Mikropfähle TITAN Probebelastungen mit Prüflasten über kn am Beispiel der Geestekaje in Bremerhaven

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1 Mikropfähle TITAN Probebelastungen mit Prüflasten über kn am Beispiel der Geestekaje in Bremerhaven Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Markus Wehres und Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Oliver Brakelsberg An der Flussmündung der Geeste in die Weser liegt der Tonnenhof des Wasser- und Schifffahrtsamtes Bremerhaven. Vom Tonnenhof werden die Schifffahrtszeichen gewartet und ausgebracht. An der Kaje liegen hierfür Spezialschiffe, wie Tonnenleger, Kontroll- und Vermessungsschiffe. Gegründet wurde das Tonnen & Bakenamt Die Spundwand der zum Tonnenhof gehörigen Kaimauer wurde größtenteils in den 50er Jahren gebaut, während einige Passagen sogar noch aus den 30er Jahren stammen. Die alte Spundwand wies Risse auf, wodurch die Spundwandentwässerung zum Abbau des landseitigen Wasserüberdrucks nicht mehr funktionierte. Demzufolge kam es am Tonnenhof zu häufigen Überschwemmungen und partiellen Versackungen um bis zu 1,50 m. Die Versackungen hatten zur Folge, dass akute Einsturzgefahr bestand. Das Einrichten spezieller Wege wurde notwendig, damit die Besatzungen der Arbeitsschiffe des WSA weiterhin an Bord der Schiffe kommen konnten. Aus den zuvor genannten Gründen musste die komplette Kaimauer saniert werden. Man entschied sich, eine neue Spundwand in einem Abstand von 4,00 m vor die alte Spundwand zu rammen und diese mit Ischebeck Mikropfählen TITAN 103/51 zu verankern. Die Hohlräume zwischen der alten und der neuen Wand sowie unter der alten Kaje wurden mit Sand verfüllt. Anschließend wurde die alte Mauer um ca. 1,50 m abgetragen, so dass die Arbeitsfläche des Tonnenhofs bündig mit der neuen Spundwand verlaufen konnte. Insgesamt konnten so auf Grund der Sanierungsarbeiten ca. 600 m 2 zusätzliche Kajenfläche geschaffen werden. Für den Bau der neuen Spundwand wurden Spundbohlen des Typs AZ in 18,00 m 20,00 m Länge eingesetzt. Für die Rückverankerung der Spundwand wurden 131 Mikropfähle Ischebeck TITAN 103/51 verwendet. Die Bemessungslasten dieser Mikropfähle lagen bei bis zu kn. Im ersten Bauabschnitt wurden 63 Pfähle TITAN 103/51 mit Einzellängen von 31,00 m 33,00 m eingebaut, während im 2. Bauabschnitt 68 Pfähle mit Einzellängen von 21,00 m 33,00 m zum Einsatz kamen. Die Pfahlneigungen lagen zwischen 40 und 48 zur Horizontalen. Die Neigungen der Mikropfähle wurden durch eine Kugelkopfkonstruktion ausgeglichen. Diese Kugelkopfkonstruktion besteht aus einer Kugelplatte mit Kugel, die Neigungen bis 45 ausgleichen kann. Da in diesem konkreten Bauvorhaben die Pfahlneigungen teilweise bei 48 zur Horizontalen lagen, wurde bei einigen Pfählen zusätzlich mit einer Keilplatte gearbeitet. Um eine dauerhaft vor Korrosion geschützte Kopfkonstruktion zu erzielen, wurde ein Übergangsrohr von hinten in die Kugel eingebaut. Die Kugel der Kugelkopfkonstruktion verfügt hierbei über eine Dichtung, die das in die Kugel eingeführte Übergangsrohr komplett umschließt. Abschließend wird auf die Kugelkopfkonstruktion eine Schutzhaube gesetzt und luftdicht verschweißt, so dass ein dauerhafter Korrosionsschutz in beide Richtungen gewährleistet ist. Die eingesetzten Ischebeck TITAN Mikropfähle werden durch die bauaufsichtliche Zulassung Z geregelt. Diese umfasst verschiedene Stahlquerschnitte, die charakteristische Tragfähigkeiten von 225 kn kn ermöglichen. Das System verfügt hierbei über einen dauerhaften Korrosionsschutz allein über die Zementsteinüberdeckung. Auch Wechsellasten (Zug/Druck), sogar mit dynamischen Lastanteilen, werden durch die bauaufsichtliche Zulassung ermöglicht. Bild 1: Verfahrenstechnik Mikropfähle TITAN 1

2 Stahlspundwände (13) Planung und Anwendung Bild 2: Versuchsaufbau der Probe - belastung Laut bauaufsichtlicher Zulassung werden die Mikropfähle unverrohrt mit einer den Baugrundverhältnissen angepassten, verlorenen Bohrkrone in der Regel in Einzelschüssen von 3,00 m gebohrt. Während des Bohrvorgangs wird durch das Stahltragglied eine Spül- und Stützflüssigkeit gepumpt, die durch Austritts - löcher an der Bohrkrone in das Bohrlochtiefste gelangt und dann das Bohrloch verfüllt. Aufgrund der im Vergleich zum umgebenden Baugrund höheren Wichte dieser Spül- und Stützflüssigkeit ist gewährleistet, dass das Bohrloch nicht zusammenfallen kann. Hierdurch wird eine Verrohrung ersetzt. Nach dem Abbohren des Mikropfahls auf Solltiefe, wird mit dickflüssigem Zementleim mit einem W/Z-Wert von 0,4 0,5 verpresst. Der dickflüssige Zementleim verdrängt die Spül- und Stützflüssigkeit in den umgebenden Baugrund und aus dem Bohrlochmund. Wenn der Zementleim aus dem Bohrlochmund austritt, ist die Suspension komplett ausgetauscht und der Verpresspfahl fertiggestellt. Beim Einbau der Mikropfähle gab es zwei Besonderheiten zu beachten. Im 2. Bauabschnitt mussten an einigen Stellen aufgrund von angrenzender Bebauung die Pfahllängen reduziert werden. Um dies zu ermöglichen, wurden fünf Doppelpfähle hergestellt, welche aus zwei übereinander liegenden Pfählen bestanden. Der obere Pfahl war hierbei jeweils um 40 zur Horizontalen geneigt, während der untere Pfahl jeweils eine Neigung von 48 aufwies. Eine weitere Besonderheit war der 4,00 m breite Luft-/ Wasserbereich zwischen der neuen und der alten Spundwand. Die Mikropfähle wurden von der Wasserseite aus durch die neue Spundwand gebohrt. Um den Luft-/Wasserbereich zu überbrücken, wurde hierfür zunächst ein 6,00 m langes Stahlrohr mit einer Ringbohrkrone bis ca. 1,00 m hinter die alte Spundwand gebohrt und abgesetzt. Anschließend wurde der Ischebeck Mikropfahl TITAN 103/51 durch das zuvor eingebrachte Stahlrohr gebohrt. Der Durchmesser des Stahlrohres wurde hierbei so gewählt, dass die Mindestzementsteinüberdeckung laut bauaufsichtlicher Zulassung eingehalten werden konnte. Da die Verpresssuspension durch das eingebaute Stahlrohr bis zum Bohransatzpunkt steigen konnte, wurde die normale Verfahrenstechnik laut bauaufsichtlicher Zulassung gewährleistet. Planung und Durchführung der Probebelastung Vordimensionierung Anhand der bestehenden Randbedingungen im Jahre 2010, ergab sich eine Bemessungslast von 1967 kn. Als geeignete Bohrkrone wurde für den anstehenden Baugrund eine Kreuzbohrkrone Ø175 mm gewählt, so dass mit einer Aufweitung von 50 mm im anstehenden sandigen Baugrund ein Pfahldurchmesser von 225 mm 2

3 (175 mm + 50 mm) geplant werden konnte. Bei der gewählten Aufweitung von 50 mm handelt es sich um einen Erfahrungswert der Friedr. Ischebeck GmbH, aufgrund von ausgegrabenen Verpresskörpern in ähnlichem Baugrund. Im Rahmen einer Drucksondierung CPT wurde ein Spitzenwiderstand von 11 MN/m 2 ermittelt. Dieser wurde durch die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) im Bereich der Lasteinleitungsstrecke des Pfahls in eine Grenzmantel - reibung von 185 kn/m 2 umgerechnet. Aus den aufgeführten Parametern ergab sich für den Bauwerkspfahl eine Lasteinleitungs - strecke von 23,60 m bei einer Bemessungslast von kn. Als Regelwerke für die Vorbemessung im Jahr 2010 diente die zum damaligen Zeitpunkt gültigen Normen DIN 1054 aus 2005 in Ergänzung mit einem Erlass des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung vom Die Prüfkraft für die Mikropfähle ergab sich somit aus der Bemessungslast multipliziert mit einem Teilsicherheitsbeiwert 1,30 (für Zug - pfähle bei Probebelastung), dem Modellfaktor 1,15 (für Zugpfähle) und einem Streuungsfaktor 1,05 (bei 2 Probebelastungen). Durch Multiplikation der Faktoren ergab sich eine Prüfkraft von kn (der in 2010 zur Anwendung gekommene Bemessungsansatz ist seit September 2012 durch die Bemessung nach Eurocode 7 ersetzt worden). P p = kn 1,30 1,15 1,05 = kn Der Baugrund im Bereich der Probepfähle zeigte einen homogenen Aufbau. Von der Geländeoberkante bis 0,50 m NN gab es eine Sandauffüllung. Darunter lag eine Kleischicht in einer Mächtigkeit von 8,00 m. Diese Kleischicht wurde unterlagert von einer Torfschicht mit einer Mächtigkeit von 2,50 m. Die tragfähigen Sande standen erst ab einer Tiefe von 13,50 m unter GOK an. die Herstellung von drei Betonwiderlager notwendig, welche auf jeweils zwei Mikropfählen TITAN 103/51 gegründet wurden. Dies geschah in Längen von 34,00 m und 27,00 m bei Neigungen von 33,5 und 56,5 zur Horizontalen. Die unterschiedlichen Pfahllängen ergaben sich durch die Pfahlneigungen und die damit verbundene längere Strecke beim flacher geneigten Pfahl bis zum Erreichen des tragfähigen Baugrunds. Für die Probepfähle kam ein TITAN 103/43 zum Einsatz, da die Prüflasten vom Stahltragglied TITAN 103/51 mit einer kleineren Querschnittsfläche nicht mehr aufgenommen werden konnten. Der TITAN 103/43 ist im Vergleich zum 103/51 vom Außendurchmesser identisch, auch die selbe Bohrkrone wird verwendet, lediglich der Innendurchmesser ist beim TITAN 103/43 kleiner. Durch die größere Querschnittsfläche wird somit eine erhöhte Lastaufnahme erzielt. Die Probepfähle wurden wie die geplanten Bauwerkspfähle in einem Neigungswinkel von 45 eingebaut. Die Dimensionierung der beiden Probepfähle erfolgte mit unterschiedlichen Gesamtlängen von 33,515 m und 43,515 m. Hier ergaben sich die unterschiedlichen Pfahllängen durch die verschiedenen Verbundlängen im Lasteinleitungsbereich des tragfähigen Sandes. Durch die Verwendung einer identischen Kreuzbohrkrone ergab sich für beide Probepfähle ein rechnerischer Pfahldurchmesser von 225 mm. Bei beiden Pfählen wurde der zur Aufnahme der Prüfeinrichtung notwenige Pfahlüberstand mit 2,515 m identisch hergestellt. Auch eine Betonitverfüllung über eine Strecke vom 17,00 m im nicht tragfähigen Bereich des Baugrunds ist bei beiden Pfählen vorhanden. Probepfahl 1 verfügt über eine Verpresskörperlänge von 14,00 m und eine Verbundlänge von 12,00 m. Probe - pfahl 2 hin gegen hat eine um 10,00 m längere Verpresskörper- und Verbundlänge zu Pfahl 1 (Bild 3). Durchführung Probebelastung Zur Durchführung der Probebelastung gab es eine Vorgabe der BAW, dass die Probepfähle unter dem gleichen Neigungswinkel wie die Bauwerkspfähle einzubauen seien. Dies bedeutete für die Prüfausführung einen Bau von zwei extra Betonwiderlagern zur Aufnahme der Prüfkonstruktion, die im schlecht tragfähigen Baugrund ebenfalls auf Mikropfählen gegründet werden mussten. Hierdurch wurden, zur Aufnahme der Prüfkonstruktion für zwei Probepfähle, Bild 3: Rahmenbedingungen der Probepfähle 3

4 Stahlspundwände (13) Planung und Anwendung Die Probebelastung sollte unter anderem Erkenntnisse darüber liefern, wie sich ein Pfahl bei einer längeren als in der EA-Pfähle (Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle) mit 12,00 m vorgegebenen Verbundlänge verhält, da bei dieser konkreten Baumaßnahme die Verbundlänge der Bauwerkspfähle bei 23,60 m nach Vor - dimensionierung lag. Um die Ergebnisse nicht zu verfälschen, wurde mit Hilfe einer Überbohrung direkt nach der Pfahlherstellung auf einer Länge von 17,00 m die Zementsuspension durch ein Bentonit-Wasser-Gemisch ausgetauscht, so dass eine Kraftübertragung in diesem Bereich zu 100 % ausgeschlossen werden konnte. Die BAW, als begleitende geotechnische Sachverständige gab vor, dass die Probebelastungen mit einer begrenzten Lasteinleitung (Bentonitverfüllung) nach System A der EA-Pfähle mit zwei Belastungszyklen durchgeführt werden. Geprüft werden sollten zwei Pfähle, wobei die Anforderungen an das Kriechmaß erhöht wurden. Die Pfahlprüfung wurde mit zwei auf das Ende des Pfahls aufgebrachten Messuhren mit einer Skalierung von 1/100 mm zur Messung der axialen Pfahlkopfverschiebung durchgeführt. Zwei weitere rückwärtslaufende Messuhren wurden zusätzlich zur Erfassung der Widerlagerverschiebung eingesetzt. Mit einer Hohlkolbenpresse HOZ 5400 mit innen laufendem Zylinder und einer Hublänge von 250 mm wurde die Last aufgebracht. Zusätzlich wurde vor der Hohlkolbenpresse eine Kraftmessdose installiert, die mit einem digitalen Dehnungsmesser verbunden wurde, auf dessen Anzeige die aufgebrachte Last in kn abgelesen werden konnte. Ergebnisse zur Probebelastungen Die Probebelastung an den Pfählen brachte folgende Ergebnisse (Bild 4): Beide Prüfpfähle konnten die Designlast von kn problemlos aufbringen. Bei Pfahl 1 konnte eine Prüflast von kn mit einem Kriechmaß von 0,46 mm nachgewiesen werden. Das Kriechmaßkriterium konnte ab einer Last von kn nicht mehr erfüllt werden. Pfahl 2 konnte die geplante Prüflast von kn aufnehmen. Ein Versagen konnte nicht festgestellt werden. Bei einem rechnerischen Pfahldurchmesser von 225 mm hatte Pfahl 1 einen Bruchwert der Mantelreibung von 273 kn/m 2. Bei Pfahl 2 konnte eine Mantelreibung von 199 kn/m 2 nachgewiesen werden (kein Grenzwert, da nicht bis zum Versagen gezogen wurde). Für weitergehende Erkenntnisse zur Mantelreibung und zur Verifizierung der Ergebnisse mit der EA-Pfähle musste an dieser Stelle eine Umrechnung des Pfahldurchmessers stattfinden. Die Vorgaben der EA-Pfähle verlangen einen rechnerischen Pfahldurchmesser mit einer Aufweitung von 20 mm (anstatt 50 mm) zur Bohrkrone. Bei diesem Ansatz beträgt der Bruchwert der Mantelreibung 316 kn/m 2. Dieser Wert ging in die folgenden Analysen ein. Bild 4: Ergebnisse Tragfähigkeit 4

5 Bild 5: Bohrarbeiten vom Ponton aus Verifizierung der Ergebnisse mit EA-Pfähle Die Auswertung der Erkenntnisse aus der Probebelastung und die Verifizierung der Werte mit der EA-Pfähle lieferte folgende Erkenntnisse: In der EA-Pfähle sind Tabellen über anzu - setzende charakteristische Mantelreibungen für Mikro- und Rohrverpresspfähle aufgeführt. Durch Interpolation des für die Baumaßnahme maßgeblichen Spitzenwiderstands von 11 MN/m 2 mit den Vorgaben dieser Tabellen errechnete sich ein unterer (10 % Quantilwert) und ein oberer Wert (50 % Quantilwert) der charakteristischen Mantelreibung. Der Maximalwert für Mikropfähle liegt bei 224 kn/m 2, der für Rohrverpresspfähle liegt bei 261 kn/m 2. Somit liegt der nachgewiesene Wert von 316 kn/m 2 deutlich über den Maximalwerten der Tabelle aus der EA-Pfähle. Fazit Eine abschließende Betrachtung der gewonnenen Erkenntnisse zeigt, dass die nachgewiesene charakteristische Mantelreibung um 20% oberhalb der Werte für Rohrverpresspfähle und sogar um ca. 40 % oberhalb der Mantelreibungswerte für Mikropfähle liegt. Die Begrenzung der Lasteinleitungsstrecke auf 12,00 m als Vorgabe der EA-Pfähle kann somit widerlegt werden. Zwischen Pfahl 1 (Verbundlänge 12,00 m) und Pfahl 2 (Verbundlänge 22,00 m) konnte eine eindeutige Laststeigerung festgestellt werden. Die Grenztragfähigkeit von Pfahl 2 konnte nicht ermittelt werden, da die innere Tragfähigkeit des Stahls erreicht wurde und so eine weitere Laststeigerung nicht möglich war. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass der Mikropfahl Ischebeck TITAN 103/51, als einzig bauaufsichtlich zugelassenes Mikropfahl- System mit Bemessungslasten bis zu kn, eine wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Rückverankerungen darstellt. 5