Untersuchung zum Pfahltragverhalten unter zyklisch axialer Belastung in nichtbindigen und bindigen Böden.
Final Report Abstract
Im Rahmen der Forschungsvorhaben konnten mit Hilfe experimenteller, analytischer und numerischer Methoden verschiedene Einflussfaktoren und bodenmechanische Ursachen für das veränderte Pfahltragverhalten unter zyklischer Belastung identifiziert werden. Die Pfahl-Boden-Wechselwirkung wurde zunächst in drei Modellversuchsprogrammen systematisch untersucht. Dabei stand neben der Erforschung des zyklischen Pfahltragverhaltens auch die Betrachtung des zyklischen Bodenverhaltens im Vordergrund. Die analysierten Phänomene des zyklischen Pfahltragverhaltens, insbesondere die Akkumulation der plastischen Verschiebung des Pfahls und die Änderung der post-zyklischen Pfahltragfähigkeit, konnten dann mit dem entwickelten Berechnungsmodell ZYKLAX abgebildet werden. Im Speziellen wurden folgende Erkenntnisse gewonnen: Die umfangreichen Parameterstudien zeigen, dass das zyklische Pfahltragverhalten maßgeblich von der Belastungsart, dem mittleren und zyklischen Lastniveau, der Bodenart und dem Sättigungsgrad beeinflusst wird. Unabhängig von der Belastungsart zeichnet sich das zyklische Verschiebungsverhalten in den ersten Lastzyklen durch eine abnehmende Verschiebungsrate aus. Insbesondere unter Wechsellasten kann sich jedoch die Verschiebungsrate umkehren und innerhalb weniger Lastzyklen zum progressiven Versagen des Pfahls führen. Auch die Pfahltragfähigkeit nimmt unter Wechsellasten deutlich stärker ab als unter Schwelllasten. Insofern stellt sich das Tragverhalten unter Wechsellasten bei vergleichbaren Lastniveaus weitaus ungünstiger als unter Schwelllasten dar, denn hier kann die Pfahltragfähigkeit infolge der zyklischen Einwirkung sogar gesteigert sein. Die Bodenart wirkt sich unter zyklischer Belastung im Vergleich zur statischen genau entgegengesetzt aus. So ist das zyklische Tragverhalten im nichtbindigen ungünstiger als im bindigen Boden. Auch die Sättigung des Bodens beeinflusst das Pfahltragverhalten negativ, indem während der zyklischen Belastung Porenwasserüberdrücke entstehen, die sich akkumulieren und die Scherfestigkeit des Bodens verringern. Mit Hilfe eines optischen Messverfahrens, der Particle Image Velocimetry, gelang es erstmals, bodenmechanische Vorgänge unter zyklischer Pfahlbelastung im nichtbindigen Boden zu visualisieren. Dadurch ließ sich feststellen, dass die besonderen Phänomene unter zyklisch axialer Belastung im nichtbindigen Boden durch Umlagerung von Bodenpartikeln im Pfahlnahbereich verursacht werden. Wie die Versuche im Gegensatz zu bisherigen Literaturangaben zeigen konnten, führt diese Partikelumlagerung zur Bildung einer Scherfuge und eines Scherbandes, in denen sich der Boden abhängig von der Belastungsart kontraktant bzw. dilatant verhält. Spannungsmessungen im Pfahlnahbereich führen zu der Hypothese, dass sich unter Wechsellasten im Scherband ein Druckring herausbildet, der die Radialspannungen auf den Pfahlmantel abschirmt und im Vergleich zu Schwelllasten ein schlechteres Tragverhalten verursacht. Neben der Kornumlagerung beeinflussen auch Segregation und Abrasion die granulometrischen Eigenschaften des Bodens und führen somit zu einem veränderten Tragverhalten gegenüber statischer Belastung. Unter Einbeziehung der Versuchsergebnisse konnte das Berechnungsmodell ZYKLAX entwickelt werden, das es erlaubt, das statische, zyklische und post-zyklische Pfahltragverhalten näherungsweise abzubilden. Mit dem entwickelten numerischen Berechnungsprogramm lassen sich dann auch die Wechselwirkung von Pfahlmantel und Pfahlfuß sowie mehrere Bodenschichten modellieren. Das Berechnungsmodell konnte durch den Abgleich mit den Versuchsergebnissen und eine anschließende Sensitivitätsanalyse validiert werden.
Publications
- (2006): Zum axialen Pfahltragverhalten unter zyklischdynamischer Belastung; Beitrag zur VDI-Fachtagung Baudynamik, VDI-Berichte, Nr. 1941, Kassel, S. 521-535
Kempfert, H.-G. / Thomas, S.
- (2009): Pfahlgründungen; Grundbau-Taschenbuch, Teil 3, 7. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin
Kempfert, H.-G.
- (2010): Observation of Pile-Soil-Interaction during Cyclic Axial Loading using Particle Image Velocimetry; Proceedings of Geo- Shanghai 2010 International Conference, GSP 205, Shanghai, pp. 67-72
Kempfert, H.-G. / Thomas, S. / Gebresselassie, B.
- (2010): Pfahltragverhalten infolge zyklisch axialer Belastung – Versuchsergebnisse und Modellbildung; Beiträge zur Baugrundtagung 2010, München, S. 255-261
Kempfert, H.-G. / Thomas, S.
- (2011): Untersuchung des Pfahltragverhaltens infolge zyklisch axialer Einwirkungen in einer Spannungszelle; Beiträge zum Pfahl-Symposium 2011, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik Technische Universität Braunschweig, S. 139-157
Thomas, S. / Kempfert, H.-G.
