Erfahrungen mit verschiedenen Pfahlgründungssystemen für Brückenwiderlager

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1 Erfahrungen mit verschiedenen Pfahlgründungssystemen für Brückenwiderlager 1. Einleitung In den Jahren 1992 und folgend wurden in den Baugrund- und Gründungsgutachten für die Brücken in der Osthaltung des Mittellandkanals (MLK) sowohl Flach- als auch als Tiefgründungen empfohlen. Tiefgründungen erwiesen sich häufig als wirtschaftlichere Lösungen, weil verglichen mit Flachgründungen geringere Aufwendungen für Wasserhaltungen erforderlich wurden. Die Vermeidung von Wasserhaltungen kann besonders in Wasserschutz- und Naturschutzgebieten von Bedeutung sein. Ein weiterer Vorteil der Tiefgründung ist die zu erwartende geringere Setzung beziehungsweise geringere Schiefstellung des Bauwerks. Im Bereich von Dammstrecken wird durch die Tiefgründung der Standsicherheitsnachweis der Brücke von der Dammstandsicherheit getrennt. Beim Ausbau des MLK im Rechteckprofil wurden Tiefgründungen gewählt, um die Uferspundwände im Brückenbereich lastfrei zu halten. 2. Probebelastungen an Pfählen In der Regel wurden bei unterschiedlichem Baugrundaufbau und unterschiedlichen Pfahlsystemen statische Probebelastungen durchgeführt. Hierzu wurden von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) die Baugrundverhältnisse zu drei Gruppen zusammengefasst. Es ergaben sich die Gruppen mit ausschließlich Sand bzw. Sand/Kies, Sand über Geschiebemergel (Pfahlfuß im Geschiebemergel) und Geschiebelehm/-mergel über Sand (Pfahlfuß im Sand). Nachdem die ersten Probebelastungen von der BAW betreut wurden, erfolgt die Betreuung nunmehr durch das WNA. Nur bei Problemen wird die BAW hinzugezogen. Die Durchführung erfolgt entsprechend den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT). Ein typischer Aufbau ist auf Abb. 1 dargestellt. Bei diesen Probebelastungen wird eine Last entsprechend den errechneten Bauwerkslasten stufenweise aufgebracht. Statische Probelastungen haben sich in diesem Umfang bewährt. In einigen Fällen wurden Nachbesserungen am Pfahlsystem notwendig, da entweder anderer Baugrund angetroffen wurde oder Herstellungsfehler aufgedeckt wurden. Bei dynamischen Probebelastungen wird durch ein Fallgewicht eine Energie in den Pfahlkopf eingeleitet. Der dieser Energie entgegenwirkende Eindringwiderstand des Pfahles wird gemessen. Dadurch erhält man sehr schnell eine Aussage zur Tragfähigkeit. Da diese Aussagen auf angenommenen, modellierten und rechnerisch angepassten Bodenmodellen beruhen, ergibt sich eine größere Streuung und Unsicherheit als bei statischen Probebelastungen. Die kostengünstigeren dynamischen Probebelastungen werden von der BAW nur akzeptiert, wenn sie an statischen Probebelastungen geeicht wurden. Sie sind daher nur bei Nachbesserungen zur Erfolgskontrolle zum Einsatz gekommen.

2 3. Ausgeführte Pfahlgründungen Die bisher in der Osthaltung für Brücken zum Einsatz gekommenen Pfahlsysteme werden im Folgenden mit ihren Vor- und Nachteilen beschrieben. Bei den Überwachungsmöglichkeiten werden nur Besonderheiten des jeweiligen Verfahrens aufgeführt. Eine allgemeine Überwachung ist in den Normen zur Herstellung von Pfählen angegeben (DIN EN 1536, 12699, und 14199).

3 Bohrpfähle nach DIN 4014: (ersetzt durch DIN 1054: und DIN EN 1536: ) wurden an zwei Brücken ausgeführt. Hierbei wird ein Bohrrohr durch Drehen und Pressen in den Boden eingebracht und sukzessive das Rohr ausgeräumt. Der bei der Herstellung der Pfähle geförderte Boden wird visuell auf die im Baugrundgutachten angegebene Beschaffenheit kontrolliert. Von der Möglichkeit, gestörte Proben zu entnehmen und auf z. B. Kornzusammensetzung zu prüfen, wurde bisher im WNA kein Gebrauch gemacht. Die im Bodengutachten angegebene Lagerungsdichte kann ohne Entnahme von Sonderproben, die den Bauablauf erheblich stören, nicht überprüft werden. Bei der Herstellung ist darauf zu achten, dass das Bohrrohr dem Bodenentnahmegerät mindestens einen Meter voreilt. Im nichtbindigen Boden ist bei Grundwasser im Bohrrohr mit Wasserüberdruck zu arbeiten, um einen Bodeneintrag durch hydraulischen Grundbruch an der Bohrlochsohle zu verhindern. Nach Erreichen der Endtiefe wird in das Bohrrohr der Bewehrungskorb eingesetzt und der Pfahl wird von unten nach oben durch ein Betonagerohr betoniert, um ein Entmischen des Betons zu verhindern (Abb. 2). Dabei wird das Wasser nach oben aus dem Pfahl verdrängt und das Bohrrohr sowie das Betonagerohr werden kontinuierlich gezogen. Trotz dieser Maßnahme ist es bei einem Bauwerk offensichtlich zu einer Auflockerung bei feinsandigen Böden gekommen, was sich bei der statischen Probebelastung durch Versagen bei etwa der Hälfte der rechnerischen Tragfähigkeit zeigte. Die Tragfähigkeit wurde auf Vorschlag des Auftragnehmers in Abstimmung mit der BAW durch Verpressen mit Zementsuspension erreicht. Es wurde der Boden neben den Pfählen und unterhalb der Pfahlfüße verpresst. Der Erfolg wurde am Probepfahl durch statische und bei etwa der Hälfte der Bauwerkspfähle durch dynamische Probebelastungen überprüft. 3.2 Pfähle mit Teil- und Vollverdrängung Bei dieser Art Pfähle wird das Bohrrohr am unteren Ende verschlossen (im Grundwasser wasserdicht). Das Bohrrohr wird vom Trägergerät durch Drehen und Pressen eingebracht. Anschließend wird der Bewehrungskorb eingesetzt und der Pfahl beim Ziehen des Rohres betoniert. Im WNA sind hier bisher der VB-Pfahl und das System Fundex (Abb. 3) zum Einsatz gekommen. Beim VB-Pfahl wird beim Einbringen Boden verdrängt und zum Teil auch an der Außenseite der Bohrrohres durch eine Schnecke gefördert. Anhand dieses geförderten Bohrgutes lässt sich kaum eine Aussage über den durchbohrten Boden machen, da dieser zeitlich verzögert und stark durchmischt gefördert wird. Eher lässt sich anhand der Vortriebsgeschwindigkeit, der dafür erforderlichen Kräfte und der Menge des geförderten Bohrgutes eine Aussage zum angetroffenen Baugrund machen. Daher sollte die Bauüberwachung diese Kriterien bei den einzelnen Pfählen vergleichen. Beim System Fundex wird der Boden nahezu vollständig verdrängt. Während des Bohrvorganges wird der hydraulische Druck des Gerätes aufgezeichnet. Dieser Druck stimmt qualitativ mit einer Spitzensondierung überein. Diese aufgezeichneten Drücke können mit den üblicherweise im Baugrundgutachten vorliegenden Sondierungen abgeglichen werden. So können werden der Pfahlherstellung Abweichungen vom angenommenen Baugrund festgestellt werden. Bei beiden Verdrängungsbohrpfahlsystemen ist vor der Betonage zu überprüfen, ob das Bohrrohr innen trocken ist. Während der Betonage und des Ziehens des Bohrrohres ist sicherzustellen, dass die Betonsäule so hoch ist, dass es nicht zu Einbrüchen am unteren Ende des Rohres kommt. Durch die Bodenverdrängung erhöht sich bei diesen Systemen die Tragfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Bohrpfählen gleicher Abmessung.

4 3.3 Ortbetonrammpfähle Ortbetonrammpfähle vom Typ Franki sind bei mehreren Brücken von den Auftragnehmern als Nebenangebot für die ausgeschriebene Bohrpfahlgründung eingereicht und beauftragt worden. Bei diesem Verfahren wird das Vortreibrohr mit einem wasserdichten Kies- oder Magerbetonpfropfen verschlossen und durch eine Innenrohrrammung eingeschlagen. Durch das Ausrammen des Pfropfens besteht die Möglichkeit eine Fußaufweitung herzustellen. Darüber hinaus kann durch das Ausrammen von zusätzlichem Kies oder Beton der Boden verbessert werden. Die Tragfähigkeit bestimmt sich nach der sogenannten "Hamburger Zulassung", die durch zahlreiche Probebelastungen belegt wurde. Ein Rammgerät bei der Herstellung eines Frankipfahles ist auf Abbildung 4 zu sehen. Während der Herstellung wird die Fallhöhe des Schlaggewichts sowie die Schlagzahl festgehalten. Hierdurch sind ähnliche Interpretationsmöglichkeiten wie bei einer Rammsondierung gegeben. Aus der eingebrachten Einbringenergie auf den letzten zwei beziehungsweise drei Metern lässt sich die Tragfähigkeit ableiten. Bei diesem Verfahren ist bei der Überwachung besonders auf das Gewicht des Freifallbären, dessen Fallhöhe und die Schlagzahl bezüglich der Eindringtiefe zu achten. Diese Eckdaten müssen immer mindestens den Vorgaben aus der Statik entsprechen.

5 Ein großer Vorteil der Frankipfähle ist, dass der Baugrund im Pfahlfußbereich durch eine Kiesvorrammung während der Pfahlherstellung verbessert werden kann. Hierbei wird durch das Vortreibrohr Kies ausgestampft, während das Rohr ca. 2 Meter gezogen wird. Danach wird das Rohr erneut auf Solltiefe geschlagen. Die Tragfähigkeit jedes einzelnen Pfahles wird anhand der Rammprotokolle nachgewiesen. Für die Betonage und das Ziehen des Vortreibrohres gilt das bei den Teil- und Vollverdrängungspfählen gesagte identisch. Bei den letzten Pfählen eines Pfahlrostes kann es dazu kommen, dass die letzten Pfähle aufgrund der Vorverdichtung durch die schon eingebrachten Pfähle so hohe Schlagzahlen aufweisen, dass die Endtiefe nicht ganz erreicht wird. Da beim Herstellen des Frankipfahls erhebliche Erschütterungen entstehen, ist er innerorts und im Bereich von bestehenden Leitungen und Bauwerken nicht immer geeignet. 3.4 Stahlbetonfertigrammpfahl

6 An zwei Brücken wurden Stahlbetonfertigrammpfähle vom Typ Centrum-Pfahl mit den Abmessungen 40x40 cm eingebaut. Die Tragfähigkeit der Pfähle wird durch die eingetragene Rammenergie ähnlich wie beim Frankipfahl unmittelbar kontrolliert und wurde an jedem Bauwerk durch statische Probebelastungen überprüft. An dem ersten Bauwerk wurde bei der Probebelastung nur die 1,75-fache und nicht die 2-fache Gebrauchslast nachgewiesen, was die DIN 1054: bei nur einer Probebelastung als Sicherheit fordert. Daher wurde an einem weiteren Pfahl eine dynamische Probebelastung durchgeführt, die gemäß Forderung der BAW an dem statisch beprobten Pfahl geeicht wurde, indem dieser zusätzlich dynamisch geprüft wurde. Damit wurde die bei zwei Probebelastungen erforderliche 1,75-fache Sicherheit nachgewiesen. Da die Pfähle in bindigen Baugrund einbinden, ist mit einem Anwachsen der Tragfähigkeit über die Standzeit zu rechnen. Während der Herstellung der Gründung eines anderen Bauwerks wurde festgestellt, dass auf der Südseite eine ausreichend tragfähige Schicht gemäß Baugrundgutachten bei einer Tiefe von ca. 8 m unter Geländeoberkante nicht angetroffen wurde. Eine sofort veranlasste Drucksondierung bestätigte das Fehlen der Schicht. Zusätzlich wurden von dem Auftragnehmer dynamische Probebelastungen durchgeführt, die die nicht ausreichende Tragfähigkeit bestätigten. Die erhebliche Abweichung zwischen dem Baugrundgutachten und dem vorgefundenen Baugrund lässt sich dadurch erklären, dass die Baugrunderkundung wegen Unzugänglichkeit des Geländes ca. 50 m entfernt durchgeführt worden war. In Abstimmung mit der BAW wurde auf der Südseite die Pfahlgründung gemäß Vorschlag des Auftragnehmers auf der Grundlage der Drucksondierung mit 20 m langen Pfählen ausgeführt. Dafür mussten neue Pfähle mit Pfahlkupplung hergestellt werden, weil keine andere Verlängerungsmöglichkeit besteht. Bei der statischen Probebelastung auf der Südseite wurde die doppelte Gebrauchslast bei 2 mm bleibender Setzung sicher erreicht. Auf der Nordseite wurde die Gründungsebene beibehalten und die Tragfähigkeit anhand einer statischen Probebelastung bei 10 mm bleibender Setzung erfolgreich nachgewiesen. Bei der Beauftragung der Nebenangebote für die Stahlbetonrammpfahlgründung war eine Integritätsprüfung der Pfähle verlangt worden, weil die Belastung der Pfähle durch das Einrammen in den Baugrund höher ist als während der Nutzungsdauer. Bei der Integritätsprüfung wird die Reflexion eines Signals, z.b. eines Hammerschlages, an Grenzschichten im Pfahl gemessen. Dabei wurden keine Unregelmäßigkeiten festgestellt. Bei den verlängerten Pfählen konnte diese Aussage nur bis zur Pfahlkupplung gemacht werden. Integritätsprüfungen sind an jedem Pfahltyp möglich. 4. Zusammenfassung Bei allen Pfahlsystemen ist darauf zu achten, dass sie für unterschiedliche Bodenarten gut oder zum Teil auch gar nicht geeignet sind. So können z.b. Verdrängungsbohr- und Rammpfähle in bindigem Boden nur schwer eingebracht werden. Es hat sich bewährt, sich vor oder zu Beginn der Arbeiten über die genaue Art der Dokumentation (Beispielprotokoll) mit dem verantwortlichen Bauleiter zu verständigen. Eine entsprechende Auflistung zum Inhalt der Dokumentation liegt als Anhang der Herstellungsnormen vor. Sollten noch nicht bekannte Pfahlsysteme zum Einsatz kommen ist es sinnvoll sich für die Wertung bei der Vergabe und für die Bauüberwachung bei der BAW zu informieren. Sollte es Probleme oder Streitigkeiten bei der Ausführung geben besteht hier nach vorheriger Absprache die Möglichkeit einen Sachverständigen der BAW hinzuzuziehen. Durch Probebelastungen kann die Tragsicherheit der Gründung sichergestellt und das Pfahlsystem optimiert werden.