Der hydraulische Grundbruch

Gefürchtet und doch vermeidbar

War ein hydraulischer Grundbruch die Ursache für die Gebäudeeinstürze in Köln? Noch wird darüber spekuliert, werden Gutachten erstellt, dauern die Ermittlungen an. Der Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen untersuchte in einem Forschungsvorhaben das Phänomen des hydraulischen Grundbruchs generell. Was ist überhaupt darunter zu verstehen? Und wie, wenn überhaupt, lässt er sich verhindern?

Text: Martin Ziegler

Seit dem Einsturz des Stadtarchivs in Köln ist die Versagensform des hydraulischen Grundbruchs in aller Munde, obwohl bislang die dortige Schadensursache noch nicht eindeutig geklärt ist. Hierzu sollten auch die staatsanwaltschaftlichen Untersuchungen abgewartet werden. Allerdings ist es durch einen hydraulischen Grundbruch in der Vergangenheit immer wieder zu folgereichen und spektakulären Unfällen gekommen, da die Vorzeichen eines beginnenden hydraulischen Grundbruchs oft nicht wahrgenommen oder als unbedeutend zur Seite geschoben werden. Was aber mit unscheinbaren Wasserzutritten beginnt, endet oftmals in einer Katastrophe: Bei Auftreten eines hydraulischen Grundbruchs können innerhalb kürzester Zeit gewaltige Wasser- und Bodenmassen in eine Baugrube eindringen. Die dabei ablaufenden Vorgänge sind gut in der Bildsequenz (Abb. 1) zu sehen, die aus einem von den Universitäten Bochum und Essen geschaffenen Lehrfilm stammt. Die linke Seite zeigt einen Fluss, auf der rechten Seite ist eine bereits ausgehobene, aber noch unter Wasser stehende Baugrube zu sehen, in der nun langsam das Wasser abgesenkt wird. Dadurch entsteht zwischen Fluss und Baugrube ein hydraulisches Gefälle, das zu einer von unten nach oben wirkenden Strömung in die Baugrube führt.
Zunächst werden ab einer bestimmten Absenkung des Wasserspiegels nur erste Sandkörner ausgespült. Bei weiterer Absenkung verstärken sich die Ausspülungen und es findet schon bald ein ausgeprägter Materialtransport um den Wandfuß herum statt. In der Schlussphase des hydraulischen Grundbruchs bricht der Erosionskanal schlagartig durch und der Wasserstand in der Baugrube erreicht innerhalb kürzester Zeit den Außenwasserstand. Dabei werden große Mengen an Bodenmaterial von außen nach innen in die Baugrube transportiert. Ein neben der Baugrube stehendes Gebäude verliert den stützenden Boden unter den Fundamenten und stürzt ein.
Die Frage, ob ein hydraulischer Grundbruch stattfindet, hängt davon ab, ob die in der Baugrube nach oben wirkende Strömungskraft S die Größe der Gewichtskraft G´ des Bodens unter Auftrieb in der Sohle erreicht. Die Größe der Strömungskraft wiederum hängt vom Wasserspiegelunterschied Δh zwischen außen und innen und dem zur Verfügung stehenden Weg Δl ab, längs dem der Wasserdruckunterschied abgebaut wird (Abb. 2). Die maß-gebende Größe hierfür ist der hydraulische Gradient i= Δh/ Δl.
Der Grund, weshalb bei ungleichem Außen- und Innenwasserstand bei einer Baugrube die Wasserstände sich nicht innerhalb kürzester Zeit wie ›
› bei sogenannten kommunizierenden Röhren ausgleichen, liegt an der Zähigkeit des Wassers: Beim Durchströmen der engen Porenkanäle werden zwischen den Bodenkörnern und dem durchströmenden Wasser Reibungskräfte aktiviert, die den Strömungsvorgang bremsen und dabei den Wasserdruck kontinuierlich abbauen (Abb. 2). Man kann sich das wie ein verstopftes Waschbecken vorstellen, bei dem das Wasser auch nur langsam durch den Siphon abläuft.
Tertiärbaugruben
Durch die Wasserspiegeldifferenz zwischen außen und innen findet aber dennoch unweigerlich eine geringe Strömung in die Baugrube hinein statt. Um diese trocken zu halten, muss die ankommende Wassermenge kontinuierlich abgepumpt werden, da sich sonst der Wasserstand in der Baugrube allmählich dem Außenwasserstand angleichen würde. Die Frage, wie viel Wasser in der Baugrube ankommt, hängt neben dem Gradienten i zusätzlich noch von dem Durchlässigkeitsbeiwert k des Untergrunds ab.
Die zuströmende Wassermenge bleibt begrenzt, wenn die seitlichen dichten Baugrubenwände im unteren Bereich in eine nur gering durchlässige Schicht einbinden. Solche Verhältnisse liegen bei sogenannten Tertiärbaugruben vor (Abb. 3). Der Potenzialabbau, also der Abbau des Wasserdrucks, findet dann praktisch ausschließlich in dem gering durchlässigen Tertiär statt.
Sicherheitsnachweis
Der Nachweis des hydraulischen Grundbruchs wird nach DIN 1054 (2005) [1] durch Vergleich der ungünstigen, nach oben gerichteten Strömungskraft S und der günstig nach unten wirkenden Gewichtskraft G´ unter Auftrieb geführt. Als Referenzkörper wird dazu der sogenannte Terzaghi-Körper herangezogen, dessen Breite B mit der Hälfte der Einbindetiefe T angesetzt wird (Abb. 2 / Abb. 5). Für die genaue Berechnung der Strömungskraft S muss ein aus Strom- und Potenziallinien bestehendes Sickernetz konstruiert werden (Näheres hierzu unter [2]).
Um sich die aufwändige Konstruktion eines Sickernetzes zu ersparen, wird auch in kommerziellen Rechenprogrammen oft mit Näherungsverfahren gerechnet, die nur den Stromfaden längs der Baugrubenwand betrachten und einen linearen Potenzialabbau längs dieses Wegs annehmen. Von der Verwendung solcher Rechenprogramme wird dringend abgeraten, da damit die Gefahr des hydraulischen Grundbruchs unterschätzt wird. Dies liegt daran, dass der wesentliche Potenzialabbau erst am Wandfuß stattfindet. Außerdem bleibt bei dieser vereinfachten Vorgehensweise die Geometrie der Baugrube außen vor. Wie die Ergebnisse eines am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen durchgeführten Forschungsprogramms zum hydraulischen Grundbruch aber gezeigt haben [3], steigt die Gefahr eines hydraulischen Grundbruchs exponentiell mit schmäler werdenden Baugruben. In dem allgemeinen Bemessungsdiagramm für die dimensionslose Einbindetiefe T/H (Abb. 5) ist deutlich zu erkennen, dass für schmale Baugruben mit B/H < 2,0 die erforderliche Einbindetiefe exponentiell ansteigt, während für große Baugruben, wie sie üblicherweise etwa bei Bürogebäuden mit Tiefgarage vorliegen, kaum ein Einfluss zu verzeichnen ist.
Mögliche Ursachen für einen hydraulischen Grundbruch
Bleibt beispielsweise eine Erosionsrinne im Tertiär durch ein zu geringes Raster bei den Erkundungsbohrungen unentdeckt, kommt es in diesem Bereich aufgrund des kürzeren Sickerwegs zu einem erhöhten hydraulischen Gradienten, der zum hydraulischen Grundbruch führen kann. Ähnliche Folgen hat eine bei der Baugrunduntersuchung nicht gefundene, eingelagerte Bodenlinse mit erhöhter Durchlässigkeit, in der kein nennenswerter Potenzialabbau stattfindet. Dieser konzentriert sich dann auf den übrigen Bereich und erhöht dort den wirksamen, hydraulischen Gradienten.
Die Ausführung muss einer strengen Qualitätsüberwachung unterzogen werden, da eine zu kurz ausgeführte Baugrubenwand oder eine Fehlstelle darin (Abb. 4) ebenfalls den Sickerweg verkürzen und zu den beschriebenen Auswirkungen führen würde. Bei einer Fehlstelle kommt durch die Düsenwirkung in diesem Bereich noch eine erhöhte Fließgeschwindigkeit hinzu, wodurch die Gefahr der rückschreitenden Erosion zusätzlich vergrößert wird.
Um die Gefahr eines hydraulischen Grundbruchs zu mindern, muss daher neben einem geeigneten Berechnungsverfahren, das die geometrischen Verhältnisse der Baugrube berücksichtigt und den Potenzialabbau realitätsnah erfasst, eine sorgfältige Baugrunderkundung durchgeführt werden und eine strenge Überwachung der Ausführung erfolgen. •
Literaturhinweise und weitere Anmerkungen: [1] DIN 1054, Baugrund, Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau, Berlin, Beuth Verlag GmbH, Berlin, Januar 2005 [2] Ziegler, Martin, Geotechnische Nachweise nach DIN 1054, Einführung mit Beispielen, 2. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2006 [3] Ziegler, Martin und Benjamin Aulbach, Sicherheitsnachweise für den hydraulischen Grundbruch, Abschlussbericht (dt.), Bezug über Fraun- hofer IRB Best.-Nr.: fb_T_3211, ISBN 978–3–8167–8066–3 Das Forschungsvorhaben zum hydraulischen Grundbruch wurde vom Deutschen Institut für Bautechnik finanziell und von der Wayss&Freytag Ingenieurbau AG finanziell und durch Sachbeiträge unterstützt.