etc.) und kristalline und metamorphe Gesteine (Granit, Basalt, etc.). Sie verursachen beim Bauen kaum nennenswerte Probleme bezüglich Setzungen, Tragfähigkeit oder Erosion.
Mehr Bausorgen bereiten die Lockergesteine. Sie entstehen durch Verwitterung der Festgesteine, durch Erosion, Verfrachtung oder Sedimentation. Lockergesteine sind ein Gemisch von Mineralien und/oder Gesteinsbruchstücken und/oder organischen Bestandteilen ohne festen Zusammenhalt und lassen sich im Wasser nach Korngrössen zerlegen. Das Dreiphasenmodell teilt Lockergesteine in drei Komponenten auf. Neben den festen Körnern gibt es Poren mit Wasser und Poren mit Luft. Da die Klimaeffekte in den Hohlräumen stattfinden, bestimmt deren Zusammensetzung und Wechselwirkung das Verhalten des Baugrundes. Es lassen sich Moräne, Schotter, Geröll, Kies, Sand sowie Silt, Ton und Lehm unterscheiden.
Klassifikation von Lockergesteinen und Zustandsgrössen des Bodens
Ein wichtiges Mittel zur Qualitätssicherung von Böden sei ihre Klassifikation, erklärte Beda Romer, ebenfalls von der Fachstelle für Geotechnik an der HSR. „Bei grobkörnigen Böden mit Korngrössen > 0.06 mm (Sichtbarkeitsgrenze) kommt die Siebanalyse zum Einsatz. Sie ist ein Verfahren zur Ermittlung der Korngrössenverteilung von Schuttgütern. Bei feinkörnigen Böden mit Korngrössen < 0.125 mm dient die Schlämmanalyse als mechanisches Trennverfahren zur quantitativen Bestimmung des Feinkornanteils einer Sedimentprobe“, fuhr er fort. Denn die als Schwebstoffe enthaltenen Kornfraktionen wie Schluff und Ton lassen sich nur mittels Wasser und derer Sinkgeschwindigkeit bestimmen.
Das Kornverteilungsband für Kiessand I und Kiessand II zeigt den typischen Kurvenverlauf eines Schüttgutes mit positiven Eigenschaften für einen Baugrund. Obwohl die alte Bezeichnung durch eine neue ersetzt wurde, halten sich die beiden beliebten Begriffe hartnäckig. Heute spricht man von ungebundenem Kiesgemisch bspw. 0/22 (45). Das heisst, es handelt sich um ein Kiesgemisch, das Korngrössen von 0 bis 22 mm aufweist, mit einem Grösstkorn von 45 mm Ungebundenes Kiesgemisch ist ein normiertes Material, welches hohe Qualitätsanforderungen erfüllt. Es hat gute lastverteilende Wirkung, ist frostunempfindlich und entwässert sich gut.
„Ein Wanderer weiss, dass Wasser einen grossen Einfluss auf den Zustand eines bindigen (= tonigen oder siltigen) Bodens hat. Tonige Wege sind bei Trockenheit hart. Durch Regenfälle können sie sich rasch in glitschige, schlammige Böden verwandeln“, erklärte der Geotechniker anschaulich. Diese Eigenschaft nennt man Plastizität, den Zustand Konsistenz. Je höher der Wassergehalt eines bindigen Bodens ist, umso weicher ist er, oder eben umso weicher ist seine Konsistenz. Die Geotechnik nennt zwei gebräuchliche Konsistenzgrenzen. Die Ausrollgrenze ist jene Linie, bei welcher eine gerollte, tonige ‚Erdwurst’ in sich zerfällt und bröckelig wird. Der Punkt an dem der Boden vom plastischen Zustand in einen zähflüssigen übergeht, heisst Fliessgrenze. Beide Grenzen sind vom Wassergehalt abhängig. Je näher diese beieinander liegen, umso problematischer sind die bautechnischen Eigenschaften des Baugrundes.
Die Scherfestigkeit sei ein weiterer Kennwert, um das Verhalten von Böden zu verstehen, meinte Beda Romer und erläuterte detailliert: „Sie drückt die Spannung aus, welche ein Boden aushalten kann und ist abhängig vom Kontakt zwischen den Kornteilchen untereinander. In der Fachsprache nennt man diese zusammenhaltenden Kräfte die Kohäsion. Je stärker also die Kohäsion, umso besser die Scherfestigkeit und umso steiler kann ein Boden geschüttet werden.“
Verdichtung
Nach einer Pause nahm sich Romer des nächsten Themas an: „Der Zweck einer Verdichtung von Böden ist die Verbesserung seiner Eigenschaften bezüglich der Verminderung der Setzungsempfindlichkeit oder der Erhöhung der Scherfestigkeit“, brachte der Redner auf den Punkt. Unter Verdichtung wird hier die Abnahme des Porenvolumens verstanden, ohne Änderung seiner Kornverteilung und unter Einwirkung eines Verdichtungsgerätes. Dabei spielt wiederum der Wassergehalt (in den Poren) eine wichtige Rolle. Jeder Boden braucht nämlich einen anderen optimalen Wassergehalt, um ihn optimal zu verdichten. Ebenso ist die dabei erreichte maximale Trockendichte unterschiedlich hoch. Diesen Zusammenhang hält die Proctor-Kurve fest. Die in der Praxis gut nutzbare Erkenntnis daraus ist, dass die optimale Verdichtungsbedingung bei einem Boden leicht unter der Ausrollgrenze liegt. Oder anders formuliert: „Da der Boden bei der Ausrollgrenze zu krümeln beginnt (Würmli-Versuch), muss der Boden krümeln, damit er gut verdichtbar ist. Krümelt der zu verdichtende Boden nicht, ist er zu nass und muss vor dem Verdichten stabilisiert werden. Ist er zu trocken muss Wasser zugefügt werden“, vereinfachte Romer.
Der Referent knüpfte nahtlos an den nächsten Fachbegriff. „Bei der Bodenstabilisierung wird Fremdmaterial in einen Baugrund eingemischt, um seine bodenmechanischen Eigenschaften zu verbessern. Bei einer Kalkstabilisierung wird dem Lockergestein Kalkhydrat, Branntkalk oder hydraulischer Kalk beigemischt. Dabei wird durch eine chemische Reaktion der Wassergehalt vermindert, die Verdichtbarkeit verbessert, eine bleibende Verminderung der Empfindlichkeit gegen Wasser und Frost und die Erhöhung und Erhaltung der Kohäsion erreicht“, dozierte Romer.
Bodenstabilisierungen seien auch mit der Zugabe von mineralischen, bituminösen oder zementhaltigen Zuschlagsstoffen möglich. „Die Anwendung ist abhängig vom baulichen Problem und der Klassifikation des Bodens“, schloss der Referent.
Zusammendrückbarkeit
Nun übernahm der dritte Geotechniker im Bund das Rednerzepter. Jochem Seifert betonte die Eigenschaften des Baugrundes in Hinblick auf die Tragfähigkeit, also seine Fähigkeit Lasten aufzunehmen, ohne dass es dabei zu wesentlichen Setzungen kommt. Die Zusammendrückbarkeit bestimmt das Mass der Setzung des Bodens und ist im Gegensatz zur Verdichtung ein ungewollter Vorgang. Die Zusammendrückbarkeit eines Bodens wird auch dadurch gesteuert, wie schnell das Porenwasser durch das Wirken einer Last entweichen kann. Bei nicht bindigen Böden kann es schnell abfliessen, und Setzungen treten zeitnah ein. Umgekehrt verhält es sich bei bindigen Böden.
Mittels Plattendruckversuche lässt sich die Tragfähigkeit von Böden messen. Ganze Tabellen klassieren verschiedenste Bodenarten in Tragfähigkeitsklassen. Im Gartenbau üblicher sind Tragfähigkeits- und Verdichtungskontrollen von Fundations-schichten. Dabei wird durch stufenweises Be- und Entlasten einer starren Platte das Verhältnis zwischen Druck und Setzung des Bodens anhand einer Drucksetzungslinie in ein Diagramm aufgetragen. Daraus lässt sich das Verformungsmodul ME ermitteln. Die Werte werden in MN/m2 angegeben. Die Anforderungen an Kiessand-Fundationsschichten beträgt für leichten Verkehr > 80 MN/m2.
„Die totale Setzung tritt praktisch nie direkt zum Zeitpunkt der Belastung auf. Sie ist ein Prozess, der je nach Boden unterschiedlich lange dauert. Schematisch lässt sich die Setzung in drei Phasen unterteilen. Die Sofortsetzung tritt sofort nach der Belastung auf. Die Konsolidationssetzung braucht viel Zeit und ist abhängig von der Durchlässigkeit des Bodens. Die Sekundärsetzung wird oft vernachlässigt. Diese geschieht mit der Alterung des Bodens“, schloss Seifert seine Ausführungen.
Böschungsstabilität
„Nackte Böschungen halten nur, weil im Boden eine Kohäsion vorhanden ist“, resümierte Christian Bommert und präzisierte: „Die Standartneigung für normale Böden ohne Wasser beträgt 2/3 = 33.7° und 1/2 = 26.7° für schlechte Böden ohne Wasser. Solche Böschungen weisen bezüglich oberflächennaher Gleitflächen rechnerisch keine ausreichende Stabilität auf. Sie befinden sich lediglich in einem labilen Gleichgewicht. Sobald Wasser vorhanden ist, reduziert dieses die Stabilität des Bodens um die Hälfte. Deshalb müssen Porenwasserüberdrücke vermieden und Böschungen gesichert werden. Drainagen, Bewehrungslagen aus Geogittern, Bodennägel in Kombination mit Geflechten zur Oberflächensicherung oder vollflächige Begrünungen bspw. mit Buschlagen oder Buschmatratzen sind bewährte Methoden der Böschungssicherung.“
Stützbauwerke
Dem letzten Kapitel des theoretischen Teils der Fachtagung widmete sich Jochem Seifert. Er fasste zusammen, dass es im Gartenbau zwei Arten von flach gegründeten Stützbauwerken gibt. Zu jenen, die Stabilität durch das Eigengewicht des Bodens schaffen, gehören Winkelstützmauern. Schwergewichtsmauern aus Natursteinblöcken oder Steinkörben stützen Hänge durch ihr Eigengewicht. Ihre Stützwirkung wird aber häufig überschätzt. Oft gesehene Schadenfälle sind ein Weggleiten oder ein Kippen des Werkes in den Fugen. Mehr Sicherheit bieten diese Mauertypen wenn zusätzliche Stabilisierungsmassnahmen durch Rück-verhängung eingebaut werden. In horizontalen Lagen eingelegte Geogitter brechen den Gleitkreis und lassen die Böschungskräfte in den Boden abgleiten. Normalerweise werden sie zu 60% bis 80% der Mauerhöhe in die Böschung eingebunden. Zusätzlich empfiehlt sich, die Faustregel der Geotechnik zu beherzigen, wonach selbst bei horizontalem Terrain die Mauersohle 40% bis 50% der Höhe betragen soll, um die Nachweise eines Ingenieurs zu erfüllen. Bei einer zwei Meter hohen Stützmauer aus Natursteinblöcken oder Drahtschotterkörben darf ihr Fuss nicht bloss aus einem einzigen 50 cm tiefen Element bestehen wie an der Mauerkrone, sondern muss einen Meter tief in die Böschung eindringen. Diese Regel wird im Gartenbau zu wenig ernst genommen. Denn analog dem Wasserdruck, der mit zunehmender Tiefe steigt und gegen eine Staumauer presst, verhält es sich mit dem Erddruck. Mit zunehmender Höhe einer Böschung wächst der Hangdruck und stemmt sich gegen die Stützmauer. Diese Kraft ist abhängig vom Bodentyp, seiner Dichte und seinem Wassergehalt.
Für einen Ingenieur seien vier rechnerische Nachweise unerlässlich, erklärte Seifert. Nämlich jene gegen das Kippen und das Gleiten des Bauwerkes und jene gegen einen Grund- und Geländebruch. Kritische Verhältnisse bestehen zusätzlich dann, wenn das Gelände unter und/oder über der Stützmauer geneigt ist und/oder hohe Belastungen (bspw. eine Strasse) hinter der Mauer wirken.
Bei den theoretischen, mit vielen mathematischen Formeln bespickten Ausführungen an der Fachtagung wurde klar, welche enormen Kräfte im Boden wirken. Es empfiehlt sich bei heiklen Projekten eine bodenkundige Fachkraft beizuziehen.
Bodenmechanische Besonderheiten im Landschafts- und Sportplatzbau
Über das Spezialwissen von Hans Graber betreffend bodenmechanischer Eigenschaften, mochte man nur staunen. Der Landschaftsarchitekt und Geschäftsinhaber der Wolf Hunziker AG stellte drei Projekte vor. Zwei davon waren speziell interessant.
Für den Fussballplatz in Amriswil sollte eine Lösung gefunden werden, damit dieser auch für das jährliche Pferdespringen nutzbar würde. Eine (un)mögliche Kombination? Offenbar nicht. Da der Boden mit einem hohen Tonanteil sehr schlecht war, musste er stabilisiert werden. Der Einbau von Kunststoffelementen kam nicht in Frage, da der Platz sonst nicht mehr gepflegt werden könnte. Eine Kalkstabilisierung war ebenso wenig eine gangbare Lösung; damit würde der Boden für die Pferde zu hart werden. So fiel der Entscheid auf ein Konzept mit Saugergräben und Drainageschlitzen für die Entwässerung und einer Stabilisierung des Bodens mit mineralischen Stoffen. Ein Lavagemisch 0/16 mm wurde in den Baugrund eingemischt. Die Rasentragschicht war ebenfalls rein mineralischer Natur. Auf diese Weise erreichten die Planer einen stabilen und trotzdem weichen Platz, der sich sowohl fürs Fussballspielen wie auch fürs Pferdespringen eignete.
Rasenheizungen stellen eine besondere Herausforderung dar. So auch in der AFG Arena in St. Gallen. Die wichtigste Frage stellte Hans Graber bereits zu Beginn: „Wie wird die Wärme abgeleitet?“ Am besten durch einen geeigneten Aufbau, beantwortete der Referent die Frage gleich selbst. Die unterste Lage bildete eine Schicht aus Schaumglasschotter. Diese dient als Isolation und verfügt über genügend Poren für die Entwässerung. Auf dem Geogitter als Trennkörper folgte ein Lavagemisch 12/16 mm. Auch dieses isoliert durch seinen hohen Hohlraumanteil. Erst jetzt wurde die „Bodenheizung“ eingelegt und nachfolgend die Deckschicht aus Lavasand. Dieser Aufbau lässt die Wärme nach oben abziehen und ergibt tragfähige Flächen.
Einsatz von Geokunststoffen im Garten und Landschaftsbau
Antonio Sacchetti von der SYTEC Bausysteme AG beschrieb auf verständliche Art die Komplexität und Vielfalt ihrer Geoprodukte. Diese werden auf ihrer Homepage sehr gut beschrieben. Seine fachlichen Bemerkungen aus Sicht des Ingenieurs dürfen dem Gartenbauer aber nicht entgehen. So betonte er, dass nicht nur Betonbauten, sondern auch Geokunststoffbauten berechnet und dimensioniert werden müssen. Auch seine Erläuterungen zu den im GaLaBau oft verwendeteten Geotextilien liessen aufhorchen. Trenn- und Filtersysteme aus Kunststoffen würden oft falsch eingesetzt. „Es beginnt bereits in der Ausschreibung. Statt ein Vlies nach ihrer Reissfestigkeit zu devisieren, werden diese nach ihrer Grammage ausgeschrieben“, stellte der Referent fest. Er rief den Anwesenden ins Gewissen, dass es je nach Boden und Anwendung unterschiedlicher Vliese bedarf. Eine entsprechende Kategorisierung findet sich auf ihrer Bestimmungstabelle. Sacchetti sprach dem Bändelgewebe ein Lob aus. Es sei zwar anfänglich teurer als ein Vlies, da es aber nicht verstopfe, rechne sich die Investition. Zudem funktioniere ein Bändelgewebe wie ein Geburtshelfer, denn dahinter entstehe ein natürlicher Filter. Bei einem allfälligen Rückbau zerfetze es nicht wie das Vlies.
Die Qualitäten von Geogittern scheinen im Gartenbau nicht weit verbreitet. „Statt einen grossen Aushub vorzunehmen, lässt sich bei einer Fundationsbewehrung mit einem Geogitter nur ein Teilaushub erstellen“, erklärte Sacchetti. So würde sowohl der Geldbeutel und die Umwelt geschont, meinte er. Ebenfalls liessen sich durch den Einsatz von Geogitter Setzungen zwischen alten und neuen Fundationsschichten homogenisieren.
Adrian Fehlmann von Enea GmbH beendete den Reigen der Referenten mit Projektbeispielen, wobei er die Zusammenarbeit mit der Firma SYTEC Bausysteme AG lobte.
