Situation
Am Ostrand von Hechingen verläuft die B32 von Hechingen nach Sigmaringen im Tal der Starzel abschnittsweise in Dammlage. Der im Winter 1972/73 aufgeschüttete Erddamm ist etwa 160 m lang, bis zu 8 m hoch und Teil der Überquerung der dortigen Eisenbahnstrecke. Als Dammbaustoff wurde im Wesentlichen veränderlich fester Tonstein der Opalinuston-Formation verwendet.
Im November 1977 wurden an dem Straßendamm starke Setzungsschäden festgestellt. Als Schäden zeigten sich ausgeprägte Wellen im Fahrbahnbelag sowie eine deutlich ausgebildete Stufe am Übergang zum Brückenbauwerk. Bis Oktober 1977 wurden zur Aufrechterhaltung des Verkehrs kleinere Reparaturen an der Fahrbahn durchgeführt, ohne die Verformungen näher zu untersuchen und deren genaues Ausmaß zu erfassen. Daher können die bis dahin erfolgten Setzungen an der Dammoberkante nicht mehr genau rekonstruiert werden. Im November 1977 allein betrugen die gemessenen Setzungen stellenweise bis zu drei Zentimeter.
Durchgeführte Erkundung
Das damals zuständige Regierungspräsidium Südwürttemberg-Hohenzollern leitete Untersuchungen zur Ursachenforschung ein. Im Zuge dessen wurden zahlreiche Rammkernsondierungen und zwei Rammkernbohrungen durch den Erddamm bis in das darunter anstehende Festgestein abgeteuft. In den Rammkernsondierungen wurde der Wasserstand im Dammkörper bestimmt. Aus den Rammkernbohrungen wurden ungestörte und gestörte Proben entnommen. Daran wurden im Labor der natürliche Wassergehalt sowie die erzielte Einbaudichte (Feuchtdichte) bestimmt. Die Ergebnisse wurden mit den Werten von frischen, unverwitterten sowie von verwitterten, teilweise zerfallenen Opalinuston-Proben nach Verdichtung im Proctorversuch verglichen. Mit den Versuchen sollte geklärt werden, inwieweit sich das im Dammkörper verbaute Material seit dem Einbau verändert hat und/oder ob die beim Einbau erreichte Verdichtung des Dammkörpers ausreichend war.
Untergrundverhältnisse und Dammaufbau
Nach durchgeführter Erkundung der Schadensursache besteht der Baugrund unterhalb des Erddamms aus einer ca. zwei Meter mächtigen Lockergesteinsauflage aus gelbbraunem, plastischem Verwitterungslehm mit vielen, teils gerundeten Oberjurakalkstücken (Verwitterungs-/Umlagerungsbildungen). Darunter folgen Tonsteine der Posidonienschiefer-Formation aus dem Oberen Unterjura. Gemäß vorhandenen Informationen wurde zur Vorbereitung der Dammaufstandsfläche die Lockergesteinsauflage teilweise abgeschoben, weshalb deren ursprüngliche Mächtigkeit und Zusammensetzung nicht mehr genau rekonstruiert werden kann.
Im Dammkörper wurden Tonsteine der Opalinuston-Formation aus einem nahegelegenen Straßeneinschnitt verwendet. Laut Aussage eines beim Bau Beteiligten sei das beim Straßeneinschnitt angefallene Material unmittelbar, d. h. ohne Zwischenlagerung, im Straßendamm wieder verbaut worden. Vor dem Wiedereinbau seien die Tonsteine der Opalinuston-Formation teilweise gefräst worden. Das so aufbereitete grau-schwarze Material sei lagenweise verdichtet eingebracht und stellenweise mit ungelöschtem Kalk behandelt worden, um dessen Eigenschaften wie beispielsweise die Verdichtbarkeit oder die Tragfähigkeit zu verbessern. Ferner zeigten die Bohrungen auch hellbraune Lagen aus weitestgehend plastifiziertem Material. Dies wurde vor allem in den obersten Dammbereichen als auch an der Dammbasis erbohrt. Der mittlere Dammkörper setzt sich vor allem aus zumeist bröckligen, unverwittert eingebauten Tonsteinen der Opalinuston-Formation zusammen, welche bei der Verdichtung zerbrochen wurden. Nicht geklärt werden konnte, ob bestimmte Bereiche des Dammkörpers aus bereits stärker verwittertem Material aufgebaut sind, z. B. Außenbereiche des Dammkörpers. Gemäß der durchgeführten Erkundungsbohrungen sowie einer Volumenabschätzung des nahegelegenen Straßeneinschnitts als Liefergebiet der verbauten Tonsteine besteht der Dammkörper schätzungsweise zu ca. 2/3 aus unverwitterten Tonsteinen der Opalinuston-Formation.
Grundwasser
Die in engem Raster über den Dammkörper verteilten Rammkernsondierungen lieferten einen sehr uneinheitlichen Grundwasserspiegel. Grund hierfür wird in der inhomogenen Zusammensetzung des Dammkörpers gesehen. Das Grundwasser stammt aus dem nördlich gelegenen Hanggelände und strömt in unterschiedlichen Richtungen durch den Dammkörper der Starzel zu. Eine Dränage im bergseitigen Fußbereich des Damms war nicht ausreichend wirksam und konnte die Ausbildung des Grundwasserspiegels im Dammkörper nicht unterbinden. Bei den Messungen im Herbst 1977 lag der Grundwasserspiegel überwiegend im untersten Drittel des Dammkörpers.
Mögliche Schadensursachen und Untersuchungsergebnisse
Veränderung der lagenweise verdichteten Tonsteine
Die gewonnenen Bohrkerne zeigten seit ihrem Einbau keine nennenswerten Veränderungen (Entfestigungen). Die Bohrkerne bestanden aus einem Gerüst aus harten Tonsteinbruchstücken und -bröckchen. Diese waren durch die aufgebrachte Verdichtung in ungeregelter Lagerung gegeneinandergepresst worden. Der dazwischenliegende Gerüsthohlraum war durch feines Bröckchenmaterial und überwiegend plastifizierten Ton erfüllt. Größere offene Hohlräume waren in den Kernen nicht enthalten. Der Plastifizierungsgrad war nicht quantifizierbar. Die beobachtete Struktur war jedoch vergleichbar mit der von verdichteten Tonsteinbruchstücken, die bei der Durchführung von Proctorversuchen entstehen.
Veränderung des Wassergehalts der lagenweise verbauten Tonsteine
An den Kernproben konnte ein natürlicher Wassergehalt von 16–22 Gew.-% ermittelt werden. Damit lag dieser höher als bei vergleichbaren bergfrischen oder unverwittert verdichteten Proben von Gesteinen der Opalinuston-Formation aus der Gegend. Dieser wird im Schnitt mit 8–13 Gew.-%, im Maximum mit 18 Gew.-% angegeben.
Beurteilung
Es kann ausgeschlossen werden, dass die Dammschüttung bereits beim Einbau so hohe Wassergehalte besessen hatte wie die an den Bohrkernen gemessenen. Die geforderten Tragfähigkeitswerte wären mit solchem Material nicht zu erreichen gewesen. Offenbar hatte die Dammschüttung in den ersten Jahren nach ihrem Einbau Wasser aufgenommen. Die Wasseraufnahme wird daher als ursächlich für die aufgetretenen Setzungen angesehen.
Nach Vorliegen aller Erkundungsergebnisse werden nach Lempp (1979) mehrere Prozesse diskutiert, die für den Tragfähigkeitsrückgang, einhergehend mit den beobachteten Setzungen, verantwortlich sein könnten:
1) Durch den Einfluss des zirkulierenden und kapillar aufsteigenden Grundwassers kann es zu einem Trocknungs-Befeuchtungszerfall der verbauten stark verwitterungsanfälligen Tonsteinbruchstücke gekommen sein. Die verdichtet eingebauten Tonsteinstücke zerfallen dabei in kleinere Bröckchen. Durch die Bröckchenbildung erhöht sich die Wasserdurchlässigkeit.
2) Durch den Einfluss des Grundwassers wird eine randliche Plastifizierung der Tonsteinaggregate begünstigt. Eine Verringerung der inneren Reibung der Tonsteinbruchstücke und -bröckchen ist die Folge. Eine zusätzliche mechanische Beanspruchung durch den Verkehr kann möglicherweise eine Plastifizierung der Kanten von Tonsteinbröckchen beschleunigen, wodurch sich diese besser einregeln können.
3) Ferner könnte im mehrjährigen Zeitraum zwischen der Errichtung des Dammes und der Ausbildung der ausgeprägten Setzungen im Damm zirkulierendes Grundwasser auch zu einem gewissen Austrag von Feinstpartikeln und somit einem Massendefizit geführt haben.
Mit welcher Methode der Straßendamm seinerzeit saniert wurde, ist nicht bekannt.
Fazit und Empfehlungen
Der hier aufgeführte Schadensverlauf an einem Dammbauwerk zeigt deutlich, welche Erschwernisse bei der Verwendung von veränderlich festen Gesteinen als Erdbaustoff auftreten können.
Aus ökologischen, ökonomischen und Nachhaltigkeitsgründen soll die Verwendung bautechnisch weniger geeigneter und bereits vor Ort anstehender Erdbaustoffe wie veränderlich fester Gesteine in dauerhaften Erdbauwerken insbesondere im Straßenbau vorangetrieben werden. In diesem Zusammenhang wurde 2021 sowohl von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (FGSV) ein Merkblatt als auch von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ein Bericht mit Hinweisen und Empfehlungen für die Praxis herausgegeben. Darin wird u. a. empfohlen, veränderlich feste Gesteine beim Einbau so stark zu verdichten, dass sie einen Luftporenanteil von max. 6–8 Vol.-% aufweisen. Sofern dies nicht möglich ist, sollte das Gestein vor der Verdichtung aufbereitet werden. Dadurch soll eine deutliche Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit sowie der Dauerhaftigkeit der Erdbauwerke erzielt werden.
Zudem wird empfohlen, auf eine Zwischenlagerung von veränderlich festen Gesteinen (ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen) zu verzichten und veränderlich feste Gesteine mindestens 1 m unterhalb der Böschungsoberfläche bzw. dem Planum, d. h. unterhalb der witterungsbeeinflussten Bodenzone, einzubauen bzw. den Wasserzutritt zum Erdbauwerk durch konstruktive Maßnahmen zu reduzieren/vermeiden.
Wegen der oft heterogenen Zusammensetzung und der Veränderlichkeit sollten bei allen Bauvorhaben mit veränderlich festen Gesteinen Probefelder angelegt werden, um Probeverdichtungen durchzuführen und darauf basierend Vorgaben zur Verdichtung festzulegen.
Für weitere Informationen zum Bauen in veränderlich festen Gesteinen wird auf das vorletzte Kapitel auf der Einstiegsseite zu veränderlich festen Gesteinen verwiesen.
Literatur
- (2021). Bericht zum Forschungsprojekt 05.0190 – Untersuchung der Quellempfindlichkeit veränderlich fester Gesteine bei der Verwendung als Erdbaustoff. – Berichte der Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen, Reihe S: Straßenbau, 164, 214 S., Bremen (Bundesanstalt für Straßenwesen).
- (1985). Auflockerung und Verwitterung in der Ingenieurgeologie: Übersicht, Feldansprache, Klassifikation (Verwitterungsprofile). – Heitfeld, K.-H. (Hrsg.). Ingenieurgeologische Probleme im Grenzbereich zwischen Locker- und Festgesteinen, S. 2–24.
- (2021). M vfG – Merkblatt über veränderlich feste Gesteine als Baustoff. 64 S., Köln.