Spundwand

Spundwände, genauer Spundwandverbauten, werden als Verbauwände für die temporäre Sicherungen von Baugrubenwänden benötigt. Auch für einen permanenten Einsatz, z.B. im Hafenbau als Anleger, als Uferwand, als Widerlager von Brückenüberbauten oder als eine in einen Damm eingebaute Dichtung werden Spundwände verwendet. Aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten aus Spundwandprofilen und als gemischte Profile mit Hilfe von entsprechenden Schlössern mit unterschiedlichsten Stahlpfählen kombiniert, können notwendige Widerstandsmomente auf die jeweilige Erfordernis hin erreicht werden. Große Stützweiten bzw. große Geländesprünge können somit überbrückt werden.

Spundwände werden in trockenen Böden und in Böden im Grundwasser eingesetzt. Selbst im fließenden Wasser, z. B. für die Erstellung der Gründung von Flusspfeilern eines Brückenbauwerks, finden sie aufgrund der annähernden Wasserdichtigkeit der Schlösser Anwendung. Spundwände werden heute nahezu ausschließlich aus Stahlprofilen hergestellt, im Allgemeinen aus U- oder Z-Profilen.

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Drei Verfahren zum Einbringen von Spundbohlen in den Baugrund sind bekannt:

• Rammen
• Rütteln (Vibrieren)
• Einpressen.

Die Wahl des Einbringverfahrens hängt u.a. von der Baugrundbeschaffenheit, von der Einbindetiefe, von Randbedingungen wie einer evtl. anstehende Nachbarbebauung, vom einzubringenden Spundwandprofil und natürlich von den Forderungen des Umweltschutzes ab.

Durch das Rammen mit schneller Schlagfolge und das Rütteln wird nichtbindiger Boden „verflüssigt“, so dass die Mantelreibung reduziert wird und die Bohle durch das Eigengewicht und das Gewicht des Vibrationsbären in das Erdreich eingebracht werden kann.  Das Vorhandensein von Wasser im Boden unterstützt diese Mantelreibungsreduktion.

In bindigen Böden sind Rammgeräte mit langsamer Schlagfolge vorteilhaft, da sich zwischen den einzelnen Schlägen die Porenwasserüberdrücke abbauen können, die sich bei jedem Schlag im Porenraum aufbauen und den Eindringwiderstand vergrößern.

Als Rammgeräte werden langsam schlagende, frei fallende Bäre, Explosionsbäre und Schnellschlagbäre verwendet.  Hierbei werden die Gewichte über Seilzüge (Freifallbäre), über explosionsartige Verbrennung von eingespritztem Diesel (Explosionsbäre) oder durch Druckluft/Dampf (Schnellschlagbäre) angehoben. Bei hydraulisch angetriebenen Hämmern kann der Kolben bei der Abwärtsbewegung zusätzlich beschleunigt werden. Die Energie, die auf die Spundbohle wirkt, wird dadurch noch vergrößert.  Das Gewicht des Schlagkörpers richtet sich in etwa nach dem Gewicht des Rammguts.

Bei Vibrationsbären werden die Vibrationen durch gegensinnig drehende Unwuchten erzeugt. Nur vertikale Fliehkräfte werden erzeugt, die das Rammgut in vertikale Schwingungen versetzt. Das Einbringen von Spundbohlen mit Vibrationsbären ist ein wirtschaftliches Verfahren, das geringere Rammzeiten mit geringeren Emissionen (Lärm, Erschütterungen) verbindet.

Hydraulisches Einpressen von Spundwänden erzeugt weniger Lärm und weniger Erschütterungen als das Rammen bzw. Vibrieren. Mit diesem Verfahren können erschütterungsempfindliche Gebäude geschützt und unzumutbarer Lärm vermieden werden. Das Einpressen kann in einigen Böden, wie sehr harten bindigen Böden, nicht ausgeführt werden. Die Mantelreibung und der Spitzenwiderstand sind hier zu groß.

Spundwände werden heute nahezu ausschließlich aus Stahlprofilen hergestellt. Diese werden eingesetzt, wenn annähernd wasserdichte Verbauten gefordert sind. Holzspundbohlen und Stahlbetonspundwände sind praktisch bedeutungslos. Stattdessen werden meist Bohrpfahl- oder Schlitzwände hergestellt, um die notwendigen Widerstandsmomente bei großen Höhensprüngen zu gewährleisten.

Neben Stahlspundwänden werden seit einiger Zeit auch Kunststoffspundwände hergestellt, die u.a. als Ufersicherungen bzw. als Kerndichtung in Dichtungsbauwerken eingesetzt werden. Kunststoffspundwände zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen chemische Einwirkungen aus. 

Im Allgemeinen werden U- und Z-Profile verwendet. Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, sind diese Spundbohlen beliebig mit Pfählen, Doppelpfählen und Rohrprofilen kombinierbar, um somit große Widerstandsmomente zu erzeugen. 

Unterschiedliche Hersteller bieten Spundwandprofile an, die U- und Z-Profile, Stahlpfähle und Rohrprofile miteinander kombinieren.

Zur Berechnung von Schnitt- und Zustandsgrößen werden statische Systeme verwendet, die von der gewählten Einbindetiefe und der Verankerung bzw. Aussteifung in einer oder mehreren Ebenen abhängen:

• nicht gestützte, in den Boden eingespannte Wand
• einfach / mehrfach gestützte, im Boden frei aufgelagerte Wand
• einfach / mehrfach gestützte, in den Boden eingespannte Wand
• einfach / mehrfach gestützte Wand mit einem Zwischeneinspanngrad

Die Berechnung von Spundwänden kann nach mehreren Verfahren durchgeführt werden. Die klassischen Verfahren beziehen sich dabei auf die Erddrucktheorie und variieren somit in Abhängigkeit vom statischen System bezüglich Größe und Verteilung des Erddrucks und der Reaktionskräfte im Boden. Grundsysteme sind dabei ein- oder mehrfach gestützte Balken, die im Boden frei aufgelagert bzw. eingespannt sind. Zwischeneinspanngrade sind auch möglich. Nähere Hinweise zu den Berechnungsverfahren, zu dem Ansatz des Erddrucks etc. werden u.a. in der EAB und der EAU gegeben.

Rechnergestützte Verfahren ermöglichen auch die Berücksichtigung einer Bettung des Balkens.

Für eine Einspannwirkung im Baugrund ist eine Verdrehung der Wand um einen tiefliegenden Drehpunkt notwendig. Dieser Drehpunkt liegt etwas oberhalb des Wandfußpunktes. Darunter entstehen Verformungen, die zur Erdseite gerichtet sind und dort einen rückdrehenden passiven Erddruck mobilisieren. Zur vereinfachten Berechnung wird am theoretischen Drehpunkt die BLUM’sche Ersatzkraft C angesetzt, die den Erdwiderstand unterhalb des Drehpunktes ersetzt und zusätzlich den vereinfacht angenommenen Erdwiderstand auf der Baugrubenseite korrigiert. Zusammen mit der Resultierenden des Erdwiderstands bildet diese Ersatzkraft ein Kräftepaar, das die Einspannung des Spundwandfußes darstellt.

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Für Verbauwände aus Stahlspundwänden sind die folgenden Einzelnachweise für die genannten Grenzzustände notwendig:

Materialversagen von Bauteilen (STR):

Es ist nachzuweisen, dass bei den eingesetzten Materialien deren Widerstände größer sind als die Bemessungsschnittgrößen. Dies gilt für die Spundwand selbst, die Verankerungs- bzw. Aussteifungssysteme, die Gurtung, und das Ankermaterial. 

Gemeinsames Versagen des Baugrunds und des Bauteils (GEO-2):

• „Versagen bodengestützter Wände auf Drehung“: Die statisch erforderliche Auflagerreaktion B_h im Boden muss durch den mobilisierten Erdwiderstand E_ph über die Einbindetiefe t der Verbauwand aufgenommen werden.
• „Versagen bodengestützter Wände durch Vertikalbewegung“: Des Weiteren muss nachgewiesen werden, dass die in das Stützbauwerk eingeleiteten Vertikalkräfte im Boden abgetragen werden können.
• „Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstands“: Es muss nachgewiesen werden, dass die resultierende Vertikalkomponente der nach unten gerichteten charakteristischen Einwirkungen größer ist als die nach oben gerichtete vertikale charakteristische Bodenreaktion .
• Der „Nachweis gegen Herausziehen von Verpressankern bzw. Ankerplatten“ aus dem sie umgebenden Boden ist zu führen.
• Für den Fall einer Verankerung mit Hilfe von Ankerplatten ist der „Nachweis gegen den Aufbruch des Verankerungsbodens“ zu führen.
• Der „Nachweis der tiefen Gleitfuge“ dient der Bestimmung der notwendigen Ankerlänge.

Hydraulischer Grundbruch (HYD)

Die Nachweise gegen hydraulischen Grundbruch ist in Abhängigkeit von Boden- und Grundwasserverhältnissen zu führen.

Nachgeben des Stützbauwerks (SLS)

Hierunter ist der Nachweis gegen ein Nachgeben der Baugrubenwand gemeint, so dass es zu ungünstigen Verformungen des Bauwerks kommt oder dass das Erscheinungsbild, die uneingeschränkte Nutzung des Bauwerks, der angrenzenden Bauwerke usw. beeinträchtigt werden.

Gesamtstandsicherheit (GEO-3)

Der Nachweis der Gesamtstandsicherheit ist in Analogie zum Geländebruch zu führen. Dieser Nachweis kann mit dem Programm GGU-STABILITY geführt werden.

In der Regel gehören Baugrubenverbauten zu der Geotechnischen Kategorie GK 2. Komplexere Bedingungen rechtfertigen jedoch eine Einstufung in die Geotechnische Kategorie GK 3. Hierzu gehören innerstädtische Baugruben mit anstehender setzungsempfindlicher Bebauung, geneigte Verpressanker, die als Daueranker verwendet werden sollen und Vorhandensein von gespanntem Grundwasser.

Für das unten gezeigte Beispiel einer im Fuß fest eingespannten und im Kopf einfach rückverankerten Spundwand wird im nachfolgenden Video gezeigt, wie mit dem Progamm GGU-RETAIN notwendige Material- und geotechnische Nachweise geführt werden: