Untersuchungen zur Vertikaltragfähigkeit offener Profile in kohäsiven Böden unter Berücksichtigung einer möglichen Pfropfenbildung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sascha Henke
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495328022

Die Tragfähigkeit offener Rohrpfähle wird sowohl in bindigen als auch in nichtbindigen Böden maßgeblich davon beeinflusst, ob es während der Installation infolge einer Pfropfenbildung zu einer ausgeprägten Bodenverdrängung und damit zu einem Spannungsanstieg im Nahbereich des Pfahls kommt. Dies geht in der Regel mit einer erhöhten Spitzentragfähigkeit einher. In nichtbindigen Böden sind die Mechanismen der Pfropfenbildung inzwischen so gut verstanden, dass sie in der Pfahlbemessung berücksichtigt werden können. Demgegenüber ist die Pfropfenbildung in bindigen Böden bislang vergleichsweise wenig erforscht. Entsprechend fehlen hier belastbare Erfahrungswerte, und bestehende Bemessungsansätze weisen noch deutliche Lücken auf. Ziel des geplanten Projekts ist es daher, neue Erkenntnisse zur Pfropfenbildung und zur axialen Tragfähigkeit offener Rohrpfähle in bindigen Böden zu gewinnen. Im ersten Projektzeitraum konnten bereits wesentliche neue Erkenntnisse zur Pfropfenbildung in bindigen Böden erzielt werden, die sich überwiegend auf das monotone Eindrücken von Pfählen beziehen. Der zweite Förderzeitraum legt den Schwerpunkt auf den Pfahlspitzendruck offener Pfähle nach der Installation. Dabei werden unterschiedliche Installationsverfahren – monotones Eindrücken, Vibrationsrammung und Schlagrammung – untersucht, da diese sowohl die Pfropfenbildung während der Installation als auch die Struktur des umgebenden Bodens beeinflussen. Zudem wird der Abbau von Porenwasserüberdrücken nach der Installation berücksichtigt, um belastbare Aussagen zum Pfropfenwiderstand und damit zum Pfahlspitzendruck ableiten zu können. Zur Untersuchung der Spannungsentwicklung im Pfropfen sind Laborversuche an einem eigens entwickelten Rohrschergerät vorgesehen. Mit diesem Versuchsstand kann die innere Pfahlmantelreibung in Abhängigkeit von Randbedingungen wie Spannungszustand und Scherrate systematisch untersucht werden. Die Besonderheit des Aufbaus liegt in der realitätsnahen Orientierung der Bodenpartikel zum Pfahlmantel sowie in der Möglichkeit, Siloeffekte über variierende H/D-Verhältnisse (Verhältnis Probenhöhe zu Probendurchmesser) zu erfassen. Ergänzend sind Kontakt-Kreisringscherversuche zur Untersuchung der Pfahl-Boden-Interaktion sowie Elementversuche zur Bestimmung von Stoffmodellparametern für numerische Simulationen geplant. In diesen Simulationen werden verschiedene Installationsprozesse, der anschließende Konsolidationsvorgang sowie statische Probebelastungen modelliert. Dadurch lassen sich Spannungs- und Porenwasserdruckentwicklungen analysieren, die experimentell nur eingeschränkt zugänglich sind. Zur Validierung der Labor- und Simulationsergebnisse wird ein Feldversuch durchgeführt, bei dem sowohl die Spannungsentwicklung am Pfahl als auch die Pfropfenhöhe erfasst werden. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse soll schließlich ein analytisches Berechnungsmodell entwickelt werden, das eine verbesserte Bemessung offener Rohrpfähle in bindigen Böden ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen