Dehnsteife Geogitter über Nassmörtelsäulen – Zur Bodenverbesserung einer neu zu gestaltenden Uferpromenade sowie zur Lastabschirmung einer Kaimauer im Bestand

1. Zusammenfassung

Der folgende Beitrag beschreibt die Neugestaltung einer bestehenden Hafenpromenade im Bereich der Unterelbe, um die Attraktivität des Hafengebietes zu steigern und das frühere ausschließlich gewerblich genutzte Hafengebiet zu öffnen und den Hafen in das Stadtleben zu integrieren. Dazu ist eine Geländeanhebung erforderlich. Bedingt durch die wenig tragfähigen Bodenschichten im Bereich der Hafenpromenade sind Zusatzmaßnahmen notwendig, um zum einen die neuen Bauwerkslasten auf die bestehende Kaianlage zu minimieren und zum anderen die damit verbundenen lang anhaltenden Setzungen auf ein verträgliches Maß zu reduzieren und Schäden an der neuen Promenade zu vermeiden.

2. Einleitung

Als Teil einer Ingenieurgemeinschaft ist Ramboll zusammen mit Landschaftsplanern (Bruun & Möllers) und Architekten (bof architekten) mit der Neugestaltung einer Hafenpromenade im Bereich der Unterelbe beauftragt. Da sich das Projekt noch in der Planung befindet und diverse Entscheidungen zur Umsetzung vom Bauherrn noch nicht getroffen werden können, wird das Projekt im Folgenden anonymisiert vorgestellt.

Die Planungsinhalte umfassen neben der Neugestaltung der Hafenpromenade (Freianlage) die Schaffung von neuen Zugangsmöglichkeiten durch die bestehende Hochwasserschutzwand, die Neugestaltung des Hafenmeisterhauses sowie die Instandsetzung der Hochwasserschutzwand (HWS-Wand) aus Stahlbeton, welche sichtbare Alterserscheinungen aufweist.

3. Bestandssituation

Das Planungsgebiet umfasst eine Fläche von rund 7.000 m². Eine Besonderheit des Projektes ist neben der starken Frequentierung durch den Tourismus die Lage der Maßnahme. Das Planungsgebiet befindet sich sowohl wasserseitig der öffentlichen Hochwasserschutzanlage als auch wasserseitig der vorgelagerten Objektschutzanlage. Dies führt dazu, dass das Planungsgebiet statistisch gesehen rund 13 Mal pro Jahr infolge von Sturmfluten überschwemmt wird.

Die dem öffentlichen Hochwasserschutz vorgelagerte und instand zu setzende HWS-Wand dient als Objektschutz und fängt gleichzeitig einen Geländesprung zwischen der Stadt und dem Hafen von rund 2,5 m Höhe ab. Ebenso stellt die HWS-Wand eine Barriere zwischen der Stadt und dem Hafen dar. Dies kommt insbesondere in der Sturmflutsaison vom 15. September bis zum 31. März zum Tragen, da in diesem Zeitraum ein Teil der HWS-Tore sowie die HWS-Klappen dauerhaft verschlossen werden (siehe Abbildung 3-1).

Abb. 3-1: Verschlossene HWS-Wand während der Sturmflutsaison

Die HWS-Wand zeigt sichtbare Alterserscheinungen und ist daher im Zuge der Gesamtmaßnahme instand zu setzen. Selbiges gilt für das durch Sturmfluten stark in Mitleidenschaft gezogene Hafenmeisterhaus, welches sich zwischen Kaianlage und HWS-Wand befindet.

Der Hafen selbst wurde bis in die 90er Jahre ausschließlich gewerblich genutzt. Als Teil eines größeren Städtebauprojektes wurde in den vergangenen Jahren der Wandel hin zu einer touristischen Nutzung eingeleitet und soll durch die Neugestaltung der Hafenpromenade weiter vorangetrieben werden.

4. Planerische Umsetzung

Das Kernelement der Freianlagenplanung beinhaltet die Anhebung des Geländes um rund 2,5 m und die damit einhergehende Schaffung einer oberen Promenade, siehe Abbildung 4-3. Hiermit werden der vorhandene Geländesprung wasser- und landseitig der HWS-Wand ausgeglichen und – in Kombination mit neuen HWS-Toren – neue barrierefreie Zugangsmöglichkeiten zum Hafen ermöglicht. Insgesamt sind 3 neue Zugänge vorgesehen. Aufgrund der Verlagerung der HWSTore auf das höhere Niveau kann zudem das dauerhafte Verschließen während der Sturmflutsaison entfallen, da die dann höher gelagerte Promenade statistisch nur noch einmal in 5 Jahren überflutet wird.

Abb. 4-1: Bereich der Geländeaufhöhung (rot gestrichelt eingefasstes Gebiet)

Weitere Elemente der Planung sind die Rekonstruktion des oben erwähnten Hafenmeisterhauses, die Errichtung öffentlicher WCs und einer gastronomischen Nutzung. Zudem werden im Bereich der HWS-Klappen hochwassersichere Glaselemente vorgesehen und eine hochwertige Gestaltung der HWS-Wand vorgenommen.

Abb. 4-2: Bereich der Geländeaufhöhung (Schnitt)

Aufgrund des sehr inhomogenen, wenig tragfähigen und setzungsempfindlichen Baugrunds sind auch Maßnahmen zur Setzungsreduzierung erforderlich. Hiermit sollen die rechnerisch erwartbaren Verformungen im Baugrund durch die Neugestaltung auf ein verträgliches und für die neue Hafenpromenade mit Granitsteintreppen unschädliches Maß reduziert werden. Hierfür wurde eine Bodenverbesserung mittels Nassmörtelsäulen in Kombination mit einer Lasttransferschicht als Vorzugsvariante von Ramboll erarbeitet und planerisch untersucht. Die Nassmörtelsäulen bewirken neben der deutlichen Setzungsminderung auch eine gewisse Entlastung der bestehenden Kaianlage durch die 2,5 m höhere Aufschüttung.

Abb. 4-3: Visualisierung der Planung

5. Bodenverbesserung durch Nassmörtelsäulen

5.1 Allgemeines

Das hierfür ausgewählte und präferierte Verfahren zur Baugrundverbesserung durch Nassmörtelsäulen beinhaltet die Errichtung unbewehrter Betonsäulen in einem zu bestimmenden gleichmäßigen Raster (Abstand), siehe Abbildung 5-1.

Abb. 5-1: Schematische Darstellung des Lastabtrags von Säulen mit Lasttransferschicht am Beispiel von CMC-Säulen [2]

Die Säulen werden in den Baugrund durch Bodenverdrängung eingebracht, siehe Abbildung 5-2. Der Säulenfuß befindet sich hierbei im tragfähigen Baugrund, wodurch ein Großteil der zusätzlichen Lasten, die durch die Geländeaufhöhung entstehen, direkt dort eingeleitet werden und somit kaum messbare Setzungen verursachen. Zusätzlich dient eine dehnsteife Lasttransferschicht aus Geogitterlagen dazu, die Flächenlast besser in die Säulen einzuleiten und die Geländebruchsicherheit zu erhöhen.

Der so deutlich entlastete, wenig tragfähige Baugrund zwischen den Nassmörtelsäulen wird durch die Bodenverdrängung bei der Säulenherstellung verbessert und die möglichen Setzungen zwischen den Säulen merklich reduziert.

Ein in Deutschland etabliertes System zur Herstellung von Nassmörtelsäulen sind beispielsweise die sogenannten CMC-Säulen (Controlled Modulus Columns) von Menard, siehe Abbildung 5-2.

Abb. 5-2: Schematische Verfahrensskizze der Herstellung von Säulen zur Baugrundverbesserung (hier: CMC-Säulen)

5.2 Setzungsberechnungen

Die bisherige Planung sieht vor, dass die Nassmörtelsäulen (Durchmesser 32 cm) in einem gleichmäßigen Quadratraster von 2 x 2 m angeordnet werden, siehe Abbildung 5-3. Auf den Säulenköpfen werden vor der Geogitterverlegung Betonfertigteil-Kopfplatten angebracht, um die Lastkonzentration auf die Säulen zu erhöhen und den Abstand zwischen den Säulen zu verkürzen. Über den Säulenkopfplatten wird eine rund 45 cm dicke Lastverteilungsschicht bestehend aus zwei orthogonal zueinander verlegten Geogitterlagen (z. B. NAUE Secugrid 80/20 R6 o.ä.) in Verbindung mit 15 cm dicken Sandzwischenlagen hergestellt, siehe Abbildung 5-4.

Abb. 5-3: Draufsicht zur Anordnung der Säulen und deren Abstände, rechts mögliche Kopfplatten

Innerhalb der granularen Aufhöhung bildet sich durch den hohen Steifigkeitsunterschied zwischen den Nassmörtelsäulen und dem umgebenden Weichboden eine Gewölbewirkung zwischen den Säulenköpfen aus. Diese verursacht eine Last- konzentration auf die Säulenköpfe in dem Sandpolster, siehe Abbildung 5-5. Auf Grundlage des in der EBGEO veröffentlichten Gewölbeansatzes ergibt sich rechnerisch eine ca. 60-prozentige Lastumlagerung auf die Säulen, d. h. etwa 40 % der Auflast in Höhe der Säulenkopfebene verbleibt trotz Säulengründung auf den setzungsempfindlichen Bodenschichten zwischen den Säulen. Dadurch können die Setzungen trotz Säulengründung rechnerisch nicht „vollständig“ reduziert werden.

Abb. 5-4: Darstellung der Lasttransferschicht mit zwei Geogitterlagen über der Nassmörtelsäule (hier: CMC) mit Kopfplatte

Durch die gleichmäßige Anordnung der Nassmörtelsäulen in einem 2,0 m x 2,0 m Quadratraster werden die zu erwartenden Setzungen nach dem Verfahren von Priebe insgesamt etwa um den Faktor 3 reduziert, weil durch die Gewölbewirkung im Sandkörper die Weichschicht entlastet wird und die verbleibende deutlich geringere Belastung auf dem dehnsteifen Geogitter eine Dehnung und einen Durchhang in Feldmitte zwischen den Säulen verursacht. Dabei ist davon auszugehen, dass ein Großteil der rechnerisch prognostizierten Setzungen voraussichtlich innerhalb der lastverteilenden Geogitterlagen oberhalb der Säulenköpfe noch während der Bauzeit eintreten wird.

Abb. 5-5: Prinzipskizze Gewölbewirkung innerhalb der Aufschüttung und Verformungsbild der lastverteilenden Geogitterlage

Bei unbewehrten Säulen mit kleinem Durchmesser und im Verhältnis zum umgebenden Boden hoher axialer Steifigkeit ist jedoch immer darauf zu achten, dass die Säulen nicht durch Knicken versagen. Das Berechnungsverfahren nach Alber (2013) zeigte für eine im Projektgebiet vorhandene Einzelsäule im ungünstigsten Baugrundprofil, dass diese bei einer maximalen

axialen Belastung von 500 kN/m² (volle Lastumlagerung auf die Säulen) nicht durch Knicken versagt und die Verformungen im elastischen Bereich liegen. Somit ist ein Knicken der Säulen nicht zu erwarten.

Abb. 5-6: Bereich der geplanten Baugrundverbesserung (grün markiert)

Im Zuge der Neugestaltung der Ostpromenade ist im südlichen Bereich des Projektgebietes der Bau einer ausgedehnten Granitstein-Treppenanlage sowie der Neubau der beiden Gebäude geplant, siehe Abbildung 4-3. Um die Bauwerkslasten in den tieferliegenden, tragfähigen Baugrund einzuleiten, sind aus statischer Sicht Tiefgründungen für die Treppenanlage und für das Hafenmeisterhaus erforderlich, um die vorhandene Kaianlage nicht weiter zu belasten. Dafür sind 39 Bohrpfähle (70 cm Durchmesser) unter den Streifenfundamenten der Treppe bzw. unter dem Hafenmeisterhaus angeordnet.

Neben den vertikalen Bauwerkslasten müssen über die Bohrpfahlgründung infolge der angrenzenden und zukünftig geplanten aufgehöhten Freianlage auch nennenswerte Horizontallasten abgetragen werden. Die Horizontallasten können nicht über die Nassmörtelsäulen abgetragen werden, da diese empfindlich gegenüber Biegebeanspruchung reagieren.

Darüber hinaus ist durch die Geländeaufhöhung eine Überprüfung der bestehenden 60 Jahre alten Kaianlage erforderlich, da trotz Bohrpfahlgründung der Treppenanlage und trotz Bodenverbesserung durch Nassmörtelsäulen mit Geogitterlagen über den Säulenköpfen verbleibende Zusatzerddrücke auf die Kaianlage die Standsicherheit der Kaianlage merklich beeinflussen können. Ggf. sind nach Abschluss der erdstatischen Überprüfung zusätzliche Ertüchtigungsmaßnahmen erforderlich.

Literatur

1. Alber: „Der Nachweis der inneren Sicherheit von pfahlartigen Tragelementen im Boden“, Bautechnik 90 (2013), Heft 12
2. N. Meyer, A. Emersleben, J. F. Kirstein: „Probebelastungen von CMC-Säulengruppen – Einfluss der Lastverteilungsschicht auf die Beanspruchung des Untergrundes und der Säulen“
3. DYNIV GmbH: Prospekt „Baugrundverbesserung mit neuen Technologien“
4. Priebe: “Design of vibro replacement”, Ground engineering 2005
5. Priebe: “The Design of vibro replacement”, GeTec Ground engineering 1995