Schwund im Untergrund

Eine Aufstockung, ein Dachausbau oder eine Umnutzung muten einem Gebäude meist zusätzliche Lasten zu. Sind Fundament und Baugrund stark genug? Oder drohen Risse und andere Setzungsschäden? Aber auch geologische Bodenveränderungen können dafür sorgen, dass Altbauten plötzlich auf wackeligen Säulen ruhen. Mit welchen Verfahren lassen sich Fundament und Baugrund ertüchtigen?

Wenn bei einem Gebäude die Tür plötzlich klemmt, kann es sein, dass der Schreiner nur wenig ausrichten kann, um das Problem zu beheben. Dies zeigt sich, wenn die abgehobelte und nachjustierte Tür ein paar Tage später erneut nicht ins Schloss fallen will und dazu an der Türecke plötzlich ein bisher nicht da gewesener Riss klafft. Eine solche Entdeckung sorgt sogleich für viel Aufregung, denn ganz anders als klemmende Türen und Fenster stellen sich Bewohner beim Anblick von Rissen und abplatzenden Putzbrocken schnell die bange Frage, ob denn das Gebäude noch sicher auf seinen Fundamenten ruht. Bewegt es sich? Fällt es gar bald zusammen? Sackt es womöglich ab? Fast schon reflexartig schießen einem die Bilder von Nachterstedt in den Kopf, wo im Juli 2009 anderthalb Häuser mit 2,5 Millionen Kubikmeter Erde frühmorgens in einen See rutschten und drei Menschen in den Tod rissen.

Baugrund in Bewegung

Die Ursachen, warum ein Gebäude, das jahrelang sicher auf seinen Fundamenten ruhte, plötzlich in Bewegung gerät, können vielseitig sein. Der Klassiker sind leichte, kaum wahrnehmbare Erdbeben, deren Erschütterungen aber für leichte Setzungen oftmals schon ausreichen. Gleiches vermögen anhaltende Vibrationen naher Baustellen auszulösen. Folgenreich können ebenso Bodenausspülungen infolge Hangwasser oder Hochwasser sein, die entweder zu Hohlräumen in dem belasteten Baugrund führen oder die geologischen Verhältnisse im Untergrund derart verändern, dass sich beispielsweise Mulden aus weichen Bodenschichten bilden – in beiden Fällen wird dem Fundament binnen kurzer Zeit sprichwörtlich „der Boden entzogen“ und es droht abzukippen oder einzusacken. Eher schleichend stellen sich dagegen Setzungen aufgrund von Bodenaustrocknungen oder Grundwasserabsenkungen ein. Problematisch zeigen sich in diesem Zusammenhang tonige Bodenarten, beispielsweise aus fettem Lehm, die ihr Volumen erheblich in Abhängigkeit der vorliegenden Feuchte ändern. Was auch immer die Ursachen für Setzungen sein mögen – ist der Schaden erst einmal da und es bleibt noch Zeit, ihn zu beheben, ist guter Rat teuer. Was tun mit einem Gebäude, das auf wackligen Säulen steht, weil das Fundament seinen Halt verloren hat?

Einsinkende Fundamente und Risse

Grundsätzlich muss man zunächst wissen, dass sich jedes Gebäude beziehungsweise der darunter belastete Baugrund im Verlauf der Zeit mehr oder weniger setzt – ob Millimeter, Zentimeter oder Dezimeter hängt davon ab, wie es um die Zusammendrückbarkeit der Bodenschichten bestellt ist. Lässt sich der Baugrund gleichmäßig zusammenpressen, wird man das minimale Einsinken der Fundamente über mehrere Jahre kaum wahrnehmen, und der Vorgang wird auch nicht zu einem Schaden führen. Problematischer zeigt sich dieser Vorgang, wenn die Setzungen ungleichmäßig vonstatten gehen oder der Baugrund von dem Gebäude durch Auf-, An- oder Umbauten statisch ungleich belastet wird. Dann kommt es unweigerlich zu Verformungen im Gefüge, in deren Folge Zwangskräfte auftreten, welche die Fundamente und die Tragstruktur des Gebäudes zusätzlich beanspruchen. Bis zu einer gewissen Grenze ist ein Gebäude durchaus in der Lage, unterschiedliche Setzungen aufzunehmen, ohne dass sich gleich bedrohliche Risse bilden. Erfahrungsgemäß gelten Setzungen als unschädlich, wenn das Verhältnis von Setzungsunterschied zwischen zwei Punkten (Ds) und dem Abstand zwischen diesen beiden Punkten (l) kleiner als 1/500 ist. Beträgt Ds/l mehr als 1/300, ist bereits mit zu bemängelnden optischen Schäden zu rechnen. Hat sich ein Gebäudeteil um den Verhältniswert Ds/l > 1/150 gesetzt, muss man damit rechnen, dass die Konstruktion Schaden nimmt und folglich die Standsicherheit nicht mehr gewährleistet ist. Tauchen plötzlich Risse an Stellen auf, wo jahrelang alles in Ordnung war, ist unbedingt zu beobachten, ob die Risse weiter „arbeiten“ oder bereits zur Ruhe gekommen sind. Zur Beurteilung sollten erfahrene Baufachleute oder spezialisierte Sachverständige hinzugezogen werden, die aus dem Verlauf der in der Gebäudestruktur zutage getretenen Risse die Art der Bewegung erkennen und somit die Ursache einer eventuellen Setzung herausfinden. Liegt das Problem im schrumpfenden, nicht mehr tragfähigen Baugrund, muss derselbe verdichtet und verstärkt werden. Welche Methode man dafür wählt, hängt davon ab, wie die Situation vor Ort aussieht, was für ein Baugrund ansteht, ob benachbarte Gebäude gefährdet sind, wie stark in die Gebäudesubstanz eingegriffen werden soll oder darf und – last but not least – wie hoch das verfügbare Budget ist.

Viele Methoden – welche ist geeignet?

Unabhängig davon, für welches Verfahren man sich entscheidet, muss zuvor ermittelt werden, wie es um die Fundamentkonstruktion bestellt ist und wie der darunter anstehende Baugrund beschaffen ist. Dazu ist eine professionelle Bodenuntersuchung unerlässlich – ein Verzicht auf diese wichtige Erkundung kann Planer und Bauherr teuer zu stehen kommen. Erst danach lässt sich beurteilen, ob eher eine konventionelle Unterfangung nach DIN 4123 infrage kommt oder die Fundamente beziehungsweise der Untergrund besser mit dem Düsenstrahlverfahren (HDI), mit einer Zement- oder Silikatgelinjektion oder mit Verpresspfählen ertüchtigt werden können. Eine besonders präzise, dauerhafte und mit nur sehr geringen Belästigungen verbundene Technik ist die sogenannte Tiefeninjektionsmethode, bei der der Baugrund mittels eines Zweikomponenten-Expansionsharzes verdichtet und verstärkt wird.

Unterfangung nach DIN 4123

Bei einer konventionellen Unterfangung werden die Fundamente abschnittweise freigelegt und unterseitig mit einem Betonkörper verstärkt. Je nach Platzverhältnissen sind dabei aufwendige Handausschachtungen oft unvermeidbar, zudem kann das Zwischenlagern des Aushubs bei beengten Platzverhältnissen problematisch sein. Auch wenn dieses klassische Verfahren in Anbetracht der heutigen Alternativen vorzugsweise eher für kleinere Bauvorhaben infrage kommt, sind derartige Unterfangungen ingenieurmäßig zu planen und entsprechende Nachweise zu führen. Die sorgfältige Erkundung des Baugrundes ist ebenso unverzichtbar wie die Abschätzung der zu erwartenden Setzungen aus der Dauerlast nach dem Tieferlegen der Gründungssohle. Ein weiteres Setzungsrisiko durch Umleiten der Kräfte lässt sich nicht ausschließen. Zu klären ist im Vorfeld unter anderem auch die Lage des Grundwasserspiegels. Die abzufangende Maximallast ist auf 250kN/m begrenzt, und es müssen unterhalb der tiefergelegten Gründungsebene mindestens mitteldicht gelagerte, nicht bindige beziehungsweise mindestens steife bindige Böden anstehen. Um eine für das Setzungsverhalten des Altbaus vorteilhafte Muldenlage zu erzwingen, ist mit den Unterfangungsarbeiten an den höher belasteten Bereichen zu beginnen – also an den Gebäudeecken oder einbindenden Querwänden. Meistens sind mehrere in sich abgeschlossene Unterfangungsabschnitte vorzusehen. In DIN 4123 (Ausgabe September 2000) sind alle wichtigen Forderungen bezüglich Vorerkundung, Planung und Ausführung beschrieben – diese Norm sollte in keinem Planungsbüro fehlen. Unterfangungen gehören ebenso wie Baugrubenränder zu den oft unterschätzten lästigen und Geld verschlingenden „Baubehelfen“, die jedoch eine besonders qualifizierte Planung und Bauüberwachung erfordern.

Düsenstrahlverfahren

Bei dem erschütterungsfreien Düsenstrahlverfahren (HDI) wird der Untergrund unter dem absackenden Fundament mit Zementsuspension oder einem Wasserstrahl unter hohem Druck säulenförmig aufgeschnitten und mit Zementsuspension zu einem Erdbeton vermörtelt. Durch das Aneinanderreihen dieser Säulen ergibt sich ein durchgehender, stützmauerartiger Unterfangungskörper. Diese Arbeiten erfordern nicht nur einen speziellen Maschinenpark, sondern auch eine durchgehende Qualitätssicherung mit Registrierung aller Bohr- und Düsdaten, weshalb für diese Methode nur Spezialtiefbauunternehmen beauftragt werden können. Meistens rücken die Firmen mit schwerem Baustellengerät und einer umfangreichen Baustelleneinrichtung an. Die notwendigen Platzverhältnisse und die Baustellenlogistik sind also zuvor abzuklären. Auch sollte man erhebliche Verschmutzungen und Zerstörungen der nahen Umgebung einkalkulieren. Das Düsenstrahlverfahren eignet sich sowohl für bindige als auch für nicht bindige Böden. Die säulen- oder lamellenförmigen Vermörtelungskörper können lotrecht oder leicht geneigt unter das Fundament eingebracht werden.

Zementinjektion

Eine weitere Variante, mit der sich die Tragfähigkeit von Gründungskörpern erhöhen oder Fundamentlasten in den tieferen Untergrund übertragen lassen, sind Zementinjektionen. Dieses sogenannte Feststoff-Einpressverfahren eignet sich auch, um Setzungen auszugleichen sowie abgesackte Fundamente und damit die darauf gegründeten Gebäudeteile wieder anzuheben. Bei einer Zementinjektion wird der Untergrund gezielt so injiziert und dabei aufgesprengt, dass künstliche Klüfte entstehen, über deren Aufweitungen kontrollierte Hebungen möglich sind. Die Injektionen und Einpressungen erfolgen über Verpresslanzen oder im Manschettenrohrverfahren, bei dem Ventil- oder Manschettenrohre zur Injektion mit Packern befahren werden. Die injizierten Zement- oder Zement-Bentonit-Suspensionen sind dabei in Konsistenz und Feststoffgehalt auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Nach dem Einrammen oder Einspülen der Verpresslanzen werden diese nach einem vorgegebenen Schema verpresst („beaufschlagt“), wobei das ausführende Unternehmen den Verpressdruck, die Verpressrate und die Verpressmenge genau registrieren und dokumentieren muss. Eventuell sind Nachinjektionen vonnöten. Da die Reichweite und die Durchdringung des Porenraums bei einer Zementinjektion sehr stark von der Durchlässigkeit des Untergrunds abhängen, bilden sich im Baugrund zumeist sehr unregelmäßige Verpresskörper. Da sich nicht alle Hohlräume im Erdreich zuvor feststellen lassen, ist dieses Verfahren nur schwer kontrollierbar. Das allmähliche Erstarren der Suspension verzögert natürlich dessen Wirkung, was in manchen Fällen von Nachteil sein kann. Zu bedenken ist außerdem das zusätzliche Setzungspotenzial durch das eingebrachte Materialgewicht.

Silikatgelinjektionen

Grundstoff für Silikatgelinjektionen ist Wasserglas, das durch Schmelzen von Natriumcarbonat und Quarzsand entsteht. Es wird mit Wasser verdünnt und mit organischen oder anorganischen Härtern zu einer Dispersion aufbereitet. Diese besitzt eine zeitlich begrenzte Verarbeitbarkeit, nach der sie zum Gel erstarrt. Die Verarbeitbarkeitszeit und die Porengröße des Bodens sind bestimmend für die Reichweite der Injektion. Mit einer Silikatinjektion aus Hartgelen lässt sich der Baugrund verfestigen, mit Weichgelen kann man den Baugrund dagegen abdichten. Letzteres ist beispielsweise hilfreich, um Dichtsohlen in Baugruben herzustellen, die tief in das Grundwasser einbinden. Mit Silikatgel verfestigte Böden eignen sich zur Unterfangung von Gebäudefundamenten, aber auch zu deren Verstärkung, um erhöhte Lasten aufnehmen zu können. Auch der Lückenschluss von Baugrubenwänden lässt sich damit erzielen. Da Silikatgele im Lauf der Zeit schrumpfen, also ihre Wirkung nicht dauerhaft beibehalten, sind sie nur für temporäre Einsatzzwecke gebräuchlich (zum Beispiel bei erhöhten Lasteinträgen während der Bauphase). Die Arbeitsschritte beim Einbringen des Injektionsgutes gleichen dem Ablauf einer Zementinjektion: Löcher ins Erdreich bohren, Manschettenrohre einsetzen, den Ringraum zwischen Manschettenrohr und Bohrlochwandung mit einem Sperrmittel geringer Festigkeit abdichten (Zement-Bentonit-Suspension) und schließlich die Injektion gemäß Verpressplan durchführen und alles dokumentieren. Da eine Silikatgelinjektion die Qualität des Grundwassers beeinträchtigen kann, ist hierfür eine behördliche Genehmigung einzuholen, die oft nur mit strengen Auflagen erteilt wird.

Verpresspfähle

Neben dem Düsenstrahlverfahren sind Verpresspfähle die am häufigsten angewandte Methode, um Altfundamente zu unterfangen oder zu verstärken. Dazu werden die Pfähle zunächst beidseitig neben den vorhandenen Streifenfundamenten oder den zu ersetzenden alten Pfahlgründungen eingebracht. Um die auf den Altfundamenten ruhenden Lasten formschlüssig auf die Verpresspfähle übertragen zu können, müssen danach sogenannte Streichbalken mit entsprechenden Profilierungen und Verdübelungen eingebaut werden. Für eine effiziente Lastumlagerung aus dem Altfundament empfehlen sich vorgespannte Pfähle, wodurch sich Gebäudeverformungen auf ein Minimum begrenzen lassen. Da sich Unterfangungsarbeiten meistens in beengten Kellerräumen abspielen, bedarf es kompakter Bohrgeräte und -verfahren. Sehr gebräuchlich sind Stab-Verpresspfähle, deren einzelne Tragglieder mit einfachen Mitteln gemufft werden können, wodurch auch große Pfahllängen bei begrenzter Höhe ausführbar sind. Eine Unterfangung mit Verpresspfählen bietet sich bevorzugt bei Gründungssanierungen und Fundamentverstärkungen an, wenn

• sich die Nutzung ändert und das vorhandene Fundament oder der Baugrund in der Gründungsebene keine zusätzlichen Lasten mehr aufnehmen können,
• alte Holzpfahlgründungen geschädigt sind und ersetzt werden müssen,
• die Gebrauchstauglichkeit der Gründung eines Gebäudes gefährdet ist,
• Abfangungen für Unterfahrungen (Tunnelbau) oder
•  Lastumlagerungen erforderlich werden.

Eine Unterfangung mit Verpresspfählen eignet sich sehr gut, um historische Bausubstanz zu sichern und deren Umnutzung auch aus statischer Sicht zu ermöglichen. Sowohl der Zustand der Bausubstanz, Zwischenbauzustände und die Zugänglichkeit beziehungsweise der zur Verfügung stehende Arbeitsraum können bei dieser Methode optimal berücksichtigt werden.

Tiefeninjektionsmethode

Eine spezielle Injektionshebetechnik hat das Unternehmen Uretek aus den Erfahrungen mit abgesackten und danach wieder angehobenen Betonböden entwickelt. Diese sogenannte Tiefeninjektionsmethode (UDI = Uretek DeepInjection®) verdichtet und verstärkt den Baugrund unter dem Fundament mithilfe eines Zweikomponenten-Expansionsharzes. Beim UDI-Verfahren wird die Tragkraft des Fundamentuntergrundes so erhöht, dass der behandelte Untergrund ein beträchtlich höheres Tragvermögen hat als die statische Belastung durch das Gebäude erfordert. Die zielgerichtete Injektion des stark expandierenden Harzes berücksichtigt den statischen Grundsatz, dass die Beanspruchung des Bodens unter Fundamenten mit zunehmender Tiefe degressiv abnimmt. Indem das Harz genau in die am stärksten belasteten Schichten gepresst wird, erhöht sich die Tragkraft des Baugrunds besonders effizient. Die eigentliche Tiefeninjektion läuft nach erfolgter Bodenuntersuchung in den drei Arbeitsschritten Bohren-Injizieren-Expandieren ab:

•  Im ersten Schritt werden 14 bis 30 Millimeter starke Bohrungen im Abstand von 60 bis 120 Zentimetern durch die Fundamente bis zur Fundamentsohle und tiefer bis in die Problemzonen ausgeführt. Dies erfolgt nach einem vorher festgelegten Injektionsplan im Bereich der aufgetretenen Setzungsschäden. In diese Bohrlöcher wird eine entsprechend lange Injektionslanze eingeführt.
•  Danach wird die Injektionspistole an die Injektionsrohre angeschlossen und das Zweikomponenten-Expansionsharz injiziert. Beide Harzkomponenten werden in der Injektionspistole vermischt und unter kontrolliertem Druck in den Baugrund gepresst.
• In der abschließenden Expansionsphase dehnen sich die zwangsgemischten Komponenten im Baugrund innerhalb kürzester Zeit mit großem Druck (Expansionskraft bis zu 10.000 kPa = 100 bar) zunächst in Richtung des geringsten Widerstands aus. Der Baugrund wird durch eine vertikale „Aufsprengung“ seitlich verdichtet, Hohlräume werden aufgefüllt. Sobald der Untergrund in seitlicher Richtung einen ausreichend großen Widerstand entwickelt hat, verbleibt für die auftretenden Expansionskräfte nur noch eine Ausweichbewegung nach oben. Diese Bewegung wird von Präzisions-Laserempfängern am Baukörper registriert. Durch dosierte weitere Injektionen wird so das Bauwerk millimetergenau bauwerksverträglich angehoben und ein Schließen der Risse angestrebt.

Da kein Eingriff in die Statik des Baukörpers erfolgt, sondern lediglich der Baugrund bearbeitet und verfestigt wird, bedarf es für die Uretek-Methode keiner bauaufsichtlichen Zulassung. Eine Bestätigung vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) liegt vor. Unabhängige Prüfinstitute bescheinigen den Expansionsharzen eine langfristige Stabilität und Beständigkeit (Volumenverringerung weniger als ein Prozent binnen zehn Jahren) sowie eine hohe Elastizität und Druckfestigkeit. Das Gemisch kann auch in Wasserschutzgebieten injiziert werden; entsprechende Genehmigungen der Unteren Wasserbehörden liegen vor oder werden vor Beginn der Injektionsarbeiten eingeholt. Ein weiterer Vorteil des praxisbewährten Uretek-Verfahrens ist die unproblematische, rasche und saubere Durchführung vor Ort: Die gesamte Ausrüstung für die Baustelleneinrichtung einschließlich Stromaggregat, Injektionspumpen und -schläuchen lagert auf einem Lkw. Schmutz fällt so gut wie gar nicht an und auch die Lärmemissionen halten sich in engen Grenzen. Während der Sanierung kann im Gebäude oder dem Betriebshof normal weitergearbeitet werden. Eine Räumung ist in vielen Fällen nicht notwendig oder bleibt auf kleine Bereiche beschränkt.
Ohne Beeinträchtigung des Umfeldes, praktisch ohne sichtbare Spuren zu hinterlassen, wird das Problem gelöst. Es gibt keine langen Aushärtungszeiten des Spezialharzes. Das Ergebnis zeigt sich unmittelbar und ist mittels Laserkontrolle direkt sicht- und nachvollziehbar. Die Rohdichte des ausgehärteten Expansionsharzes beträgt 50–120 kg/m³, was den Untergrund kaum zusätzlich belastet; Sekundärsetzungen sind daher kaum zu befürchten.

Autor: Klaus Siegele

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