Vergleich der Tragfähigkeit vibrierter und gerammter Pfähle

Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Dipl.-Ing. P. Lammertz

Förderung durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kooperation mit:

Kurzbeschreibung des Projekts:

Die Vibrationstechnik ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Pfähle und Spundwände schnell, schonend und erschütterungsarm in den Boden einzubringen. Dadurch hat diese Art der Einbringung gegenüber der herkömmlichen Schlagrammung wirtschaftliche Vorteile und ist darüber hinaus weniger lärmintensiv. Jedoch bestehen erhebliche Unsicherheiten bei der Abschätzung der Tragfähigkeit von vibrierten Pfählen. Zudem finden sich in der einschlägigen Literatur nur wenige und zum Teil auch widersprüchliche Angaben.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass derzeit eine zuverlässige Ermittlung der Tragfähigkeit vibrierter Pfähle im Allgemeinen und eine Ableitung der Tragfähigkeit aus den Daten der Einbringung im Speziellen nicht möglich sind.
Deshalb werden Pfähle, die vorwiegend axial belastet werden, auf den letzten Metern mittels Schlagrammung auf Endtiefe gebracht, womit dann über die Rammenergie ein verlässliches Maß für die Tragfähigkeit zur Verfügung steht.
Dadurch geht allerdings ein großer Teil des ökologischen und wirtschaftlichen Vorteils moderner Vibrationsrammen verloren.

  • Die Ziele der Forschungsarbeiten können wie folgt zusammengefasst werden:
    Quantitativer Vergleich der Tragfähigkeit von vibrierten und gerammten Pfählen
  • Definition eines Vibrationsprotokolls
  • Bemessungsansatz für die Tragfähigkeit von vibrierten und gerammten Pfählen basierend auf den Ergebnissen der Baugrunderkundung und des Vibrations- bzw. Rammprotokolls

Im Rahmen der Baumaßnahme 'Emspier' in Emden ergab sich die Gelegenheit, die Kenntnisse bezüglich der Tragfähigkeit von vibrierten und gerammten Pfählen mit Hilfe umfangreicher Messungen zu erweitern. Insbesondere wurde untersucht, ob eine Tragfähigkeitsprognose für vibrierte Pfähle anhand der Herstelldaten möglich ist. Auf Grundlage der Ergebnisse werden Empfehlungen für das Vibrieren bzw. das Rammen unter Beachtung technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte erarbeitet. Hieraus können sich für zukünftige Baumaßnahmen erhebliche Kosteneinsparungen ergeben.

Baumaßnahme Emspier sowie Versuch- und Messprogramm, Baugrunderkundung und bodenmechanische Laborversuche

Das Bauwerk Emspier besteht aus einer 250 m langen und 15 m breiten Stahlbetonplatte, die auf einer vorderen Stahlrohrpfahlreihe, einer mittleren kombinierten Spundwand und auf rückseitigen Ortbetonrammpfählen ruht. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden die Pfähle der vorderen Stahlrohrpfahlreihe untersucht. Das Rammen und Vibrieren der Pfähle mit einem IHC- Hydrohammer (Typ S-70-05) und einer MS- Vibrationsramme (Typ 32 HFV) erfolgt freireitend mithilfe einer Führungskonstruktion.

Vortragsfolien, HTG Baustellentag 2003 in Emden

Bericht und Vortragsfolien zur 2nd International Young Geotechnical Engineers' Conference 2003, Rumänien

Ergebnisse und allgemeine Analyse der Feldversuche

Vortragsfolien zum Doktorandenforum Siegen 2004

Bericht und Vortragsfolien zur 28. Baugrundtagung Leipzig, Spezialsitzung "Forum für junge Geotechnik-Ingenieure"


Weitere Arbeiten

Ein Ziel der weiterführenden Arbeiten ist die Ermittlung der Tragfähigkeit von vibrierten Pfählen. Hierbei steht die Entwicklung einer Vibrationsformel im Vordergrund. Mit einem einfachen physikalischen und bodendynamischen Modell wird die Interaktion zwischen dem vibrierenden System und Boden in Analogie zu einem schwingenden Fundament modelliert, wobei aus den Messgrößen die Modellkonstanten eines vereinfachten Masse-Feder-Dämpfer Schwingsystems berechnet werden. Bei der Vibrationsformel wird die dynamische Tragfähigkeit dem Quotienten aus Leistung und Eindringgeschwindigkeit gegenübergesellt. Dieser Ansatz erfordert eine Korrelation zwischen statischem und dynamischem Bodenwiderstand, d. h. es ist eine quantitative Erfassung der während des Einvibrierens wirksamen Scherfestigkeit notwendig. Dies führt zu einer Kalibrierung anhand von Probebelastungen und somit zu einer Einführung von empirischen Faktoren, die an die gegebenen Randbedingungen (Boden, Pfahl, Vibrationsramme) angepasst werden müssen.
Obwohl die Ergebnisse zahlreicher Forschungsarbeiten über das Tragverhalten von Pfählen vorliegen, ist es bis heute nicht möglich, das Lastsetzungsverhalten von Pfählen bzw. die zu erwartende Grenzlast mit einem allgemeingültigen Berechnungsmodell zur Beschreibung des Pfahl-Boden-Systems für jeden Einzelfall zu bestimmen bzw. wirklichkeitsnah abzuschätzen. Eine wesentliche Begründung hierfür ist die Komplexität hinsichtlich der Entwicklung von allgemeingültigen Stoffgesetzen zur Erfassung des Spannungs-Verformungsverhaltens von Böden im Gebrauchs- und Grenzzustand. Hinzu kommen die Einflüsse bzw. die Auswirkungen der Pfahlherstellung auf das Spannungs-Verformungsverhalten des Baugrunds in der Pfahlumgebung. Diese Herstellungseinflüsse können aufgrund der Wechselwirkung mit den unterschiedlichen Bodenarten und Bodenschichten mit Berechnungsmodellen auf theoretischer Grundlage kaum bzw. nicht erfasst werden.
Demzufolge liegt ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit in der Herleitung zuverlässiger empirischer Tragfähigkeitsangaben (qb und qs) zur Abschätzung der Pfahltragfähigkeit auf der Grundlage von gemessenen Sondierspitzenwiderständen qc aus Drucksondierungen. Es sollen sowohl für vibrierte als auch für gerammte Pfähle Korrelationen zwischen Pfahlspitzendrücken bzw. -mantelreibungen in einem definierten Grenzzustand und Sondierspitzenwiderständen qc abgeleitet werden. Hierzu werden verschiedene bekannte Ansätze im Rahmen von Vergleichsberechnungen überprüft.

Veröffentlichungen

Lammertz, P.; Richwien, W. (2006):
Bearing capacity of open ended steel pipe piles vibrated in sand. In: Proc. of the Int. Symposium on Vibratory Pile Driving and on Deep Soil Vibratory Compaction (TRANSVIB 2006), Paris, Frankreich, S. 295-304

Lammertz, P. (2004):
Tragfähigkeit von gerammten und vibrierten Stahlrohrpfählen. In: 28. Baugrundtagung Leipzig, Spezialsitzung "Forum für junge Geotechnik-Ingenieure", Leipzig, S. 41-42

Lammertz, P. (2003):
Field studies on bearing capacity of vibratory and impact driven piles. In: Proceedings of the 2nd International Young Geotechnical Engineers' Conference 2003, Rumänien