GNR3-271-B109 Bruecke Faehrkrug_Ergaenzung2_Textteil.pdf

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B 109, Templin, Ersatzneubau der Brücke über den Verbindungskanal Fährkrug Ergänzende Untersuchung zum Einfluss des Bauvorhabens auf den Eisenbahndamm

Registriernummer: 3-271/10

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1. Unterlagen..........................................................................................................................................................2

2. Anlagen...............................................................................................................................................................2

3. Feststellungen.....................................................................................................................................................3

3.1 Bauvorhaben / Standortbeschreibung / Gültigkeit.........................................................................................3

3.2 Baugrundaufschlüsse....................................................................................................................................4

3.3 Beschreibung der Aufschlussergebnisse......................................................................................................4

3.4 Laborergebnisse............................................................................................................................................5

3.5 Abschätzung von Sackungen aus Vibrationseinfluss....................................................................................6

3.6 Abschätzung der Böschungsstandstandsicherheit........................................................................................7

3.7 Abschätzung der Mitnahmesetzungen aus der Anschüttung........................................................................8

4. Zusammenfassende Bewertung.........................................................................................................................8

5. Unterlagen

/1/ Leistungsangebot, Auftrag

/2/ Lageplan, erstellt vom Vermessungsbüro Dipl.-Ing. Bodo Stein, Templin, aktualisiert am 05.05.2010

/3/ Geotechnischer Bericht Nr. 2-848/05 "B 109, Templin, Ersatzneubau der Brücke über den

Verbindungskanal Fährkrug", aufgestellt am 22.11.2005

/4/ Geotechnischer Bericht Nr. 3-035/07 "B 109, Templin, Ersatzneubau der Brücke über den

Verbindungskanal Fährkrug, Ergänzende Untersuchungen Tiefgründung Bauwerk und Böschungs-

aufsteilung im nordöstlichen Rampenbereich", aufgestellt am 05.12.2007

/5/ Eigene Baugrundaufschlüsse vom 28.04.2010

/6/ Laborergebnisse (Erdstoffproben) der Fachhochschule Potsdam

/7/ Querprofile M 1 : 100, Stat. 0+180, 0+210, VIC Brücken- und Ingenieurbau GmbH

/8/ Lageplan M 1 : 500 "B 109, Erneuerung der Brücke über den Verbindungskanal Fährkrug

Bau-km 0+000 bis Bau-km 0+388“, Vorentwurf, Stand 03/2010, VIC Brücken- und Ingenieurbau GmbH

2. Anlagen

Anlage 1 Blatt 1: Aufschlusslageplan M 1 : 250

Anlage 2 Blatt 1: Aufschlussprofile M 1 : 50

Blatt 2: Legende der verwendeten Kurzzeichen

Anlage 3 Blatt 1: Tabelle der Erdstoffprüfergebnisse

Anlage 4 Blatt 1 - 5: Laborprotokolle

Anlage 5 Blatt 1: Ermittlung der Böschungsstandsicherheit Station 0+180 ohne scheinbare Kohäsion

Blatt 2: Ermittlung der Böschungsstandsicherheit Station 0+180 mit scheinbarer Kohäsion

Blatt 3: Ermittlung der Böschungsstandsicherheit Station 0+200 ohne scheinbare Kohäsion

Blatt 4: Ermittlung der Böschungsstandsicherheit Station 0+200 mit scheinbarer Kohäsion

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Blatt 5: Ermittlung der Böschungsstandsicherheit Station 0+180 mit scheinbarer Kohäsion

und dynamischer Anregung, Bodenbeschleunigung 0,05 m/s²

Blatt 6: Ermittlung der Böschungsstandsicherheit Station 0+180 mit scheinbarer Kohäsion

und dynamischer Anregung, Bodenbeschleunigung 0,1 m/s²

Anlage 6 Blatt 1: Setzungsüberschläge am Beispiel Station 0+200 (ebene Darstellung)

Blatt 2: Setzungsüberschläge Station 0+200 (Schnittdarstellung)

3. Feststellungen 3.1 Bauvorhaben / Standortbeschreibung / Gültigkeit

Der Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg, vertreten durch die Niederlassung Ost, Nebensitz Eberswalde,

plant den Ersatzneubau der Brücke Fährkrug. Zu diesem Bauvorhaben wurden zwischen 2005 und 2007 geo-

technische Untersuchungen durchgeführt und dokumentiert (/3/ und /4/).

In /4/ wurde für Teilbereiche mit organischen Weichschichten im Untergrund eine Lösung mit dem Leichtbaustoff

„Blähton“ empfohlen, welche als „geschlossene Lösung“ alle geotechnischen Aspekte berücksichtigt.

Abb. 1: Links Eisenbahn- und rechts Straßendamm im Anschluss an die Brückenbauwerke Die aktuellen Untersuchungen dienen der Abschätzung möglicher Einflüsse des Bauvorhabens auf den Eisen-

bahndamm, wenn die Veränderung der Dammgeometrie mit traditionellem Erdbau (nicht mit Leichtbaustoffen)

erzielt werden soll.

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Mit der Anhebung der Gradiente der Straße würde beim traditionellen Erdbau mit Böschungsneigungen gemäß

ZTVE-StB direkt in den Damm der teilweise fast parallel verlaufenden Bahntrecke eingegriffen.

Da über den Aufbau des Eisenbahndammes bisher keine Kenntnisse vorlagen, war dessen Erkundung eine

Grundvoraussetzung für die Einschätzung des Einflusses.

Die Böschungen des Eisenbahndammes erscheinen bereits visuell steiler zu sein, als die des Straßendammes

(in Abb.1 nicht erkennbar, da Aufnahmestandort diesbezüglich ungünstig war). Aus den aktuellen Plänen wer-

den Böschungsneigungen mit Neigungen von rd. 1 : 1,55 abgegriffen. Der Bewuchs auf beiden Seiten des

Bahndammes zeigt örtlich leichte Böschungsbewegungen, die insbesondere im unteren Bereich eingetreten sein

müssen, aber zeitlich eher in die Anfangsphase der Standzeit des Dammes verweisen.

3.2 Baugrundaufschlüsse

Zur Erkundung des Eisenbahndammes wurden zwei Kleinrammbohrungen (BS) und zwei leichte Rammsondie-

rungen (DPL, Spitzenqerschnitt = 10 cm²) bis in 8 m Tiefe ausgeführt. Zuerst wurden die leichten Rammsondie-

rungen ausgeführt, um den direkten Aufschluss möglichst dicht neben der Sondierstelle anzuordnen.

Im Ergebnis der Baugrundaufschlüsse wurden zwei Schürfe zur Entnahme von Probenmaterial zur Bestimmung

der Dichte, sowie der Porenzahlen bei lockerster und dichtester Lagerung ausgeführt.

Die Ansatzhöhen wurden bezogen auf einen Höhenfestpunkt eingemessen. Die Lage ist im Aufschlussplan An-

lage 1 dargestellt.

3.3 Beschreibung der Aufschlussergebnisse

Zuoberst liegt eine sehr lockere Auffüllung aus schwach schluffigen Sanden mit Schotter- und Humusanteil.

Darunter folgen bis in 1,80 bzw. 2,10 m Tiefe schwach schluffige Fein- und Mittelsande mit schwachem Fein-

kiesanteil. Es folgt eine geringe, jedoch unterschiedlich mächtige Schicht aus schluffigen Feinsanden.

Darunter liegen enggestufte, grobsandige, schwach kiesige Mittelsande in der Dammschüttung vor. Die Unter-

kante der Auffüllungen wurde in beiden Aufschlüssen in 6,40 m Tiefe festgestellt. Als natürlichen Böden stehen

enggestufte bis schwach schluffige, grobsandige Mittelsande an, die auch geringe Anteile von Feinkiesen auf-

weisen.

Die leichten Rammsondierungen zeigen im Übergangsbereich zu den wasserführenden Sanden den meist üb-

lichen Abfall der Schlagzahlen. In DPL 1/10 fällt dieser jedoch extrem aus. Die Sonde fällt rd. 60 cm mit insge-

samt 2 Schlägen durch. Danach treten auf 40 cm Länge recht hohe Schlagzahlen auf. In diesem Bereich wur-

den organische Böden, Holz und/oder Steine erwartet. Organische Böden konnten durch die Kleinrammbohrung

jedoch nicht bestätigt werden. Das „Durchfallen“ der Sonde kann durch eine Verdichtung der Sande im Schwan-

kungsbereich des Wasserspiegels erklärt werden, wodurch sich durch Gewölbewirkung kleine Hohlräume aus-

bilden können, die dann irgendwann nachbrechen. Die hohen Schlagzahlen werden auf die Verdrängung eines

Rammhindernisses zurückgeführt. Vermutlich ein Stein oder Holz.

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Mit der Herstellung der Schürfe an der Böschungsoberfläche wurde, wenigstens für den oberflächennahen Be-

reich der Dammböschung, ein Stein- und Grobkiesanteil erkennbar. Schurf 1, im Tiefenbereich der schwach

schluffigen Sande angeordnet, bestätigte diese Böden nicht entlang der Böschungsoberfläche. In diesem Be-

reich wurden enggestufte, grobsandige Mittelsande geschüttet. Eine starke oberflächennahe Durchwurzelung

war in den Schürfen erkennbar.

Die Lagerungsdichte der Dammschüttung ist an Hand der Sondierergebnisse als locker zu bewerten. In den

Sondierdiagrammen der Anlage 2, Blatt 1 wurde die notwendige Mindest-Schlagzahl für eine bezogene Lage-

rungsdichte von I = 0,33 (Untergrenze einer mitteldichten Lagerung) für die verwendete Sondenspitze nach DIN D

4094 markiert. Diese Schlagzahlen gelten für enggestufte Sande mit U ≤ 3. Beide Kriterien sind nicht generell

eingehalten. Neben enggestuften Sanden mit 3 < U < 4,4 stehen bis 1,80 bzw. 2,10 m auch Sande mit Fein-

kornanteil ein. Auch die Kiesanteile führen zur Verfälschung der tatsächliche Lagerungsdichte, weil für deren

Verdrängung höhere Energie notwendig ist.

3.4 Laborergebnisse

Bei den aus den Schürfen entnommenen Erdstoffen handelt es sich um enggestufte Sande. Folgende Laborer-

gebnisse wurden ermittelt (siehe Anlage 4):

Boden: SE, Mittelsand, grobsandige, schwach mittelsandig, schwach kiesig

U: 3,00 – 4,40

C: 0,8 – 0,9

Anteil d< 0,063 mm: 2,8 – 2,9 %

w: 5,47 – 5,92 %

γ: 17,09 – 17,75 kN/m³

γ : 16,13 – 16,83 kN/m³ d

Mit geschätzter Kornwichte von γ = 26,50 kN/m² ergeben sich folgende Kennzahlen (fett gedruckt die maßge- s bend berücksichtigten Werte):

Porenzahl e: 0,57 – 0,64

Porenanteil n: 0,36 – 0,39

Sättigungszahl Sr: 24 – 25 %

Die Ermittlung der Porenzahl bei lockerster und dichtester Lagerung erbracht folgende Ergebnisse:

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Die im Schurf 1 mit dem Ausstechzylinder ermittelte Porenzahl von e = 0,57 ist nicht mit den durch die Ramm-

sondierung nachgewiesenen Lagerungsdichte übereinstimmend. Hier wird neben einer Verdichtungswirkung des

dichten Wurzelwerkes, auch eine, durch das Entnahmeverfahren selbst verursachte Fehlerwirkung vermutet.

Aus der Kornverteilungskurve können für die untersuchten Sande mit U = 3,0 – 4,4 erreichbare Proctordichten

(100%) abgeschätzt werden.

U = 3,0 → γ ∼ 18,00 – ∼19,00 kN/m³ (mittlerer Wert ∼ 18,40 kN/m³) Pr

U = 4,4 → γ ∼ 18,60 – ∼19,60 kN/m³ (mittlerer Wert ∼ 19,20 kN/m³) Pr

Aus den Korrelationen der DIN 4094 mit einer mittleren Schlagzahl von 4 pro 10 cm Eindringtiefe kann für einen

Sand mit U ≤ 3 eine Lagerungsdichte von D ≈ 0,19 abgeleitet werden. Der daraus errechnete Porenanteil beträgt

beispielsweise n = 0,42. Im Umkehrschluss lassen sich aus den ermittelten maximalen und minimalen Poren-

anteilen auch keine schlüssigen Korrelationen zur DIN 4094 herstellen.

3.5 Abschätzung von Sackungen aus Vibrationseinfluss

Die für i.d.R. zum Einsatz kommenden F1-Böden (hiesige Sande mit U = 2 - 4) erforderlichen Verdichtungswerte

sind nur mit Vibrationswalzen zu erreichen. Deren Einfluss auf den Bahndamm wird gegenüber den Setzungen,

die im wesentlichen im Verzahnungsbereich wirksam werden (im Kern des Bahndammes sind nur geringfügige

Mitnahmesetzungen zu erwarten), als erheblich angesehen.

Modell

Das vereinfachte Berechnungsmodell geht von drei Teilbereichen mit unterschiedlichen Lagerungsbedingungen

aus. Es wird eine Böschungshöhe von 4,50 m angesetzt. Der darüber hinaus beeinflusste Baugrund wird mit ei-

ner Tiefe von 2 m berücksichtigt. Da die ermittelten Daten am Schurf 2 eher die tatsächliche Situation zu be-

schreiben scheinen und diese Sande im wesentlichen auch den natürlichen Böden entsprechen, werden diese

Laborwerte und aus den Rammsondierungen ermittelte Parameter maßgeblich verwendet:

Bereich A: 0,00 – 2,00 m Schlagzahlen DPL 1 - 3, n ≈ 0,44 - 0,42

Bereich B: 2,00 – 5,70 m Schlagzahlen DPL ≈ 4, n ≈ 0,42

Bereich C: 5,70 – 6,50 m Schlagzahlen DPL 0 - 2, n ≈ 0,43 - 0,42.

Es wird vorausgesetzt, dass das Feststoffvolumen gleich bleibt, so dass die Dammhöhe nur durch die Verringe-

rung der Porenanteile verändert wird.

Überschlägige Ermittlungen

Unter der Annahme einer mittleren Verdichtung auf einen Porenanteil von n = 0,41 (entspricht D ≈ 0,29, 8 – 9

Schläge der DPL) ergeben sich folgende Veränderungen (von – bis) in der Dammhöhe des Bahndammes:

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Unter der Annahme einer mittleren Verdichtung auf einen Porenanteil von nur n = 0,415 (entspricht D ≈ 0,25 ,

6 – 7 Schläge der DPL) ergeben sich folgende Veränderungen (von – bis) in der Schütthöhe:

Unter der Annahme einer mittleren Verdichtung auf einen Porenanteil von n = 0,40 (entspricht D ≈ 0,40, 20 – 23

Schläge der DPL) ergeben sich folgende Veränderungen (von – bis) in der Schütthöhe:

Die Abschätzungen der Sackungen aus der Verdichtung mittels Vibrationswalze zeigen deutliche Einflüsse, die

starken Schwankungen unterlegen sind, was den ungenauen Randebedingungen geschuldet ist. Neben Unge-

nauigkeiten des Modells können die Randbedingungen der Baustelle selbst ebenfalls nicht genau erfasst wer-

den.

Auf Grund der lockeren Lagerung des Dammes werden mit einem zusätzlichen Setzungsanteil im Randbereich

Sackungen von 0,15 bis 0,20 m als wahrscheinlich angesehen. Ein Teil dieser Sackungen wird erfahrungsge-

mäß erst zeitlich versetzt an der Dammoberfläche in Erscheinung treten.

3.6 Abschätzung der Böschungsstandsicherheit

Der Nachweis der Böschungsstandsicherheit wurde mit der GGU-Software „Stability“ in der Version 9.23 geführt.

An den mit /7/ übergebenden Querprofilen wurde die Böschungsstandsicherheit (Ausnutzungsgrad) nach DIN

4084(neu) ermittelt. Das Geländemodell zeigt die Bahnböschung in voller Höhe, also zu Beginn der Erdarbeiten.

Der dargestellte Straßendamm dient nur zur Verdeutlichung und hat keinen Einfluss auf die maßgebenden

Gleitkreise. Ohne Berücksichtigung einer scheinbaren Kohäsion werden Gleitkreise nach BISHOP (Berech-

nungsverfahren mit Momentenvergleich) mit einem Ausnutzungsgrad größer 1 ermittelt. Das Verfahren nach

KREY ermittelt zum Teil etwa um 0,02 kleinere Ausnutzungsgrade. Nicht alle Gleitkreise mit einem Aus-

nutzungsgrad von > 1 sind als sinnvoll zu betrachten, so dass für die Darstellung eines realistischen Gleitkreises

jeweils eine Auswahl getroffen wurde.

Deutlich wird, dass keine tiefen und weit in den Gleisbereich reichende Gleitflächen wahrscheinlich werden. Es

sind ausschließlich böschungsnahe, nahezu böschungsparallele Massenbewegungen zu erwarten.

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Der Einfluss einer schweren Vibrationswalze kann programmtechnisch über Erdbebenlasten (Vielfaches der

Erdbeschleunigung) simuliert werden. Leider konnten auch über das GFZ Potsdam keine entsprechenden Er-

fahrungswerte zur Verfügung gestellt werden. Nach DIN 4149 (2005) ist in der Erdbebenzone I in Deutschland

eine Bodenbeschleunigung von 0,4 m/s² zu berücksichtigen. Davon ausgehend wurde eine Untersuchung mit

einer Beschleunigung von 0,05 und 0,1 m/s² durchgeführt (siehe Anlage 5, Blatt 5 und 6). Mit diesen verein-

fachten Annahmen werden auch mit Ansatz einer scheinbaren Kohäsion Gleitkreise mit einem Ausnutzungsgrad

1 ermittelt. Das heißt, dass bei entsprechender dynamischer Anregung Massenbewegungen an der Böschung

eintreten.

3.7 Abschätzung der Mitnahmesetzungen aus der Anschüttung

Zur Abschätzung der Setzungen wurde die GGU-Software „Settle“ in der Version 3.03 verwendet. Die Über-

schüttungen werden als entsprechende Trapezlasten auf eine gedachte horizontale Ebene projiziert. Die daraus

resultierenden Setzungen sind am Beispiel des Querschnitts bei Station 0+200 in Anlage 6, Blatt 1 in der Ebene

aufgezeichnet. Zur Erläuterung sind im unteren Bereich die entsprechenden Positionen [z.B. Böschungsfuß

Bahn (alt)] markiert. Anlage 6, Blatt 2 zeigt einen Setzungsschnitt mit den darüber dargestellten setzungswirk-

samen Überschüttungslasten in kN/m².

Die Ermittlungen verdeutlichen, dass die sogenannten Mitnahmesetzungen einen geringen Einfluss (s < 1,1 cm)

auf die Bereiche außerhalb der direkten Lasteintragung zeigen.

4. Zusammenfassende Bewertung

Der vorhandene Bahndamm erfüllt mit der geringen Lagerungsdichte und einer Böschungsneigung von rd.

1:1,55 nicht die Standsicherheitsanforderungen nach DIN 4084, da die Böschungsneigung nahezu dem maßge-

benden Reibungswinkel entspricht. Neben den Sackungen müssen daher auch lokal Ab- und Ausbrüche an der

Böschungsoberfläche erwartet werden. Diese Gefahr der Massenbewegungen erhöht sich zusätzlich unter dy-

namischer Einwirkung.

Bei den notwendigen Verdichtungsarbeiten in den Schüttlagen werden durch die eingetragene Schwingung

Sackungen in den locker gelagerten, enggestuften Sanden eintreten, deren tatsächliches Sackungsmaß jedoch

nicht genau ermittelt werden kann, da zu viele Einflüsse unbekannt bleiben. Der Einfluss aus Mitnahmesetzun-

gen durch die Anschüttung wird gegenüber den o.g. Einflüssen eher als gering bewertet.

Bei dynamischer Anregung werden Verformungen des Dammes (Sackungen) eintreten, die auch bis in den

Gleisbereich wirken. Zusätzlich sind Massenbewegungen entlang der Böschung sehr wahrscheinlich. Falls im

oberen Bereich des Bahndammes keine Entfernung des Baumbewuchses vorgesehen ist, würden zunehmende

Schiefstellungen der verbleibenden Bäume zu erwarten sein, was zu einer Zunahme der Instabilität bei starken

Windeinwirkungen führt. Die wahrscheinliche Kipprichtung ist dann in Richtung der Straße vorgegeben.

Organische Böden wurden in den zwei Baugrundaufschlüssen in der Dammsohle nicht erkundet. Diese Einlage-

rungen können jedoch nicht ausgeschlossen werden. Durch die Lasterhöhung im Randbereich des Bahndam-

mes sowie Zunahme der Gesamtbelastung durch die Verdichtung und deren Höhenausgleich werden in mög-

lichen organischen Weichschichten neue Konsolidierungsprozesse ausgelöst.

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Fazit

Die hier ausgeführten Betrachtungen bekräftigen die aus geotechnischer Sicht „geschlossene Lösung“ des Ein-

satzes eines Leichtbaustoffes (hier Blähton). Die damit verbundene geringe zusätzlichen Belastung bzw. die

lastneutralen Veränderung der Dammschüttung (insbesondere im Anschluss an das Brückenbauwerk,

Setzungsunterschiede) und die geringe ausführungsseitige Einwirkung auf das Nachbarbauwerk „Bahndamm“

(keine lagenweise Verdichtung notwendig) sind hervorzuheben.

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