Bodenvernagelung

Bodenvernagelungen werden eingesetzt, um steile Böschungen und Hänge bzw. Wände von Baugruben zu sichern.
Durch die Vernagelung des Bodens wird die Scherfestigkeit des Bodens soweit gesteigert, dass der vernagelte Bodenkörper als Monolith betrachtet und entsprechend rechnerisch nachgewiesen werden kann. Das Tragverhalten dieses Monoliths bzw. Verbundkörpers kann mit dem einer Schwergewichtsmauer vergleichen werden. 
Um die Böschung zu sichern, wird im kraftschlüssigen Verbund mit den Bodennägeln z.B. Spritzbeton aufgebracht, der die aus dem Erddruck resultierenden Beanspruchungen sicher in den Boden ableitet. 
Die Bodenvernagelung kann in nahezu allen Bodenarten ausgeführt werden. Betonangreifende Stoffe im evtl. anstehenden Grundwasser sind durch vorangehende Untersuchungen auszuschließen. 
Bodennägel können als Temporär- und Dauerbodennagel ausgeführt werden, hierfür sind die jeweils notwendigen Korrosionsschutzmaßnahmen zu beachten. Der Korrosionsschutz für Dauerbodennägel ist werksseitig aufzubringen.   

Für den Aushub des anstehenden Erdreichs muss dieses eine temporäre Standfestigkeit gewährleisten. Ist dies nicht zu erwarten, sind Bodenverbesserungsmaßnahmen in Form von Verfestigungsinjektionen vorzusehen. In Abhängigkeit der Bodenart kann der Aushub bis zu ca. 1,5 m annehmen.

Nach Aufbringen einer Flächenbewehrung wird Spritzbeton in einer notwendigen, nachzuweisenden Dicke aufgespritzt.     

Im nachfolgenden Arbeitsschritt werden die Bodennägel eingebaut. Hierfür werden in Abhängigkeit vom anstehenden Boden geeignete Bohrverfahren gewählt. Die Zugglieder werden mit einer Zementinjektion vollständig mit dem Erdreich verpresst werden. Der maximale Nagelabstand beträgt 1,5 m in horizontaler und vertikaler Richtung.

Mit einer Ankerplatte und einer Mutter werden die Bodennägel gegen den Spritzbeton verschraubt, hieraus resultiert eine leichte Zug- bzw. Vorspannung. Es bedarf daher einer Verformung des Bodens, um die volle Tragwirkung der Bodennägel zu aktivieren.

Bodennägel unterscheiden sich zu Ankern dadurch, dass sie keine freie Ankerlänge aufweisen und nur gering vorgespannt eingebaut werden.

Werden die Bodennägel in sehr standfestem Boden eingebracht, können diese auch vor Bewehrung und Aufbringen des Spritzbetons hergestellt werden.

Für die Bodennägel wird bauaufsichtlich zugelassener Stahl, z.B. als Betonrippenstahl B500B mit Gewinderippen (GEWI) oder als aus Feinkornbaustahl hergestellten Stahltraggliedern als Hohlprofile (Mikropfähle TITAN) in unterschiedlichen, statisch notwendigen Durchmessern verwendet. Detaillierte Angaben sind den bauaufsichtlichen Zulassungen zu entnehmen.

Als Ausgangsstoffe für den Zementmörtel zum Verpressen der Stahltragglieder sind Zemente mit besonderen Eigenschaften nach DIN 1164-10 und Zemente nach DIN EN 197-1 unter Beachtung weiterer Angaben in den bauaufsichtlichen Zulassungen zu verwenden.

In Zulassungen unterschiedlicher Anbieter wird gefordert, dass die Außenhaut aus Spritzbeton oder Betonfertigteilen mindestens der Festigkeitsklasse eines Betons C 25/30 entsprechen muss.

Weitere technische Details zu Abstandhaltern, Kunststoffhüllrohren etc. können den bauaufsichtlichen Zulassungen der unterschiedlichen Anbieter entnommen werden.

Die Berechnung einer Bodenvernagelung ist nicht in einer Norm geregelt. Jedoch liegen vom Institut für Bautechnik bauaufsichtliche Zulassungen für Bodenvernagelungssysteme unterschiedlicher Anbieter vor, die Hinweise zur Berechnung enthalten.

Die Berechnung von Bodenvernagelungen erfordert im Wesentlichen die folgenden Nachweise:

1. Nachweis der inneren Standsicherheit mit Hilfe von Gleitkörperuntersuchungen, im Allgemeinen mit einem Bruchmechanismus, der aus zwei Körpern besteht. Gemäß geltenden Zulassungen ist für die Bemessung der Nägel (Zugglieder) der Nachweis maßgebend, der die größten Nagelkräfte ergibt. Hierfür sind die nachfolgenden Untersuchungen notwendig:

• Lastanteile in den Nägeln aufgrund der Gleitkörperuntersuchungen
• Lastanteile in den Nägeln aus dem Erddruck auf die Betonschale bzw. Außenhaut.

Die Kraft aus einem Zugglied darf jedoch nur angesetzt werden, wenn die folgenden in DIN 4084:2009 genannten Bedingungen erfüllt sind:

"Ein Zugglied gilt als selbstspannend, wenn sich der Gleitkörper, in dem sich der Kopf des Zuggliedes befindet, annähernd wie ein starrer Körper auf einer Gleitlinie bewegt und der Winkel ψ_A zwischen der Zuggliedachse und der ungünstigen Gleitlinie maximal folgende Werte erreicht:
 

• bei locker gelagerten nicht bindigen Böden bzw. weichen bindigen Böden: ψ_A = 75°,
• bei steifen bindigen Böden: ψ_A = 80°,
• bei mitteldicht gelagerten nicht bindigen Böden und halbfesten bindigen Böden: ψ_A = 85°,
• bei dicht gelagerten nicht bindigen Böden: ψ_A = 90°.

2. Nachweis der Gleitsicherheit

3. Nachweis der Sicherheit gegen Gleichgewichtsverlust infolge stark exzentrischer Belastung

4. Nachweis der Geländebruchsicherheit

5. Nachweis der Betonschale (Teilflächenbelastung, Durchstanzen)

Die Nachweise sind für Bauzustände und den Endzustand zu führen.

Für das unten gezeigte Beispiel einer mit einer Bodenvernagelung gesicherten Böschung, die auf der Böschungsoberkante mit einer veränderlichen Einwirkung von p = 16,6 kN/m² belastet ist, wird im nachfolgenden Video gezeigt, wie mit dem Programm GGU-STABILITY der Nachweis der inneren Standsicherheit, der Gleitsicherheit, der Sicherheit gegen Gleichgewichtsverlust infolge stark exzentrischer Belastung, der Grundbruchsicherheit und der Geländebruchsicherheit für die Bemessungssituation BS-P geführt werden kann.