Diplomarbeit. Erstellung eines Baugrundgutachtens für einen vorgegebenen Standort. Vorgelegt am: 5. September 2008

Transkript

1 Erstellung eines Baugrundgutachtens für einen vorgegebenen Standort Vorgelegt am: 5. September 2008 Von: Muldenweg Großbothen OT Sermuth Studienrichtung: Bauingenieurwesen Seminargruppe: BI 05 Matrikelnummer: Praxispartner: Terraform Planungsgesellschaft mbh Im Winkel Schkortitz Praxisgutachter/ Betreuer: Theoriegutachter: Herr Dipl.-Ing. (BA) Frank Tautz Herr Dr.-Ing. Ralf Wagner

2

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis...III Tabellenverzeichnis...IV Abkürzungsverzeichnis...V 1 Einführung Problemstellung Aufbau der Arbeit Theoretische Grundlagen Das Baugrundgutachten Anforderungen von Windkraftanlagen an die Gründung Standortuntersuchung Verlauf der Untersuchungen Beschreibung des Standortes Methoden der Standortuntersuchung Schwere Rammsondierung Bohrsondierung Auswertung der gewonnenen Bodenproben Feldversuche Laborversuche Bestimmen der Zustandsgrenzen Bestimmen der Korngrößenverteilung Wassereinfluss am Standort Bestimmung der hydrologischen Situation Wasserprobe - notwendige Expositionsklasse...38 I

4 6 Datenauswertung Darstellung der Untersuchungsergebnisse Fazit Gründungsempfehlung Schlussbetrachtung...49 Anhangsverzeichnis....VI Literaturverzeichnis......XXII II

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: Abbildung 4: Abbildung 5: Abbildung 6: Abbildung 7: Abbildung 8: Abbildung 9: Abbildung 10: Windkraftanlage Draufsicht Schal- und Rammplan Felduntersuchung, schwere Rammsondierung Felduntersuchung, Bohrsondierung..13 Hohlgestänge mit Bohrkern. 14 Fließgrenzengerät nach A. Casagrande Füllung in Schale des Fließgrenzengerätes Siebgerät mit Aufsätzen Aräometer Herstellung Franki-Pfahl mit Kiesvorverdichtung III

6 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Tabelle 2: Tabelle 3: Tabelle 4: Tabelle 5: Tabelle 6: Tabelle 7: Tabelle 8: Belastungen der Stahlbetonrammpfähle....7 E Modul von bindigen und nichtbindigen Böden Versuchsergebnisse zur Fließgrenzenermittlung Benennung der verschiedenen Korngrößengruppen Auswertung Kornverteilung Wasserdurchlässigkeit der Bodenarten Vergleich des Steife-Moduls Berechnungskennwerte IV

7 Abkürzungsverzeichnis E-Modul Elastizitätsmodul E stat. E dyn. MW NH LF GOK TL SW statisches Elastizitätsmodul dynamisches Elastizitätsmodul Megawatt Nabenhöhe Fastfall Geländeoberkante Ton, leichtplastisch Sand, weitgestuft OH organischer Boden mit humosen Anteil V

8 1 Einführung 1.1 Problemstellung In der nachfolgenden wird ein Baugrundgutachten zu einem geplanten Neubau einer Windkraftanlage erstellt. Diese Arbeit entstand begleitend zum 6. Praxissemester in der Fachrichtung Bauingenieurwesen der Staatlichen Studienakademie Glauchau. In Abstimmung mit der Studienakademie und der studienbegleitenden Firma Terraform Planungsgesellschaft mbh wurde ein Thema festgelegt, welches in den Lehrbereich Erd- und Grundbau eingeordnet werden kann. Die Marktanteile der zur Stromerzeugung verwendeten regenerativen Energieträger steigen ständig. Grund dafür sind die massiven Umweltbelastungen durch die Verbrennung und den Abbau von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas. Diese Anteilssteigerung der erneuerbaren Energien geschieht jedoch nicht nur um die Umwelt zu entlasten, vielmehr ist diese Entwicklung auch notwendig, da die Verfügbarkeit der besagten Brennstoffe auf die nächsten Jahrzehnte begrenzt ist. Auf der Suche nach Lösungen, hat sich neben der Energiegewinnung aus Sonne und Wasser, vor Allem die Verstromung der Windenergie wegen ihrer hohen Effizienz etabliert. Bereits 2004 hatte sie mit den Anteilen des durch sie erzeugten Stromes die Wasserkraft überholt und ist seit dem Marktführer unter den regenerativen Energieträgern betrugen die Gesamtanteile der umweltfreundlichen Energieträger zwölf Prozent, woran die Windkraft mit steigender Tendenz einen Anteil von 43 Prozent hatte 1. Möglich wurde dies durch die hohen Nennleistungen von mehreren Megawatt, die eine moderne Windkraftanlage erzielt. Eine solche Effektivität kann nur durch erhebliche bauliche Abmaße erreicht werden. So sind Rotordurchmesser von 80 m und Nabenhöhen von 100 m keine Seltenheit mehr. 1 Vgl. [VDE07] 1

9 Um Bauwerke mit diesen Ausmaßen errichten zu können, verlangt es eine aufwendige und qualitativ hochwertige statische Berechnung sowie die Auswahl und Kontrolle des verwendbaren Materials. Abbildung 1: Windkraftanlage Derartige Sonderbauwerke sind sowohl wegen ihrer extremen Höhe, als auch auf Grund ihrer dynamischen Beanspruchung in die geotechnische Kategorie drei einzustufen. Diese schreibt zwingend eine Haupterkundung des Baugrundes vor, bei der dieser entsprechend umfangreich untersucht und in einem Gutachten schriftlich ausgewertet werden muss. Für den Standort, welcher in dieser Arbeit untersucht werden soll, ist eine Windkraftanlage der Firma Vestas Deutschland GmbH vorgesehen. Deren typengeprüfte Anlagen unterscheiden sich neben dem Rotordurchmesser, Nabenhöhe und Nennleistung auch in zwei wesentlichen Fundamentarten. Einerseits die Flachgründung, die je nach Notwendigkeit mit oder ohne Bodenverbesserung errichtet wird, andererseits die Tiefgründung mit ihren verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten. 2

10 Der anstehende Kleiboden am zu untersuchenden Standort ist, wie nachfolgend in der Arbeit erläutert, nicht tragfähig. Für derartige Baugrundbedingungen werden Tiefgründungen verwendet, bei denen die Lastabtragung nur über die Pfähle und nicht über die Fundamentsohle erfolgt. Die Möglichkeit eine Flachgründung mit einer Grundfläche von 13,20 x 13,20 m auf einer Bodenverbesserung zu errichten, wird vom Auftraggeber aus folgenden zwei Gründen nicht berücksichtigt. Sowohl die Werte für die Eck- und Kantenpressung (200 KN/m²), wie auch die geforderten E-Module (E stat 45 MN/m², E dyn 180 MN/m²), welche die Vestas Deutschland GmbH in ihrer statischen Berechnung zu dieser Anlage ermittelt hat, werden vom anstehenden Kleiboden um ein Vielfaches unterschritten. Der erste Grund ist somit der deutlich zu hohe finanzielle Aufwand, das in Größenordnungen benötigte Bodenaustauschmaterial in die Region des Marschlandes zu transportieren und einzubauen. Die zweite mögliche und materialsparende Variante ist die Flachgründung auf Rüttelstopfsäulen. Am besagten Standort kann jedoch auch diese Variante nicht betrachtet werden, weil das zu geringe Steife Modul des vorhandenen Baugrundes nicht genügend Seitenhalt bietet. Auf Grund dieser Tatsachen und den Erfahrungen, die der Auftraggeber mit bereits errichteten Windkraftanlagen im Marschland sammeln konnte, steht nur eine Tiefgründungsvariante zur Diskussion. Ziel der vorliegenden ist es, für eine derartige Gründungslösung grundlegende Untersuchungen für das Baugrundgutachten zu erarbeiten. Des Weiteren soll anhand der mitgelieferten statischen Berechnungen der besagten Windkraftanlage und des Schal- und Rammplanes von dem Fundament mit Pfahlgründung geprüft werden, ob die vom Auftraggeber vorgegebene Ausführung möglich ist. 1.2 Aufbau der Arbeit Der erste Teil der befasst sich mit den theoretischen Grundlagen, welche zum Verständnis dieser Arbeit erforderlich sind. So wird einerseits der Begriff Baugrundgutachten erläutert, andererseits werden die Gründungsanforderungen einer solchen Windkraftanlage aufgezeigt und in Zahlen niedergelegt. 3

11 Der praktische Teil der Arbeit beginnt mit der Standortuntersuchung. Hier wird der Leser zunächst über die Randbedingungen der nachfolgenden Felduntersuchungen informiert. Im Anschluss daran erfolgt die erläuternde Beschreibung, der durchgeführten schweren Rammsondierung sowie der Bohrsondierung. Die Auswertung der gewonnenen Bohrkerne ist der Schwerpunkt des vierten Kapitels. Um den Boden zu beschreiben und klassifizieren zu können, erfolgen im direkten Anschluss an die Probenentnahme die Feldversuche nach DIN Die Schichtproben die hier nicht eindeutig klassifiziert werden können, durchlaufen wie nachfolgend beschrieben eine aufwendige Laboruntersuchung, bei der die Ergebnisqualität entsprechend gesteigert wird. Um im nächsten Schritt den Einfluss des Wassers am geplanten Standort zu erfassen, war sowohl die Entnahme einer Wasserprobe, wie die Ermittlung der Höhe des anstehenden Grundwasserspiegels notwendig. Unter Berücksichtigung der Untersuchungsergebnisse wurde eine Empfehlung mit dem Umgang der ermittelten Wassersituation erarbeitet. Bevor alle Erkenntnisse und Empfehlungen in das exemplarische Baugrundgutachten, welches sich als beispielhafte Darstellung im Anhang 1 der befindet, zusammen getragen werden, wird im sechsten Kapitel eine Auswertung der gesammelten Daten vorgenommen. Zu Beginn werden die Untersuchungsergebnisse dargestellt, um zu prüfen, ob die vom Auftraggeber vorgegebene Gründungsvariante hergestellt werden kann. Wenn es sich hierbei als notwendig erweist, wird in einer Gründungsempfehlung ein Lösungs- bzw. Verbesserungsvorschlag erarbeitet, der im Bezug auf die Gründungsart vor allem die Ausführbarkeit und Verträglichkeit mit dem Bauwerkssystem betrachtet. 4

12 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Das Baugrundgutachten In der Studienarbeit, welche zur Ausarbeitung der theoretischen Grundlagen dieser vorangegangen war, wurde das Baugrundgutachten wie folgt erläutert. Das Baugrundgutachten ist ein geotechnischer Bericht, welcher die Beschreibung des Bodens und die Ermittlung der bodenmechanischen Kennwerte beinhaltet. Diese sachverständige Stellungnahme ist mit den dazugehörigen Feld- und Laboruntersuchungen auf eine geplante Baumaßnahme abgestimmt. Ziel des Baugrundgutachtens ist es, für die Ausführung aller mit dem Baugrund zusammenhängenden Arbeiten und Vorgänge geotechnische Hinweise zu liefern. Feststellungen, Untersuchungsergebnisse und Hinweise, die dem Ziel nicht dienen, gehören nicht in das Baugrundgutachten hinein und können allenfalls als Anlage beigefügt werden um so die Übersichtlichkeit zu wahren. Die enthaltenen Hinweise können hinreichen bis zu konkreten Gründungsvorschlägen, bei denen sowohl die bodenmechanischen und chemischen Untersuchungen wie auch die Technik der Bauausführung berücksichtigt werden. Es muss von einem geotechnischen Sachverständigen oder bei größeren Projekten von einem Team aus Geologen und Bauingenieuren bearbeitet werden, die Kenntnisse in den erforderlichen Bereichen (wie z.b. Geologie, Hydrologie, Erdbau, Spezialtiefbau) besitzen Anforderungen von Windkraftanlagen an die Gründung Bei der vorgesehenen Windkraftanlage handelt es sich um eine V80 2,0 MW, NH 60 m. Diese Anlagenbezeichnung beinhaltet den Rotordurchmesser von 80 m, die Nennleistung der Anlage mit 2,0 Megawatt und die Nabenhöhe von 60 m. 2 [SCH08], S.5 5

13 Wie in der Problemstellung bereits erläutert, muss die Windkraftanlage wegen dem anstehenden nichttragfähigen Kleiboden als Tiefgründung errichtet werden. In der nachfolgenden Abbildung ist zu erkennen, dass die vom Auftraggeber vorgeschlagene und in der Arbeit zu untersuchende Tiefgründungsvariante aus einem Kreuzbalkenfundament besteht. Ein Balken ist 5,00 m breit und 13,00 m lang. Im mittleren Fundamentbereich, wo sich die beiden Balken kreuzen, wird die untere Sektion des Stahlrohrturmes einbetoniert. An ihrer Außenkante beträgt die Betonhöhe 2,40 m und fällt gleichmäßig auf 1,60 m zur Fundamentaußenkante ab. Abbildung 2: Draufsicht Schal- und Rammplan 3 Sowohl aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen wird eine durchgängige Betonage des Fundamentes angestrebt. 3 [FRR07] 6

14 Auf Grund der hohen Belastung von 62,00 KN/m², die der Frischbeton und die darin liegende Bewehrung auf den Baugrund bewirken, muss der Bodengutachter prüfen, ob die Herstellung mit einer durchgehenden Betonage möglich ist. Ein Fundament dieser Art hat jeweils am äußeren Ende der vier Balken eine Pfahlgruppe mit vier ins Fundament eingebundenen Stahlbetonrammpfählen. In der nachfolgenden Tabelle sind die Belastungen pro Pfahl für den jeweiligen Lastfall angegeben. Druck (KN) ZUG (KN) ץ Extrem E Exklusiv Extrem E Inklusiv LF klaffende Fuge Kein Zug Exklusiv Betriebszustand Exklusiv Tabelle 1: Belastung der Stahlbetonrammpfähle 4 Hier zeigt sich, dass sich der für den Nachweis relevante Extremfall E 2.1 deutlich von den entstehenden Kräften im normalen Betriebszustand abhebt. Diese Werte begründen sich mit dem in Betracht gezogenen Versagen der Sicherheitsvorkehrungen der Windkraftanlage, wie zum Beispiel das automatische Drehen aus der Windrichtung bei zu hoher Windgeschwindigkeit. Alle weiteren Informationen zum Fundament, welche für das zu erstellende Baugrundgutachten von Bedeutung sind, erhält der Gutachter aus der statischen Berechnung für das Fundament der oben genannten Windkraftanlage sowie dessen Schal- und Rammplan, welcher sich als Kopie im Anhang 8 dieser Arbeit befindet. 4 Vgl. [FRR07] 7

15 3 Standortuntersuchung 3.1 Verlauf der Untersuchungen Eine Standortuntersuchung, nach DIN auch Felduntersuchung genannt, beginnt zunächst mit der örtlichen Beschreibung, sowie mit Angaben zur Lage des vorgesehenen Gründungsortes. Hierzu werden gesammelte Informationen aus Kartenmaterial ebenso betrachtet, wie die visuelle Einschätzung des Gutachters vor Ort. Danach erfolgt der Aufschluss des Bodens mit der schweren Rammsondierung. Wie durch die Erkenntnisse von benachbarten Projekten bereits vermutet, verrieten ihre Messergebnisse sofort das schlechte Tragverhalten des vorhandenen Bodens und zeigten die Notwendigkeit einer Pfahlgründung auf. Zur Bemessung einer solchen Pfahlgründung und für die Ermittlung der Pfahllänge ist es erforderlich, den aufnehmbaren Pfahlspitzendruck und die vorhandene Mantelreibung des Bodens zu ermitteln. Diese Werte werden bei einer Drucksondierung elektronisch gemessen. Für die Durchführung der Drucksondierung standen die technischen Mittel leider nicht zur Verfügung, so dass hierfür eine Fremdbeauftragung erfolgte. Das zugeordnete Messprotokoll befindet sich im Anhang 7 dieser Arbeit. Im Anschluss an die schwere Rammsondierung, wurden per Bohrsondierung Bohrkerne gezogen, um den am Standort vorhandenen Boden Schicht für Schicht zu klassifizieren. Die Aufschluss- und Entnahmeverfahren sind in der DIN 4020 geregelt. Um eine qualitativ hochwertige Bewertung eines Bodenprofils zu bekommen, führt man diesen direkten Aufschluss im Abstand von etwa 50 cm zu der Stelle durch, wo zuvor bereits die Rammsondierung durchgeführt wurde. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, in der nachfolgenden graphischen Auswertung die Aufschlussprofile der beiden Sondierungsformen nebeneinander abzubilden. Somit kann parallel eine Aussage über die Bodenklassifikation und auch zur Lagerungsdichte der einzelnen Schichten getroffen werden. 8

16 Windkraftanlagen sind wegen ihrer extremen Höhe und ihrer dynamische Belastung als Sonderbauwerke definiert. Die DIN 4020 empfiehlt für Sonderbauwerke zwei bis vier direkte Aufschlüsse pro Fundament. Von dieser Empfehlung wurde am untersuchten Standort abgewichen. Es wurde nur ein direkter Aufschluss durchgeführt, da sowohl die für die Region zutreffende geologische Karte als auch die Untersuchungen an benachbarten Standorten einen gleichen Schichtenaufbau bestätigen. Die Tiefe des Baugrundes, welche von der Lastabtragung der Windkraftanlage beeinflusst wird, ist gleichermaßen die Mindestanforderung an die Aufschlusstiefe. Durch den am Standort anstehenden Kleiboden, bis etwa 16 m unter GOK, muss die Aufschlusstiefe so gewählt werden, dass alle anderen Mindestanforderungen nach DIN überschritten werden. Anschließend erfolgte eine Auswertung der gewonnenen Bodenproben durch Feld- und Laboruntersuchungen. 3.2 Beschreibung des Standortes Der geplante Standort liegt in Niedersachsen, ca. 30 km südöstlich von Cuxhaven und befindet sich auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche. Das ebene Gelände ist von einem System aus Wassergräben und niedrigen Dämmen durchzogen. In der Nähe befindet sich die Ortschaft Bülkau, nach der das Projekt als Windpark Bülkau bezeichnet wird. Die genaue Lage des Anlagenmittelpunktes wird durch Koordinaten des Gauß Krüger Systems beschrieben. Diese werden zu Beginn der Standortuntersuchung von einem GPS Empfängergerät ermittelt. Als problematisch erweist sich die eingeschränkte Zugängigkeit des künftigen Baugeländes, das zu Beginn der Erkundungsmaßnahmen noch landwirtschaftlich genutzt wird und verkehrstechnisch noch nicht erschlossen ist. 9

17 Auf der geologischen Karte 5 ist zu erkennen, dass es sich in dieser Region um ehemaliges Marschgebiet der Nordsee handelt und die anstehenden Schichten in das Zeitalter des Holozäns einzustufen sind. 3.3 Methoden der Standortuntersuchung Schwere Rammsondierung Die Felduntersuchung beginnt mit der schweren Rammsondierung. Der Widerstand des Bodens gegenüber einer dynamisch eindringenden Sondenspitze gibt eine Aussage über die Lagerungsdichte der vorhandenen Erdstoffe woraus deren Verformungseigenschaften resultieren. Windkraftanlagen bringen eine große Lasteintragung auf die Gründungsfläche mit sich, so dass diese nicht selten über eine Pfahlgründung in tiefer gelegene, dichter gelagerte Schichten abgeleitet werden muss. Die Tiefe dieser Schichten kann ebenfalls durch die Rammsondierung ermittelt werden, wonach dann auch die Pfahllänge bestimmt werden kann. Aber auch für die Gründung ungeeigneter, sehr locker gelagerter, hohlraumreicher oder ver- und aufgefüllter Baugrund kann erkannt werden. Bei der Rammsondierung wird eine in ihren Abmaßen genau definierte Sondenspitze mit aufgeschraubten Gestänge durch einen herabfallenden Rammbären in den Baugrund vorgetrieben. Die Fallhöhe und das Gewicht des Rammbären sind je nach ausgewähltem Verfahren verschieden groß. Nach EN ISO gibt es 4 verschiedene Größenordnungen, die sich in der verrichteten Arbeit (m x g x h / A) je Schlag unterscheiden. Bei der kleinsten Variante, der leichten Rammsondierung, treibt ein 10 kg schwerer Rammbär eine Sondenspitze mit einer Querschnittsfläche von 10 cm² in den Boden. Das System der größten Variante, die superschwere Rammsondierung, besitzt einen Rammbären von 63,5 Kg und eine Querschnittsfläche der Sondenspitze von 16 cm². Welche der vier Varianten ausgeführt wird, ist abhängig vom vermutlich anzutreffenden Boden und der zu untersuchenden Tiefe. 5 Vgl. [BUN80] 10

18 Des Weiteren ist Aufwand und Nutzen gegenüberzustellen, weil mit zunehmender Größenordnung der finanzielle und der logistische Aufwand steigen. Abbildung 3: Felduntersuchung, schwere Rammsondierung Wie auf der Abbildung 3 zu sehen ist, wurde hier die schwere Rammsondierung angewandt. Der Rammbär hat in diesem Fall ein Gewicht von 50 kg und eine Fallhöhe von 50 cm. Die Querschnittsfläche der Sondenspitze beträgt 16 cm². Um mit den Arbeiten beginnen zu können, musste zunächst ein Dreibock mit einem Seilzug über der zu untersuchenden Stelle errichtet werden. Die Übersetzung des Seilzugs und eine spezielle Anhängevorrichtung ermöglichen es, sowohl den Rammbär als auch die dazugehörige Hebemechanik auf ca. 1,5 m anzuheben und senkrecht über der Einschlagstelle auszurichten. Die Sonde wird nun auf die erste Stange aufgeschraubt, an der Einschlagstelle senkrecht auf den Boden aufgesetzt und seitlich gehalten. Anschließend wird die darüber hängende Mechanik herabgelassen und mit dem nach oben ragenden Stangenende fest verschraubt. 11

19 Der mitgeführte Kompressor wird an die Hebemechanik des Rammbären angeschlossen. Der Luftdruck befördert das Gewicht 50 cm nach oben, wo ein Luftauslassventil dafür sorgt, dass der Rammbär mit einem minimalem Widerstand auf den darunter liegenden Rammkopf herunter fällt. Dieser ist mit einem Polster überzogen, um Beschädigungen der Versuchseinrichtung zu minimieren. Die Kompressorleistung muss so gewählt werden, dass pro Minute zwischen 15 und 30 Schläge erfolgen. Die Länge der Stangen beträgt jeweils 1,00 m. Wenn die erste Stange versenkt ist, wird der Vorgang gestoppt. Die Mechanik am oberen Ende der versenkten Stange wird gelöst und zusammen mit dem Rammbär per Seilzug angehoben um die nächste Stange aufzuschrauben. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. Das gesamte aufgeschraubte Gestänge besitzt eine Skalierung, an welcher die Eindringtiefe ablesbar ist. Die Lagerungsdichte ist als die Schlagzahl definiert, die erforderlich ist, um die Sonde bis zu einer festgelegten Eindringtiefe zu rammen. Bei der leichten, mittleren und schweren Variante muss aller 10 cm abgelesen werden, bei der superschweren Variante aller 10 oder 20 cm. Die Schlaganzahl sollte nach DIN bei der schweren Rammsondierung zwischen 3 und 50 pro 10 cm Eindringtiefe liegen. Bei der schweren Rammsondierung ist die gesuchte Lagerungsdichte der nichtbindigen Böden bis 10 Schläge pro 10 cm Eindringtiefe als locker definiert, darüber als mitteldicht 6. Für bindige Böden ist die schwere Rammsondierung nicht relevant, weil hierfür, wie später noch erläutert wird, die Konsistenz maßgebend Einfluss nimmt. Ist eine Tiefe erreicht, bei der der Höchstwert um das doppelte oder der Höchstwert für 1,00 m Eindringtiefe ständig überschritten wird, darf der Versuch beendet werden. Obwohl diese Werte am untersuchten Standort nicht erreicht wurden, endete die Untersuchung in einer Tiefe von 20 m, da der Einfluss der Mantelreibung die Messwerte hier zu stark beeinflusst hätte. Ein entsprechendes Messprotokoll zu dieser durchgeführten Rammsondierung befindet sich im Anhang 2 dieser Arbeit. 6 Vgl. [DIM07],S

20 3.3.2 Bohrsondierung Abbildung 4: Felduntersuchung, Bohrsondierung Die für das rammende Bohrverfahren notwendige Gerätschaft ist im oberen Bild dargestellt. Zu Beginn wird ein 6 cm breites und 1 m langes Hohlgestänge auf die zu untersuchende Stelle senkrecht aufgesetzt und seitlich gehalten. Ein Rammkopf wird auf das obere Ende des Gestänges aufgeschraubt. Auf das Sechs-Kanten-Profil des Rammkopfes wird die, im Bild links dargestellte, mit einem Verbrennungsmotor ausgestattete, Ramme aufgesetzt. Über diese stabile Steckverbindung werden anschließend die von der Ramme erzeugten Schläge auf das Hohlgestänge übertragen, welches dadurch in den Boden getrieben wird. Der Vorgang wird gestoppt, wenn diese Stange versenkt ist. Die etwa 25 kg schwere Ramme wird zwischenzeitlich auf einen speziellen Ständer abgestellt. Um diese erste Stange wieder hoch zu befördern, muss eine Behelfsstange aufgeschraubt werden, die von einer hydraulischen Hebevorrichtung gegriffen und nach oben gezogen wird. 13

21 Die keilförmige Öffnung am unteren Stangenende ist mit einer umlaufenden scharfkantigen Schneide ausgestattet. Das zusätzliche Volumen der Wandung des Hohlgestänges sorgt für eine Verdichtung des darin befindlichen Erdstoffes, so dass dieser beim Herausziehen im Gestänge stecken bleibt, wie in der nachfolgenden Abbildung zu erkennen ist. Abbildung 5: Hohlgestänge mit Bohrkern In das entstandene Loch wird nun eine schmalere 4 cm breite und 2 m lange Stange eingesetzt. Auch sie wird seitlich gehalten und durch aufsetzten von Rammkopf und Ramme versenkt. Im Anschluss wird die nächste Stange mit den gleichen Abmaßen aufgeschraubt und versenkt. Dieser Vorgang wiederholt sich solange bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. Dann wird erneut die Behelfstange aufgeschraubt und die hydraulische Hebevorrichtung beginnt ihre Arbeit. Mit einem Spatel werden die Proben aus dem Hohlgestänge entnommen und anschließend ausgewertet. 14

22 Bei dem untersuchten Standort zeigten die Schlagzahlen der schweren Rammsondierung in einer Tiefe von 16,50 m eine deutliche Steigerung pro 10 cm Eindringtiefe. Durch diese Erkenntnis und die Erfahrungswerte von benachbarten Windkraftanlagen konnte man annehmen, dass die erforderlichen Pfahllängen eine Tiefe von 22 m keines Falls überschreiten werden, worauf man die Bohrsondierung bei dieser erreichten Tiefe abgebrochen hat. Außerdem wird der Reibungswiderstand zwischen dem Bohrkern und dem eingeschlagenen Hohlgestänge in diesen Tiefen so hoch, dass die Aufschlussergebnisse verfälscht würden. Das Aufschlussprofil der Bohrsondierung befindet sich im Anhang 6 dieser Arbeit. 15

23 4 Auswertung der gewonnenen Bodenproben Der Anlagenhersteller Vestas Deutschland GmbH gibt die geforderten E-Module in dem Schal- und Rammplan (befindet sich im Anhang 8 dieser Arbeit) der V80 2,0 MW, 60 m, Tiefgründung, wie folgt an: Nicht tragfähiger Baugrund: tragfähiger Baugrund: E stat 2 MN/m², E dyn 14 MN/m² E stat 35 MN/m², E dyn 110 MN/m² Diese jeweiligen E Module der verschiedenen Bodenarten sind aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Nichtbindige Böden E statisch in MN/m², E dynamisch in MN/m² Sand, locker, rund Sand, locker, eckig Sand, mitteldicht, rund Sand, mitteldicht, eckig Kies ohne Sand Naturschotter, scharfkantig Bindige Böden E statisch in MN/m², E dynamisch in MN/m² Ton, hart Ton, halbfest Ton, steif Lehm, Geschiebemergel, fest Lehm, weich, Lößlehm Schluff Schlick, Klei, organisch mager Tabelle 2: E Modul von bindigen und nichtbindigen Böden 7 7 Vgl. [ULR95],S

24 Um die Werte der anstehenden E-Module am Gründungsort aus den Tabellen zu entnehmen, ist es notwendig, die entnommenen Bodenproben nach den verschiedenen Bodenarten auszuwerten. Nach DIN 4022 kann dies durch Laborund/oder Feldversuche erfolgen. Im Labor werden die genauesten Ergebnisse erzielt, ihnen steht jedoch ein hoher finanzieller und zeitlicher Aufwand gegenüber. Somit wurde im direkten Anschluss an die Bohrsondierung damit begonnen, die augenscheinlich nach Schichten getrennten Proben, durch den Feldversuch zu Benennen und zu Beschreiben. Eine Schichtprobe, welche durch den Feldversuch nicht eindeutig zu identifizieren war, wurde für eine genauere Auswertung mit ins Labor genommen. Im Aufschlussprofil (siehe Anhang 6) ist zu erkennen, dass die Auswertung bereits an der Geländeoberkante beginnt, weil die tatsächliche Gründungstiefe zu diesem Planungszeitpunkt noch nicht fest stand. 4.1 Feldversuche Die geologische Bezeichnung für die oberste Erdschicht ist Mutterboden. Sie reicht am untersuchten Standort bis zu einer Tiefe von 0,20 m. Die Untersuchung der obersten Schicht beginnt mit der visuellen Einschätzung der Korngröße. Weil der feinkörnige Boden mit dem bloßen Auge nicht mehr erkennbar ist, wendet man zur Feststellung der Hauptbodenart eine Reihe von manuellen Versuchen an. Der Schüttelversuch ist eine Möglichkeit, zwischen Ton, Schluff und Feinsand zu unterscheiden. Eine etwa nussgroße, feuchte Kugel (eventuell nachfeuchten), wird auf der flachen Hand hin und her geschüttelt. Dabei trat kein Porenwasser aus. Diese Reaktion lässt nach DIN 4022 auf einen Ton schließen. Ein weiteres Indiz für das Tonvorkommen ist die glänzende Schnittfläche, welche sich gebildet hat, nachdem man die erdfeuchte Probe zerschnitten hat. Beim anschließenden Reibeversuch zerreibt man zwischen den Fingern eine Probe. An dem Knirschen und der fühlbaren Rauhigkeit war zu erkennen, dass der Ton feinsandig und somit auch schluffig ist. Die braune Mineralfarbe des locker gelagerten Mutterbodens, lässt auf einen schwachen humosen Anteil bis zu einem Massenanteil von 5% schließen. Wäre der humose Anteil größer, würde er zu einer dunkelgrauen Färbung führen. 17

25 Durch den Modergeruch und die sichtbaren pflanzlichen Beimengungen ist nach DIN die obere Bodenschicht als OH zu klassifizieren. Zusammenfassung 1. Schicht: Tiefe: Geologische Bezeichnung: Bodenart: Anteilig: Bodengruppe: Farbe: 0,00 m 0,20 m Mutterboden Ton Schluff, Feinsand, Humus OH braun Die zweite augenscheinlich abzugrenzende Schicht erstreckt sich von 0,20 m bis - 1,00 m. Die feinkörnige Bodenprobe wurde zunächst in der Hand zu einer etwa 3 mm dicken Walze geformt. Die Länge der Walze überschritt deutlich 8 cm, womit diese Bodenschicht als bindig einzustufen ist. Sowohl der Schüttelversuch als auch der Schneidversuch ergaben erneut, dass Ton hier die Hauptbodenart bildet. Ebenso wurden beim Reibeversuch wiederholt Schluff und Feinsand festgestellt. Entgegen der oberen Schicht besitzt diese keinen aufgelockerten humosen Anteil. Auch pflanzliche Beimengungen sind zumindest augenscheinlich nicht mehr erkennbar. Wie bereits geschildert, lässt sich die Probe zu 3 mm breiten Walzen formen ohne dabei zu zerbröckeln oder zu reißen. Weil sie dazu schwer knetbar ist, lässt dies auf eine steife Konsistenz schließen. Um über den Knetversuch die Plastizität festzustellen werden die Walzen erneut geformt. Beim anschließenden Verkneten der Probe kann kein zusammenhängender, rissfreier Klumpen mehr gebildet werden, was auf eine nur leichte Plastizität schließen lässt. In der geologischen Karte ist das untersuchte Gebiet als Marschland angegeben, in dem der leichtplastische Ton (TL) mit dem geologischen Begriff Klei bezeichnet wird. 18

26 Zusammenfassung 2. Schicht: Tiefe: Geologische Bezeichnung: Bodenart: Anteilig: Konsistenz: Bodengruppe: Farbe: 0,20 m 1,00 m Klei Ton Schluff, Feinsand steif TL braun 1,00 m unter GOK beginnt die dritte Schicht. Sie besitzt eine Mächtigkeit von 1,50 m und endet somit in einer Tiefe von 2,50 m. Eine erste Differenz zur Probe der zweiten Schicht ist in der Farbe sichtbar, welche sich vom braun ins dunkelbraun ändert. Ein weiterer Unterschied ist, dass dieser Erdstoff sich mit deutlich weniger Kraftaufwand kneten lässt und somit auf eine weiche Konsistenz schließen lässt. Da alle anderen Versuche gleiche bzw. ähnliche Ergebnisse aufweisen bleiben Bodenart und Bodengruppe gleich. Zusammenfassung 3. Schicht: Tiefe: Geologische Bezeichnung: Bodenart: Anteilig: Konsistenz: Bodengruppe: Farbe: 1,00 m 2,50 m Klei Ton Schluff, Feinsand weich TL dunkelbraun Die vierte Schicht beginnt 2,50 m unter GOK und endet in einer Tiefe von 16,50 m. Die Ergebnisse der Feldauswertung waren bei dieser Schicht grenzwertig bzw. nicht eindeutig zuzuordnen und wurden somit erst einmal unter Vorbehalt bestimmt. So deutete beispielsweise der Schüttelversuch auf Ton hin, der Schneideversuch aber auf Schluff. 19

27 Aus diesem Grund und wegen ihrer hohen Mächtigkeit, entschied man sich, eine Probe von diesem Erdstoff luftdicht zu verpacken, zu beschriften und für eine genauere Auswertung mit ins Labor zu nehmen. Bei der Beschriftung ist es wichtig, die Entnahmehöhe zu notieren, da anderenfalls eine Zuordnung im Aufschlussprofil nicht mehr möglich ist. Weitere Versuche ergaben eine weiche Konsistenz und eine leichte Plastizität. Auf eine zusammenfassende Beurteilung der vierten Schicht wird an dieser Stelle verzichtet, weil dafür die nachfolgenden Laborergebnisse mit in Betracht gezogen werden müssen. Bereits der deutliche Anstieg der Schlagzahlen im Messprotokoll der Rammsondierung wies in einer Tiefe von 16,50 m auf eine sich ändernde Erdstoffzusammensetzung hin. Die fünfte Schicht hat eine Mächtigkeit von 3,00 m und endet somit bei 19,50 m unter GOK. Beim näheren Betrachten wurde festgestellt, dass bei dieser Probe jedes Einzelkorn zu erkennen war. Das Größtkorn war etwa vergleichbar mit einem Grießkorn. Nach DIN 4022 ist dieses Material als Fein- und Mittelsand zu bezeichnen, wobei es sich folglich um einen nichtbindigen Boden handelt. Wie bereits in Tabelle 2 (auf Seite 16) dargestellt wurde, ist dafür die Lagerungsdichte zu ermitteln. Im beigefügten Messprotokoll der schweren Rammsondierung wird sichtbar, dass die Schlagzahlen in diesem Tiefenbereich deutlich über 13 Schläge pro 10 cm Eindringtiefe liegen, so dass es sich folglich um eine mitteldichte Lagerung handelt. Visuell konnte festgestellt werden, dass alle Korngrößen im etwa gleichen Maß vorhanden waren, weshalb der Sand nach DIN als weitgestuft benannt wurde. Aufgrund der wechselnden hellen Färbung der Sandkörner wird auf eine Bestimmung der Farbe verzichtet. Zusammenfassung 5. Schicht: Tiefe: Bodenart: Lagerungsdichte: Kornverteilung: Bodengruppe: 16,50 m 19,50 m Fein- und Mittelsand mitteldicht weitgestuft SW 20

28 Der Übergang zur nächsten Schicht ist erneut an der deutlichen Farbänderung sichtbar. In einer Tiefe von 19,50 m kündigt die deutliche Graufärbung die sechste Schicht des untersuchten Standortes an. Die visuelle Einschätzung der Korngröße lässt in diesem Falle auf einen bindigen Boden schließen. Beim Schüttelversuch trat kein Wasser an die Oberfläche der geformten Kugel und das Durchschneiden der Probe hinterließ eine glänzende Oberfläche. Somit weisen beide Ergebnisse auf einen Ton hin. Beim anschließenden Reibeversuch konnte keine Rauhigkeit, ein Knirschen oder ein Kratzen zwischen den Fingern festgestellt werden, was auf keinerlei sandige Anteile schließen lässt. Das weiche und mehlige Anfühlen, welches auf schluffige Anteile hinweist, war dagegen deutlich zu erkennen. Im Anschluss daran erfolgte die Bestimmung der Konsistenz des bindigen Bodens. Die Probe ließ sich nur schwer kneten, war aber bei dem Versuch sie in der Hand zu einer drei Millimeter dicken Walzen zu rollen nicht zerbröckelt oder gerissen. Dieses Ergebnis ist mit einer steifen Konsistenz des Erdstoffes definiert. Beim anschließenden Verkneten der Probe kann kein zusammenhängender, rissfreier Klumpen mehr gebildet werden, was auf eine nur leichte Plastizität schließen lässt und somit die Bodengruppe TL angibt. Zusammenfassung 6. Schicht: Tiefe: Bodenart: Anteilig: Konsistenz: Bodengruppe: Farbe: 19,50 m 22,00 m Ton Schluff steif TL grau 4.2 Laborversuche Wie im Punkt 3.1 bereits erwähnt wurde, wird die vierte Schicht, welche mit einer Mächtigkeit von 14 m einen wesentlichen Einfluss auf die Standsicherheit der Windkraftanlage nimmt, für genauere Bewertungsergebnisse im Labor untersucht. 21

29 Bei den Laborversuchen unterscheidet man zwei wesentliche Untersuchungen. Einerseits werden nach DIN die Zustandsgrenzen des Erdstoffes ermittelt, anderseits bestimmt man mit dem Sieb- und/oder Schlämmversuch die Kornverteilung, deren Ermittlung in der DIN geregelt ist. Im vorliegenden Projekt wird mit der Bestimmung der Zustandsgrenzen begonnen Bestimmen der Zustandsgrenzen Ziel ist es, die Konsistenzzahl I C sowie die Plastizitätszahl I P zu ermitteln. Einerseits können die Zustandsgrenzen in Verbindung mit dem natürlichen Wassergehalt eine Aussage über die Zustandsform und somit über die Festigkeit des bindigen Bodens angeben, andererseits kann über das Plastizitätsdiagramm die Bodengruppe nach DIN ermittelt werden kann. Die dafür benötigten Kennwerte sind in den nachfolgenden Formeln angegeben: W N = natürlicher Wassergehalt W L = Fließgrenze W P = Ausrollgrenze I P = Plastizitätszahl I C = Konsistenzzahl I P = W L - W P I C = (W L - W N ) / I P Um zunächst den natürlichen Wassergehalt W N der Schicht zu ermitteln, wird das Kondenswasser, welches sich am inneren Rand der Dose beim Transport abgesetzt hat, der Probe wieder beigemengt. Danach werden zwei Glasschalen, deren Leergewicht m B vorher gewogen wurde, mit jeweils ca. 100 g des zu untersuchenden Erdstoffes gefüllt und erneut gewogen, um die Masse m der feuchten Probe zu bestimmen. Nach DIN werden die beiden offenen Glasschalen im Ofen bei 105 C für zwölf Stunden ge trocknet. Um beim Abkühlvorgang die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit zu vermeiden, wird die Probe direkt nach der Trocknung in einen Exsikkator gestellt. 22

30 Dieses geschlossene Glasgefäß besitzt am oberen Ende ein Auslassventil um den durch die Wärme steigenden Luftdruck zu regulieren. Am Boden des Gefäßes befindet sich ein Granulat, welches die Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt. Dem abkühlenden, getrockneten Erdstoff wird dadurch keine erneute Feuchtigkeit zugeführt. Die getrocknete Probe m d wird erneut gewogen, wenn sie auf Raumtemperatur abgekühlt ist. m w = (m + m B ) - (m d + m B ) = m - m d W N = m w / m d Für die betreffende Probe konnten folgende Wassergehalte ermittelt werden: m w,1 = (96, , 05) - (76, ,05) = 20,19 [ g ] W N,1 = (20,19 g / 76,28 g) x 100 % = 26,5 % m w,2 = (118, ,68) - (93, ,68) = 25,82 [ g ] W N,2 = (25,82 g / 93,15 g) x 100 % = 27,7 % Der durchschnittliche Wassergehalt des untersuchten Erdstoffes ist mit 27,1 % vergleichsweise hoch. Dies lässt sich damit begründen, dass die Entnahmetiefe der Probe (-3,00 m bis -3,50 m) wenige Zentimeter unter dem angeschnittenen Grundwasserspiegel (-2,90 m) liegt. Nach DIN werden sowohl der Wassergehalt der Fließgrenze, als auch der Wassergehalt der Ausrollgrenze mit einem Erdstoffgrößtkorn von 0,4 mm ermittelt. Um den natürlichen Wassergehalt mit ihnen vergleichen zu können, muss die getrocknete Probe im Anschluss an den Versuch durch ein Sieb mit vier Millimeter Maschenweite gerüttelt werden. Weil dabei kein Überkorn ausgesiebt wurde, kann für die weitere Berechnung der Wassergehalt von 33,4 % voll angesetzt werden. Bevor mit der Versuchsdurchführung zur Fließgrenzenermittlung begonnen werden kann, müssen die Geräte nach DIN auf ihre Tauglichkeit und Maßhaltigkeit untersucht werden. 23

31 Eine weitere Notwendigkeit für das Gelingen des Versuches ist die Verwendung einer vorher noch nicht bis zur Farbänderung getrockneten Bodenprobe. Sind alle Vorraussetzungen erfüllt kann mit dem Vorbereiten der Probe begonnen werden. Dem zu untersuchendem Erdstoff wird jetzt destilliertes Wasser zugegeben und je nach Plastizität muss er ein bis vier Tage durchweichen. Abbildung 6: Fließgrenzengerät nach A. Casagrande Bei der vorliegenden Probe war jedoch nur wenig Wasser notwendig, weil diese schon einen hohen Wassergehalt und eine sichtbar breiige Konsistenz hatte. Nachdem sie durch ein Sieb mit 4 mm Maschenweite gegeben und zu einer einheitlichen Masse gerührt wurde, konnte der eigentliche Versuch beginnen. Wie in der nachfolgenden Abbildung 7 dargestellt, wird dafür die Schale des in Abbildung 6 dargestellten Fließgrenzengerätes mit einem Teil des vorbereiteten Erdstoff gefüllt und mit einem Spatel auf einer größten Dicke von 10 mm glatt gestrichen. Mit dem genormten Furchenzieher, wird parallel zur Längsachse des Gerätes eine Furche durch die gesamte Probe hindurch bis auf den Boden der Schale gezogen. Der Furchenzieher muss dabei immer senkrecht zur Schaloberfläche stehen. 24

32 Anschließend wird die Schale in das Schlaggerät eingehangen und durch das Drehen der Kurbel angehoben und fallen gelassen. Die Schlagzahl sollte pro Sekunde zwei Schläge betragen. Das ständige Aufschlagen der Schale auf den darunter liegenden Hartgummiblock bewirkt ein Zusammenrutschen der erzeugten Furche. Wenn diese auf einer Länge von 1 cm geschlossen ist, wird die Schlagzahl abgelesen. Abbildung 7: gefüllte Schale des Fließgrenzengerätes 8 Anschließend wird der natürliche Wassergehalt bestimmt. Dafür wird eine ca. 5 cm³ große Probe aus der Schale entnommen und durch das Wiegen und die Ofentrocknung der Wassergehalt bestimmt. Der gesuchte Wassergehalt der Fließgrenze ist vorhanden, wenn sich die Furche bei genau 25 Schlägen schließt. Durch eine geringe Wasserzugabe mit einer Pipette oder der Wasserentnahme durch saugendes Papier, kann zwar der Wassergehalt für nachfolgende Versuche in die Richtung der angestrebten 25 Schläge gelenkt werden, aber sie genau zu erreichen würde zu viel Versuche und somit Zeit in Anspruch nehmen. Aus diesem Grunde macht man mindestens vier Versuche mit Böden deren Konsistenz so ist, dass die Furche durch 15 bis 40 Schläge geschlossen wird. 8 DIN :

33 Das Auftreten von Luftblasen war bei der untersuchten Erdstoffprobe der Grund, den Versuch mehrmals neu zu starten und jeweils vor Versuchsbeginn wiederholt die Probe durchzumengen. Die Werte der erfolgreichen Versuche sind nachfolgend tabellarisch dargestellt. Schlagzahl Wassergehalt 0,307 0,311 0,313 0,322 Tabelle 3: Versuchsergebnisse zur Fließgrenzenermittlung Bei einer gut vermischten Probe ergibt sich ein lineares Ergebnis für die Beziehung zwischen dem jeweiligen Wassergehalt und dessen Schlagzahl. Das Diagramm des im Anhang 5 befindlichen Versuchsprotokolls zeigt, dass sich am Schnittpunkt dieser Linie und der Schlagzahl 25 der dazugehörige Wassergehalt ablesen lässt. Rechnerisch lässt er sich wie folgt bestimmen: ((35 / 0,307) + (27 / 0,311) + (22 / 0,313) + (16 / 0,322)) / 4 = 80,2 W 25 = W L = (25 / 80,2) x 100 % = 31,2 % Der durchschnittliche Wassergehalt der untersuchten Proben beträgt an der Fließgrenze 31,2 %. Dieser Wert bildet die obere Grenze des bildsamen (plastischen) Bereiches. Bereits bei einem Anstieg des natürlichen Wassergehaltes (27,1 %) um rund 4%, erreicht der vorhandene Erdstoff eine flüssige Konsistenz. Des Weiteren lässt die nachfolgende Einteilung nach DIN auf eine leichte Plastizität schließen. W L 35 %: leichtplastisch L W L = 35 bis 50 %: mittelplastisch M W L > 50 %: ausgeprägt plast. A Um den plastischen Bereich des anstehenden Kleibodens und somit auch seine Plastizitätszahl I P errechnen zu können, muss im nachfolgenden Schritt der Wassergehalt der Ausrollgrenze ermittelt werden. 26

34 Von der bereits für den Fließgrenzenversuch aufbereiteten Probe wird ein Teil auf einem nicht fasernden Filterpapier zu 3 mm dicken Walzen ausgerollt. Es ist ratsam eine Schablone mit selbigem Durchmesser zum Vergleichen zu verwenden. Der untersuchte Erdstoff wird solange wiederverknetet und erneut unter Wasserabgabe ausgerollt, bis er bei einer Walzendicke von drei Millimeter zu zerbröckeln beginnt. Damit der Feuchtigkeitsgehalt nicht mehr verändert wird, gibt man davon etwa 5 g in eine verschließbare Glasschale. Der Wassergehalt wird dann nach bekanntem Verfahren ermittelt. Nach DIN muss der Versuch mindestens dreimal durchgeführt werden. Für die weitere Berechnung wird der Mittelwert von den ermittelten Wasseranteilen der Proben verwendet: W P = (20,7 + 20,1 + 20,3) / 3 = 20,4 % Die Plastizitätszahl des untersuchten Kleibodens beträgt: I P = 0,312 0,204 = 0,108 = 10,8 % Die Konsistenz beträgt: I C = (0,312 0,271) / 0,108 = 0,38 Das zusammenfassende Protokoll zur Bestimmung der Zustandsgrenzen befindet sich im Anhang 5 dieser. Das darauf dargestellte Plastizitätsdiagramm nach DIN klassifiziert die ausgewertete Probe als leichtplastischen Ton. Die Konsistenz ist als breiig definiert Bestimmen der Korngrößenverteilung Die Bestimmung der Korngrößenverteilung ist in der DIN geregelt. Ziel ist es, die Massenanteile der verschiedenen Korngrößengruppen zu ermitteln und so Informationen über bodenmechanische Eigenschaften am vorgesehenen Standort zu erhalten. 27

35 Auf der Grundlage der hierbei ermittelten Ergebnisse werden Böden nach DIN klassifiziert. Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Korngrößengruppen und deren Benennung. Korngrößengruppe Benennung Bis 0,002 mm Feinstes 0,002 bis 0,063 mm Schluffkorn 0,063 bis 2,0 mm Sandkorn 2,0 bis 63 mm Kieskorn 63 bis 200 mm Steine > 200 mm Blöcke Tabelle 4: Benennung der verschieden Korngrößengruppen 9 Wie bereits augenscheinlich und durch den Reibeversuch festgestellt wurde, beinhaltet die Probe Kornanteile sowohl über als auch unter 0,063 mm Durchmesser. Zur Bestimmung der Massenanteile ist deswegen eine Kombination aus dem Schlämmen und dem Sieben des vorhandenen Erdstoffes notwendig. Der Versuch beginnt ebenfalls mit dem Vermischen der eingeholten Probe. Weil der Sedimentationsversuch nach DIN mit einem bereits getrockneten Erdstoff nicht zulässig ist, eine Trocknung aber für die Bestimmung des natürlichen Wassergehaltes notwendig ist, erfolgt eine Teilung der gut durchmischten Probe. Zunächst wird Teilprobe A in einer Glasschüssel, deren Leergewicht bekannt ist, gewogen und für 12 Stunden im Ofen (mit Zeitschaltuhr) bei 105 C getrocknet. Nach der Abkühlung im Exsikkator wird sie erneut gewogen, um so aus der Gewichtsdifferenz den natürlichen Wassergehalt zu bestimmen. Im durchgeführten Versuch betrug der Wassergehalt 28,6 % (1,5 % Differenz zur Probe der Konsistenzprüfung). Weiterhin erfolgt mit dem getrockneten Erdstoff die Ermittlung der Korndichte nach DIN Vgl. [ULR95],S.96 28

36 Hierbei wurde eine 28,1 g schwere Probe gewogen und anschließend im Kapillarpyknometer deren Volumen auf 10,4 cm³ bestimmt. Die Korndichte des zu untersuchenden Erdstoffes beträgt somit 2,7 g/cm³. Bei bindigen Böden ohne wesentlichen Sandgehalt, ist für den Schlämmversuch eine Probemenge (Teilprobe B) zwischen 30 und 50 g vorgegeben. In dem vorliegenden Versuch betrug das Gewicht der zweiten Teilprobe 44,07 g, was unter Abzug des vorher ermittelten natürlichen Wassergehalts von 28,6 % ein Trockengewicht von 34,27 g bedeutet. Sie wird zusammen mit ca. 25 cm³ Stammlösung (Gemisch aus Natriumpyrophosphat und destilliertem Wasser) in eine Porzellanschale gegeben. Das Natriumpyrophosphat soll die Flockung der Feinstkörner vermeiden. Dafür lässt man die Probe sechs Stunden durchweichen, vermischt sie dabei mit einem Spatel zu einer einheitlichen weichen Masse. Um die Feinteile vom Grobkorn zu lösen, wird das Gemenge in einem glattwandigen Gefäß (kleiner Kunststoffeimer o. ä.) mit Wasser vermengt und durch ein kleines Feinsieb mit einer Maschenweite von 0,063 mm per Hand durchgewaschen. Abbildung 8: Siebgerät mit Aufsätzen 29

37 Der aufgefangene Siebrückstand wird in das Gefäß zurückgegeben, erneut mit zugegebenem Wasser vermengt und durch das Sieb gewaschen. Die besagte DIN weist an, den Versuch solange zu wiederholen, bis bei der abgegossenen Flüssigkeit keine Trübung mehr zu erkennen ist. Damit dieses Kriterium im Versuch erfüllt wurde, war eine neunfache Durchführung des Vorgangs nötig. Im Anschluss daran wird der Siebrückstand > 0,063 im Ofen getrocknet. Um das getrocknete Siebkorn in die Korngrößengruppen zu unterteilen, wie in der Tabelle 4 (auf Seite 33) dargestellt, erfolgt nun eine maschinelle Siebung mit dem in Abbildung 8 dargestellten Gerät. Die verschiedenen Siebgrößen sind separat zusammensetz- und abnehmbar, wodurch sie sowohl zur handlichen als auch maschinellen Bedienung geeignet sind. Bei der hier untersuchten Probe ist ein Analysesieb mit Metalldrahtgewebe nach DIN ISO und einer Maschenweite von 0,063 mm bis 1,00 mm ausreichend. Sind wie in diesem Falle Körner mit einem Durchmesser kleiner 0,5 mm enthalten, ist eine Handsiebung bzw. das Nachsieben mit einer Bürste vorgeschrieben. Anschließend erfolgt das Wiegen der Rückstände aus den unterschiedlichen Sieben, und es wird ein prozentualer Anteil im Bezug auf die Gesamtmasse angegeben. Die Bezeichnung erhalten die verschiedenen Korngrößen, von dem Sieb, durch welches sie zuletzt gefallen sind. Das Ergebnis des Siebdurchganges befindet sich im beigefügten Protokoll zur Sieb- und Schlämmanalyse (siehe Anhang 3). Mit dem beim Durchwaschen aufgefangenen Siebdurchgang < 0,063 mm wird die Schlämmanalyse durchgeführt. Sie beruht auf dem Prinzip, dass größere Körner schneller sinken als kleinere. Eine Erdstoffprobe wird in einem mit destilliertem Wasser gefüllten Standzylinder vermengt. Beginnend mit dem Stillstand des Gemisches verursacht die einsetzende Sedimentation eine Dichtezunahme im unteren Teil des Standzylinders. Das Aufsteigen eines darin schwimmenden Aräometers, wird in vorgegebenen Zeitabständen gemessen. Durch Bestimmen der Korndichte, Absinkzeit und Absinktiefe der unter den Schwerpunkt des Aräometers gesunkenen Massen kann anschließend nach dem Gesetz von Stokes der Durchmesser des betreffenden Korns errechnet werden. Für den Schlämmversuch wird das Feinkorngemisch < 0,063 mm der aufgerührten Probe in einen Standzylinder gefüllt. Dessen Inhalt wird durch die Zugabe von weiteren destilliertem Wasser bis 400 cm³ gefüllt. 30

38 Anschließend wird das Gemisch von einem Standrührwerk 10 Minuten lang vermengt. Um jetzt mit dem eigentlichen Versuch zu beginnen, befüllt man den Messzylinder bis 1000 cm³ mit weiterem destillierten Wasser auf und beginnt ihn ein bis zwei Minuten zu schütteln und zu drehen. Anschließend wird der Standzylinder abgestellt, die Stoppuhr gestartet und das Aräometer senkrecht in die Mitte eingetaucht, so dass es frei schwimmen kann. Wie im angehangenen Protokoll sichtbar wird, ist das Aufsteigen des Aräometers durch das Ablesen auf dessen aufgebrachter Skala in den nach DIN vorgegebenen Zeitabständen ebenso zu notieren wie die jeweilige Temperatur des Gemisches. Abbildung 9: Aräometer 10 Die Stammlösung, welche zur Verhinderung der Flockung zugegeben wurde, bewirkt im destillierten Wasser eine Zunahme der Dichte und verlangt folglich eine Korrektur des abgelesenen Wertes am Aräometer. Dieser Unterschied wird vor dem Versuch durch eine Aräometerablesung im Standzylinder ermittelt. Dabei wird anfangs der Wert im reinen destillierten Wasser abgelesen, anschließend unter Zugabe der Stammlösung, wobei die Mengen denen des Versuches gleichen. Die Differenz der beiden Werte ist der Korrekturwert C m, der bei der späteren Berechnung jedem abgelesenen Wert R hinzuzufügen ist. 10 [IFU08] 31

39 Um den prozentualen Anteil des jeweiligen Schlämmkorns mit geschlossenen Formeln berechnen zu können, muss der Korrekturwert der Temperatur C T nach DIN Bild 4 graphisch ermittelt werden. Die Bestimmung des Korndurchmessers anhand der aufgezeichneten Messdaten kann graphisch und / oder rechnerisch erfolgen. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse über die nachfolgenden Formeln wie folgt rechnerisch ermittelt: Korndurchmesser: Zähigkeit: η = 0,00178 / (1 + 0,0337 x T + 0,00022 x T 2 ) Sinkgeschwindigkeit: v = h / t Wasserdichte: Q w = 1 / (((2,31 x T 2,0) 2 182) x 10-6 ) Korndichte: Q s = 2,70 g / cm³ [bleibt konstant] d = ((18,35 x η x v) / (Q s - Q w)) Mengenprozente: Trockenmasse Probe: m d = 34,27 g [bleibt konstant] Hilfswert verbessert: R = R + C m Temperaturkorrektur: C T = graphisch ermittelt DIN 18123, Bild 4 a = (100 / m d ) x (Q s / Q s 1) x (R + C T) 32

40 Die nachfolgende Tabelle enthält die Ergebnisse der errechneten Korndurchmesser d sowie deren jeweiligen prozentualen Anteil. Siebanalyse Maschenweite d [mm] Mengenprozente [%] 1,000 0,15 0,500 0,20 0,250 0,29 0,125 0,58 0,063 33,24 Schlämmanalyse Korngröße [mm] Mengenprozente [%] 0,073 60,41 0,052 57,17 0,039 40,96 0,025 28,00 0,015 21,52 0,008 16,81 0,005 13,95 0,003 12,56 0,001 10,47 Tabelle 5: Auswertung Kornverteilung Im Anhang 4 befindet sich ein Diagramm zur Korngrößenverteilung. Darin sind die eingetragenen Messwerte durch die Zahl 1 markiert. An der Stelle, wo das größte Schlämmkorn und das kleinste Siebkorn eingezeichnet sind, kommt es zu einer Unstetigkeit in der verbindenden Körnungslinie, weil eine genaue Trennung der Korngrößen nicht möglich ist. In dem Bereich sind nach DIN die Linien der Versuche so zu verbinden, dass sich eine stetige Linie ergibt. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass der Anteil des Schluffes etwa 50 % beträgt und somit klar die Hauptbodenart bildet. Des Weiteren ist der Boden nach DIN 4022 als schwach tonig und stark feinsandig zu bezeichnen. 33

41 Bei der Auswertung der Zustandsgrenzen ergab das Plastizitätsdiagramm nach DIN für den untersuchten Klei die Bodengruppe TL (leichtplastischer Ton). Die Kornverteilung, ebenfalls mit einer Probe der vierten Schicht ermittelt, allerdings 10 m tiefer entnommen, ergab einen UL (leichtplastischen Schluff). 34

42 5 Wassereinfluss am Standort 5.1 Bestimmung der hydrologischen Situation Die hydrologische Situation am geplanten Standort nimmt sowohl auf die Gründungsberechnungen als auch auf die Materialauswahl Einfluss. Hierzu ist es notwendig, die Höhenlage des Grundwasserspiegels zu bestimmen. Ebenso muss die chemische Beschaffenheit des Wassers geprüft werden. Je nach Aufschlussverfahren unterliegt die Ergebnisqualität der ermittelten Wasserverhältnisse einer großen Spanne. Der Umfang der Untersuchungen ist abhängig von der Baugrundaufgabe und dem möglichen zeitlichen bzw. finanziellen Spielraum. Die Untersuchungsarten reichen von einfachen Baggerschürfungen bis hin zu Grundwassermessstellen in extra dafür angefertigten Bohrlöchern, in denen über mehrere Tage hinweg der sich dauerhaft ändernde Grundwasserspiegel beobachtet wird. Des Weiteren sind Vorinformationen aus vorhandenen Unterlagen oder vorgängigen Aufschlüssen ein Auswahlkriterium für die durchgeführte Art des Wasseraufschlusses. Die Baugrundgutachten von den bereits zu einem früheren Zeitpunkt errichteten Windkraftanlagen im Windpark Bülkau lagen vor Beginn der Felduntersuchung zur Einsicht vor. Der Grundwasserspiegel liegt bei den vorhandenen drei Standorten zwischen 1,60 m und 3,90 m Tiefe. Bei Tiefgründungen verringert das anstehende Grundwasser die Mantelreibung der Pfähle. Der genaue Wert der Mantelreibung braucht für den untersuchten Standort in Bülkau jedoch nicht rechnerisch ermittelt werden, da hier eine Drucksondierung erfolgt. Die Kenntnis über die Höhe des anstehenden Grundwasserspiegels dient folglich vorrangig zur Baugrubenherstellung und ihrer eventuell notwendigen Wasserhaltung. Auf Grund der besagten Umstände und weil vom Auftraggeber keine zusätzlichen Forderungen zur Bestimmung der hydrologischen Situation gegeben waren, wurde entschieden, die Erkundung ebenfalls mit einer Bohrsondierung (Kleinbohrung) durchzuführen. 35

43 Um den später zur Wasserentnahme verwendeten Schichtenheber mit einem Außendurchmesser von 60 mm in das entstehende Loch möglichst reibungsfrei zu versenken, verwendet man für die Bohrung ein Hohlgestänge mit einem 80 mm Außendurchmesser. Ein weiterer Grund für den Wasseraufschluss ein separates Loch herzustellen, war die geringe notwendige Tiefe, um den Grundwasserspiegel zu erreichen. Nachdem die Spitze des eingeschlagenen Hohlgestänges eine Tiefe von 4,00 m erreicht hatte, wurde es von der hydraulischen Vorrichtung wieder herausgezogen. Der Anschnitt des Grundwassers war im Bohrkern deutlich zu erkennen. Das Zurückmessen vom oberen Ende des Bohrgestänges ergab die Tiefe des anstehenden Grundwassers bei 2,90 m unter GOK. Nach einer Wartezeit von ca. drei Stunden, wurde der Grundwasserstand erneut durch das Eintauchen des Hohlgestänges geprüft, jedoch konnte keine Veränderung seines Tiefenstandes festgestellt werden. Die DIN 4021 weist allerdings darauf hin, dass Versuche dieser Art als ungenau zu betrachten sind und Toleranzen im Zentimeterbereich auftreten. Bindige Böden sind empfindlich gegen die Einflüsse des Bohrverfahrens, da hier ein schnelles Ausspiegeln des Wassers wegen der geringen Wasserdurchlässigkeit nicht möglich ist. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Wasserdurchlässigkeit k der verschiedenen Bodenarten. Bodenart K = m /s Bereich Ton, Lehm < 10-8 Sehr schwach durchlässig Schluff, Sand lehmig, schluffig Schwach durchlässig Feinsand, Mittelsand Durchlässig Grobsand, Mittelkies, Feinkies Stark durchlässig Grobkies >10-2 Sehr stark durchlässig Für grobes Geröll können wegen der turbulenten Strömungen keine Angaben gemacht werden Tabelle 6: Wasserdurchlässigkeit der Bodenarten Vgl. [DIM07],S.53 36

44 Der geplante Standort der Windkraftanlage befindet sich auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche. Das ebene Gelände ist von einem System aus Wassergräben und niedrigen Dämmen durchzogen. Dieses System bildet eine Schutzfunktion, da der in den oberen Schichten anstehende Ton mit einem Durchlässigkeitsbeiwert k < 10-8 m / s nach DIN in dem Bereich der sehr schwachen Wasserdurchlässigkeit liegt und es folglich schon bei geringen Niederschlagsmengen zu Überschwemmungen kommen würde. Der in der fünften Schicht entnommene Sand hingegen, hat einen Durchlässigkeitsbeiwert von k = 10-4 bis 10-6 m / s. Diese Tatsachen und der augenscheinlich als nass einzuschätzende Bohrkern der fünften Schicht, lassen darauf schließen, dass der Sand als Grundwasserleiter dient und folglich das Wasser unter den gering durchlässigen Schichten des darüber liegenden Kleibodens gespannt ist. Des Weiteren kann festgehalten werden, dass der in einer Tiefe von 2,90 m angeschnittene Wasserspiegel ein nur langsam absinkender Stauwasserspiegel ist. Diese Wasserstände sind abhängig von der vorhandenen Niederschlagsintensität und von der anstehenden örtlichen Entwässerungsmöglichkeit. Der hierdurch zu starken Schwankungen neigende Grundwasserspiegel stellt bei der Baugrubenherstellung in der vom Anlagenhersteller vorgesehenen Gründungstiefe von 2,70 m ein hohes Risiko dar. Auf Grund der unterschiedlich hohen Belastungen durch die schweren Baufahrzeuge und der geringen Rohwichte unter Auftrieb ץ) k = 10 KN / m³) kann es zu hydraulischen Sohlbrüchen kommen. Um also die nachfolgenden Aushubarbeiten fachgerecht ausführen zu können, ist eine lokale temporäre Entfernung des Wassers aus dem Einflussbereich der Baugrube erforderlich. Für die Absenkung des Grundwasserspiegels auf mindestens 0,50 m unter Baugrubensohle muss eine geschlossene Wasserhaltung eingesetzt werden. Wegen der geringen Baugrubentiefe wird eine Flachbrunnenanlage empfohlen, deren Saugrohre im Gegensatz zur Tiefbrunnenanlage keine unterstützenden Pumpenmotoren benötigen. Damit die Wassereintrittsfläche der vertikalen Sammler größer wird und um ein Ausspülen der Feinteile zu vermeiden, wird um das Filterrohr, welches das Saugrohr umschließt, ein Mantel aus Filterkies hergestellt. 37

45 Um die Pumpenzentrale mit den Filterbrunnen verbinden zu können und trotzdem Arbeitsfreiheit zu gewähren, wird um die Baugrube eine Ringleitung verlegt, welche als Saugleitung betrieben wird. Weiterhin wird der bauausführenden Firma empfohlen, Sicherungsmaßnahmen gegen zufließendes Oberflächenwasser zu treffen, was auf Grund der bereits angesprochenen geringen Wasserdurchlässigkeit des anstehenden bindigen Bodens in jedem Falle zu beachten ist. Dies kann durch einen schützenden Damm erfolgen, der um die Baugrube angelegt wird. Zusätzlich ist das Ausheben von Pumpensümpfen im äußeren Bereich der Baugrube denkbar, um mit geeigneten Saugwasserpumpen ein Überfluten der Baugrube zu verhindern. Sollten die Erd- und Grundbauarbeiten des Projektes in einer niederschlagsintensiven Zeit erfolgen, ist aus technischer Sicht auch eine Kombination aus offener und geschlossener Wasserhaltung möglich. Die endgültige Wahl wie die Baugrube vor Wasser geschützt wird, trifft jedoch die bauausführende Firma unter Abwägung des Zeitaufwandes bei der Installation des Systems sowie den Kosten der Vorhaltung. Ohne bislang die technischen Hintergründe berücksichtigt zu haben, wird auf Grund der hydrologischen Situation ein Anheben der Gründungssohle auf 0,20 m unter GOK empfohlen. 5.2 Wasserprobe - notwendige Expositionsklasse Um beim Bau des Gründungskörpers (Fundament und Betonrammpfähle) den richtigen Beton zu verwenden und somit später entstehende Schäden zu vermeiden, ist die dafür notwendige Expositionklasse zu wählen. Das Wasser am Standort muss nach DIN 4021 im Labor auf betonangreifende Mittel sowie vorhandene Schadstoffe geprüft werden. Alle weiteren aufgeführten Untersuchungsschwerpunkte kommen für dieses Projekt nicht in Frage. Um eine Wasserprobe zu entnehmen, wird ein so genannter Schichtenheber an einem Seil in das Bohrloch hinein gelassen. Dieser ist innen hohl und etwa 50 cm lang. Dessen zugespitztes unteres Ende besitzt innen eine freibewegliche Kugel. 38

46 Trifft der Schichtenheber auf die Grundwasseroberfläche versinkt er durch sein Eigengewicht darin und das einströmende Wasser hebt die Kugel an. Beim Herausziehen drückt das Gewicht des innen befindlichen Wassers die Kugel nach unten, wodurch das Rohr verschlossen bleibt und die Wasserprobe entnommen werden kann. Das Wasser wird in drei sterilen Probeflaschen bis zum oberen Rand abgefüllt und luftdicht verschlossen. Damit das entnommene Wasser für die Laboruntersuchung nicht unbrauchbar wird, verlangt die DIN 4021, dass es spätestens vier Stunden nach seiner Entnahme an der Untersuchungsstelle eintrifft. Mit der Untersuchung des Wassers wurde daher ein nahe gelegenes Labor beauftragt. Für die Fahrt dahin wurden die gefüllten Flaschen in einen gepolsterten Halter gestellt, um Verwirbelungen zu vermeiden. Des Weiteren ist die Probe vor Lichteinstrahlung zu schützen, was durch eine abgedunkelte Kiste erfolgte. Ein schriftlicher Prüfbericht zur erfolgten Untersuchung des Wassers lag zum Abgabetermin der Arbeit noch nicht vor. Bei einem Telefonat teilte der Laborant des mit der Untersuchung beauftragten Labors mündlich mit, dass bei der Untersuchungsmethode nach DIN EN ISO ein Ammoniumanteil von 17 mg / l festgestellt wurde. Die DIN 4030 stuft in ihrer Tabelle 4 diesen Anteil an Ammonium als schwach angreifend ein. Die DIN gibt für die Beurteilung einer chemisch schwach angreifenden Umgebung die Expositionklasse XA 1 vor. 39

47 6 Datenauswertung In diesem Teil der Arbeit werden die Schlussfolgerungen aus den festgestellten Eigenschaften und der Beschreibung des Baugrundes zu einer Gründungsempfehlung zusammengefasst. Zu Beginn wird geprüft, ob die vom Auftraggeber vorgelegte Gründungsvariante mit den dazugehörigen statischen Berechnungen auf dem hier untersuchten und klassifizierten Baugrund ausführbar ist. Sollte dies nicht möglich sein, wird eine Gründungsvariante vorgeschlagen, welche dem jeweiligen Boden entspricht. 6.1 Darstellung der Untersuchungsergebnisse Zunächst wird auf Grundlage der Sondierungsergebnisse die Situation am Standort analysiert. Wie im Punkt 4.1 bereits erläutert wurde, zeigte die Auswertung der Bohrkernprobe für die fünfte Schicht einen weitgestuften Sand. Dieser Boden ist nichtbindig, auf Grund seiner verschiedenen Korngrößen gut verdichtbar und somit tragfähig. Diese Annahme wird sowohl durch die deutliche Schlagzahlzunahme der schweren Rammsondierung als auch durch die gemessenen Bruchwerte des Pfahlspitzendruckes in der besagten Tiefe bestätigt. Im Gegensatz zur Zugkraft kann die in den Pfahl eingeleitete Druckkraft bei einem setzungsempfindlichen Boden nicht über die entstehende Mantelreibung abgeleitet werden. Wird deren Anteil dennoch rechnerisch, ebenso wie der Pfahlspitzendruck, zur Aufnahme der eingeleiteten Druckkraft angesetzt, so würde er genau das Gegenteil bewirken und den Kleiboden zu Setzungen bewegen. Dies könnte im schlimmsten Fall zu einer Überschreitung des Bruchwertes vom Pfahlspitzendruck führen und die Standsicherheit der Windkraftanlage wäre nicht mehr gegeben. Da oberhalb von dieser tragfähigen Schicht nur der nichttragfähige und setzungsempfindliche Kleiboden ansteht, muss dieser von den Pfählen durchdrungen werden, um die eingeleitete Druckkraft zu 100 % an die tragfähige fünfte Schicht über den Pfahlspitzendruck weiterzuleiten. 40

48 Wie die Laborauswertungen gezeigt haben, besteht der vorhandene Kleiboden aus den Hauptbodenarten Ton und Schluff, welche mit einer Korngröße von kleiner 0,06 mm als bindige Böden eingestuft werden. Deren Tragfähigkeit ist im Gegensatz zu nichtbindigen Böden stark vom Wassergehalt abhängig. Bei dem hohen Wassergehalt von 27,1 %, welcher bis hin zu einer breiigen Konsistenz des Bodens reicht, würde es bei einer direkten Belastung zu großen und lang anhaltenden Setzungen kommen. Grund dafür ist die sehr schwache Wasserdurchlässigkeit (siehe Tabelle 6, Seite 36). Wenn auf den bindigen Baugrund Druck ausgeübt wird, steigt der Porenwasserdruck erheblich an und entlastet dadurch das Korngerüst. In diesem Zustand besitzt der Boden nur geringe Reibungskräfte, wodurch die Gefahr von Rutschungen und Grundbruch besteht. Um Bauwerke dennoch auf nicht tragfähigem Boden gründen zu können, kommen Tiefgründungen zur Anwendung. Der Begriff Tiefgründung umfasst Schlitzwandelemente, Wände aus Pfählen und einzelne Pfähle. Bei einer Tiefgründung von Windkraftanlagen, wie im Windpark Bülkau, handelt es sich um einzelne Pfähle, welche nach der jeweils gewählten Ausführungsvariante als Fertigteile aus Stahlbeton auf die Baustelle geliefert werden oder aus Ortbeton am vorgesehenen Standort hergestellt werden können. Sie leiten die anfallenden Lasten des Überbaus in tiefer liegende Schichten weiter. Diese Gründungsart kann nur als homogen funktionierendes System sinnvoll in Anwendung gebracht werden. Einzelne Pfähle müssen an eine gemeinsame Platte angeschlossen werden, welche in diesem Fall das Kreuzbalkenfundament der Windkraftanlage bildet. Die 16 Pfähle der vorgesehenen Tiefgründung sind auf die vier Balkenenden verteilt und jeweils an den Fundamentaußenkanten eingebunden. Bei Turmbauwerken dieser Höhe können Horizontalkräfte (Wind) auf Grund der verursachenden Kippwirkung ein wesentliches Moment auf die Gründung bewirken. Dieses wird jedoch durch die besagte Pfahlanordnung und das homogene System in Zug- und Druckkräfte aufgeteilt, welche auf die Stahlbetonpfähle wirken. Des Weiteren werden die Pfähle mit einer geringen Schrägstellung (5:1, 10:1) eingebaut, um so einerseits die Verankerungswirkung gegen die Zugkräfte zu erhöhen und andererseits die auftretende Druckkraft an eine größere Auflagerfläche abzugegeben. 41

49 Die Ingenieure, die im Auftrag von der Vestas Deutschland GmbH die statischen Berechnungen zur V80 2,0 MW, NH 60 m durchgeführt haben, ermittelten auf der dem Wind zugewandten Seite die maximal mögliche Zugkraft von 730 KN pro Pfahl. Die maximale Druckkraft, welche die Pfähle auf der gegenüberliegenden Seite des Fundamentes aufnehmen müssen, ist mit 1875 KN pro Pfahl wesentlich höher. Zu begründen ist dieser Wert damit, dass nicht nur der Anteil des besagten Momentes in die Druckkraft einfließt, sondern auch die vertikal wirkende Kraft des Eigengewichtes der Windkraftanlage. Die aufgebrachten Normalkräfte übertragen die Pfähle als Spitzendruck an ihrem unteren Ende und / oder entlang ihres Pfahlschaftes als Mantelreibung. In welchem Umfang die Anteile abgegeben werden, ist von den Pfahllängen, dem Pfahldurchmesser und den Steifigkeiten der durchfahrenen Bodenschichten abhängig. Die fertigen Stahlbetonrammpfähle, die der Auftraggeber für den untersuchten Standort in Bülkau zur Verwendung angedacht hat, haben folgende Vorteile: - kein Auflockern des Baugrundes durch Bohrarbeiten, - gegen das anstehende Grundwasser müssen im Vergleich zu Bohrarbeiten keine besonderen Aufwendungen getroffen werden, - in Abhängigkeit vom vorhandenen Baugrund sind große Pfahllängen möglich, - gute einheitliche Qualität und Festigkeitseigenschaften der Pfähle durch deren Werksherstellung, - schnelle Ausführung der Rammarbeiten - nach Einbau sofort tragfähig, Der wesentliche Nachteil dieser Fertigteilpfähle besteht jedoch in ihrem Größenverhältnis des Querschnitts (maximal 40 x 40 cm) zur Pfahllänge (mindestens sechs Meter) Vgl. [FRR07] 42

50 Die dadurch bewirkte geringe Biegesteifigkeit und große Rissempfindlichkeit erfordert einen entsprechenden Seitenhalt bzw. eine Mindeststeifigkeit des Bodens. Diese geforderten Werte für den nichttragfähigen Kleiboden sind in der nachfolgenden Tabelle den vorhandenen Werten gegenübergestellt. E stat [MN/m²] E dyn [MN/m²] Mindestwerte aus der Statik 2 14 Werte des Kleibodens Tabelle 7: Vergleich des Steife-Moduls Das geforderte statische Steifemodul ist grenzwertig. Das dynamische Steifemodul wird sogar unterschritten. Auf Grund dieser Werte kann die notwendige Tiefgründung für diese Windkraftanlage nicht mit den geplanten Stahlbetonrammpfählen ausgeführt werden. Auf der Suche nach einer alternativen Gründungslösung scheiden Holz- und Stahlpfähle aus. Holz ist nur unter Wasser dauerhaft haltbar, besitzt eine zu geringe Tragkraft und kann nicht bzw. nur höchst aufwendig in ein homogenes System mit dem Stahlbetonfundament eingebunden werden. Ein Stahlpfahl, der sowohl den notwendigen Durchmesser und die erforderliche Mantelfläche besitzt, um die Normalkraft über den Pfahlspitzendruck und die Mantelreibung abzuleiten, würde mit den aktuellen Marktpreisen ein Vielfaches an Kosten verursachen. So bleibt als Lösung nur ein Material aus Stahlbeton. 6.2 Fazit Gründungsempfehlung Auf Grund der gewonnenen Erkenntnisse wird ein Franki-Pfahl mit einem Durchmesser von 56 cm oder ein vergleichbarer Ortbetonrammpfahl eines anderen Herstellers empfohlen. Die Biegesteifigkeit ist bei dieser Variante aus folgenden zwei Gründen deutlich höher. Zum einen ist die Querschnittsfläche des am Standort zu fertigenden Stahlbetonpfahls um fast ein Drittel größer. 43

51 Zum anderen ist, wie die nachfolgende Abbildung darstellt, durch die Herstellung einer Kiesvorverdichtung eine geringere Pfahlabsetztiefe und somit eine materialsparende Lösung möglich. Abbildung 10: Herstellung Franki-Pfahl mit Kiesvorverdichtung 13 Für die Herstellung eines Franki-Pfahls wird zunächst ein innen hohles Vortreibrohr an der vorgesehenen Einschlagstelle auf der Geländeoberkante aufgesetzt. Gehalten wird das Rohr von einer transportablen Ramme, die Pfahltiefen bis 30 m unter GOK herstellen kann. Eine Füllung aus Beton oder Kies wird etwa 1,00 m hoch in das Rohr gefüllt. Anschließend wird begonnen mit einem Rammbären, der in dem Rohr geführt wird, auf das eingebrachte Material zu schlagen. Wenn dieses ausgestampft ist, ergibt es nicht nur einen wasserdichten Pfropfen, sondern es dient gleichzeitig als Amboss, der über seine Verspannung das Rohr mit versenkt. 13 [FRA04] 44

52 Jetzt zeigt sich der wesentliche Vorteil dieser Variante der Pfahlherstellung. Die beim Einschlagen des Pfahles geleistete Rammarbeit ist mit der Schlagzahl pro Eindringtiefe ein Maß für die Tragfähigkeit, welche in der jeweiligen Tiefe erreicht ist. Ähnlich wie bei der Drucksondierung, sind auch hier Pfahlspitzendruck und Mantelreibung separat ermittelbar. Wenn die gewünschte Solltiefe oder das Rammkriterium erreicht ist, wird das Vortreibrohr festgehalten und durch das Weiterschlagen des Rammbären wird der Pfropfen als Pfahlfuß ausgeschlagen. Um den Pfahl fertig herzustellen, erfolgt nach dem Ausschlagen des Pfahlfußes der Einbau des Bewehrungskorbes. Bei der anschließenden Schaftherstellung wird das Mantelrohr abschnittsweise gezogen und der eingebrachte Beton eingestampft. Sollte die Konsistenz entsprechend den Untersuchungsergebnissen der Bodenprobe aus einer Schichttiefe von 3,00 m in eine breiige übergehen, besteht die Möglichkeit durch den Einbau von flexiblen runden Schellen der Frischbetonsäule ausreichend halt zu geben, und ein Wegfließen des Betons während des Rammvorganges zu verhindern. Soweit es technisch möglich ist, kann dieser Seitenhalt auch durch den Einbau einer Kiesvorverdichtung oberhalb der Pfahlabsetztiefe erreicht werden. Ein weiterer Vorteil dieser Pfahlherstellung ist, dass auf die zeitaufwendigen und schwierigen Kapparbeiten, wie sie bei Fertigteilpfählen notwendig sind, verzichtet werden kann. Besonders das obere Pfahlende wird während der Herstellung und durch die Befahrung der Baugrubensohle besonders beansprucht. Um den dafür benötigten Seitenhalt zugewährleisten, wird eine Schottertragschicht als Baugrubensohle empfohlen. Je nach Größe der zum Einsatz kommenden Baufahrzeuge sollte deren Stärke von der ausführenden Tiefbaufirma selbst bestimmt werden. Mindestens sollte sie jedoch eine Stärke von 0,40 cm besitzen. Sollte im Windpark Bülkau beim Aufsetzen auf die sandige tragfähige Schicht der geforderte Pfahlspitzendruck nicht erreicht werden, kann mit der dargestellten Kiesverdichtung die notwendige Tragkraft hergestellt werden. Jedoch gibt die Firma Franki Grundbau GmbH & Co. KG in ihrem Prospekt für den 56er Franki-Pfahl, der im nichtbindigen Baugrund aufgesetzt ist, eine Gebrauchslast des Druckpfahles von 2000 KN an. 800 KN werden für den Zugpfahl angegeben, dessen auftretende Normalkraft im bindigen Boden über die Mantelreibung abgetragen werden kann. 45

53 Des Weiteren kann bei Einhaltung der empfohlenen Pfahlabsetztiefe von 17 m unter GOK von der eingeleiteten Zugkraft das Pfahleigengewicht von etwa 90 KN abgezogen werden (0,246 m² x 14,30 m x 25 KN/m³ = 88,05 KN). Somit sind die von der Vestas Deutschland GmbH geforderten Mindestwerte für die aufzunehmenden Zug- und Druckkräfte der Pfahlgründung dieser Windkraftanlage erfüllt. Für die Festlegung der zulässigen Pfahllasten, Absetztiefen und Mindestpfahlabstände sind jedoch letztlich die Rammkriterien des Pfahlherstellers als maßgebend anzusehen. Die DIN 1054 gibt für Verdrängungs- und Bohrpfähle charakteristische Bemessungswerte an. Allerdings müssen diese mindestens 2,50 m in einer tragfähigen Schicht einbinden, welche zu dem noch bis 1,50 m unter dem Pfahlfuß anstehen muss. Die somit verlangten 4,00 m Gesamtstärke der tragfähigen Schicht ist am untersuchten Standort nicht gegeben, so dass eine separate erdstatische Berechnung zum Nachweis der Pfahltragkraft erfolgen müsste. Diese würde jedoch unter Berücksichtigung der Teilsicherheitskonzepte, der Mindestpfahlabstände, den Einfluss durch Bohrpfahlgruppen usw. den Rahmen dieser überschreiten. Des Weiteren können die von Franki Grundbau GmbH & Co. KG angegeben Lasten zur Vorbemessung der äußeren Tragkraft auf Grund der langjährigen Erfahrung als realistisch eingeschätzt werden. 46

54 Um nachfolgenden Projektplanern, Ingenieuren oder Statikern die Möglichkeit für erdstatische Berechnungen zu bieten, werden die dafür notwendigen Kennwerte nach DIN wie in folgender Tabelle angegeben. Schicht Wirksamer Reibungswinkel Wirksame Kohäsion Rohwichte Natürlich / unter Steifemodul statisch / dynamisch Auftrieb Φ [ ] c [KN/m²] / ץ [KN/m²] E stat / E dyn [MN/m²] Klei steif 27,5 2 20,5 / 10,5 2-5 / Klei weich 27, / / Sand weitg. 32, / / Ton steif 27, / / Tabelle 8: Berechnungskennwerte 14 Auf Grund der ermittelten breiigen Konsistenz des Bodens, welche bei der drei Meter unter GOK entnommenen Probe ermittelt wurde und somit nahe der Gründungssohle ansteht, kann das Fundament nicht durchgängig betoniert werden. Im Feldversuch zur Konsistenzbestimmung nach DIN 4022 ist die breiige Zustandsform wie folgt beschrieben: wenn er beim Pressen mit der Faust zwischen den Fingern hindurchquillt. Ein Baugrund mit dieser Eigenschaft ist nicht in der Lage, ein Betoneigengewicht von 62 KN/m² aufzunehmen. Das Wegfließen des Baugrundes würde unzulässige und verschiedene Setzungen verursachen. Somit wird dringend empfohlen, trotz vorher eingebrachter Schottertragschicht, die Betonage des Fundamentes in drei Abschnitte aufzuteilen. Ein weiterer Nachteil der besagten Konsistenz ist der flache Böschungswinkel, welcher zur Baugrubenherstellung notwendig wird. Die DIN 4124 verlangt bei steifen bindigen Böden einen Böschungswinkel von 60 und bei weichen bindigen Bö den einen Böschungswinkel von 45. Für einen breiigen Baugrundgrund sind kein e Angaben enthalten. 14 DIN :

55 Auf Grund bisheriger Erfahrungen und von den in der DIN angegebenen Werten wird empfohlen, dass bei der Baugrubenherstellung am besagten Standort ein Böschungswinkel von 30 nicht überschritten werden sollte. Da ein breiiger Boden, welcher seitlich nicht gestützt wird, keinerlei Tragfähigkeit besitzt, darf selbst bei einer derart flachen Böschung deren Oberkante keines Falls belastet werden. In Anbetracht dieser Tatsachen, der bereits angesprochenen Grundwassersituation und der steifen und somit besseren Tragfähigkeit der zweiten Schicht wird eine Anhebung der Gründungssohle auf 0,20 m unter GOK empfohlen. Weiterhin würden bei dieser Ausführungsvariante die beträchtlich anwachsenden Kosten eingespart, die ein Baugrubenaushub in der Tiefe von 2,70 m mit einem Böschungswinkel von 30 bewirkt. 48

56 7 Schlussbetrachtung Das angestrebte Ziel dieser, grundlegende Untersuchungen für das Baugrundgutachten zu erarbeiten und zu prüfen ob die vom Auftraggeber vorgegebene Pfahlgründung ausführbar ist wurde erreicht. Im Verlauf der Untersuchung zeigte sich, dass ein hoher Arbeits- und Zeitaufwand notwendig war, um das Baugrundgutachten zu erstellen. Grund dafür waren die sehr unterschiedlichen Fachbereiche, welche für die Baugrundanalyse erforderlich wurden. Zum Beispiel die Anfahrt zum Standort für die notwendigen Felduntersuchungen oder die Laboruntersuchungen mit sehr umfangreicher Literaturstudie zu deren Durchführung und Auswertung. Allein für die Wasserentnahme, dessen Bewertung und das Ermitteln der richtigen Expositionsklasse, mussten sechs DIN Normen studiert werden. Ebenfalls sehr zeitaufwendig war die Aneignung des umfangreichen grundbautechnischen Wissen zu Tiefgründungen von Windkraftanlagen mittels entsprechender Literatur. Ein Baugrundgutachten mit enthaltener Gründungsempfehlung, wie es in der vorliegenden erstellt wurde, macht das Wissen und dessen Anwendung aus vielen Fachgebieten notwendig. Diese reichen von Laborarbeit bis hin zu erdstatischen Berechnungen. Um dabei die Ergebnisqualität zu optimieren, wird empfohlen, die Bearbeitung solcher Gutachten von mehreren Fachkräften ausführen zu lassen oder aber eine Unterteilung zwischen Boden- und Gründungsgutachten vorzunehmen. Dabei sollte das Bodengutachten die Baugrundbeschreibung und die bodenmechanischen Daten enthalten. Im Gründungsgutachten hingegen sollten ingenieurtechnische Schlussfolgerungen und im Bedarfsfall erdstatische Nachweisrechnungen einfließen. In dieser wurde aufgezeigt, welchen hohen Stellenwert Baugrundgutachten in der Bau- bzw. Projektplanung haben. 49

57 So konnte beispielsweise mit der Feststellung, dass die ursprünglich vom Auftraggeber vorgeschlagene Gründungsvariante nicht ausgeführt werden kann, ein hoher finanzieller Aufwand und Schaden an diesem Bauprojekt vermieden werden. Des Weiteren bildet dieses Gutachten auch die Basis für die letztendlich zu wählende Ausführungsvariante, sowie deren rechnerische Nachweise. Da Fehler, die beim Grundbau eines Projektes entstehen, gar nicht oder nur mit entsprechend hohen Aufwand zu beseitigen sind, sollte die Qualität und der Umfang dieser geotechnischen Berichte angemessen hoch sein. Allen Beteiligten muss bewusst sein, dass der finanzielle Aufwand zur Beseitigung von Schäden am Bauwerk um ein Vielfaches größer ist, wie die Kosten zur Steigerung der Ergebnisqualität eines Baugrundgutachtens. 50

58 Anhangsverzeichnis Anhang 1: Anhang 2: Anhang 3: Anhang 4: Anhang 5: Anhang 6: Anhang 7: Anhang 8: Baugrundgutachten.....VII Messprotokolle der schweren Rammsondierung....XIV Protokoll der Sieb- und Schlämmanalyse.....XVI Korngrößenverteilungsdiagramm.....XVII Protokoll zur Bestimmung der Zustandsgrenzen...XVIII Aufschlussprofil der Bohr- und Rammsondierung XIX Diagramm der Drucksondierergebnisse XX Schal- und Rammplan XXI VI

59 Baugrundgutachten 1 Deckblatt Bauvorhaben: Windpark Bülkau Objekt: 1 Windkraftanlage Vestas V 80 2,0 MW, Nabenhöhe 60 m Tiefgründung Geotechnische Kategorie: 3 Auftraggeber: nicht bekannt Bearbeiter: Sermuth, den Unterlagen - Statische Berechnung der Windenergieanlage Vestas V 80 2,0 MW, Nabenhöhe 60 m für Tiefgründung - Fundamentdatenblatt, Schal- und Rammplan vom geologische Übersichtskarte Neumünster, Blatt CC Auszug aus dem Katasterplan mit eingetragener geplanten Bebauung - Diagramm der Drucksondierung, ausgeführt durch Nachunternehmer - Protokoll der Bohr- und Rammsondierung, durchgeführt am VII

60 3 Anlagen - Aufschlussprofil der Bohr- und Rammsondierung - Diagramm der Drucksondierergebnisse - Korngrößenverteilungsdiagramm - Protokoll der Bestimmung der Zustandsgrenzen - Protokoll der Sieb- und Schlämmanalyse 4 Feststellungen 4.1 Aufgabenstellung Für eine Windkraftanlage bei Bülkau (Niedersachsen) soll der Baugrund untersucht und ein Baugrundgutachten erstellt werden. 4.2 Standort und geplante Bebauung Der Standort der geplanten Windkraftanlage befindet sich nordwestlich der Gemeinde Bülkau auf landwirtschaftlicher Nutzfläche. Das Gelände ist nahezu eben und wird durch Gräben und kleine Dämme gekennzeichnet. Es ist die Errichtung von einer Windkraftanlage der Firma Vestas vom Typ V 80 2,0 MW, mit einer Nabenhöhe von 60 m als Tiefgründung geplant. Dem Fundamentdatenblatt zur besagten Tiefgründung wurden folgende Daten entnommen: - Geplant werden 16 Stahlbetonrammpfähle (40 x 40 cm) - Bei nicht tragfähigem Boden (E stat 2 MN/m², E dyn 14 MN/m²) Pfahllängen mind. 6 m, max. 18 m - Bei tragfähigen Boden (E stat 35 MN/m², E dyn 110 MN/m²) Pfahllängen mind. 6 m - Maximale Pfahllasten zur Bemessung der äußeren Tragfähigkeit der Pfähle: Druck 1875 KN, Zug 730 KN - Die Pfahlneigung ist 5 : 1 bzw. 10 : 1 VIII

61 - Kreuzbalkenfundament: 2 Balken 5 m x 13 m - Gründungssohle ist 2,70 unter GOK 4.3 Geologische Situation Der Standort der geplanten Bebauung befindet sich im Marschgebiet der Nordsee und liegt nach DIN 4149 in keiner Erdbebenzone. Der geologische Schichtenaufbau gliedert sich wie folgt: - Mutterboden (Holozän) - Klei (Holozän) - Sande (Holozän) - Ton (Elstereiszeit) 4.4 Baugrundschichtung Der Baugrund wurde durch eine Bohrsondierung bis in eine Tiefe von 22 m sowie durch eine schwere Rammsondierung bis in eine Tiefe von 20 m erkundet. Ein Nachunternehmer führte eine 30 m tiefe Drucksondierung durch. Die DIN 4020 empfiehlt bei Sonderbauwerken mindestens zwei direkte Aufschlüsse durchzuführen. Da der erste direkte Aufschluss mit den Aussagen der geologischen Karte sowie den Erfahrungswerten benachbarter Windkraftanlagen übereinstimmte, wurde von dieser Empfehlung abgewichen und auf eine zweite Bohrsondierung verzichtet. Nachfolgend wird die Baugrundschichtung des untersuchten Standortes tabellarisch zusammengefasst: Schicht Mächtigkeit [ m ] Bis m unter GOK Bemerkung Mutterboden 0,20 0,20 Durchteuft Klei 16,30 16,50 Durchteuft Sande 3,00 19,50 Durchteuft Ton > 2,50 Nicht durchteuft IX

62 4.5 Hydrologische Situation Bei der gegebenen Baugrundschichtung sind die Grundwasserverhältnisse nicht eindeutig. Den Grundwasserleiter bilden die Sande des Holozäns, in denen das eigentliche Grundwasser unter den Schichten des Kleis gespannt ist. Im oberen Bereich dieser gering durchlässigen Böden bilden sich außerdem Stauwasservorkommen. Deren örtliche Ausprägung ist von der Niederschlagsintensität und von den örtlichen Entwässerungsmöglichkeiten abhängig. Eine Angleichung des Stauwasserspiegels an die gespannte Grundwasserspiegelhöhe kann sich wegen der geringen Durchlässigkeit der Weichschichten kurzfristig nicht einstellen. 5 Gründungstechnische Schlussfolgerungen 5.1 Allgemeine Einschätzung der Baugrund- und Gründungsverhältnisse Wie die Ergebnisse der verschieden Sondierungen zeigen, handelt es sich bei dem ab Geländeoberkante bis 16,50 m tief reichenden Klei um extrem kompressible Weichschichten von überwiegend breiiger bzw. weicher Konsistenz. Diese Böden bilden für keine bautechnische Belastung jenseits ihrer geostatischen Vorbelastung einen ausreichenden Baugrund. 5.2 Gründungsempfehlung Aufgrund der schlechten Baugrundverhältnisse können die geplanten Stahlbetonrammpfähle im Bezug auf die geforderten statischen und dynamischen Steifemodule nicht in Anwendung kommen. Vorgeschlagen wird die Ausführung mit Franki-Pfählen oder einer vergleichbaren Ortbetonrammpfahlgründung. Im Vergleich zu anderen Pfahlgründungsarten haben diese den Vorteil, dass der Pfahlspitzendruck in ein vorverdichtetes Kiesbett abgeleitet werden kann. X

63 Herstellungsbedingt kommt es zu einer Verdichtung und damit zur Verbesserung der Tragfähigkeit unterhalb der Pfahlsohle und somit können die Pfähle in höheren Bereichen abgesetzt werden. Zudem kann über das Rammkriterium bei der Pfahlherstellung ein direkter Rückschluss auf die Pfahltragfähigkeit gezogen werden. Aufgrund der extremen kompressiblen Weichschichten wird empfohlen, eine Kiesvorverdichtung oberhalb der Pfahlabsetztiefe auszuführen, um die seitliche Stützung des Betons nach Ziehen des Hüllrohres durch eine Kieshülse zu gewährleisten. Der Seitenhalt des oberen Pfahlendes sollte durch eine Schottertragschicht > 0,40 m gewährleistet werden. Für die Vorbemessung können bei Pfahlrohrdurchmessern von 56 cm und Kiesvorverdichtung erfahrungsgemäß zulässige Pfahllasten von ca kn erwartet werden. Für die Festlegung der zulässigen Pfahllasten und der Absetzkoten sind jedoch letztendlich die Kriterien der jeweiligen Hersteller (Rammkriterium) als maßgebend anzusehen. Um den technischen Schwierigkeiten der Baugrubenherstellung und dem erheblichen Mehraufwand einer geschlossenen Wasserhaltung zu umgehen, empfiehlt es sich, die Fundamentplatte in einer geringeren Tiefe als geplant herzustellen. Wir schlagen für die Fundamentplatten eine Gründungstiefe von 0,20 m unter Geländeoberkante vor. In dieser Tiefe steht ein steifer leicht plastischer Ton an. Der anstehende Klei kann das angegebene Frischbetoneigengewicht von 62 KN/m² nicht aufnehmen. Aus diesem Grund ist das Fundament in mehreren Teilabschnitten zu betonieren. Für diesen Standort wird eine Absetztiefe von 17 m in Betracht genommen. XI

64 5.3 Berechnungskennwerte für Tiefgründung Für erdstatische Berechnungen des Standortes können für die anstehenden Schichten folgende Berechnungskennwerte zugeordnet werden: Schicht Wirksamer Reibungswinkel Wirksame Kohäsion Rohwichte Natürlich / unter Steifemodul statisch / dynamisch Auftrieb Φ [ ] c [KN/m²] / ץ [KN/m²] E stat / E dyn [MN/m²] Klei steif 27,5 2 20,5 / 10,5 2-5 / Klei weich 27, / / Sand weitg. 32, / / Ton steif 27, / / Bruchwerte für den Pfahlspitzendruck: Klei 0 8 MN/m² Sande MN/m² Ton 4 5 MN/m² Mantelreibung: Klei Sande Ton 0,01 0,08 MN/m² 0,10 0,15 MN/m² 0,15 0,20 MN/m² 5.4 Wasserhaltung - Schutz vor Wasser Bei der geplanten Gründungstiefe von 0,20 m unter Geländeoberkante ist eine offene Wasserhaltung ausreichend. Kommt eine Gründungstiefe von 2,7 m in Anwendung, so sind entsprechende Zusatzmaßnahmen hinsichtlich der Wasserhaltung vorzunehmen (z.b. Flachbrunnen mit Kiesumschürzung). XII

65 Bei den hier anstehenden Böden mit geringer Wichte können hydraulische Sohlbrüche und Böschungsbrüche die Folge sein. Die Böschungsschultern dürfen in keinem Fall belastet werden. Bei der Felduntersuchung wurde eine Wasserprobe entnommen und im Labor auf betonaggressive Eigenschaften hin untersucht. Danach ist das Wasser aufgrund eines erhöhten Anteils an Ammonium als schwach betonangreifend einzustufen. Das Wasser ist in die Expositionsklasse XA 1 einzustufen. Ein entsprechender resistenter Beton muss zur Anwendung kommen. 5.5 Bodenklassen und Böschungswinkel Nach DIN können für die erkundeten Schichten folgende Bodenklassen zu Grunde gelegt werden: Mutterboden BKL. 1 Klei BKL. 4 Der Böschungswinkel darf in keinem Fall 30 übersc hreiten. 6. Schlusswort Zur Erstellung des vorliegenden Gutachtens wurden die erforderlichen Baugrunduntersuchungen durchgeführt. Die Aussagen des vorliegenden Gutachtens sind für die Planung und Bauausführung der oben genannten Baumaßnahme zugelassen. Für andere Baumaßnahmen besitzt das Gutachten keine Gültigkeit. Sollten sich im Rahmen der weiteren Bearbeitung, Änderungen ergeben, die in diesem Bericht, mit Bearbeitungsstand vom August 2008, nicht berücksichtigt werden konnten, wäre eine Überarbeitung des vorliegenden Gutachtens notwendig. XIII

66 XIV

67 XV

68 XVI

69 XVII

70 XVIII