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Seite Tiefgrndungen, Pfhle und Anker N.1

Lehrstuhl fr Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau

N Tiefgrndungen, Pfhle und Anker

N.1 Allgemeines

Aus dem Entwurf und der Statik eines Bauwerks ergeben sich z.B. an der Bauwerksunterkante oder fr die Systemlinie eines Sttzbauwerkes Auflager, an denen definierte Krfte mit in der Regel begrenzten Verformungen in den Untergrund eingeleitet werden mssen. Ist der an dieser Stelle anstehende Boden nicht geeignet, die Krfte mit den zugelassenen geringen Verformungen aufzunehmen, ist es hufig zweckmig, die Lasten innerhalb des Baugrunds mit Hilfe von Kon-struktionselementen weiterzuleiten und sie in grerer Tiefe oder grerem Abstand vom primren Lastpunkt in den Un-tergrund einzuleiten. Hierzu sind Pfeiler, Brunnengrndungen, Pfhle oder Schlitzwandelemente bzw. bei Zugkrften, die an einer freien Oberflche vom Boden gar nicht aufgenommen werden knnen, auch Anker geeignet. Bei diesen Tra-gelementen werden neben Kontakt-Druckspannungen (Spitzendruck) in der Regel auch Scherspannungen (Mantelrei-bung) zwischen Bauteil und Untergrund in Anspruch genommen. Diese Vorlesungseinheit befasst sich mit Grndungselementen, welche ihre Lasten innerhalb des Baugrunds unterhalb bzw. auerhalb der frei zugnglichen Oberflche abtragen.

N.2 Fundamenttieferfhrungen, Pfeilergrndungen

Vor allem bei kleineren Bauvorhaben, bei denen die Baustelleneinrichtung fr eine Pfahlgrndung im Vergleich zu den unmittelbaren Herstellkosten von Pfhlen sehr hoch sind, knnen Fundamentvertiefungen mit Hilfe von in der Regel un-bewehrtem Beton eine wirtschaftliche Form einer Tiefgrndung darstellen. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Qua-litt des Baugrunds im Bereich weniger Meter unterhalb der Baugrubensohle deutlich gnstiger wird. Allein aufgrund der greren Einbindetiefe vergrern sich die aufnehmbaren Sohlspannungen tiefgefhrter Fundamente gegenber einfa-chen Flachgrndungen. Darber hinaus kann es bautechnisch genutzt werden, dass hufig zur Tiefe hin gnstigere Bau-grundeigenschaften vorliegen. Bei geringen Vertiefungsmaen (bis etwa 1 m) spricht man von Fundamenttieferfhrungen. Sie werden gerne dort ver-anlasst, wo die sich aufgrund blicher Fundamentabmessungen ergebende Fundamentsohle im Bereich eines Schichtwechsels liegt und erst vor Ort entschieden werden kann, wo genau die Grndungssohle liegen muss, um die Qualitt des besseren, tieferen Untergrundes nutzen zu knnen. In diesem Fall wird das Fundament fr die Bodenkenn-werte der tieferen Schicht dimensioniert, fr die Einbindetiefe jedoch die hchstmgliche Lage der Schichtgrenze berck-sichtigt. Bei greren Tieferfhrungen, die planmig tiefer liegende, fr eine Lastabtragung gnstigere Schichten erreichen sol-len, spricht man von Pfeilergrndungen bzw. Grndungspfeilern. Gelegentlich wird auch hier der Begriff Brunnen-grndung dann verwendet, wenn die ausgehobenen Fundamentgruben z.B. bei Wasserzutritten in nichtbindigen B-den beim Aushub verbaut werden mssen. Beim Abteufen wird dann im Schutz von z.B. Betonfertigteilringen ausgeho-ben, die dabei zunehmend in den Boden hinabgedrckt werden. Diese Herstelltechnik stammt aus dem Brunnenbau. Fr Senkkastengrndungen ist sie konsequent weiterentwickelt worden, siehe Abschnitt N.3. Nachweise: Wenn mit Hilfe von Grndungspfeilern Lasten auf tiefer liegende gnstigere Schichten tiefgefhrt werden, ermglicht dies im Vergleich zu einer Flachgrndung eine Grndungsdimensionierung mit deutlich hheren Sohl-druckspannungen, wobei wie bei einer Flachgrndung Grundbruch- und Setzungsnachweise zu fhren sind und die klaf-fende Fuge nachzuweisen ist. Bei Grundbruchberechnungen sollte die rechnerisch eingesetzte Einbindetiefe maximal auf die zweifache kleinste Fundamentbreite begrenzt werden, da bei groen Einbindetiefen hinsichtlich des Grundbruchver-haltens ein lokaler Versagensmechanismus im Sohlbereich zu erwarten ist, also ein Mechanismus, der nicht mehr bis zur Gelndeoberflche reicht. Zur Abtragung horizontaler Lasten und von Momenten knnen neben der Reibung in der Sohlflche auch Erddrucknde-rungen auf den Seitenflchen herangezogen werden. Anmerkungen zum Entwurf: Streifenlasten sollten nicht auf ganzer Lnge tiefgefhrt werden. Wirtschaftlicher ist, sie punktuell tiefzufhren und die Wnde als lastbertragende Scheiben auszubilden. Dabei ist der Aufwand fr die Funda-mentherstellung und fr die Bewehrung in den wandartigen Trgern zu optimieren. Unter Streifenlasten sind rechteckfr-mige Grndungspfeiler, die mit ihrer langen Seite in Richtung der Streifen orientiert sind, gegenber runden von Vorteil. Es ist zweckmig, nur den obersten Fundamentbereich mit einer planmig vorgegebenen Dicke bewehrt herzustellen und die Tieferfhrung mit unbewehrtem Beton auszufhren. Damit lsst sich am einfachsten eine variable Anpassung an die natrlichen Gegebenheiten erreichen.


Herstellung: Grndungspfeiler knnen mit Hilfe eines Baggers mit hydraulischem Schliegreifer hergestellt werden. Die dazu eingesetzten Gerte sind im Vergleich zu Pfahlbohrgerten leicht, was hinsichtlich der Vorbereitung des Arbeitspla-nums vorteilhaft ist. Mit blichen Greifern sind Mindest-Pfeilerquerschnitte von 0,6 m mal 1,5 m zu beachten. Bei Rund-lochgreifern sind Durchmesser ab 0,9 m, vereinzelt auch 0,75 m verfgbar. Bei Grubentiefen von ber 4 m ist eine Greif-armverlngerung mglich und vorzusehen, dann sind Tiefen von bis zu 10 m erreichbar. Bei geringer Standfestigkeit von oberflchennah anstehenden Bden sind Rundlochgreifer gegenber Greifern mit recht-eckfrmigem Aushubquerschnitt vorzuziehen, da runde Schchte gegenber rechteckfrmigen eine hhere Stabilitt aufweisen. Bei Rundlochpfeilern knnen auerdem einfach Schutzverrohrungen eingesetzt werden Bei geringem Nachbruch ist ein Mehrverbrauch an Fllbeton eventuell gnstiger als der Einsatz einer Verrohrung. Auch wenn die Grubenwnde nicht verbaut werden mssen, da der Boden vorbergehend standfest ist, drfen die Gru-ben nicht betreten werden, da die Grubenwnde im Sinn von DIN 4124 nicht ausreichend standsicher sind. Grundwasser: Falls in eine ausgehobene Pfeilergrube Grundwasser einfliet, ist es entweder kurz vor dem Betonieren abzupumpen oder der Beton muss mit einem Schttrohr (Kontraktorverfahren) eingebracht werden, damit eine Entmi-schung ausgeschlossen ist. Bei aggressiven Grundwssern und um eine Verbindung zweier bereinanderliegender Grundwasserstockwerke entlang des Pfeilerschaftes zu vermeiden, kann es notwendig sein, die Betonrezeptur vorrangig hinsichtlich der Wasserundurch-lssigkeit und Bestndigkeit auszulegen und auf den Einsatz von "Magerbeton" zu verzichten.

N.3 Senkkasten- und Brunnengrndungen sowie Caissons

N.3.1 Allgemeine Hinweise

Eine Brunnengrndung oder ein Senkkasten besteht aus einem Hohlkasten ohne Bodenplatte, der durch Aushub des innen anstehenden Bodens infolge seines Eigengewichts gelegentlich auch mit Hilfe von zustzlichem Ballast oder ver-ankerter Zugstangen bis auf eine planmige Tiefe (Absenkziel) abgesenkt werden kann. Das Grndungsverfahren hat seinen Namen von der Technik des Brunnenbaus im Lockergestein. Die erste Grndung dieser Art wurde in Deutschland 1854 bei den Pfeilern der ersten festen Rheinbrcke bei Kehl angewendet. Wird der Senkkasten im Sohlbereich mit einer Druckkammer versehen, in der der Boden unter Druckluft im Trockenen ge-lst wird, spricht man von einem Caisson oder Druckluft-Senkkasten. Der Kasten hat, Bild N03.10, unten eine Schneide mit innerer Schrge und einem 3 cm bis 5 cm breiten berstand auen in etwa 3 m Hhe, um zwar zunchst eine Fhrung im Boden sicherzustellen, dann aber die Mantelreibung zu begrenzen. Das Aufstocken der Wnde und das Absenken erfolgen so, dass der Absenkvorgang mglichst nur kurz unterbrochen werden muss, z.B. mit Hilfe von Gleit- oder Kletterschalungen. Gesichtspunkte fr die Wahl einer Brunnengrndung:

- Man kann eine tief liegende Flchengrndung herstellen, ohne einen Baugrubenverbau zu bentigen.

- Die Grndung kann unter dem Grundwasserspiegel hergestellt werden, ohne dass eine Grundwasser-Absenkung erforderlich ist.

- Senkkastengrndungen bieten sich im offenen Wasser als Ver-fahren an, die eine Kontrolle der Grndungssohle und eine si-chere groe Aufstandsflche z.B. fr Brckenpfeiler ermgli-chen. Sie knnen bei Bedarf unterhalb des Absenkzieles durch eine Pfahlgrndung ergnzt werden.

- Die Brunnengrndung schafft untertage Nutzraum, wenn der Kasten nach dem Absenken durch eine Sohlplatte wasserdicht abgeschlossen wird.

- Der Senkkasten kann groe Horizontalkrfte verformungsarm bertragen. Dabei steht die Lastabtragung ber die Sohle im Vordergrund. Sie wird ergnzt um mobilisierbare Erdwider-standkrfte an den Auenwnden, wobei dort zunchst der Kraftschluss im Freischnittbereich entstehen muss.

Bild N03.10: ausgesteifter Senkkasten


- Er kann ganz oder teilweise vorgefertigt und schwimmend ("Schwimmkasten") zur Einbaustelle gebracht werden, falls diese im offenen Wasser liegt.

- Eine Brunnengrndung erfordert keine speziellen Maschinen und kaum Facharbeiter: das Verfahren eignet sich daher gut fr den Einsatz in Entwicklungslndern.

Nachteile sind: - In der unmittelbaren Umgebung des Senkkastens muss mit Setzungen gerechnet werden. - Die Brunnengrndung hat typische Herstelltoleranzen von etwa 10 cm in der Hhe und 1 % in der Lotabweichung. - Der zeitliche Bauablauf ist nur ungenau vorhersehbar. - Hindernisse unter der Schneide mssen mit Taucherhilfe beseitigt werden. - Beim Durchfahren fliegefhrdeter Bodenarten knnen rckschreitende Grundbrche zum Einflieen des Bodens in

den Senkkasten fhren. - Beim Absenken am Hang hat der Kasten die Tendenz, in der Richtung des Bschungsschubes auszuwandern. - Der Querschnitt muss ber die Hhe gleich bleiben, wenn der Aushub im Greiferbetrieb erfolgen soll. N.3.2 Gesichtspunkte beim Entwurf

Senkksten knnen fr alle erforderlichen Tiefen entworfen werden, und auch hinsichtlich der Grundrissabmessungen gibt es kaum Einschrnkungen. Allerdings ist zu beachten, dass der Kasten wegen der im Boden mglichen Zwngungskrfte sehr steif ausgebildet werden muss, was bei Ksten mit groer Flche und kleiner Hhe schwierig ist. Alle Wnde mssen ohne Unterbrechung ber die volle Hhe als Scheiben wirken, wobei die inneren Aussteifungswnde oberhalb der Schneide enden, um das Absenken nicht zu behindern. Diese inneren Scheiben werden in Abstnden von 4 m bis 5 m eingefgt. Die Auenwnde werden dick gehalten (z.B. 60 cm), um das ntige Gewicht als Ballast zu bekommen. Wenn der Boden im Innern ausgebaggert werden soll, muss der Grundrissquerschnitt oberhalb des Schneidenteils unverndert bleiben. Wenn hingegen das Saugsplverfahren angewendet wird, kann man die Grundrissflche zwecks Verbesserung der Standsicher-heit auch nach unten hin vergrern. Der statisch gnstigste Querschnitt im Hinblick auf ein lotrechtes Absenken ist die Kreisform. Mindestens sollte versucht werden, dem Senkkasten eine doppeltsymmetrische Grundrissform, etwa eine rechteckige, zu geben, um eine mglichst gleichfrmige Schneidenbelastung zu bekommen und die Zwangskrfte, die der Boden whrend des Absenkens auf den Kasten ausbt, gleichmig zu verteilen. Der Entwurf beginnt mit der Festlegung der Grundrissabmessungen, die entweder durch den Verwendungszweck oder durch die Standsicherheitsforderungen bestimmt sind. Eine iterative Erarbeitung der gnstigsten Abmessungen ist unver-meidlich. Am besten geht man von der Funktion des Kastens aus und legt die Grndungstiefe nach den Baugrundaufschls-sen fest. Dann berechnet man die soweit vorhanden seitliche Bodensttzung durch Ansatz eines zunchst zu schtzen-den mobilisierten Erdwiderstands auf der belasteten und des Erddrucks auf der entlasteten Seite und rechnet diese Reakti-onskraft und das zugehrige Moment in die ueren Lasten mit ein. Mit diesen, auf die Sohle bezogenen Lasten wird die Er-fllung der Standsicherheitsforderungen geprft. Danach werden die Setzung und die Verkantung berechnet. Die Abscht-zung der mobilisierten Erddruckkrfte muss im Zusammenhang mit zugehrigen berechneten Verformungen in der Regel iterativ erfolgen, um die Gleichgewichts- und Vertrglichkeitsbedingungen erfllen zu knnen. Unter Umstnden, d.h. bei stndig einseitig wirkenden Horizontalkrften, kann die Exzentrizitt der Resultierenden in der Sohlflche dadurch verringert werden, dass die obere Konstruktion (z. B. Brckenpfeiler) exzentrisch auf dem Brunnen angeordnet wird. Dabei muss die mgliche Abweichung von der Soll-Lage bercksichtigt werden.


N.3.3 Brunnenschneide

Die Schneide wird durch eine Profilstahl-Vorschneide gepanzert, damit rtliche Kerbspannungen beim Aufsetzen auf Hindernissen ohne Schaden ausgeglichen werden knnen, Bild N03.20. Der Auenflche der Schneide gab man frher zur Erleichterung des Absenkens eine Neigung gegen das Lot, so dass sich der Quer-schnitt nach oben verjngte. Darauf wird heute verzichtet, um die Fhrung des Senkkastens im Boden zu gewhrleisten. Man muss aber darauf achten, dass nicht durch Ungenauigkeit beim Einscha-len eine leichte Lotabweichung nach auen entsteht, weil das sofort eine Keilwirkung beim Absenken provoziert. Statisch muss die Schneide als horizontal tragender Balken (beim Kreisprofil als Druckring) bemessen werden, der die ueren Erddrcke zu tragen hat. Dabei gengt es nicht, den Erdruhedruck anzusetzen. Durch wechselnde Richtungen der Reibungskrfte bedingt einmal wenn der Kasten sich senkt, zum anderen, wenn der Boden unter der Schneide beim Absenken durch Grundbruch versagt und der darber anstehende seitliche Boden etwas nachsackt knnen zustzliche horizontale Zwangsbeanspruchungen entstehen. Infolge pltzlicher Verformungen kann es auch zu Bodenverflssigungen kommen. Es empfiehlt sich daher, den Bereich der Schneide fr einen mit dem Erddruckbeiwert K = 1 ermittelten Erddruck zu bemessen. Der innere Anzugswinkel der Schneide ist ein Kompromiss hinsichtlich der Zugnglichkeit zum Boden beim Lsen im Schneidenbereich, statisch konstruktiver Gesichtspunkte und der Herstellung der Schneide auf einem Erdmodell. 45 sind typisch. Fr die erste Absenkphase muss auch der Lastfall untersucht werden, bei dem das Gewicht des Senkkastens voll von der Schneide getragen wird, und zwar konzentriert auf wenige Sttzpunkte.

N.3.4 Bauverfahren

Beim Absenken im offenen Wasser muss entweder zuerst eine feste Plattform (Aufschttung im Flachwasser, Gerst) ge-baut oder der Brunnenkrper in Teilen oder im Ganzen vorgefertigt mittels Schwimmhilfen (Ponton o..) oder selbstschwim-mend (z.B. provisorischer Sohlschluss, Luftkammern) an die Einbaustelle gebracht, dort in Fhrungen auf Grund gesetzt und dann abgesenkt werden. Eine Variante besteht darin, eine schwimmfhige Stahlschalung fr den Senkkasten vorzufertigen (Schneidenbeton als Ballast) und am Absenkort die Wnde zu betonieren. Beim Absenken an Land oder von einer knstlichen Aufschttung aus wird im Allgemeinen versucht, die Innenschalung des Schneidenteils durch ein Erdmodell zu ersetzen, dessen Bschung durch z.B. eine Spritzbetonversiegelung zu schtzen ist. Dann wird der Bewehrungskorb mit der angeschweiten Vorschneide auf ein Bankett aus unbewehrtem Beton oder eine Pallung aus Holz- oder Betonschwellen gestellt, zugeschalt und betoniert. Das Erdmodell-Verfahren wird vorzugsweise bei Druckluft-Senkksten angewendet (seit 1953), weil man dort den Aufwand fr die Unterschalung der Arbeitskammerdecke spart und, vor allem bei weicherem Untergrund, gleichmig verteilte (wenn auch grere) Lasten hat. Nach erreichter Zielfestigkeit des Betons wird die Last auf die Schneide umgesetzt: beim Erdkernverfahren durch Aus-rumen des Bodens, beim Verfahren mit Innenschalung durch Entfernen der Rststtzen. Das Umsetzen muss einiger-maen symmetrisch erfolgen. Dann beginnt der Absenkvorgang selbst, der bodenmechanisch eine planmig erzeugte Folge von Grundbrchen ist. Als erstes muss die Schneidenlagerung entfernt werden. Dies ist der kritischste Zwischenzu-stand, denn wenn sich der Kasten dabei schief stellt, muss er erst wieder ins Lot gebracht werden. Das Entfernen des Ban-ketts bzw. der Pallung erfolgt symmetrisch von beiden Seiten und von der Mitte aus zu den Viertelspunkten der Schneiden-wand hin fortschreitend.

Bild N03.20: Brunnenschneide und Vorschneide mit Stahlprofil

Vorschneide z.B. aus NP 24 mit 1cm

berstand auen 12

1:1


Anmerkung: Der Anfangszustand ist auch fr die Bemessung der Wandscheiben auf Biegung magebend, da der Kasten seine ge-ringste Hhe hat und andererseits mit Mulden- oder Sattellagerung der Wnde gerechnet werden muss. ERLER (1982) weist darauf hin, dass sich die Bemessungsregeln von PAPROTH (1966) in der Praxis bewhrt haben. Groe, rechteckige Senkksten sind empfindlich gegen parallelo-grammartige Verformungen und erhalten deswegen whrend des Absenkens eine diagonale Aussteifung aus Stahltrgern. Absenk- und Betoniergeschwindigkeit mssen so aufeinander ab-gestimmt sein, dass immer eine nach unten treibende Last vor-handen ist. Die Absenkgeschwindigkeit ist vor allem vom Lsen unter Wasser schwer kontrollierbar und Frdern des Bodens ab-hngig. Der Kasten sinkt ruckweise (Haftreibung > Gleitreibung). Da Aushub und Betonieren sich gegenseitig behindern, kann das Aufstocken durch Fertigteile bei kleineren Querschnitten vorteilhaft sein. Die Absenktoleranz fr die Hhe kann vertraglich mit 5 cm festgelegt werden. Wenn das Gewicht zum Absenken nicht reicht, kommen als Hilfen in Frage: Reibungsminderung oberhalb der Schneide, Zusatzballast oder Zuganker (Bild N03.30), die auch innerhalb der Wnde des Senkkastens angeordnet werden knnen. Um einen Brunnen nach einer Betriebspause wieder in Gang zu bringen, kann man ihn z.B. oben durch einen Deckel abschlieen und dann innen den Luftdruck absenken: der atmosphrische Luftdruck wirkt dann als Ballast. Die Grndungsarbeiten enden mit dem Einbringen einer Betonplombe im Schneidenbereich. Da die Bewehrung von Unter-wasserbeton zu einem stark erhhten Herstellaufwand fhrt (Tauchereinsatz, Verhindern des Aufschwimmens der Beweh-rung im flieenden Beton, Behinderung beim Absaugen der entstehenden Schlammwalze, Behinderung beim Einbringen des Betons im Kontraktorverfahren) versucht man, ohne Bewehrung auszukommen, und muss dann nachweisen, dass die Auftriebskrfte mit einem Druckgewlbe aufgenommen werden knnen.

N.3.5 Manahmen zur Reibungsverminderung

Die Reibung am Brunnenumfang kann durch eine aufsteigende Fl-lung des Ringspalts mit thixotroper Flssigkeit herabgesetzt werden. Dazu braucht man einen Ring von Spldsen (Bilder N03.40 und N03.50), die ber der Schneide nach oben gerichtet und in einem typischen Abstand von 1 m angeordnet werden. Die Tonsuspension soll bei Kastenhhen ber etwa 8 m nicht von oben eingefllt wer-den, weil sie in dem engen Spalt nach wenigen Metern Sinktiefe ge-lieren wrde. Hinweise zur Bemessung der Spleinrichtung (Spl-druck, Rohrfhrung usw.) gibt LINGENFELSER (1992). Sobald der Suspensionsspiegel im Ringspalt hher ist als der GW-Spiegel, beginnt das Risiko des hydraulischen Grundbruchs um die Schneide herum in den Brunnen. Auch aus diesem Grund sollte eine Schneidenhhe von 3 m nicht unterschritten werden. Auerdem muss der Wasserspiegel im Innern des Brunnens durch Zupumpen von Wasser stets hher gehalten werden als der GW-Spiegel au-en.

Bild N03.30: Senkkasten mit verankerten Zugstan-gen zur Absenkhilfe

Bild N03.40: Ausbildung der Spldsen; Detail sie-he Bild N03.50

Bild N03.50: Rei-bungsverminderung: Bentonitzugabe im Schneidenbereich

Steigleitung

Ring-

leitung

12

Ringleitung

1 Verpressleitung

(Abstand 1m)

Steigleitung


N.3.6 Absenkdiagramm

Das Absenkdiagramm ist eine graphische Darstellung der Schneidenlast Qs in Abhngigkeit von der momentanen Absenk-tiefe z. Sie ist die Differenz zwischen Gewichtslast G und Mantelreibungskraft Qr und soll stets > 50 kN/m bleiben. Da sich Qr theoretisch nicht zuverlssig voraussagen lsst, wird in der Praxis von einfachen Erfahrungswerten ausgegangen (Tabelle N03.10).

Bodenart nichtbindig bindig Schlamm thix. Suspension

qr ber Schneide (kN/m2) 10 30 5 40 2 10 5 10 qr unterhalb (kN/m2) 20 40 10 50 - -

Tabelle N03.10: Erfahrungswerte fr Reibung an Senkksten Die groen Unterschiede ergeben sich daher, dass dabei nicht nach der Lagerungsdichte bzw. Konsistenz unterschieden

wird. Zum Vergleich werden die Vertikalkomponenten des Erddrucks fr solche Flle fr a < 0 ! berechnet. ERLER (1982) nennt die Werte a = - (0,5 ... 1,0). N.3.7 Druckluft-Senkkasten, Caisson

Die Druckluft-Senkkastengrndung (auch Caisson) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum einer Brunnengrn-dung teilweise (Arbeitskammer im Schneidenbereich) oder im Ganzen durch Luftberdruck trockengelegt wird, so dass der Boden vor Ort in trockener Baugrube ausgehoben werden kann. Das Verfahren wurde 1841 von dem franzsischen Ingeni-eur TRIGER erfunden und wird seit 1911 in Deutschland angewendet (BACHUS, 1961). Der Vorteil im Vergleich zur Brunnengrndung liegt in der Zugnglichkeit der Sohle whrend des Baus (Beseitigung von Hindernissen immer mglich; bessere Einflussnahme auf die Bewegung des Kastens) und im Endzustand (Prfung der Tragfhigkeit des erreichten Baugrunds), in den kleineren Setzungen in der Umgebung der Baustelle und in der Mglichkeit, gleichzeitig und ohne gegenseitige Behinderung absenken und betonieren zu knnen. Der Nachteil sind die hohen Lohn- und Zusatzkosten, die sich aus den Arbeitsschutzbestimmungen bei Druckluftarbeiten ergeben.

Bild N03.60: Absenken eines Druckluft-Senkkastens


Druckluft-Senkksten knnen lotrecht (Regelfall) und schrg (maximal 3:1) abgesenkt werden. Bild N03.60 zeigt die prin-zipiellen Merkmale; das Lsen geschieht heute eher mit Spldsen oder kleinen Baggern, evtl. nach schonendem Spren-gen, und das Frdern weitgehend durch Splen (4 bis 8 bar, pneumatisch oder hydraulisch) oder durch kleine Flurfrde-rer. Die dadurch bedingte Beschleunigung des Bodentransports fhrt dazu, dass sofern nicht hydraulisch gefrdert wird die kombinierte Personen- und Materialschleuse wie in Bild N03.60 durch zwei getrennte Schleusen ersetzt wird. Ein konstruktiver Vorteil gegenber der offenen Senkkastengrndung liegt darin, dass der lichte Querschnitt der Arbeitskam-mer sich nicht nach oben fortsetzen muss, sondern mit einem schmaleren Schaft gearbeitet werden kann, wobei der da-mit gewonnene Raum zum Ballastieren mit Sand o.. genutzt werden kann. Auch die Schwierigkeit, den Senkkasten auszusteifen, entfllt hier durch die Arbeitskammerdecke, die nur die ffnungen fr die Schachtrohre enthlt. Nach dem Absenken wird Beton in die Arbeitskammer gepumpt, wobei zu beachten ist, dass der Luftberdruck das Wasser eher aus dem Frischbeton austreibt als sonst. Verbleibende Hohlrume werden verpresst. Whrend des Einpumpens des Be-tons muss eine Entlftung der Arbeitskammer mglich sein, damit der Druck nicht ansteigt und den Kasten anhebt. Letz-teres ist auch beim Fugenschluss zu beachten. Wenn der Fllbeton nicht nur als "Bodenersatz", sondern als Teil des Senkastens statisch in Rechnung gestellt werden soll, muss man ihn an der Kammerdecke verankern: Die Anker sind whrend des Absenkens umgebogen und werden vor dem Betonieren in ihre Soll-Lage gebracht. Die Arbeitskammerdecke muss im Bauzustand fr den Luftdruck in der Arbeitskammer berechnet werden, der whrend des Absenkens 2 - 4 m hher gehalten wird als der Wasserdruck an der Schneide, um eine Sicherheit gegen hydraulische Grundbrche zu haben. Wnde und Decke der Arbeitskammer mssen aus einem luftundurchlssigen Beton bestehen (350 kg/m3 Zement; Zuschlge nach Sieblinie E; keine Arbeitsfugen, vgl. BACHUS, 1961). Die Abmessungen von Druckluft-Senkksten sind in weiten Grenzen variabel. BACHUS (1961) berichtet von einem Tro-ckendock in Le Havre, das 1925 als Druckluft-Senkkasten mit 66 m Breite und 345 m Lnge gebaut wurde. Auch Druckluft-Senkksten in Kreisringform wurden ausgefhrt (LINGENFELSER, 1992).

N.3.8 Arbeitsschutz-Vorschriften bei Arbeiten unter Druckluft

Arbeiten unter Druckluft stellen eine groe Belastung fr den menschlichen Organismus dar. Es knnen drei unterschied-liche Krankheitsbilder auftreten: - Beim Einschleusen in den Hochdruckbereich (Kompressionsphase) verringert sich das Gasvolumen in den Krper-

hhlen, es kann ein Barotrauma auftreten. - Bei langem Aufenthalt unter hohem Druck (Isokompressionsphase) nimmt das Blut einen erhhten Anteil an gelster

Luft auf. Whrend der Sauerstoff absorbiert wird, kommt es zu einer Anreicherung von Stickstoff im Blut, was zu Ver-giftungserscheinungen (Tiefenrausch) fhren kann. Um diese zu vermeiden, werden die Arbeitszeiten unter Druckluft begrenzt.

- Beim Ausschleusen (Dekompressionsphase) muss der gelste Stickstoff wieder ausgeschieden werden. Wird der Druck zu rasch abgesenkt, bilden sich in den Gefen feine Gasblschen, was zu Gelenkschmerzen und Kreislauf-beschwerden fhrt. Deshalb sind beim Ausschleusen der Arbeiter genaue Zeiten einzuhalten, die sich bei Beatmung mit Sauerstoff verkrzen.

Die "Verordnung ber Arbeiten in Druckluft" der TBG (1997) regelt neben Arbeits- und Ausschleusungszeiten, wie sie in Bild N03.70 dargestellt sind, noch eine ganze Reihe von Anforderungen an die Baustelle, wie z.B. erhhte Brandschutz-manahmen und die stete Bereitstellung einer Krankenschleuse ab einem Arbeitsdruck von 20 mWS. Ohne Spezialverfahren (Sttigungstauchen) ist ein maximaler Arbeitsdruck von 36 mWS zulssig. Eine Wirtschaftlich-keitsgrenze z.B. im Tunnelbau stellt ein berdruck von 17 mWS dar, da hier die tgliche Arbeitszeit gerade 6,0 h betrgt und so mit vier Mannschaften ein Durchlaufbetrieb aufrecht erhalten werden kann.


Zum Ein- bzw. Ausschleusen von Material stehen neben den Per-sonen-Schleusen immer separate Schleusen zur Verfgung, da hier nicht auf Schleusungszeiten geachtet werden muss. Wird beim Ausschleusen der Druck schnell abgelassen, so bildet sich Nebel, da sich die Luft auf Grund der Druckreduzierung abkhlt. Um den Druck in der Arbeitskammer konstant halten zu knnen, mssen auf der Baustelle groe Kompressorenstationen vorgehal-ten werden. Oft wird auf Baustellen auch versucht, stecken gebliebene Senk-ksten durch kurzfristiges Absenken des Luftdrucks in der Kammer wieder in Gang zu bringen. Dabei muss aber die Mannschaft in die Schleuse zurck. Auch bei Sprengungen in der Kammer muss die-se gerumt und darf erst wieder betreten werden, wenn die Sprenggase durch die Bewetterung entfernt sind.

Bild N03.70: Arbeits- und Schleusungszeiten bei Druckluftarbeiten


N.4 Pfahlgrndungen

N.4.1 Herstellung von Pfhlen, Pfahlarten, Bauverfahren

N.4.1.1 Allgemeine Hinweise

Ein Pfahl ist ein stabfrmiges Bauelement, das durch Schlagen (Rammen) oder Drcken als Fertigteil im Boden bis auf eine planmige Tiefe gebracht werden muss oder das an der Einbaustelle in einem durch Rammen, Drcken oder Bohren er-zeugten Hohlraum hergestellt wird. Darber hinaus gibt es auch Schraubenpfhle, die drehend und drckend in den Boden eingebracht werden, aber in der hiesigen Praxis bisher wenig Bedeutung haben. Auch Spundbohlen werden hier mit behandelt, da sie wie Fertigpfhle eingebracht werden und auch hinsichtlich der Lastabtragung zumindest vertikal wie Pfhle wirken. Da das fertige Element nicht mehr sichtbar ist oder allenfalls wieder sichtbar wird (Spundbohle), wenn es bereits unter Last steht, unterliegt die Ausfhrung sehr detaillierten Qualittsforderungen, die fr die marktgngigen Arten genormt, fr Spezial-Ausfhrungen an eine bauaufsichtliche Zulassung gebunden sind. In der Bundesrepublik Deutschland sind hierzu verbind-lich (durch Einfhrungserlass) bzw. in entsprechender Vorbereitung (EN 12699 und EN 14199): - DIN 1054: Allgemeine Bestimmungen - DIN 4014: Bohrpfhle - DIN EN 1536 (06/1999): "Bohrpfhle" mit DIN Fachbericht "Anwendungsdokument zu DIN EN 1536" - DIN 4026: Verdrngungspfhle - DIN EN 12699 (05/2001) "Verdrngungspfhle" - DIN 4128: Verpresspfhle (Ortbeton- und Verbundpfhle) mit kleinem Durchmesser. - DIN EN 14199 (05/2005): "Mikropfhle" Die folgenden Teilabschnitte befassen sich mit den gngigen Typen und Herstellverfahren. Weiterfhrende Literatur siehe FRANKE (1992).

N.4.1.2 bergang von der Baugrundverbesserung zu Pfhlen

In Vorlesung M, "Baugrundverbesserung", wurden Verfahren vorgestellt und behandelt, bei denen pfahlhnliche Struktu-ren geschaffen werden, die im Verbund mit dem Boden die Belastbarkeit und das Verformungsverhalten des Baugrunds verbessern: Schottersulen, vermrtelte Schottersulen, Betonsulen, Kalksulen, CSV-Pfhle, Sand-Bindemittel-Pfhle und Mixed-In-Place-Elemente. Der bergang von diesen Strukturen zu unbewehrten Pfhlen ist flieend. Eindeutige Ab-grenzungen sind - vor allem hinsichtlich des tatschlichen Tragverhaltens - nicht immer mglich.

N.4.1.3 Auswahlkriterien fr Pfhle

Bei der Auswahl eines Pfahltyps sind folgende Gesichtspunkte zu prfen: - Sind die Bauwerkslasten in der Sohlflche des Bauwerks groflchig verteilt oder punktweise konzentriert?

Konzentrierte Lasten verlangen konzentrierte Sttzung (Schwerlastpfhle). - Greifen am Bauwerk so groe Horizontallasten womglich aus wechselnden Richtungen an, dass Schrgpfhle

notwendig sind? (Bohrpfhle knnen nur eingeschrnkt geneigt ausgefhrt werden.)

- Muss mit Seitendrcken (siehe N.4.2.10 ) gerechnet werden? Stahlbetonpfhle kommen in solchen Fllen allenfalls dann in Frage, wenn das dadurch verursachte Verschiebungs-ma auf hinreichend kleine Werte begrenzt bleibt.

- Schlieen besondere Baugrundmerkmale (z.B. Hindernisse, aggressives Grundwasser, artesischer Wasserber-druck, Fliesandschichten) bestimmte Materialien oder Verfahren aus?

- Ist die Baustelle mit dem erforderlichen Gert zugnglich? Herstellung an Land oder im Wasser? - Ist das Bauwerk sehr setzungsempfindlich oder kann es die fr bestimmte Pfahlarten unvermeidlichen Erstsetzungen

ertragen? - Mssen Probebelastungen vorgesehen werden? - Knnen die erforderlichen Pfhle innerhalb der verfgbaren Bauzeit risikofrei hergestellt werden?


- Kann der gewhlte Pfahl mit den verfgbaren Gerten in der erforderlichen Lnge hergestellt werden; bzw. schlieen die geforderten Pfahllngen aus Transportgrnden die Verwendung von Fertigpfhlen aus?

- Ist mit Einsprchen gegen das Herstellverfahren zu rechnen (Krper- und Luftschall-Emission usw.)? - Bestehen Ramm- oder andere Einbring-Hindernisse? Sind Einbringen und Ziehen einer Verrohrung (fr tiefe Bohr-

pfhle) sicher mglich? Die unter Beachtung dieser Gesichtspunkte in Frage kommenden Pfahltypen werden schlielich auf ihre Wirtschaftlichkeit hin miteinander verglichen, indem die Kosten auf 1 stgdm (steigenden Meter) Pfahllnge und 1 MN Tragkraft bezogen wer-den. Wenn erschwerende Umstnde wegfallen, kann vermutet werden, dass Stahlbeton-Fertigpfhle am billigsten sind, ge-folgt von Ortbeton-Rammpfhlen, Ortbeton-Bohrpfhlen und Stahlrammpfhlen.

N.4.1.4 Gerammte, vorgefertigte Elemente

Die fr eine Rammung in Frage kommenden vorgefertigten Bauelemente sind der Rammpfahl aus Holz, Stahlbeton, Spann-beton oder Stahl und die Spundbohle aus Holz (selten), Stahlbeton bzw. Spannbeton (selten) oder Stahl. Das Rammstck erhlt eine Rammhaube mit einem Hartholzfutter. Es wird mit einem an einem Mkler (Fhrungsschiene) gefhrten Ramm-br schnell- (Dieselbr) oder langsamschlagend (Dampframmbr) in den Boden eingetrieben, wobei die Eindringung je Hitze (1 Hitze = 10 Rammschlge) registriert und die aufgewendete Rammarbeit daraus abgeleitet und mit den vorausgesetzten Baugrundverhltnissen verglichen wird. Fr jeden Pfahl muss ein Rammprotokoll angefertigt werden, aus dem insbesondere die bleibende Eindringung s in der letzten Hitze bzw. der Mittelwert von s ber die letzten 3 Hitzen zu entnehmen sind. Dar-aus lsst sich, falls eine Probebelastung zum Vergleich vorliegt, fr jeden Pfahl die (dynamische) Pfahltraglast ableiten. Es sei A [MNm] die aufgewandte Rammarbeit je Schlag, e [cm] die bleibende Eindringung pro Schlag (= 0,1s), sx = EA/L die axiale Pfahlsteifigkeit (Pfahl + Baugrund als einheitliches Federsystem gewertet), dann ist nach SCHENCK (1951)

)es/AC21(1seQ 2xxdyn (N04.10), wo C = (R + kG) / (R+G) der Wirkungsgrad des Rammschlages ist (R - Schlaggewicht, G - Gewicht von Pfahl + Rammhaube, k = 0,3 .. 0,6 empirische Stozahl, s.a. FRANKE, 1992). Man stellt an Hand der Probebelastung das Verhlt-nis n = QL / Qdyn ("Eichfaktor") fest und kann damit fr jeden gerammten Pfahl prfen, ob er eine grt-zulssige Eindrin-gung e eingehalten hat bzw. ob bei zu groen Werten e die Grenzlast mittels Gleichung N04.10 berichtigt werden muss. Bild N04.10 zeigt exemplarisch typische Rammstellungen: die Ramme fhrt entweder selbst die Rammpunkte ab oder wird auf ein fahrbares (Rammunterwagen) oder festes Gerst gestellt. Da der Mkler, Bild N04.11, ber Kopf (begrenzt) und zu-rckgeneigt werden kann, lassen sich alle Neigungen bis zu 1:1 und Rammpunkte in dem vom Fahrgleis bedienbaren Be-reich ausfhren. Wegen der Details wird auf DREES (1991) verwiesen. Holzrammpfhle sind nur unterhalb des Grundwasserspiegels dauerhaft und werden daher heute praktisch nur fr Bau-hilfsmanahmen (Gerste) verwendet. Stahlbeton-Rammpfhle: Bei leichterer Bebauung, nicht zu groen Rammtiefen und gut rammfhigem tragfhigem Bo-den ist der in Bild N04.20 dargestellte Rammpfahl sehr wirtschaftlich: quadratischer Querschnitt 34/34 bis 40/40 cm in C45/55 bei maximal 25 m Pfahllnge. Fr die durchgehende Bewehrung ist meist der Transportzustand magebend; da-her bei greren Lngen auch Rechteckprofil. Die Mindestbewehrung ist 0,8 % des Pfahlquerschnitts. Die Querbeweh-rung ist eine durchgehende Wendel mit kleinerer Ganghhe im Kopfbereich mit Rcksicht auf die Rammschlge. Die Aufstockung des Pfahls ist mglich; dazu muss die Bewehrung am Kopf so weit freigestemmt werden, dass sie gestoen werden kann oder es kommen einbetonierte Koppel-Endstcke (Stahlteile) zum Einsatz, die mit Hilfe von Bolzen oder Stoverschraubungen eine Sofort-Verbindung erlauben (Kupplungspfahl, Beispiel siehe Bild N04.30). Die Ste mssen mindestens die gleiche Biegesteifigkeit haben wie der Pfahlquerschnitt selbst. In den Niederlanden geht die Entwicklung zu vorgespannten Pfhlen mit Querschnitten von 15/15 cm (Nadelpfhle), die in sehr groem Umfang auch fr Einfamilienhuser zur Ausfhrung gelangen. Falls, wie in Skandinavien hufig, die Pfhle auf unebenem Fels aufstehen, erhlt der unterste Abschnitt einen Schuh mit ei-nem Stahldorn. Stahl-Rammpfhle: Als Stahl-Rammpfahl verwendet man entweder ein gewalztes (Trger-) Profil oder ein spiralge-schweites Rohr oder ein aus Spundbohlen zusammengesetztes Rohr oder ein aus Spundbohlen zusammengesetztes Kastenprofil, Bild N04.40. Siehe dazu die Profiltabellen der Hersteller.


Die I-Profile haben normalerweise Steghhen bis zu 600 mm. Hhere Profile knnen jedoch im Lieferwerk bestellt werden; sie werden durch Auftrennen der IPB 600 und Einsetzen von Stegblechstreifen hergestellt. Stahlrohrpfhle erhalten im Fu-bereich zur Aussteifung und im Hinblick auf eine Verspannung des Bodens im Rohr (Flche fr Spitzendruckansatz, siehe N.4.2.2 ) eine Blechauskreuzung, 12 mm dick, die mindestens 50 cm lang, bei greren Rohrdurchmessern aber so lang ist, wie sie sich gerade noch einschweien lsst, Bild N04.50. Der Stahlrammpfahl ist zwar in der Lieferung teuer, hat aber den Vorteil groer Biegesteifigkeit und Variabilitt. So wird, um Material zu sparen, der Pfahl im oberen, nicht mittragenden Boden nach den Regeln des Stahlbaus unter Ausnutzung der zulssigen Stahlspannung bemessen, im tragenden unteren Boden dagegen durch angeschweite Flgel verstrkt, Bild N04.50, wobei der halbierte PSP 600 L eine besonders wirtschaftliche Flgelform ergibt: Grere Steghhen des Flgels wrden problematisch, da sich der Boden dann nicht mehr gengend zwischen Flgelflansch und Pfahlschaft verspannt. Auch Trgerprofile knnen mit Flgeln versehen werden. Anmerkung: Die Rohr- und Kastenpfhle werden nach der Rammung bis zur Oberflche des tragfhigen Bodens innen frei-gesplt und dann mit Sand oder Beton verfllt. Die Stahlrohre sind in DIN 2448 bzw. DIN 2458 genormt (Norm-Durchmesser bei der Bemessung beachten!). Auch Kombinationen aus Trgerprofilen im unteren Teil und darber Rohrprofilen sind ausgefhrt worden, wenn der obere Pfahlteil frei im Wasser steht (gleichmige Steifigkeit nach allen Richtungen).

Bild N04.10: Einsatz von Rammen im Hafenbau (SCHENCK, 1966) Bild N04.11: Ausrichtungsmglichkeiten fr Mk-ler und Rammgut (SCHENCK, 1966)


Bild N04.20: Stahlbeton-Rammpfahl (SCHENCK, 1966) a - Transportsen b - se zum Aufnehmen und Zufhren an die Ramme

Bild N04.30: Details eines Kupplungspfahls (nach KEMPFERT/SMOLTCZYK, 2001)

Bild N04.40: (zusammengesetzte) Profile von Stahl-Rammelementen (nach HOESCH Spundwandhandbuch- Profiltafeln, 1989)

Bild N04.50: Auskreuzung am Fu eines Stahl-rammpfahles

N.4.1.5 Ortbeton-Rammpfhle

Wenn ein mit geschlossener Spitze in den Boden gerammtes Rohr anschlieend bewehrt und bei gleichzeitigem Ziehen des Rohres betoniert wird, spricht man von einem Ortbeton-Rammpfahl. Der Erfinder dieses Pfahltyps war der Belgier FRANKIGNOUL, weswegen der Pfahl oft auch als Franki-Pfahl bezeichnet wird. Beim Franki-Pfahl lsst man ein Gewicht im Innern des Rohres auf einen Beton-Pfropfen am Pfahlfu fallen (Innenrohrrammung). Bild N04.60 zeigt die Phasen der Her-stellung. Der Fuabschluss kann aber auch durch eine verlorene Fuplatte erfolgen, in diesem Fall wird eine Auenram-mung durchgefhrt. Bei Verwendung eines Betonpfropfens kann ein (gegenber dem Rammrohr deutlich vergrerter) aus-gerammter Pfahlfu hergestellt werden, der die Tragfhigkeit erhht. Die Rammrohre bleiben mit ihrem Durchmesser unter 60 cm; in der Regel sind es 40 bis 50 cm. Das Eindringma in den letzten Hitzen lsst einen sicheren Rckschluss auf die Pfahltragfhigkeit zu und ist das Indiz fr ei-ne ausreichende Rammtiefe. Zu den Gebrauchslasten (Druck) siehe Abschnitt N.4.2.3.2 , bzw. ca. 30 % dieser Werte bei Zuglast.

oberer Pfahl

Steckverbindungen

Kopfplatte des unte-ren Pfahles aus Stahl, je nach Hauptbeweh-rung mit 4- oder 8-schlssiger Kupplung


Die Ramme hat ein Raupen- oder Schreitfahrwerk und fhrt am Rammort eine Grundplatte aus. Der fr den Untergrund kri-tische Lastfall ist das Ziehen des Rammrohres, bei dem sich die Ramme auf 2 Pratzen beiderseits des Rohres absttzt. Da-her ist es notwendig, auf weichem Untergrund eine krftige Tragschicht (typisch: krftiges Geotextil und 40 cm Schotter) aufzubringen, damit das 50 t schwere Gert nicht einbricht. Der Ortbeton-Rammpfahl bietet in verdichtungsfhigen Bden gegenber Fertig-Rammpfhlen den Vorteil, dass die Bau-grundfestigkeit in der Umgebung des Fues gezielt vergleichmigt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die Anpassungsf-higkeit der Pfahllnge an die beim Rammen festgestellte Situation. Wenn eine grere Anzahl von Pfhlen in engem Abstand gerammt wird, besteht die Gefahr, dass der neben dem gerade gerammten Pfahl anstehende Boden nach oben verdrngt wird und dadurch der noch junge Beton der zuvor hergestellten Pfhle beschdigt wird. In sehr weichen Bden kann eingebrachter Pfahlbeton weit nach auen ausweichen und Fehlstellen im Pfahl bedingen. Das Einbringen des Betons in das Rammrohr beim Ziehen: flssig - rtteln; trocken - stampfen muss da-her mit den anstehenden Bden abgestimmt werden.

Bild N04.60: Herstellen eines Ortbetonrammpfahles mit Innenrammung (FRANKI Grundbau, Werkbild, 2007)

N.4.1.6 Pfahlherstellung durch Einrtteln

Mit Vibratoren knnen Spundbohlen und Pfhle oder Rohre zum Betonieren von Pfhlen in Bden mit Ip < 10 % und hchs-tens mitteldichter Lagerung sehr wirtschaftlich auf Tiefe gebracht werden (kleiner Gerteaufwand). Als Beispiel zeigt Bild N04.70 den Gerteaufsatz des MLLER-Vibrators von KRUPP, Bild N04.80 das vom Hersteller angegebene Leistungs-Diagramm.


Bild N04.80: Nomogramm zur Bestimmung der erforderlichen Fliehkraft (KRUPP BAUTECHNIK, 1981).

Bild N04.90: System "Pilemaster" (SCHENCK, 1982)

N.4.1.7 Pfahlherstellung durch Einpressen

Pfhle wie Spundbohlen knnen auch mit Hilfe hydraulischer Pres-sen in den Boden gebracht werden, wenn gengend Reaktionskraft zur Verfgung steht. Daher hat das Einpressen von Pfhlen insbe-sondere bei Unterfangungs- oder Nachgrndungsarbeiten wirt-schaftliche Bedeutung: die Pfhle werden in Abschnitten geringer Hhe unter einem bestehenden Bauwerk in den Boden gepresst (Bild N04.100). Vorteil: der Pressendruck gibt in jeder Phase die Grenzlast des Pfahles an. Auch Spundbohlen von etwa 8 - 12 m Lnge lassen sich mit einer Batterie hydraulischer Pressen, siehe z.B. Bild N04.90, (max. Druckkraft 2,25 MN, max. Zugkraft 1,65 MN) abteufen, wobei jeweils 2 Bohlen gedrckt, die brigen als Re-aktionspfhle benutzt werden. Ein deutsches Verfahren, System Klammt, arbeitet mit 2 zustzlichen Entlastungsbohrungen durch in den Spundwand-Wellentlern angesetzte Schneckenbohrungen (HORNUNG, 1976). Max. Druckkraft hier 1,0 MN. Dieses "Bohr-pressverfahren" ist weniger vom Bodenwiderstand abhngig, findet aber auch seine Anwendungsgrenze, sobald die Zugkraft der Reak-tionsbohlen oder die Knicksicherheit der gepressten Bohle er-schpft sind. Eignungsversuche auf der Baustelle sollten vor Be-ginn der eigentlichen Arbeit vorgenommen werden. Weitere Hin-weise finden sich bei DREES (1991).

Bild N04.70: a. Gerte-Anordnung, b. leichter Vibrator, c. mittelschwerer Vibrator, d. schwerer Vibrator; System L. MLLER & SHNE (KRUPP BAUTECHNIK, 1981)

Bild N04.100: Einpressen von Pfhlen (FRANKI Grundbau, Werkbild, 2007)

leicht mittel

schwer

(m Rammtiefe)

Widerstand des Bodens

(MN) Fliehkraft

Pfa

hlm

asse

(t)

0 1 2

1

2

3

4

5

t

10

20


N.4.1.8 Bohrpfhle

Ein Bohrpfahl ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer maschinell hergestellten Bohrung ein unbewehrter oder bewehrter, meist rtlich betonierter Pfahl hergestellt wird. Um das Bohrloch im Bereich nicht standfesten Untergrundes zu sttzen, wird meist eine Verrohrung, alternativ eine Sttzflssigkeit eingesetzt. Das Bohrrohr (die Verrohrung) wird nach Abteufen der Bohrung unmittelbar nach bzw. parallel mit dem Betonieren oder Auffllen des Bohrloches wieder gezogen. Bild N04.110 zeigt bliche Bohrverfahren (ULRICH, 1991), Bild N04.120 ein Beispiel fr die Pfahlherstellung. Wenn der Boden standfest ist, bzw. ab Tiefen, in denen er standfest ist, kann auf das Bohrrohr verzichtet werden. Unter Umstnden gengt daher eine kurze Ansatzverrohrung in den Deckschichten. Die Einrichtungen zum Einbringen und Ziehen der Bohrrohre sind heute bei Pfhlen mit kleinen und mittleren Durchmessern und Tiefen am Trgergert angebaut und nutzen dieselben Hydraulikmoto-ren.

Zur Sttzung von Bohrlchern kommen auch Sttzflssigkeiten (z.B. Tonsuspension (Bentonit), seltener Polymersuspensi-on) zum Einsatz. Zu ihrer Aufbereitung ist zustzliches Gert erforderlich; an der Erdwand verbleibt bei Einsatz von Ton-suspension beim Betonieren ein Bentonit-Film. Hier ist daher im Einzelfall zu prfen, ob dies einen Einfluss auf die Mantel-reibung hat.

Bild N04.110: Pfahlbohrmaschinen (ULRICH, 1991)


Als Bohrwerkzeuge sind Bohrschnecken, Schappen (Bohreimer) und Greifer gebruchlich, mit denen das Bohrgut gelst und gefrdert wird. Bei Meielbohrungen muss eine zustzliche Bohrgutfrderung installiert werden (Greifer oder Splung). Rollenmeiel werden gerne gemeinsam mit Splfrderungen verwendet. Hierbei ist das Lufthebeverfahren besonders effek-tiv. In das Tiefste eines wassergefllten Bohrloches wird Luft eingeblasen, die beim Aufsteigen auch Bohrgut mitreit. Im Zusammenhang mit Trger-Verbau-Systemen werden die gleichen Pfahlbohrgerte verwendet, um Bohrlcher herzustel-len, in die dann Stahltrger fr den Verbau eingestellt werden (am Fu in eine Betonplombe). Hier wird beim Ziehen der Bohrrohre eine geeignete Bohrlochverfllung (z.B. Kiessand, evtl. durch hochhydraulischen Kalk etwas verfestigt) einge-bracht. Betonieren: Der Beton von Bohrpfhlen muss so eingebracht werden, dass er aufgrund der groen Schtthhen bzw. im Grundwasser nicht entmischt. Daher werden Pfhle mit Hilfe eines Schttrohres im Kontraktorverfahren betoniert. Pfahlherstellung unterhalb des Grundwasserspiegels: Um einen hydraulischen Grundbruch des Bodens in das Bohrloch hin-ein zu verhten, muss unterhalb des Grundwasserspiegels stets mit einer Wasserauflast im Bohrloch gearbeitet werden. Zweckmig ist darber hinaus ein Wasserberdruck, der ausreicht, den "Kolbeneffekt" beim Ziehen des Bohrwerkzeugs auszugleichen. Strungen des Bodens neben der Bohrung mssen klein gehalten werden. Daher sollte das Bohrrohr stets der Bodenfrderung vorauseilen und es werden in der Regel keine Splhilfen fr das Lsen der Bden im Bohrrohr verwen-det. Schrgpfahlbohrungen sind verfahrensbedingt nur begrenzt mglich: bei kleineren Durchmessern 4:1, bei greren bis 6:1 abnehmend. Es werden sehr steife Verrohrungen bentigt, um die Richtung eines Bohrrohres, welches ebenso wie die Bohrwerkzeuge von der Schwerkraft in die Vertikale gezogen wird, mit der Tiefe beibehalten zu knnen. Verrohrungsma-schinen fr Schrgpfhle bentigen ein stabiles, keilfrmiges Fundament. Fuaufweitungen mittels Spezialgreifern sind mg-lich, solange der Boden entweder selbst standfest ist oder (suspensionsgesttzt) stabilisiert werden kann: Der Durchmesser der Aufweitung ist nach DIN EN 1536 in bindigen standfesten Bden auf den dreifachen Schaftdurchmesser bzw. maximal 3,57 m (fhrt zu 10 m2 Flche) begrenzt, in nicht-bindigen Bden auf den 2-fachen Schaftdurchmes-ser. Weitere Regeln bestehen zur Flankenneigung. Fuaufweitungen resultieren aus dem Bestreben, die Kontaktflche zum Boden zu vergrern, ohne unntig viel Bohraufwand und Beton im Schaftbe-reich aufzuwenden. Das gleiche Ziel kann auch mit Mantel- und Fu-verpressungen verfolgt werden. Dazu werden mit der Pfahlbewehrung Injektionsrohre eingebracht. Eine Zementeinpressung in den Untergrund ber diese Injektionsrohre verfestigt den Baugrund um den Pfahl und erhht die Verspannung zwischen Pfahl und Baugrund. Bei Fuverpressungen wer-den auch Stahl- oder Gummikissen zum Einsatz gebracht. Sie werden horizontal im Bohrlochtiefsten angeordnet und nach Abbinden des Pfahlbetons unter Druck verfllt. Sie verspannen den Pfahlfu, bis sich der Pfahl geringfgig anhebt. Dadurch kn-nen in nahezu verdoppeltem Umfang Mantelreibungskrfte genutzt werden und wesentliche Verformungen zur Mobilisierung des Spitzendrucks sind vorweggenommen. Die Tragfhigkeit des Pfahles wird also durch diese Art der Vorspannung we-sentlich erhht bei gleichzeitiger Minimierung der Verformungen. Pfahldurchmesser: ds = 30 cm (bis 10 m Lnge zulssig) bis 200 cm (bis 60 m und mehr mglich); in Sonderfllen bis 400 cm ausfhrbar. Durchmesser von 60, 90, 120 und 150 cm sind gebruchlich. Beim Entwurf von Bohrpfahlgrndungen ms-sen die verfgbaren Bohrrohre beachtet werden.

Bild N04.120: Herstellen eines Bohrpfahls mit Fuaufweitung


Bewehrung: Bewehrung ist nur erforderlich, wenn planmig Querkrfte aufzunehmen sind (Bemessung nach DIN 1045, je-doch Bgeldurchmesser 8 mm, Abstnde unter 25 cm) oder unplanmige Querkrfte (z.B. aus Hangkriechen oder Bodenbewegungen infolge seitlicher Baugrundbelastungen) denkbar sind (Bemessung nach DIN 1045, aber als "unbe-wehrt" mit konstruktiver Mindestbewehrung 12, a < 20 cm). Gegebenenfalls Beschrnkung auf 2 m lange Anschluss-bewehrung im Kopfbereich. Schneckenbohrpfhle werden mit Hilfe von Bohrungen mit langer Schnecke, Bild N04.130, bei dem der in die Schnecken-windungen eingebohrte Boden die Sttzung bringt, hergestellt. Schneckenbohrpfhle sind nur vertikal und mit begrenzter Lnge herstellbar, dann aber sehr wirtschaftlich. Bei Schnecken mit groem Innenrohr (Seele) wird Bewehrung durch die Seele eingefhrt; bei Schnecken mit kleiner Seele kann ein Bewehrungskorb in den Frischbeton eingerttelt werden. Der Be-ton wird beim Ziehen der Schnecke am Fu mit 2 bis 4 bar berdruck eingepresst. Das Verfahren setzt zur Vermeidung von Bodenentzug beim Bohren und zur Sicherstellung eines nicht abgerissenen, durchgehenden Betonkrpers groe Erfahrung der Mannschaft voraus.

Herstellungs-Toleranzen: 5 cm bis 2 cm am Bohransatzpunkt, 2 % bis 0,5 % in der Neigung (je weniger Toleranz, desto teu-rer: steife Bohrrohre ohne Vorverformung, Messaufwand, Risiko von Nacharbeiten). Das aus einer Exzentrizitt resultieren-de Kopfmoment muss in der Bemessung von Pfahl oder Pfahlkopfplatte bercksichtigt werden. Hlse als Hilfsschalung: Wenn Deckschichten anstehen, deren Scherfestigkeit cu < 15 kN/m ist, muss in das Bohrrohr eine Hlse eingestellt werden, damit der Frischbeton beim Ziehen des Bohrrohres nicht seitlich in den breiigen Boden wegrutscht und im oberhalb liegenden Pfahlbeton Fehlstellen verursacht. Das gilt auch fr den Fall, dass der Pfahl oben teilweise frei im Wasser steht. Bohrhindernisse: sind um so schwieriger zu rumen, je kleiner ds ist. Whrend gleichmig anstehender Fels zwar die Bohrarbeit erschwert, sie aber nicht behindert, sind lockere Steinlagen oder einzelne, in den Querschnitt hineinragende Stei-ne blockierend und mssen durch Meieln oder Sprengen zerkleinert werden.

N.4.1.9 Verpresspfhle, Mikropfhle

Ein Verpresspfahl (Mikropfahl) ist ein Ortbetonpfahl so kleinen Durchmessers, dass meist nicht mehr Beton mit einem Schttrohr, sondern ein Mrtel oder eine Suspension eingebracht wird (Mantelmischung). In die Bohrung wird eine Beweh-rung eingebaut, oft Gewindestbe mit Stabdurchmessern zwischen 20 mm und 63 mm. Dann spricht man auch von GEWI-Pfhlen. Nach Abbinden der Mantelmischung wird der Kontakt zum Boden oft mit Hilfe einer Verpressung von Zementsus-pension optimiert. Die technischen Regeln nennt DIN 4128 bzw. EN 14199. Die Herstellungsweise des ursprnglich in Italien fr Unterfangungsarbeiten entwickelten und als Wurzelpfahl bezeichneten Ortbetonpfahls zeigt Bild N04.140. Durchmesser bis herunter zu 8 cm sind ausgefhrt worden.

Bild N04.130: Herstellung eines Schneckenbohrpfahles (FRANKE, 1992)


Die Gerte (Ankerbohrgerte) gibt es mit so geringer Bauhhe, dass die Pfhle noch bei einer Raumhhe von nur 1,80 m hergestellt werden knnen, also etwa in einem Keller oder einem Stollen. Ein weiterer Vorteil ist die Mglichkeit, mit dem Bohrgert auch Fels und Beton durchbohren zu knnen. Bei den Verbundpfhlen wird ein durchgehendes, vorgefertigtes Tragglied aus Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton in das Bohrloch eingebracht. Die Kraftbertragung in den Baugrund wird durch Verpressen mit Beton oder Zementmrtel erreicht. Der Verbund kann sich auf den Lastbertragungsbereich beschrnken; oberhalb gengt die Hohlraumfllung mit Ton-Zement-Suspension. Verpresspfhle knnen stark geneigt werden, bis zu 75 gegen das Lot; allerdings mssen ab = 15 ausreichend steife Bohrrohre eingesetzt werden, um ein Durchhngen zu vermeiden. Auch bei flach geneigten Pfhlen muss die einwandfreie Suberung, Entlftung und Verpressung der Bohrungen stets gewhrleistet sein. Weitere Informationen enthlt Vorlesung R, "Spezialverfahren", Abschnitt Unterfangungen.

N.4.2 Tragverhalten von Pfhlen

N.4.2.1 Begriffe und Sicherheitsanforderungen

Ein Pfahl ist ein sttzender Stab, durch den eine Bauwerkslast in den Baugrund eingeleitet wird, wenn die tragfhige Boden-schicht von den Fundamenten des Bauwerks nicht unmittelbar erreicht wird. Pfahlgrndungen gehren deswegen zu den Tiefgrndungen. Damit ist nicht ausgeschlossen, dass auch eine an sich tragfhige Flachgrndung durch eine Pfahlgrndung ersetzt werden kann, falls das wirtschaftlicher oder zur Begrenzung von Verformungen, zur Erhhung der Sicherheit oder aus anderen Grnden (z.B. um spter tieferreichende Nachbarbauvorhaben zu ermglichen) zweckmig ist. Der Pfahl, Bild N04.150, bernimmt am Kopf die Last Q und ber seine Lnge gegebenenfalls auch noch durch Bodenver-schiebungen infolge seitlicher Flchenlasten verursachte Seitendrcke. Als Reaktionskrfte bzw. - bezogen auf die Wir-kungsflche - als Reaktionsspannungen wirken der Spitzendruck am Pfahlfu und die Mantelreibung. In der neuen euro-pischen Normung werden die Begriffe Rb und qb (b fr base) fr den Spitzendruck sowie Rs und qs (s fr shaft) fr die Mantelreibung verwendet. Die Mantelreibung wird als positiv definiert, wenn sie den Pfahl sttzt, als negativ, wenn sie den Pfahl belastet, weil sich der Boden relativ zum Pfahl setzt (negative Mantelreibung).

Bild N04.140: Herstellung eines Verpresspfahls (Firmenbild Held & Francke)


Die Pfahlkraft Q ist meist eine Druckkraft, seltener eine Zugkraft oder eine zwi-schen Druck und Zug wechselnde Last. Ein Pfahl versagt, wenn seine Setzun-gen bzw. Hebungen stark berproportional anwachsen oder unbestimmt wer-den. Dabei kann das Versagen sowohl aus der berbeanspruchung des Bau-grunds (uere Tragfhigkeit) als auch aus der berbeanspruchung des Pfahlmaterials (innere Tragfhigkeit) oder aus einem Knicken resultieren. Man unterscheidet hinsichtlich des Pfahltragverhaltens zwischen: - Bruchlast QP Last, die das vollstndige Versagen des Pfahles herbeifhrt; - Grenzlast QL Last, bei der die Pfahlkopfbewegungen deutlich oder Qg berproportional zuzunehmen beginnen, bzw. die

bei einer Probebelastung maximal erreichte Last, selbst wenn es nicht zu einem Versagen kommt;

- Kriechlast QC Last, bei der deutliche Kriechverformungen des Pfahles unter konstanter Last messbar werden; - zulssige Last Qzul zulssige Pfahllast beim Konzept mit globalen Sicherheiten. Im Zusammenhang mit Nachweisen des EC 7 bzw. der DIN 1054:2005 gelten folgende Zeichen und Begriffe: - R Widerstand (in der Regel axialer Widerstand) eines Einzelpfahls - R1 Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfhigkeit - R1,k Charakteristischer Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfhigkeit - R1,d Bemessungswert des Pfahlwiderstandes im Grenzzustand der Tragfhigkeit - R2 Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit - R2,k Charakteristischer Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit - R2,d Bemessungswert des Pfahlwiderstandes im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit; in der Regel wegen eines zugehrigen Teilsicherheitsbeiwertes von 1 identisch zu R2,k. Die Grenzlast, bzw. der Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfhigkeit bzw. der Gebrauchstauglichkeit wird entweder aus konkret durchgefhrten Probebelastungen (siehe Abschnitt N.4.2.4 ), oder aus rechnerisch festgelegten Arbeitslinien mit empirisch festgelegten Werten fr Spitzendruck und Mantelreibung (siehe Abschnitt N.4.2.2 ) ermittelt. Beim Partialsicherheitskonzept nach EC 7 und DIN 1054:2005 muss gezeigt werden, dass die Bemessungseinwirkung auf einen Pfahl kleiner ist als der Bemessungswert des Pfahlwiderstandes, der sich aus dem charakteristischen Wert durch Divi-

sion mit einem Teilsicherheitsbeiwert und einem Streuungsfaktor (ksi) ergibt. Hinsichtlich der Teilsicherheitsbeiwerte, die auf die Einwirkungen zu beziehen sind, siehe Vorlesung J, "Grundlagen geotechnischer Entwrfe und Ausfhrungen". Bei Pfahlgrndungen ist auer der Gebrauchstauglichkeit (Grenzzustand 2) vor allem der Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen magebend. Hier gilt fr die Pfahlwiderstnde:

Pfahlwiderstnde, (Grenzzustand 1B) Formelzeichen Teilsicherheitsbeiwert(lastfallunabngig)

Pfahldruckwiderstand bei Probebelastung Pc 1,20 Pfahlzugwiderstand bei Probebelastung Pt 1,30 Pfahlwiderstand auf Druck und Zug aufgrund von Erfahrungswerten P 1,40

Tabelle N04.10: Teilsicherheitsbeiwerte fr Pfahlwiderstnde entsprechend DIN 1054:2005

Bild N04.150: Einwirkungen und Wider-stnde an einem Pfahl


Der Streuungsfaktor hngt von der Art und der Anzahl von Probebelastungen ab. Besteht eine Grndung aus voneinander

unabhngig wirksamen Einzelpfhlen, ist die kleinste ermittelte Grenzlast magebend und mit abzumindern. Bei Pfahl-gruppen, die Lasten z.B. ber eine starre Kopfplatte auf mehrere Pfhle verteilen, darf der Streuungsfaktor auf den Mit-telwert der Probebelastungsergebnisse bezogen werden, ist dann aber gleichzeitig noch vom Variationskoeffizienten der Probebelastungsergebnisse abhngig.

Bei statischen Probebelastungen gilt = 1,15 bei einer Probebelastung, = 1,05 bei zwei Probebelastungen und = 1,0 bei mehr als zwei Probebelastungen. Je zwei dynamische Probebelastungen haben dasselbe Gewicht wie eine statische Probebelastung, wobei eine Kalibrierung der dynamischen Probebelastungen an einer statischen Probebelastung erfor-

derlich ist. Wenn diese Kalibrierung nicht auf demselben Baugelnde stattfindet, ist dem Streuungsfaktor = 0,1 hinzu zu addieren. Ein weiterer Zuschlag = 0,1 zum Streuungsfaktor ist erforderlich, wenn nur ein direktes (einfaches) Ver-fahren (z.B. CASE-Formel) bei der Auswertung der dynamischen Pfahlprobebelastung angewandt wird. Im Eurocode 7 sind in Abschnitt 7.6.2.2 die Streuungsfaktoren etwas abweichend von DIN 1054 und stets unter Bezug auf Mittelwerte von Probebelastungsergebnissen geregelt. Aus Versuchen an verpressten Mikropfhlen an der TU Mnchen ist bekannt, dass Wechsellasten die Tragfhigkeit von Pfhlen wesentlich herabsetzen knnen. Wenn Pfhle Schwell- oder Wechsellasten ausgesetzt sind, die mehr als 20 % des charakteristischen Pfahlwiderstandes R2k im Gebrauchszustand ausmachen, mssen daher weitere Abminderungen vorgenommen werden, siehe Anhang D in DIN 1054:2005 und SCHWARZ (2002). Bei Pfhlen groen Durchmessers ist fr die Festlegung der Bemessungslast in der Regel nicht mehr der Sicherheitsab-stand zum Versagen, sondern die Begrenzung der Verformungen (Gebrauchstauglichkeit) magebend. Dabei muss berck-sichtigt werden, dass die Setzung des Pfahles innerhalb einer Pfahlgruppe grer ist als die Setzung des einzeln stehenden Pfahles.

N.4.2.2 Tragverhalten bei axialer Belastung

Wenn eine axiale Last auf einen Pfahl wirkt, entwickelt sich im tragenden Baugrund ein Verschiebungsfeld, das mit steigen-der Last mehrere Anteile enthlt: - Gleitung mit zunehmender Reibung an der Mantelflche, bis zum kraftschlssigen Verbund zum Boden; - Stauchungen und Scherverformungen in dem durch die Kraftbertragung beanspruchten Bodenvolumen; - weitere Gleitungen zwischen Boden und Pfahlmantel bei konstantem Scherwiderstand, Stauchungen und Scherver-

formungen im Pfahlfubereich. Die zur Weckung der Mantelreibung ntige Relativverschiebung ist klein. Daher stellt man unabhngig von der Pfahlart fest, dass sich der Maximalwert der Mantelreibungskraft bei kleineren Setzungen einstellt als der Maximalwert des Spitzendrucks, siehe Bild N04.160, das dies am Beispiel eines Stahlrammpfahls zeigt. Die Gre der Mantelreibung hngt von der Scherfestigkeit des Baugrunds und damit neben der Kohsion auch von der senkrecht zur Pfahloberfl-che wirkenden effektiven Normalspannung ab. Diese hngt ausge-prgt von der Herstellungsart des Pfahls ab, bei welcher Pfahl und Boden in unterschiedlicher Art gegeneinander verspannt werden (z.B. Rammvorgang, hydrostatischer Druck von flssigem Beton). Es ist deswegen aussichtslos, die zur Lastabtragung ansetzbare Mantelreibung zuverlssig rechnerisch aus einer durch Erddrucker-mittlung gewonnenen waagerechten Normalspannung ableiten zu wollen. Fr die Abschtzung der negativen Mantelreibung, die sich meist in den oberen Pfahlabschnitten entwickelt, ist die Ermittlung aus horizontalen Normalspannungen dagegen blich und zuls-sig. Man berechnet dann die Vertikalspannung an einer mittleren Stelle des betroffenen Pfahlmantels und multipliziert sie mit

dem Beiwert Kotan , der wegen der gegenlufigen Abhngigkeit der Faktoren K0 und tan von relativ unempfindlich gegenber ist.

Bild N04.160: Entwicklung von Mantelreibung und Spitzendruck mit der Pfahlsetzung


Es ist zu beachten, dass die Setzung des Bodens um den Pfahl mit der Tiefe abklingt, whrend die Setzung des Pfahles selbst im Wesentlichen bis auf die geringen Stauchungen des Pfahlmaterials die Setzung des Pfahlfues ist. Somit exis-tiert ein "neutraler Punkt", in dem die Relativverschiebung 0 ist, d.h. die negative Mantelreibung kann nur oberhalb dieses Punktes auftreten. Auch der mgliche Spitzendruck lsst sich heute noch nicht ausreichend sicher rechnerisch bestimmen. Man kann zwar, siehe etwa MEISSNER (1982), fr homogenen Baugrund und genau definierte Ausgangszustnde mit Hilfe numerischer Verfahren Parameterstudien ber z.B. den Einfluss des Durchmes-sers auf die Traglast ausfhren, die Pfahlsetzung lsst sich aber auf rechnerischern Wege nicht zuverlssig voraussagen. Fr Rammpfhle liegt in den Kstenlndern inzwischen so viel an Erfahrungsmaterial vor, dass man sich z.B. in den Niederlanden damit begngt, Drucksondierungen zu machen und damit Spitzen-druck und Mantelreibung zu messen. Die Sonde dient gewisserma-en als Modellversuch fr einen Rammpfahl. Anmerkung: Das mit der Sonde fr Sand typischerweise festzustellende Verhltnis zwi-schen dem Spitzenwiderstand und der lokalen Mantelreibung von qc / fs = 100 hat sich auch bei den Rammpfhlen als gute erste Schtzung erwiesen. Die Form des nichtlinearen Verlaufs der Last-Setzungs-Kurve vari-iert bei Rammpfhlen in Sand in relativ engen Grenzen, wie Bild N04.170 zeigt. Anmerkung: Bei FRANKE, 1992, S.207, werden Da-ten zur Berechnung der Arbeitslinie angegeben.

N.4.2.3 Tragfhigkeit verschiedenartiger Pfhle und zulssige Pfahlbelastung

Eine Vielzahl von Probebelastungen haben bei regelmig hergestellten Pfhlen einen breiten Erfahrungsschatz hinsicht-lich der Pfahltragfhigkeit verfgbar gemacht, der bei Spezialtiefbaufirmen, einschlgig ttigen Bauherrn (z.B. Hafenbau) und erfahrenen Planern und Gutachtern verfgbar ist. Die zulssige Belastung von Pfhlen kann daher hufig unter Nut-zung dieser Erfahrungen und mit der dann gebotenen Vorsicht bereits in der Planungsphase festgelegt werden. Fr die Festlegung zulssiger Pfahllasten bestehen folgende Mglichkeiten: - Durchfhren bauwerksspezifischer Pfahlprobebelastungen, Feststellen der Grenzlast, Anwendung der Sicherheitsbe-

iwerte entsprechend DIN 1054 bzw. EC 7 (siehe Abschnitt N.4.2.1 ) und die Beachtung vertrglicher Verformungen. Die sich hieraus ergebenden zulssigen Pfahllasten haben stets Vorrang vor anderen Ermittlungen zulssiger Lasten.

- Rckgriff auf Erfahrungswerte von Mantelreibung und Spitzendruck im Grenzzustand, wie sie nachfolgend genannt werden und Anwendung der Sicherheitsregeln wie zuvor. Unter bestimmten geotechnischen Voraussetzungen an-wendbare Werte sind im Anhang der DIN 1054:2005 genannt, frher in den Normen DIN 4014 (Bohrpfhle) und DIN 4026 (Rammpfhle). Diese Werte liegen teilweise sehr auf der sicheren Seite, so dass es sich bei greren Pfahlgrn-dungen hufig wirtschaftlich lohnen wird, die Tragfhigkeit im Einzelfall durch Probebelastungen auf der Baustelle oder mit Hilfe spezifischer rtlicher Erfahrungen nachzuweisen.

- Nutzung zulssiger Pfahllasten, die fr besondere Pfahlarten in Normen oder allgemeinen bauaufsichtlichen Zulas-sungen unter Beachtung klarer Randbedingungen festgelegt sind. Nachfolgend sind derartige Festlegungen fr Rammpfhle aus Holz, Stahl oder Stahlbeton (Normen) und Ortbetonrammpfhle (spezifische Zulassung) auszugs-weise wiedergegeben. In der neuen Normung wird dabei nicht von zulssigen Pfahllasten gesprochen, sondern von "charakteristischen Pfahllasten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit".

N.4.2.3.1 Rammpfhle

Allgemeine Erfahrungswerte fr Rammpfhle lassen Vorbemessungen und den Vergleich verschiedener Rammpfahl-Typen auf der Grundlage empirisch gesicherter Mittelwerte fr qb1,k (charakteristischer Spitzendruck im Grenzzustand der Tragfhigkeit) und qs1,k (charakteristische Mantelreibung im Grenzzustand der Tragfhigkeit) zu, siehe Tabelle N04.20.

Bild N04.170: zunehmende Verformungen bei An-nherung an die Pfahltraglast (SKEMPTON et al., 1953)

0 0,4 0,8 Q/QP 0 2 4 s[cm]


Damit ergibt sich entsprechend dem Sprachgebrauch der DIN 1054:2005 als rechnerischer charakteristischer Pfahlwider-stand im Grenzzustand der Tragfhigkeit: R1,k = (qb1,kAb + qs1,kAs) Hieraus lsst sich mit Hilfe eines Teilsicherheitsbeiwertes von P = 1,4 entsprechend Tabelle N04.20 ein Bemessungs-wert des Pfahlwiderstands R1,d errechnen: R1,d = 1/P(qb1,kAb + qs1,kAs). Nach der alten Norm lie sich eine zulssige Pfahlkraft angeben: Qzul = 1/(qb1,kAb + qs1,kAs). Es sind jeweils Ab die effektive Spitzendruckflche und As die effektive Abwicklungsflche zum Ansatz der Mantelreibung entsprechend Bild N04.180. Das dabei bliche Einrechnen ganz oder teilweise eingeschlossener Flchen in der Spitze, sie-he Bild N04.180, rechte Beispiele, beruht darauf, dass sich der Boden zwischen starren Rndern verspannt und wie ein Teil des Pfahles mitwirkt. Die Verspannung stellt sich ein, solange der Durchmesser des verspannten Bodens unter etwa 60 cm bleibt. Daher wird bei sehr groen offenen Rammpfahlquerschnitten eine Auskreuzung eingeschweit, der dem Boden zu-stzliche Mglichkeiten der Verspannung bietet.

Bodenart

Bereich unter

OK der tragf-higen

Schicht 4)

(m)

mittlere Mantelreibung qs1,k [kN/m2] (fr abgewickelten Umfang)

Spitzendruck qb1,k [MN/m2] (fr umrissenen Umfang des Pfahlfues)

Holz-pfhle

Stahl-beton- pfhle

Stahlrohr-pfhle, offene

Kasten-pfhle 1)

Stahl-pfhle mit

I-Quer-schnitt

Holz-pfhle

Stahl-beton-pfhle

Stahlrohr-pfhle 3)

Pfhle mit I-Quer-schnitt 2)

nichtbindige Bden

bis 5 5 - 10 > 10

20 - 45 40 - 65

20 - 45 40 - 65

60

20 - 35 35 - 55 50 - 75

20 - 30 30 - 50 40 - 75

2 - 3,5

3 - 7,5

2 - 5 3,5 - 6,5

4 - 8

1,5 - 4 3 - 6

3,5 - 7,5

1,5 - 3 2,5 - 5 3 - 6

I c na

ch D

IN 1

8122

Ic = 0,5 - 0,75

5 - 20

-

Ic=0,75 - 1

20 - 45

0 - 2

Geschiebemergel halbfest bis fest 5)

bis 5 5 - 10 >10

50 - 80

80 - 100

40 - 70 60 - 90

80 - 100

30 - 50 40 - 70 50 - 80

- -

2 - 6 5 - 9

8 - 10

1,5 - 5 4 - 9

8 - 10

1,5 - 4 3 - 7,5 6 - 9

1) Fr Kastenweiten oder Rohrdurchmesser 500 mm 2) Fr Profilweiten < 350 mm: bei hheren Profilen Stege einschweien 3) Fr Stahlkastenpfhle mit geschlossenem Fu siehe Stahlbetonpfhle 4) Fr qs1,k ist das die Einbindetiefe t, fr qb1,k die Rammtiefe in der tragfhigen Schicht (siehe DIN 4026) 5) Fr norddeutschen Geschiebemergel kann i.d.R. die Konsistenzzahl Ic wegen zu hohem berkornanteils nicht mehr nach DIN 18122 bestimmt werden und ist auf der Grundlage rtlicher Erfahrungen einzuschtzen.

Tabelle N04.20: Grenzwerte von Mantelreibung qs1,k (s fr shaft, 1 fr Grenzzustand 1B und k fr charakteristisch) und Spitzendruck qb1,k (b fr base) bei Rammpfhlen (nach FRANKE, 1992 und SCHENCK, 1966)


DIN 1054:2005, Anhang C, nennt entsprechende Werte fr den Pfahlspitzenwiderstand und die Pfahlmantelreibung fr gerammte Fertigteile in nichtbindigen Bden in Abhngigkeit vom mittleren Spitzenwiderstand der Drucksonde, siehe Ta-bellen C.1 und C.2 (Namen der Tabellen aus der Norm). Sie gelten fr Fertigverdrngungspfhle aus Stahlbeton und Spannbeton mit Ds = 0,20 bis 0,50 m bzw. entsprechenden Kantenlngen rechteckiger oder quadratischer Pfhle ohne Fu, die mindestens 3,0 m in eine tragfhige Schicht, die sich zur Tiefe fortsetzt, einbinden. Darber hinaus gibt DIN 1054:2005 charakteristische Pfahlwiderstnde R2,k also fr den Grenzzustand der Gebrauchs-fhigkeit an. Bei Anwendung dieser Werte kann ein weiterer Nachweis fr den Grenzzustand 1B der Tragfhigkeit entfal-len. Praktisch gesehen sind die genannten Werte also zulssige Pfahllasten, siehe Tabellen C.3 bis C.5. Wichtige Voraussetzung ist, dass die Pfhle mindestens 5 m in den Baugrund und mindestens 3 m in tragfhigen Bau-grund einbinden mssen. Dabei sind folgende Anforderungen an den Boden im Bereich der tragfhigen Schicht einzuhal-ten: - ausreichend tragfhiger nichtbindiger Boden: Spitzenwiderstand der Drucksonde von qc 10 MN/m2; - annhernd halbfester bindiger Boden: IC 1,0 bzw. cu,k 150 kN/m2. Die genannten charakteristischen Pfahlwiderstnde drfen bei Bden mit deutlich besseren als den genannten Eigen-schaften noch um bis zu 25 % erhht werden, siehe Text der Norm.

Bild N04.180: Beispiele zur Bestimmung der magebenden Mantelflche As (obere Reihe) und der magebenden Spit-zenflche Ab (untere Reihe)

Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Pfahlspitzenwiderstand qb1,k in MN/m2

7,5 2,0 15 5,0 25 12,0

Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden.

Tabelle C.1: Pfahlspitzenwiderstand qb1,k fr ge-rammte Fertigteile aus Stahl- oder Spannbeton in nichtbindigen Bden

Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlman-telreibung in MN/m2

7,5 0,070 15 0,130 25 0,170


Tabelle C.2: Pfahlmantelreibung qs1,k fr ge-rammte Fertigteile aus Stahl- oder Spannbeton in nichtbindigen Bden Die Werte nach Tabelle C.2 drfen nur fr auf Druck beanspruchte Pfhle verwendet werden.


N.4.2.3.2 Ortbetonrammpfhle, System Franki

Fr Ortbetonrammpfhle mit Innenrammung im Rammrohr auf einen Betonpfropfen am unteren Rohrende, hat die Fa. Frankipfahl im Rahmen der bauaufsichtlichen Zulassung zulssige Pfahllasten verankert, die in Abhngigkeit vom Durchmesser des Rammrohres, von der Einbringenergie und der Ausbildung eines ausgerammten Fues festgelegt sind.

Einbindetiefe in den tragf-higen Boden

[m]

R2k in kN Pfahlfudurchmesser Db in cm

15 20 25 30 35

3,00 100 150 200 300 400 4,00 150 200 300 400 500 5,00 -- 300 400 500 600 Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden.

Tabelle C.3: Charakteristische Pfahlwiderstnde R2k von gerammten Verdrngungspfhlen aus Holz in nichtbindigen und bindigen Bden

Einbindetiefe in den tragf-higen Bden

[m]

R2k in kN

Seitenlnge cm in as 20 25 30 35 40

3,00 200 250 350 450 550 4,00 250 350 450 600 700 5,00 - 400 550 700 850 6,00 - - 650 800 1000 Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden. a Gilt auch fr annhernd quadratische Querschnitte, wobei dann die mittlere Seitenlnge einzusetzen ist.

Tabelle C.4: Charakteristische Pfahlwiderstnde R2k von gerammten Verdrngungspfhlen mit quadratischem Querschnitt aus Stahlbeton und Spannbeton in bindigen Bden.

Einbindetiefe in den tragf-higen Boden

[m]

R2,k in kN

Stahltrgerprofile a Stahlrohrpfhle b und Stahlkastenpfhle c

Breite oder Hhe in cm

D bzw. as in cm c

30 40 35 bzw. 30

40 bzw. 35

45 bzw. 40

3,00 -- -- 350 450 550

4,00 -- -- 450 600 700

5,00 450 550 550 700 850

6,00 550 650 650 800 1000

7,00 600 750 700 900 1100

8,00 700 850 800 1000 1200

Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden. a Breite I-Trger mit Hhe:Breite = 1:1 z.B. HEB Profile b Die Tabellenwerte gelten fr Pfhle mit geschlossener Spitze. Bei un-ten offenen Pfhlen drfen 90 % der Tabellenwerte angesetzt werden, wenn sich mit Sicherheit innerhalb des Pfahles ein fester Bodenpfropfen bildet. c D uerer Durchmesser eines Stahlrohrpfahles bzw. mittlerer Durch-messer eines zusammengesetzten radialsymmetrischen Pfahles: as mittlere Seitenlnge von annhernd quadratischen oder flcheninhalts-gleichen rechteckigen Kastenpfhlen.

Tabelle C.5: Charakteristischen Pfahlwiderstnde R2,k von gerammten Verdrngungspfhlen aus Stahl in nichtbindigen und bindigen Bden


Durchmesser des Rammrohres da

mm 335 400 420 500 560 610

Rammbrmasse M t 1,25 2,00 2,20 3,00 3,90 4,50 Fallhhe h m 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 zulssige Drucklast MN 0,90 1,25 1,35 1,60 2,00 2,40 erforderliche Schlagzahl fr 2 m Eindringung

m 135 125 125 125 125 125

erforderliches Fubeton- volumen (nach Jr)

m3 0,25 0,37 0,40 0,45 0,58 0,70

rechnerischer Fudurchmesser (nach Jr)

hV6 DF m 0,70 0,83 0,87 0,90 1,05 1,15

zulssige Zuglast fr N = 150 N = 250

MN MN

0,15 0,25

0,22 0,36

0,24 0,40

0,30 0,50

0,38 0,63

0,43 0,71

Mindesteinbindelnge 5,0 m; Einbindung in tragfhige Schicht bei Druck > 2 m, bei Zug > 3 m; Mindestabstand in Fun-he: 3,5 da; Erhhung der Schlagzah-len in bindigen Bden: nbind. = 1,2n; bei geneigten Pfhlen z.B. 4 : 1 n4:1 = 1,3n

Tabelle N04.30: Tragfhigkeit von Ortbetonrammpfhlen (zul Q); Erfahrungswerte fr "System Franki" in nichtbindigen Bden

Bild N04.190: Angaben zur Tragfhigkeit von Pfahlfuverbreiterungen bei Ortbetonrammpfhlen System Franki (Werkbild Franki Grundbau, 1993)


N.4.2.3.3 Bohrpfhle

Die Tragfhigkeit von Bohrpfhlen setzt sich ebenfalls aus Spitzen-druck und Mantelreibung zusammen. Dazu bietet die DIN 1054:2005 eine am Setzungsverhalten orientierte Berechnungsmethode an, de-ren Materialwerte allerdings sehr auf der sicheren Seite festgelegt wurden. Bei diesem Vorgehen wird eine rechnerische Arbeitslinie konstruiert, Bild N04.200. Sie setzt sich aus einer rechnerischen Mo-bilisierung des Spitzendrucks und der Mantelreibung zusammen, wobei die beiden Anteile in unterschiedlicher Weise mit den Verfor-mungen wachsen. Fr den Spitzendruck sind in den Tabellen jeweils drei setzungsabhngige Werte angegeben, wobei die Grenzsetzung sg fr den Spitzendruck mit sg = 0,1D (mit D = Pfahldurchmesser) angegeben ist. Fr die Mantelreibung geht man davon aus, dass ihr Bruchwert bei vergleichsweise geringen Verformungen ssg erreicht wird. Sie errechnet sich zu ssg = 0,5(1 + Rs,k(ssg)) 3 cm (mit Grenz-Mantelreibung Rs,k(ssg) in MN). Folgende Tabellen B.1 bis B.4 aus DIN 1054:2005, Anhang B: bo-denabhngige Angaben fr Spitzendruck und Mantelreibung bei Bohrpfhlen, sind anzuwenden bei der rechnerischen Fest-legung der Arbeitslinie nach Bild N04.200:

Bild N04.200: Rechnerische Festlegung der Arbeits-linie von Bohrpfhlen (nach DIN 1054:2005)

bezogene Pfahlkopfsetzung

h s D/s .bzwD/s

Pfahlspitzenwiderstand qbk in MN/m2 Bei einem mittleren Spitzenwiderstand

qc, der Drucksonde in MN/m2 10 15 20 25

0,02 0,70 1,05 1,40 1,75 0,03 0,90 1,35 1,80 2,25 0,10 )s( g 2,00 3,00 3,50 4,00 Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden. Bei Bohr-pfhlen mit Fuverbreiterung sind die Werte auf 75 % abzumin-dern.

Tabelle B.1: Pfahlspitzenwiderstand qbk fr nichtbindige Bden

bezogene Pfahlkopfsetzung

h s D/s .bzwD/s

Pfahlspitzenwiderstand qbk in MN/m2 Bei einer Scherfestigkeit cuk, des undrnierten Bodens in MN/m2

0,10 0,20 0,02 0,35 0,90 0,03 0,45 1,10 0,10 )s( g 0,80 1,50 Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden. Bei Bohr-pfhlen mit Fuverbreiterung sind die Werte auf 75 % abzumin-dern.

Tabelle B.2: Pfahlspitzenwiderstand qbk fr bindige Bden

Rk(s)Rb,k(s) Rs,k(s)

Pfahlwiderstand Rk

ssg0,02 Ds0,03 Ds

sg= 0,1 Ds

Pfa

hlko

pfse

tzun

g s g


Bei vorbelasteten bindigen Bden haben sich die Werte der o.g. Tabellen B.2 und B.4 nicht bewhrt (RUMPELT et al., 1993); die in Probebelastungen ermittelten Werte lagen durchweg sehr viel hher. Es ist daher ein Gebot der Wirtschaftlich-keit, bei der endgltigen Bemessung von Pfahlgrndungen in halbfestem bis festem bindigen Boden von regionalen Erfah-rungswerten oder Probebelastungs-Ergebnissen auszugehen. Wenn bei einem Bohrpfahl, der auf Fels steht, nur mit einem Spitzendruck zu rechnen ist, spricht man von einem Spitzen-druckpfahl. Wenn sich umgekehrt mit der Pfahlspitze kein gengend fester Grund erreichen lsst, spricht man von einem Reibungspfahl bzw. von einer schwebenden oder schwimmenden Pfahlgrndung. Schwimmende Pfahlgrndungen soll-ten bevorzugt mit planmiger Mitwirkung einer Sohlplatte (Kombinierte Pfahl-Platten-Grndung) verwendet werden, weil ih-re Setzungen nur sehr ungenau vorhersehbar sind (siehe Vorlesungseinheit L, "Interaktion"). Fr Bohrpfhle im Fels enthlt DIN 1054:2005 Grenzwerte fr den Pfahlspitzenwiderstand qb,k und die Mantelreibung qs,k in Abhngigkeit von der einaxialen Druckfestigkeit des Gesteins qu, siehe Tabelle N04.40.

Bei verpressten Mikropfhlen, das sind Pfhle mit Durchmessern kleiner 0,3 m, auch als Verpresspfhle oder Gewi-Pfhle bezeichnet, kann nur die Mantelreibung zur Tragfhigkeit beitragen. Da hier der Verbund zum Boden durch ein Verpressen mit Zementsuspension gegenber normalen Bohrpfhlen verbessert wird, knnen entsprechend DIN 1054:2005 Grenzman-telreibungswerte zur Anwendung gelangen, die ber den zuletzt genannten Bruchwerten fr Bohrpfhle liegen, siehe Tabelle N04.50. Im Regelfall sollten jedoch statt Anwendung dieser Werte Probebelastungen an mindestens zwei Pfhlen, wenigs-tens an 3 % aller Pfhle ausgefhrt werden. Sie drften hufig auch dazu fhren, dass hhere Pfahlkrfte genutzt werden knnen.

mittlerer Spitzenwiderstand qc , der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs,k der Pfahlmantelreibung in MN/m2

0 0 5 0,040

10 0,080 15 0,120


Tabelle B.3: Pfahlmantelreibung qsk fr nichtbindige Bden

Scherfestigkeit cu;k des undrnierten Bodens in MN/m2

Bruchwert qs,k der Pfahlmantelreibung in MN/m2

0,025 0,025 0,10 0,040

20 0,060 Zwischenwerte drfen geradlinig interpoliert werden.

Tabelle B.4: Pfahlmantelreibung qsk fr bindige Bden

Einaxiale Druckfestigkeit

qu [MN/m2]

Pfahlspitzen-widerstand

qb,k [MN/m2]

Bruchwert der Pfahlmantelreibung

qs,k [MN/m2] 0,5 1,5 0,1 5,0 5,0 0,5 20 10 0,5

Zwischenwerte drfen linear interpoliert werden

Tabelle N04.40: Pfahlspitzenwiderstand qb,k und Pfahlmantelreibung qs,k (Grenzspannungen) fr Bohrpfhle im Fels (DIN 1054:2005)


Bodenart qs1,k [MN/m2]

Mittel- und Grobkies * 0,20 Sand und Kiessand * 0,15 Bindiger Boden ** 0,10 * Lagerungsdichte D 0,40 bzw. Spitzenwiderstand qc > 10 MN/m2 der Drucksonde ** Konsistenzzahl Ic >1,0 bzw. Scherfestigkeit im undrnierten Zustand cu,k 150 kN/m2

Tabelle N04.50: Charakteristische Werte fr die Pfahlmantelreibung qs1,k bei verpressten Mikropfhlen (DIN 1054:2005)

N.4.2.3.4 Zugpfhle

Bei Zugpfhlen entfllt der Spitzendruck; auerdem ist die Mantelreibung - zumindest oberflchennah - kleiner als die am Druckpfahl wirkende. Wenn man also die Mantelreibung im Zugversuch bestimmt, liegt man auf der sicheren Seite. Der Zugpfahl versagt entweder, weil der Verbund zwischen Pfahlmantel und Boden reit oder dadurch, dass sich im Boden ein Aufbruchkrper bildet, Bild N04.220. Mit den Werten der Tabellen B.3 und B.4 der DIN 1054:2005, siehe oben, kann man auch fr Zugpfhle eine Arbeitslinie bei Vorbemessungen aufstellen, wobei empfohlen wird, ssg um 30 % zu erhhen. Keinesfalls sollte aber auf der Baustelle auf Zugversuche verzichtet werden. Der Verbundbruch lsst sich bodenmechanisch nur nachweisen, wenn fr den Boden ein Stoffgesetz mit Bercksichtigung der behinderten Dilatanz zugrundegelegt wrde; in der Praxis muss also ein Zugversuch als Beweis dienen. Zustzlich muss der Aufbruchkrper erdstatisch nachgewiesen werden. Die Grenzzustandsgleichung lautet: QkQ,dst GkG,stb mit Qk charakteristische Zugkraft Q,dst Teilsicherheitsbeiwert, bei ungnstiger vernderlicher Einwirkung gilt Q,dst = 1,5 Gk charakteristische Eigengewichtskraft (gerechnet mit unterem 5-%-Fraktil-Wert der Wichte) G,stb Teilsicherheitsbeiwert fr gnstige stndige Einwirkungen mit G,stb = 0,9 Bei der Berechnung von G geht man von einem durch den Umriss "a" (Bild N04.220) gekennzeichneten rechnerischen Vo-lumen aus und vernachlssigt den Scherwiderstand an dessen Mantelflche. Die wirkliche Bruchflche hat eher den mit "b" skizzierten gekrmmten Verlauf hat also ein kleineres Gewicht, aber dafr einen greren Scherwiderstand, der bei ein-setzender Hebungsbewegung nicht sofort aufgehoben ist. Eine Modellvorstellung fr Aufbruchkrper gibt QUARG-VONSCHEIDT (2000) an, wobei er den Boden um den Zugpfahl im Ruhezustand als Zylinderschalen ansieht. Bei Zugbean-spruchung bilden sich rumlich gekrmmte Schalen aus, die sich auf den Pfahl absttzen (Bild N04.210).

Ausgangszustand Belastungszustand

na = dx z

nqt = dx qt

dx

v = 0 v > 0

Bild N04.210: Schalenmodell fr Zuglasteinleitung (QUARG-VONSCHEIDT, 2000)

Bild N04.220: Aufbruchkrper bei Zugbelastung von Pfhlen


N.4.2.4 Axiale Pfahlprobebelastung

Axiale Probebelastungen werden ausgefhrt, um die Last-Setzungs-Linie Q(s) fr eine aktuelle Baugrundsituation zu mes-sen. Dabei werden entweder Bauwerkspfhle untersucht, falls sie zum Zeitpunkt des Versuchs verfgbar sind und durch den Versuch nicht in ihrem Tragverhalten beeintrchtigt werden, oder besondere Prfpfhle an Stellen, die fr die Baugrundbe-schaffenheit ein eher ungnstiges als durchschnittliches Beispiel geben. Es ist zweckmig, mindestens zwei Probebelas-tungen durchzufhren. Wenn sich dabei die untersuchten Pfhle hinsichtlich Lnge oder Durchmesser unterscheiden, fhrt dies unabhngig von komplexen Messeinrichtungen im Pfahl zu zustzlichen Aussagen ber die Aufteilung von Mantel-reibung und Spitzendruck. Axiale Pfahlprobebelastungen werden als statische oder dynamische Belastungen vorgenommen. Hinsichtlich des Reakti-onssystems ist bei vertikalen statischen Pfahlprobebelastungen zu unterscheiden zwischen: - Reaktionsankern, die in gewissem Abstand zum Probepfahl (mindestens 2,5 m bzw. 3 Db) liegen und ber eine Tra-

versenkonstruktion die Lasteinleitung in den Probepfahl erlauben; - Totlasten (Betonquader oder Sandscke, evtl. auch Bauwerke), die auf einer Plattform ber dem Pfahl liegen. Unter

der Plattform sorgt ein Graben fr den Zugang zum Pfahl. Die hydraulische Presse sttzt sich gegen die ballastierte Plattform ab und drckt dabei den Pfahl in den Boden;

- Presse im Pfahl, die einen oberen Pfahlteil (Lastabtragung nur ber Mantelreibung) und einen unteren Pfahlteil (Last-abtragung: Mantelreibung und Spitzendruck) auseinander drckt.

Fr die Belastung soll immer eine hydraulische Presse verwendet werden. Zur Kraftmessung dient der Druck an der hydraulischen Presse und zustzlich eine Kraftmessdose. Es ist mindestens die Pfahlkopfverschiebung zu messen (mit Messuhren gegen ein stabil und unabhngig gegrndetes Gerst und zustzlich z.B. mit dem Nivellier). Sehr zu empfehlen ist zu-stzlich die Messung der Verschiebung (in einer oder zwei mittle-ren Pfahltiefen und) am Pfahlfu mit Vertikal-Extensometern (Me-tallstange in einem Hllrohr) (Bild N04.230) oder alternativ die Messung der Pfahlstauchung in zwei oder mehreren Querschnitten (z.B. mit DMS). Aus den Messungen in verschiedenen Tiefen las-sen sich die Verteilung der Normalkraft im Pfahl ermitteln und damit Mantelreibung und Spitzendruck voneinander trennen. Gelegentlich wird auch mit speziellen Kraftmessdosen am Pfahlfu der Spitzen-druck gemessen. Nachfolgend wird die in Deutschland gebruchlichste Art der stati-schen Probebelastung mit Traversen und Zugverankerung vorge-stellt.

N.4.2.4.1 Statische Probebelastung mit Verankerung

Die Versuchseinrichtung, Bild N04.240, soll so ausgelegt werden, dass mglichst die 2,2-fache Gebrauchslast, mindestens aber die 1,5-fache, aufgebracht werden kann. Die Kraftmessung soll durch eine Druck- oder Zugmesszelle zwischen Pfahl-kopf und hydraulischer Presse erfolgen. Die Verschiebung wird an 3 Punkten gemessen, um ein Abweichen von der axialen Richtung beim Pressen sofort zu bemerken (Gefahr fr die Pressen!). Ebenso wird die Bewegung der Reaktionslagerpunkte geodtisch kontrolliert. Bild N04.250 zeigt das empfohlene Belastungsprogramm, das allerdings bei Reibungspfhlen zeitlich erweitert werden muss. Die weiteren Bilder N04.260 und N04.270 zeigen typische Last-Setzungs- und Zeit-Setzungs-Diagramme von Pfahlprobebelastungen.

Bild N04.230: Mess-Systeme bei vertikaler Pfahl-probebelastung


Fr jede Laststufe wird die Endsetzung ermittelt und in ein Diagramm Q(s) eingetragen. Auerdem wird das Kriechverhalten

kontrolliert, indem die Setzungszunahme si,30' innerhalb der letzten 30 min des i-ten Lastintervalls protokolliert und Q als Funktion dieser Wertefolge aufgetragen wird, Bild N04.280. Das auf diese Weise entwickelte Diagramm zeigt eine Kurve mit einer ziemlich abrupten Krmmungsnderung, aus der eine Kriechlast QC abgeleitet werden kann. Als rechnerische Grenz-last QL nimmt man entweder die Last, bei der der Pfahl versagt (z.B. im Zugversuch), die im Versuch erreichte Last oder die Last, bei der die Setzung s so gro ist wie 10 % des Pfahldurchmes-sers. Bei einer Abnahmekontrolle auf der Baustelle soll, wenn dazu Probe-belastungen an Bauwerkspfhlen ausgefhrt werden, die Versuchs-last bei Zugpfhlen den 1,25-fachen Wert der Bemessungslast bzw. die Kriechlast QC nicht berschreiten, da ein Zugpfahl nach einem Versagen in der Regel nur noch eingeschrnkt tragfhig ist. Bei Druckpfhlen ist auch nach einer Probebelastung bis zur Grenzlast keine Einschrnkung in der Tragfhigkeit zu erwarten; allerdings wird sich ein derartiger Pfahl unter erneuter Last weniger setzen als be-nachbarte, nicht vorbelastete Pfhle.

Bild N04.240: Pfahlprobebelastung mit veranker-tem Reaktionssystem, beachte: a 4B bzw. 2,5 m

Bild N04.250: empfohlenes Belastungsprogramm fr Pfahlprobebelastung

Bild N04.260: typisches Last-Setzungs-Diagramm Bild N04.270: typisches Zeit-Setzungs-Diagramm

Bild N04.280: Diagramm zur Bestimmung der Kriechlast Qc (HOUSEL, 1966)


Wenn Probebelastungen an Pfhlen mit einem kleineren (aber stets mit mindestens dem halben) Durchmesser als dem der Bauwerkspfhle durchgefhrt werden mssen, darf die rechnerische Grenzlast im Verhltnis der Durchmesser umgerechnet werden, obwohl diese Modellhnlichkeit nur fr die Mantelreibungsanteile ausreichend abgesichert ist.

N.4.2.4.2 Dynamische axiale Probebelastungen, Integrittstests

Wesentlich kostengnstiger als statische Probebelastungen, aber ohne Mglichkeit zur abgesicherten Ermittlung des Ver-formungsverhaltens, sind dynamische Pfahlprobebelastungen. Dazu lsst man eine schwere Fallmasse auf den Pfahl-kopf schlagen, die den Pfahl um einige Millimeter in den Boden eintreiben soll. In einer Tiefe von einem bis zwei Pfahl-durchmessern unterhalb des Pfahlkopfes wird die Beschleunigung mit einem Beschleunigungsmessgert und die Deh-nung des Pfahls mit Hilfe eines aufgeklebten Dehnmessstreifens (DMS) whrend des (mehrfachen) Durchlaufens der eingeleiteten Stowelle durch den Pfahl aufgezeichnet. Aus dem Produkt von Dehnung (DMS-Signal), Pfahl-E-Modul und Pfahlquerschnitt ergibt sich die im Pfahl wirksame Kraft. Die Geschwindigkeit c der Ausbreitung der Stowelle ist mit

Ec im Beton eine Materialkonstante. Die dynamische Steifigkeit des Pfahls (Impedanz), die durch Z = E A / c

(A = Flche) definiert ist, ergibt multipliziert mit der Geschwindigkeit v eines Pfahlteilchens (die aus der Integration des Messsignals des Beschleunigungsaufnehmers gewonnen werden kann) ebenfalls ein Ma fr die Pfahlkraft. Aus dem Verlauf der zwei Signale

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