Zeitabhängiges Tragverhalten von Verdrängungspfählen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es ist seit langem bekannt, dass sich das Last-Setzungsverhalten von Pfählen, insbesondere von Verdrängungspfählen, mit der Zeit ändert. Dieses Phänomen wird als „Anwachsen“ bezeichnet. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojektes wurden über einen Zeitraum von 4 Jahren versuchstechnische und theoretische Untersuchungen zu diesem Phänomen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass der Ausgangszustand der Bodenzustandsparameter vor Pfahlherstellung in Kombination mit der Pfahlherstellung selbst einen entscheidenden Einfluss auf die zeitabhängige Tragfähigkeitsänderung nach der Pfahlherstellung hat. So verursachen eingedrückte Verdrängungspfähle Spannungserhöhungen im Boden, die durch Relaxationsvorgänge mit der Zeit wieder abgebaut werden und dadurch zur Tragfähigkeitsminderung der Pfähle führen. Im Gegensatz dazu verdichten einvibrierte und eingerammte Pfähle den Baugrund und bewirken gleichzeitig eine Reduktion des Spannungszustandes. Diese herstellungsbedingte Spannungsreduktion wird durch Relaxationsvorgänge im Boden abgebaut und führt mit der Zeit zu einer erhöhten Radialspannung am Pfahlmantel und somit zu einer Zunahme der Pfahltragfähigkeit. Im Wesentlichen ist die zeitliche Änderung der Pfahlmantelreibung für die Zunahme der Pfahltragfähigkeit verantwortlich, da sich der Spitzendruck über die Zeit nur geringfügig ändert. Als Ursachen der zeitlichen Änderung der Pfahlmantelreibung qs = ( σ‘r0 + ∆σ’rf ) · tan δ + a kommen in Frage Änderung der effektiven Radialspannungen am Pfahlmantel des unbelasteten Pfahls σ‘r0 infolge des Abbaus von Porenwasserdrücken nach der Pfahlinstallation; infolge der Änderung von herstellungsbedingten Gewölbespannungen (Relaxationseffekte) Dilatanzbedingte Änderung der effektiven Radialspannungen unter Pfahlbelastung ∆σ’rf infolge der Verdichtung des umliegenden Bodens durch kontinuierliche Belastungszyklen; infolge der zyklischen Belastung des Pfahls; infolge der Alterung des Bodens (z.B. Kriecheffekte) Änderung der Kontakteigenschaften Pfahl/Boden, also des Wandreibungswinkels δ und der Adhäsion a infolge der Aufrauhung der Pfahloberfläche. Zur Messung der zeitabhängigen Änderung der Pfahlmantelreibung wurde ein neues Messkonzept entwickelt, mit dessen Hilfe ein Anstieg der Radialspannungen σ’r0 gemessen und somit ein Abbau von herstellungsbedingten Gewölbespannungen nachgewiesen wurde. Diese Relaxationsvorgänge konnten ebenfalls durch numerische Berechnungen gezeigt werden. Weiterhin konnte mit Hilfe numerischer Simulationen gezeigt werden, dass Konsolidierungseinflüsse nur bei Verdrängungspfählen in bindigen Böden relevant sind. In Feldversuchen konnte die Änderung der effektiven Radialspannungen ∆σ’rf infolge der Verdichtung des Bodens durch kontinuierliche Lastzyklen (Tideeinfluss) beobachtet werden. Die aus numerischen Simulationen gefolgerte Änderung der effektiven Radialspannungen ∆σ’rf infolge zyklischer Belastung des Pfahls konnte erfolgreich in Feldversuchen nachgewiesen werden. Eine Radialspannungserhöhung durch eine Alterung des Bodens infolge einer herstellungsbedingten Störung konnte mit Hilfe von Triaxialversuchen bislang nicht eindeutig nachgewiesen werden. Die zeitabhängige Zunahme des Wandreibungswinkels δ infolge einer Aufrauung der Pfahloberfläche durch Korrosion (Stahlpfähle) bzw. Verkrustungen (Betonpfähle in aggressiven Grundwässern) konnte mit Hilfe von Rahmenscherversuchen nachgewiesen werden. Ein zeitlicher Anstieg der Adhäsion a wurde dagegen nicht beobachtet. Nach derzeitigem Wissensstand ist eine quantitative Zuordnung von Ursache und Wirkung noch nicht umfassend möglich. Hierzu sind weitere grundlegende Untersuchungen nötig. Mit den durchgeführten FE-Simulationen konnte der Einfluss der Pfahlherstellung einer Pfahlgruppe auf die Porenzahl und den Spannungszustand grundsätzlich gezeigt werden. Die dabei eingesetzte, in der Geotechnik neuartige, gekoppelte Euler-Lagrange-Methode (CEL) stellt dabei einen interessanten Ansatzpunkt für zukunftweisende Untersuchungen dar. Mit Hilfe der durchgeführten Untersuchungen zum zeitabhängigen Tragverhalten von Pfählen konnten die maßgebenden Ursachen für zeitabhängige Anwachseffekte von Pfählen aufgezeigt werden. Während der Projektlaufzeit haben sich die nachfolgend aufgelisteten Fragestellungen ergeben, für deren Klärung weiterer Forschungsbedarf besteht. Können die Veränderungen der Bodenzustandsparameter infolge der Pfahlherstellung in großmaßstäblichen Feldversuchen messtechnisch nachgewiesen werden und mit Hilfe von numerischen Simulationen prognostiziert werden? Können die Veränderungen der Bodenzustandsparameter über die Zeit nach unterschiedlichen Pfahlherstellungsprozessen in großmaßstäblichen Feldversuchen messtechnisch nachgewiesen werden und mit Hilfe von numerischen Simulationen prognostiziert werden? Lässt sich aus den gewonnenen Daten der ersten beiden Fragestellungen ein belastbares Modell zur Vorhersage der Traglaständerungen eines Pfahls über die Zeit entwickeln? Gibt es eine Möglichkeit ein Schergerät zu entwickeln, mit dem zeitabhängige Vorgänge im Boden ohne den Einfluss von Regelungsprozessen nachgewiesen werden können? Lassen sich die existierenden Modelle insoweit ändern, dass Aussagen zur Traglaständerung des Innenpfahls infolge der Herstellung der restlichen Pfähle von Pfahlgruppen möglich sind? Zur Beantwortung der Fragen sowie zur Quantifizierung der einzelnen Ursachen für die Anwachseffekte müssen entsprechende großmaßstäbliche Feldversuche in Kombination mit Computersimulationen durchgeführt werden. Die Computersimulationen sind notwendig, um die unterschiedlichen Ursachen separiert voneinander untersuchen zu können. Die Feld- und gegebenenfalls Laborversuche dienen zum Nachweis der Anwachseffekte sowie zur Verifizierung der FE-Modelle, aus denen Bemessungsgrundlagen für Pfähle zur Berücksichtigung von Anwachseffekten abgeleitet werden. Folgende Aufstellung wird zur Klärung der oben genannten Fragen vom Antragsteller empfohlen: (1) Computersimulationen zur Identifizierung der unterschiedlichen Ursachen der Anwachseffekte und deren Auswirkungen auf das zeitabhängige Tragverhalten von Pfählen. Die Erfahrungen aus den durchgeführten FE-Simulationen mit der neuartigen gekoppelten Euler- Lagrange-Methode (CEL) könnten zur Durchführung von Parameterstudien genutzt werden um die einzelnen Ursachen der Anwachseffekte zu quantifizieren. (2) Großmaßstäbliche Feldversuche zum messtechnischen Nachweis der Anwachseffekte und zur stichpunktartigen Verifizierung der Computersimulationen. Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Langzeit-Feldversuchen könnten als Grundlage zur Konzeption von großmaßstäblichen Langzeit-Feldversuchen genutzt werden, um die einzelnen Ursachen der Anwachseffekte getrennt voneinander nachzuweisen. Feldversuche wären zur stichpunktartigen Verifizierung der Computersimulationen sinnvoll. (3) Laborversuche zur stichpunktartigen Verifizierung der Computersimulationen und zur Prüfung, ob die gewählten Stoffmodelle die zu untersuchenden Anwachseffekte korrekt abbilden. Aus den Erfahrungen der Langzeit-Laborversuche sollte ein Versuchsgerät entwickelt werden, mit dem die zeitabhängigen Anwachseffekte ohne äußere Störungseinflüsse nachgewiesen werden können. (4) Ableitung von Bemessungsgrundlagen zur Berücksichtigung von Anwachseffekten bei Pfählen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Zur aushubbedingten Reduktion des Drucksondierwiderstandes. Bautechnik, 81 (7), 2004. S 569-577
Grabe, J. und König, F.
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Load bearing behaviour of an existing pile foundation and its changes with time. Proceedings of International Conference on Reuse of Foundations for Urban Sites, Watford, UK, 2006. S.199-211
König, F., Grabe, J., Franke, J. und Woldt, J.
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Numerical modeling of pile jacking, driving and vibro driving. Proceedings of International Conference on Numerical Simulation of Construction Processes in geotechnical Engineering for Urban Environment (NSC06), Bochum, 2006. S. 235-246
Mahutka K.-P., König, F. und Grabe, J.
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Time-dependent increase of the bearing capacity of displacement piles. Proceedings of the 10th International Conference on Piling and Deep Foundations 2006 in Amsterdam, 2006. S 709-717
König, F. und Grabe, J.
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Zeitabhängige Traglaststeigerung von Pfählen am Beispiel der Elbphilharmonie. Bautechnik, 83 (3), 2006. S167-175
Grabe, J. und König, F.
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Zeitabhängige Traglaststeigerung von Verdrängungspfählen. Tagungsband zur 29. Baugrundtagung in Bremen, 2006. S. 291-298
Grabe, J. und König, F.
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Zur zeitlichen Traglastentwicklung von Pfählen und der nachträglichen Erweiterung bestehender Pfahlgründungen. Dissertation, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Technische Universität Hamburg-Harburg, 2008
König, F.
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(2010). Forschungsprojekt zum zeitabhängigen Tragverhalten von Verdrängungspfählen. Tagungsband zur 31. Baugrundtagung, Spezialsitzung “Forum für junge Geotechnik-Ingenieure”. München, S. 187-191
Busch, P.
