Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen [original]

Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen

Fabian Kirsch, Kurt-M. Borchert

7 Genehmigungs- und

Zulassungsvoraussetzungen von

Bodenmischsäulen

7.1 Einleitung

Vorliegender Beitrag behandelt die technischen und genehmigungsrecht-

lichen Belange beim Einsatz von sogenannten Bodenmischsäulen zur Ver-

besserung der Baugrundeigenschaften bzw. zur Herstellung eines lastab-

tragenden Elementes im Untergrund.

Aus vorangegangener Erläuterung wird schon ersichtlich, dass Boden-

mischsäulen einerseits zur kompakten Verbesserung des in situ anstehen-

den Baugrundes (auch bezeichnet als Massenstabilisierung) Verwendung

finden können. Dabei werden die Säulen mit Überschnitt angeordnet, so

dass im Ergebnis ein Bodenzementkörper entsteht. Seine Eigenschaften

sind dann so auszulegen, dass die geplanten Gründungslasten – beispiels-

weise von Verkehrswegedämmen oder auch Gebäudegründungen – sicher

abgeleitet werden können.

Eine andere Ausführungsform stellt die Herstellung zylindrischer Boden-

mischkörper – dann die eigentliche Bodenmischsäule – dar. Diese Säule

stellt als Festigkeit entwickelndes Tragglied ein Bauteil bzw. eine Bauart

im Sinne der Landesbauordnungen dar. Entsprechend muss die Planung,

Bemessung und Ausführung entweder Gegenstand technischer Baube-

stimmungen (bauaufsichtlich eingeführte Normen), allgemeiner bauauf-

sichtlicher Zulassungen oder Zustimmungen im Einzelfall sein.

Im weiteren Beitrag werden Bodenmischsäulen im engeren Sinne auch als

Stabilisierungssäulen bezeichnet, die unter Verwendung eines mechani-

schen Rührwerkzeuges, welches um eine vertikale Achse rotiert, ein nasses

oder trockenes, Festigkeit entwickelndes Zugabematerial mit dem anste-

henden Boden vermischen.

Innovationen im Spezialtiefbau

Dies stellt gegenüber den in den aktuell in Arbeit befindlichen Empfeh-

lungen des Arbeitskreises 2.8 „Stabilisierungssäulen“ der DGGT [1] für

„Bodenmischsäulen“ eine zusätzliche Konkretisierung dar. In genanntem

Merkblatt, welches derzeit in erster Entwurfsfassung noch unveröffent-

licht vorliegt, werden neben den mit mechanischem Einmischen herzu-

stellenden Körpern auch Düsenstrahl- oder Verfahren vergleichbar dem

Fräsmischinjektionsverfahren behandelt.

Grundlegende Anforderungen an die geotechnische Bemessung und Aus-

führung sind im Normenhandbuch EC 7-1 (DIN EN 1997, Teil 1:

2009-09, DIN EN 1997-1/NA: 2010-12 in Verbindung mit DIN 1054:

2010-12) zusammengefasst. Hinweise zur Verwendung von Bodenmisch-

verfahren finden sich auch in den Richtlinien der DB AG (RiL 836) sowie

in den Merkblättern der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Ver-

kehrswesen (FGSV). Die für die Herstellung von Bodenmischsäulen rele-

vante Anwendungsnorm ist die DIN EN 14679:2005-07: Ausführung von

besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - tiefreichende Boden-

stabilisierung, die in Deutschland allerdings nicht bauaufsichtlich einge-

führt ist. Wichtige Aspekte zur inneren Standsicherheit von Bodenmisch-

säulen werden in DIN 4093: Bemessung von verfestigten Bodenkörpern –

Hergestellt mit Düsenstrahl-, Deep-Mixing- oder Injektions-Verfahren er-

läutert. Einen sehr guten Überblick über die zur Verfügung stehenden

Technologien und die relevanten Ausführungsparameter stellt Topolnicki

in [2] vor. Weitere Erläuterungen und Anwendungshinweise werden auch

von Sondermann und Kirsch in [3] gegeben.

Nachfolgende Tabelle 1 liefert eine Einordnung der Bodenmischsäulen in

den Kanon der Baugrundverbesserungsmaßnahmen nach [3]. Hiernach

können die Bodenmischsäulen dem dort genannten Einmischverfahren

(MIP-Verfahren) zugeordnet werden.

Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen

Tabelle 1: Methoden der Baugrundverbesserung nach [3].

Im Ergebnis des Einmischverfahrens wird durch mechanisches Einbrin-

gen ohne verdrängende Wirkung eine Bewehrung des anstehenden Bo-

dens erzeugt. Wenn der Lastabtrag über Säulen bzw. Säulengruppen der-

gestalt planerisch vorgesehen ist, dass die überwiegend vertikalen

Beanspruchungen durch den großen Steifigkeitsunterschied zwischen der

Bodenmischsäule und dem umgebenden Boden in die Säule eingeleitet

und beispielsweise durch Aktivierung eines Säulenfußwiderstandes in tie-

ferliegende tragfähige Schichten eingeleitet werden, so sind neben den üb-

lichen qualitätssichernden Kriterien besondere Voraussetzungen für die-

sen Einsatz zu erfüllen, die im vorliegenden Beitrag näher erläutert wer-

den soll.

7.2 Tiefeneinmischverfahren nach europäischer Normung

Die eingangs erwähnte DIN EN 14679 stellt die grundlegenden Erforder-

nisse sowie die Entwurfskriterien für den Einsatz von Bodenmischsäulen

als tiefreichende Bodenstabilisierung zusammen. Dabei wird die tiefrei-

chende Bodenstabilisierung als Verfahren der Anmischung des in situ an-

stehenden Baugrundes durch rotierende mechanische Mischwerkzeuge

definiert. Eine vorhandene horizontale Stützung durch den umgebenden

Boden wird durch die Herstellung nicht aufgelöst. Weiter wird eine Ab-

grenzung zu den oberflächlichen Stabilisierungsverfahren dergestalt vor-

Innovationen im Spezialtiefbau

genommen, dass die Behandlung des Bodens bis in eine Tiefe von mehr

als 3 m vorgenommen wird.

Zur Herstellung der tiefreichenden Bodenstabilisierung existiert eine fast

unbegrenzte Breite unterschiedlichster Mischwerkzeuge und Technolo-

gien. Nachfolgend sollen wesentlich die Verfahren behandelt werden, bei

denen Werkzeuge mit einer sogenannten einaxialen Rotation (vgl.

Bild A.1 der DIN 14679) eingesetzt werden. Durch entsprechende Über-

schneidungsbeträge lassen sich auch mit säulenartigen Körpern beliebige

Geometrien zur Massenstabilisierung ausführen. Für die Einordnung der

Verfahren soll nachfolgend kein wesentlicher Unterschied zwischen dem

Nass- und Trockeneinmischverfahren vorgenommen werden, obwohl die

Vermengung des anstehenden Bodens mit Bindemittel in trockener Form,

das beispielsweise mit Hilfe von Druckluft in den Boden eingebracht und

mit dem anstehenden Boden vermengt wird, bzw. das Einpressen einer

Bindemittelsuspension mit einer ebensolchen Vermengung im Hinblick

auf die zu verwendenden Werkstoffe und Verfahrensparameter durchaus

zu erheblich unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Details zu den

Mischungsverhältnissen und einzusetzenden Bindemittelgemischen kön-

nen beispielsweise der Unterlage [2] entnommen werden.

Im Hinblick auf die Werkzeuge unterscheiden sich Nass- und Trocken-

mischverfahren beispielsweise in der Anzahl der Mischwellen oder auch

der Möglichkeit des Einsatzes durchgehender Bohrschnecken zum Einmi-

schen des dann in der Regel flüssigen Suspensionsgemisches. Insbesonde-

re in Bezug auf die im Rahmen der Herstellung aufzuzeichnenden Verfah-

rensparameter und die Inhalte der zwingend vor Ausführung einer

tiefreichenden Bodenstabilisierung zu erstellenden Verfahrensbeschrei-

bung gibt die DIN EN 14679 wertvolle Hinweise. Vor allem wird die we-

sentliche Verfahrensgröße der sogenannten Flügelumdrehungszahl (auch

Blade Rotation Number) hervorgehoben, die neben dem eigentlichen vo-

lumetrischen Gehalt des Zugabematerials wesentlich die Qualität und

Homogenität sowie daraus resultierend die Festigkeit des Bodenmisch-

körpers bestimmt. Die Flügelumdrehungszahl ergibt sich als Produkt der

Anzahl der Mischflügel des Werkzeuges und der Umdrehungsgeschwin-

Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen

digkeit der Welle in Verbindung mit der zugehörigen Ziehrate. Die Flü-

gelumdrehungszahl nimmt dabei üblicherweise Werte größer 350 an.

7.3 Technische und planerische Anforderungen

Für die Planung von Bodenmischsäulen sind aussagefähige Baugrundun-

tersuchungen gemäß EC 7.2 in Verbindung mit DIN 4020 erforderlich.

Dabei sind insbesondere nachfolgende Parameter als charakteristische

Kenngrößen schichtbezogen und in Homogenbereichen zusammengefasst

zu ermitteln:

γ/γ‘ Wichte – Wichte unter Auftrieb

ϕ‘ Reibungswinkel im dränierten Zustand

c‘ Kohäsion im dränierten Zustand

cu Kohäsion im undränierten Zustand

Darüber hinaus sind Details zur Kornverteilung und ggf. Abrasivität des

Baugrundes erforderlich. Vor allem ist der Anteil organischer Bestandteile

zu spezifizieren, da dieser die Erhärtung des Bodenbindemittelgemisches

maßgeblich beeinflussen kann. Auch sind die chemischen Eigenschaften

und der Angriffsgrad des Grundwassers sowie des Baugrundes anzugeben.

Im Baugrund befindliche Hindernisse aus Bauwerksresten oder Auffül-

lungen oder Steinlagen und Findlinge sind für die Verfahren hinderlich

und entsprechend zu beschreiben. Zu den ebenfalls relevanten physikali-

schen Eigenschaften zählen der natürliche Wassergehalt, die Mineralogie

sowie die Konsistenzgrenzen und Lagerungsdichten. Letztlich sind auch

die Durchlässigkeit und die Verformungseigenschaften relevant.

Neben den oben angegebenen Baugrundeigenschaften ist auch auf eventu-

ell vorhandene quellfähige Böden oder das Vorhandensein von Hohlräu-

men und Klüften sowie auf das Druckniveau des anstehenden Grundwas-

sers (Grundwasserschwankungsbreiten und artesische Drücke) hinzu-

weisen.

Da die Eigenschaften des Bodenbindemittelgemisches nur in ungefährer

Größenordnung auf der Basis des vor Ort anstehenden Bodens abge-

Innovationen im Spezialtiefbau

schätzt werden können, kommt der vorlaufenden und baubegleitenden

Durchführung von Labor- und Feldversuchen eine besondere Bedeutung

zu.

Nachfolgendes Bild 1 ist der DIN 14679 [4] nachempfunden und zeigt

sehr anschaulich das Erfordernis von Anmischversuchen sowie vorlaufen-

den und baubegleitenden Feldversuchen zur Ermittlung des erforderli-

chen Zementgehaltes und der entsprechenden Homogenität der Stabilisie-

rungskörper.

Bild 1: Iterativer Bemessungsprozess einschl. Laborversuchen, funktionaler Feldver-

suche mit Ausführungsplanung nach [4].

Besondere Bedeutung kommt den Versuchen zur Ermittlung der Bemes-

sungsfestigkeit zu, da diese wesentliche Eingangsparameter für die zuge-

hörige Planung darstellen. Die erreichbaren Festigkeiten können im Vor-

Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen

feld an repräsentativen Bodenproben mit entsprechend unterschiedlichem

Bindemittelgehalt im einaxialen Druckversuch ermittelt werden. Die

Auswertung von Versuchsergebnissen zur Ermittlung der Bemessungsfes-

tigkeit erfolgt dabei entsprechend der Vorgaben in DIN 4093: Bemessung

von verfestigten Bodenkörpern – Hergestellt mit Düsenstrahl-, Deep-

Mixing- oder Injektions-Verfahren. Zusätzlich zu den Anmischproben im

Vorfeld soll die Festigkeit baubegleitend durch Versuche an Kernproben

der in situ hergestellten Bodenmischkörper vorgenommen werden. Die

DIN EN 14679 sieht dabei die Entnahme von Kernproben aus den abge-

bundenen Bodenmischkörpern und die entsprechende Bodenvorbereitung

vor. Alternativ kann gemäß DIN auch eine sogenannte Nassgreiferprobe

entnommen werden. Dabei erfolgt die Probennahme durch entsprechen-

des Einführen eines Entnahmegerätes (beispielsweise Hohlzylinder), in

den die flüssige Probe eingefüllt und nach Verschluss die Probe an die Bo-

denoberfläche befördert wird.

Schließlich stellt die Säulenfreilegung die grundsätzlichste und durch die

Möglichkeit der visuellen Begutachtung auch unmittelbarste Überprüfung

der Qualität der Bodenmischsäulen dar.

Im Rahmen der Planung ist besonderes Augenmerk auf die Einleitung der

Lasten in die Säulen (Erfordernis von Bettungspolstern) sowie auf die

Nachweise der inneren Standsicherheit und der äußeren Tragfähigkeit

gemäß DIN 1054 (Grenzzustand der Tragfähigkeit ULS sowie Grenzzu-

stand der Gebrauchstauglichkeit SLS (Setzungs- und Verformungsnach-

weis)) zu legen. Üblicherweise können für die Nachweise der äußeren

Standsicherheit Überlegungen bezüglich des maximal übertragbaren Säu-

lenfußwiderstandes vorgenommen werden. Die Tragfähigkeits- und Ver-

formungseigenschaften im Hinblick auf die äußere Standsicherheit müs-

sen schlussendlich jedoch auf der Basis von Probebelastungen auf dem

Baufeld oder an vergleichbaren Baumaßnahmen abgesichert werden. Für

die innere Standsicherheit ist ein Spannungsnachweis zu führen. Die zu-

gehörigen Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen sind entspre-

chend DIN 1054 anzusetzen. Der materialseitige Teilsicherheitsbeiwert

Innovationen im Spezialtiefbau

wird in DIN 4093 zu γm = 1,5 (für BS-P und BS-T) festgelegt

(vgl. auch [1]).

7.4 Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen

Im Hinblick auf die Geometrien der mit Bodenmischsäulen zu erstellen-

den Verfestigungskörper gibt es kaum Restriktionen. So sind von Einzel-

säulen und Säulengruppen bis hin zu Verfestigungskörpern als Massen-

stabilisierung auch Zwischengeometrien zu finden. Häufig finden

wabenartig angeordnete Säulenreihen Verwendung, die insbesondere im

Fall einer Verflüssigungsprävention zu guten Ergebnissen im Hinblick auf

das Kosten-Nutzen-Verhältnis geführt haben.

Neben dem vertikalen Lastabtrag werden Bodenmischsäulen auch zur

Stabilisierung des Baugrundes unterhalb von Böschungen und Dämmen

eingesetzt. Dabei kommt der Festigkeitsentwicklung und dem Lastabtrag

eine besondere Bedeutung zu. In [5] hat Kivelö unterschiedlichste Bruch-

mechanismen von Bodenmischsäulen im Geländebruchnachweis unter-

sucht. Eine Detaillierung dieses Nachweisformates ist beispielsweise in [6]

zu finden. Im aktuellen Entwurf des Merkblattes des Arbeitskreises 2.8

wird den erreichbaren Verbesserungen im Geländebruchnachweis durch

den Einsatz von Stabilisierungssäulen besonderes Augenmerk geschenkt.

Hierzu sind in naher Zukunft weitere Erkenntnisse zu erwarten.

Ihre Grenzen finden die hier diskutierten Verfahren in Böden hoher Fes-

tigkeit und bei Vorhandensein von Steinen, Auffüllungsresten oder Find-

lingen, die die kontinuierliche Vermengung des anstehenden Bodens mit

dem Bindemittelgemisch verhindern können. Weiterhin sollte bedacht

werden, dass die Bodenmischsäulen im abgebundenen Zustand nicht in

der Lage sind nennenswerte Zugspannungen zu übertragen. So sind ex-

zentrische Belastungen auf ein Mindestmaß zu beschränken und Seiten-

drücke, beispielsweise aus Baustellenverkehr, zu vermeiden. Weiterhin

können Hebungen des Baugrundes (quellfähige Böden oder verdrängende

Verfahren im Umfeld) zu Säulenabrissen führen, die die Gebrauchstaug-

lichkeit der Bodenmischsäulen im Endzustand beeinträchtigen. Mit zu-

Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen

nehmendem Anteil organischer Bestandteile sinken die erreichbaren Fes-

tigkeiten erheblich ab und die erforderliche Menge an Zugabematerial

steigt, so dass es schließlich zu einer unwirtschaftlichen Lösung führen

kann. Geringe pH-Werte und hohe organische Anteile stellen grundsätz-

lich ungünstige Randbedingungen für den Einsatz des Tiefeneinmischver-

fahrens dar.

7.5 Anforderungen an die qualitätsgesicherte Ausführung

Im Vorfeld der Ausführung ist eine detaillierte Verfahrensbeschreibung

der Technologie zur Erzeugung der Bodenmischsäulen zu erstellen. Auf-

grund der eingangs beschriebenen Vielfalt der vorhandenen Technologien

muss die Verfahrensanweisung hier umfassende Informationen enthalten.

Dabei sind neben den Zielen der Stabilisierungsmaßnahme und den ent-

sprechenden Beschreibungen des anstehenden Bodens vor allem die Ar-

beitsvorgänge (Bohren, Ziehen und Mischen) sowie die Ausführungsrei-

henfolge, die verwendeten Mischwerkzeuge und die zugehörigen

Toleranzen sowie sämtliche Parameter der Stabilisierung (Bindemittelart

und Zusammensetzung, Bindemittelgehalt/Bindemittelfaktor, Volumen-

verhältnis, Wasserbindemittelverhältnis, Zusatzmittel, Füller etc.) anzuge-

ben. Darüber hinaus ist ein QS-Plan zu erstellen, in dem die vorlaufenden

und baubegleitenden Messungen und Aufzeichnungen im Hinblick auf

die Art der Aufzeichnung und die Aufzeichnungsintensität festgelegt wer-

den. Dazu zählen u. a.:

1. die relevanten Ausführungsparameter: Datum und Dauer der Ausfüh-

rung, Säulenbezeichnung, Form der Mischwelle und des Werkzeugs,

Abbohr- und Ziehrate (mm/Umdrehung) bzw. Geschwindigkeit

(m/min), Umdrehgeschwindigkeit (Umdrehungen/Minute während

des Abbohrens und Ziehens), Bindemittelart und -zusammensetzung,

Wasser-/Bindemittelverhältnis, Ausführungstoleranzen (Vertikalität,

Durchmesser, Ansatzpunkt), Reihenfolge und Zeitablauf, Ober- und

Unterkante);

2. der Suspensionsverbrauch;

Innovationen im Spezialtiefbau

3. die Beschreibung und Pläne von Probefeldern inkl. der unterschiedli-

chen Herstellparameter;

4. die Probenentnahme aus Probesäulen mittels Kernbohrung oder

Linerentnahme;

5. die Festigkeiten sind über Druckfestigkeitsprüfungen (Kerne - Probe-

säulen) gem. DIN 4093 zu bestimmen, ggf. sind Kriechversuche vor-

zusehen;

6. die Angabe, in welchen Tiefen die Rückstellproben zur Druckfestig-

keitsprüfung entnommen werden;

7. produktionsbegleitende Kontrollprüfungen (Suspensionsdichte,

Druckfestigkeiten, Suspensionsverbrauch);

8. die Beschreibung eines evtl. Kappvorganges und überlagernder Pols-

terschichten inkl. deren Einbaus.

7.6 Genehmigungsrechtliche Randbedingungen

Wie eingangs erwähnt, stellt die Anordnung von Bodenmischsäulen als

Einzelsäulen im Allgemeinen ein Tragglied gemäß der Landesbauordnung

dar und bedarf daher einer Ausführung entsprechend einer allgemeinen

bauaufsichtlichen Zulassung oder einer bauaufsichtlich eingeführten

Norm. Sind diese nicht vorhanden, so muss im Allgemeinen eine Zu-

stimmung im Einzelfall erwirkt werden. Lediglich beim Einsatz des Tie-

feneinmischverfahrens als Baugrundverbesserung kann auf eine Zulas-

sung oder Zustimmung im Einzelfall in Ausnahmefällen verzichtet

werden, wenn das Einzeltragglied nicht für den konzentrierten Lastabtrag

herangezogen wird.

Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass für eine projektspezifische Zu-

stimmung im Einzelfall und für das Erwirken einer allgemeinen bauauf-

sichtlichen Zulassung vergleichbare Anforderungen gestellt werden. So

sind vor allen Dingen die Anforderungen der DIN 14679 zu erfüllen. In

Eignungsversuchen müssen die mit dem jeweils zum Einsatz vorgesehe-

nen Mischwerkzeug erzielbaren Homogenisierungsgrade und in Abhän-

gigkeit vom Zugabematerial die erzielbaren Festigkeiten detailliert unter-

Genehmigungs- und Zulassungsvoraussetzungen von Bodenmischsäulen

sucht werden. Dabei müssen die Baugrundeigenschaften bekannt und die

für die Verwendung vorgesehenen Bindemittelgemische qualitätsgesichert

hergestellt und in entsprechenden Eignungsprüfungen untersucht sein.

Die Eigenschaften der fertiggestellten Säule sind durch Probebelastungen

und Säulenfreilegungen nachzuweisen und Vorgaben zur qualitätsgesi-

cherten Herstellung sind zu beschreiben. Durch baubegleitende Prüfung

und kontinuierliche Aufzeichnungen sind die im Rahmen der Vorversu-

che zu ermittelnden Festigkeiten dann produktionsbegleitend zu überprü-

fen und zu bestätigen.

Sind all diese Randbedingungen erfüllt, so kann aus Sicht der Verfasser

eine vorhabenbezogene Zustimmung im Einzelfall erwirkt werden. Durch

exemplarische Nachweise in unterschiedlichen Baugrundverhältnissen

kann bei entsprechender Dokumentationstiefe auch ein Antrag auf allge-

meine bauaufsichtliche Zulassung beim Deutschen Institut für Bautechnik

gestellt werden. Hierzu gibt es bereits Zulassungen vergleichbarer Verfah-

ren (siehe auch [7]).

Grundsätzlich ist im Rahmen eines Zulassungsverfahrens anzustreben, die

geplante Bandbreite der Bodeneigenschaften auch abzudecken, d.h. von

grobkörnigen (Kies) bis hin zu stark bindigen (Ton) Böden Nachweise der

oben beschriebenen Art zu erbringen. Wenn die erreichten Festigkeiten

gering sind, müssen neben einaxialen Druckversuchen auch Kriechversu-

che zum Nachweis der Langzeitstabilität durchgeführt werden. Neben der

Bandbreite des Baugrundes ist auch die anzustrebende Geometrie (Säulen-

länge) in den Eignungsversuchen zur Zulassung nachzuweisen.

7.7 Ausführungsbeispiele

7.7.1 Beispiel einer Baugrundverbesserung im Sand

Auf einem innerstädtischen Grundstück in Oranienburg war der Neubau

eines 5-geschossigen, nicht unterkellerten Mehrzweckgebäudes auf einer

Grundrissfläche von ca. 46 x 12 m geplant.

Der unterhalb einer sandigen Auffüllung anstehende Sand liegt zunächst

in einer lockeren bis im unteren Wertebereich mitteldichten Lagerung an.