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Verfahren zur Erhöhung der Tragfähigkeit von Fertigpfählen und Fertigpfahl
zur Durchführung dieses Verfahrens Zur Herstellung eines Betonpfahles muß zunächst
in den Boden ein Loch gebohrt werden, das bekanntlich durch ein stählernes Bohrrohr,
durch Wasserüberdruck oder durch eine thixotrope Flüssigkeit am Einsturz gehindert
werden muß. In diesem Loch kann ein Pfahl mit Ortbeton hergestellt werden, oder
es kann in dieses gebohrte Loch ein Fertigpfahl eingesetzt werden. Bei Gründungen
im tiefen Wasser oder in Fällen, in denen zur Aufnahme von Momenten vorgespannte
Betonpfähle erforderlich sind, ist der Fertigpfahl dem Ortpfahl überlegen.
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In Ortbeton hergestellte Bohrpfähle tragen in der bisher üblichen
Ausführung fast nur durch ihre Reibung gegenüber dem sie umgebenden Boden, da der
durch das Bohren aufgelockerte Untergrund gewöhnlich erst nach größeren Setzungen
in der Lage ist, höhere Drücke aufzunehmen. Gebohrte Fertigpfähle erhalten dagegen
zwecks Herstellung einer Verbindung zwischen dem Fertigpfahl und dem umgebenden
Boden während des Hochziehens des stählernen Bohrrohres eine sogenannte Mantelinjektion
mit Zementmörtel, durch die diese Verbindung hergestellt wird. Auch diese Fertigpfähle
tragen fast nur durch ihre Mantelreibung.
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Die Mantelreibung und der Spitzendruck verlaufen. bei den bisher bekannten
Bohrpfählen ohne Spitzeninjektion etwa wie aus F i g. 1 der Zeichnung ersichtlich.
Hierin ist die Tragfähigkeit eines Pfahles auf der Ordinate in Tonnen und die Setzung
des Pfahles auf der Abszisse in Millimeter aufgetragen. Die Kurve I gibt die Tragfähigkeit
aus Mantelreibung und die Kurve II die Spitzentragfähigkeit bei einem gebohrten
Fertigpfahl wieder. Wie aus der Figur ersichtlich, entstehen die Größtwerte beider
Tragfähigkeiten bei verschiedenen Setzungen, da zur Erzielung der größten Spitzentragfähigkeit
immer größere Wege als bei der Mantelreibung zurückgelegt werden müssen. Wenn man
bei den Bohrpfählen nicht außerordentlich große Setzungen in Kauf nehmen will, kann
man für die Tragfähigkeit des Pfahles fast nur die Mantelreibung ausnutzen. Die
volle Ausnutzung des Spitzendruckes ergibt in fast allen Fällen unzulässige Setzungen
des Bauwerkes. Außerdem ist bei diesen Setzungen die Mantelreibung bereits von ihrem
Höchstwert auf einen erheblich kleineren Wert abgesunken, so daß die Addition von
Mantelreibung und Spitzendruck trotz dieser unnormal großen Setzungen keine befriedigende
Gesamttragfähigkeit ergibt.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Erhöhung der Tragfähigkeit eines
in ein Bohrloch eingesetzten Fertigpfahles bekannt, wobei der Pfahl zunächst durch
im Bereich des Pfahlmantels eingepreßten Zementmörtel im Baugrund festgelegt wird,
worauf Zementmörtel durch im Inneren des Pfahles angeordnete Leitungen unter den
Pfahlfuß gepreßt wird. Die Zuführung des Zementmörtels für diese Spitzeninjektion
erfolgt durch entsprechende Leitungen im Bohrpfahl entweder einfach zum ebenen Boden
des Bohrpfahls, in dem die Zuführungsleitung ausmündet, oder aber in durch zueinander
konzentrische Wandflächen an der Unterseite des Bohrpfahles gebildete Ringkammern,
die nach unten offen sind. In beiden Fällen besteht die Gefahr, daß der Zementmörtel
sich von seiner Austrittsstelle aus dem Bohrpfahl nicht auf die gesamte Fußfläche
des Bohrpfahles gleichmäßig verteilt, sondern vielmehr, je nach den unterschiedlichen
Eigenschaften des Bodens, in Form von spitzen Dornen nach unten, seitwärts oder
sogar um die Außenkante der Fußfläche des Bohrpfahles herum nach oben fließt oder
natürlich in jeder beliebigen Zwischenrichtung, ohne daß dabei wirklich ein auch
nur nennenswerter Anteil der gesamten Bodenfläche unterhalb des Fertigpfahles die
gewünschte Verfestigung erfährt. Eine Vorspannung des Bodens unterhalb des Fertigpfahles
ist mit diesen bekannten Verfahren und Bohrpfahlausbildungen praktisch nicht zuverlässig
erzielbar.
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Außerdem besteht bei diesen bekannten Verfahren die große Gefahr,
daß im Fall von Fertigpfählen die Zuleitung oder die Zuleitungen für den Spitzeninjektionsmörtel
schon während des Einbringens des Bohrpfahles, wenn dieser sich auf dem Boden absetzt,
verstopft werden und anschließend keine Möglichkeit mehr besteht, den Injektionsmörtel
unter die Bodenfläche des Fertigpfahles zu bringen. Ein weiterer
Nachteil
der bekannten Verfahren ist darin zu sehen, daß der Injektionsmörtel, der unter
den Pfahl gepumpt wird, nicht mehr diejenigen Eigenschaften hat, die der oben in
die Mörtelzuleitung eingeführte Zementmörtel hat. Während der Herstellung eines
Ortbetonpfahles bzw. während des Einsetzens eines . Fertigbetonpfahles füllt sich
nämlich diese Mörtelzuleitung mit Wasser, und der zunächst eingebrachte Zementmörtel
fällt in kleinen Teilen in dieses Wasser hinein, wodurch er bekanntlich seine Abbindefähigkeit
verliert. Insbesondere bei längeren Bohrpfählen besteht dann die Gefahr, daß bei
der Spitzeninjektion überhaupt nur Zementmörtel unter den Bodenpfahl gelangt, der
nicht mehr abbindefähig ist, so daß hierbei ebenfalls keine nennenswerte Erhöhung
der Tragfähigkeit des Bohrpfahles erzielt werden kann.
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Zur Behebung der vorstehend geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei dem zuletzt genannten bekannten Verfahren
zwecks Vorspannung der gesamten Aufstandsfläche unter dem Pfahlfuß der Zementmörtel
in eine an der Fußfläche des Pfahles aus-. gebildete Verteilerkammer, die sich im
wesentlichen über den gesamten Fußdurchmesser erstreckt, gepreßt wird, in die die
Einpreß- und eine absperrbare Auslaßleitung münden und die nach unten mit einer
die gesamte Fußfläche abdeckenden Fußplatte verdeckt ist, wobei der Mörtel so lange
bei geöffneter Auslaßleitung eingepumpt wird, bis er aus ihr mit etwa"der gleichen
Konsistenz austritt, mit der er eingepumpt wird, worauf die Auslaßleitung abgesperrt
und das Einpressen bis zum Erreichen des gewünschten Druckes fortgesetzt wird. Durch
diese Verteilerkammer wird schon bei geringer Drucksteigerung des Injektionsmörtels
eine Verteilung desselben über die gesamte Aufstandsfläche gewährleistet. Außerdem
ist es infolge dieser Erfindungsmerkmale möglich, unter dem Fertigpfahl wirklich
eine tragfähige Spitzeninjektionsmasse gewünschter Konsistenz zu bilden und auch
eine echte, kräftige Vorspannung des Fertigpfahles zu erzeugen, so daß dessen Tragfähigkeit
in erheblichem Maße erhöht wird. Infolge der Fußplatte besteht nicht die Gefahr
einer Verstopfung der Verteilerkammer und auch nicht der Zuführungsleitung und der
Auslaßleitung. Infolge des erst durch die Auslaßleitung möglichen Durchspülvorganges
wird mit Sicherheit dafür gesorgt, daß vor Beginn der Druckerhöhung und während
derselben nur abbindefähiger Zementmörtel mit dem gewünschten Wasser-Zement-Faktor
unter den Pfahl geleitet wird. Die Einhaltung eines bestimmten Wasser-Zement-Faktors,
und zwar desjenigen, bei dem das im Mörtel enthaltene Wasser gerade zum Abbinden
ausreicht, ist auch insofern von Wichtigkeit, als hierdurch verhindert wird, daß
der Zementmörtel beim Abbinden überschüssiges Wasser nach oben abgibt, das sich
dann zwischen dem Zementpfropfen und dem Pfahl in Form eines Wassersackes sammeln
würde, auf dem der Pfahl zu stehen kommen würde. Da dieses Wasser dann bei der-
anschließenden Belastung des Bohrpfahles nach allen Seiten in den umgebenden Boden
ausfließen kann, ist bei einem zu hohen Wasser-Zement-Faktor keine wirkliche Erhöhung
der Tragfähigkeit eines Fertigpfahles bzw. keine nennenswerte Herabsetzung der Setzung
desselben bei Belastung möglich; ein solcher Wassersack hat eher noch eine Erhöhung
der Setzung bei einer bestimmten Belastung zur Folge. Durch dieses Verfahren werden
außerdem ungleichmäßige Setzungen von Pfählen innerhalb einer Pfahlgruppe weitgehend
ausgeglichen. Ungleichmäßige Setzungen durch verschiedene Bodenverhältnisse unterhalb
der Pfähle eines Pfeilers können große Bauwerkschäden ergeben. Bei der angegebenen
Injektionsmethode wird so lange Injektionsmörtel unter dem jeweiligen Pfahl gedrückt,
bis bei allen Pfählen eines Pfeilers der gleiche erforderliche End-Injektionsdruck
erreicht ist. Der Mörtelverbrauch der einzelnen Pfähle schwankt dabei beträchtlich.
Ungleichmäßige Setzungen werden bei diesem Pfahltyp dadurch fast völlig ausgeglichen.
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Nach bei einem Großbrückenbau erzielten Erfahrungen lassen sich weiter
weiche Bodenschichten unterhalb eines .Pfeilers so vollständig durch derartige Spitzeninjektion
verdrängen, daß unterhalb der Pfähle statt der weichen Schichten ein Mörtelbett
entsteht. Diese Mörtelschicht ergibt ausgezeichnete Pfahltragfähigkeiten und vor
allem auch gleichmäßige Setzungen innerhalb eines Pfeilers.
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Im Falle der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird natürlich
die Spitzeninjektion erst nach Erhärten der Mantelinjektion vorgenommen. Bei der
Spitzeninjektion wird der Boden unterhalb des Pfahles gegen den Pfahl selbst nach
unten vorgespannt. Dadurch wird erreicht, daß, wie aus F i g. 1 ersichtlich, die
Kurve II des Spitzendruckes die Form der Kurve IH annimmt. Dies bedeutet, daß der
maximale Spitzendruck etwa bei den gleichen Setzungen wie die maximale Mantelreibung
(Kurve I) erreicht wird. In F i g. 2 -sind die Setzungen eines Bohrpfahles ohne
Spitzeninjektion und zweier gleicher Bohrpfähle, jedoch mit einer Spitzeninjektion
gemäß der Erfindung, dargestellt. Auf der Ordinate sind die Setzungen in Millimeter
und auf der Abszisse die jeweiligen Belastungen in Tonnen aufgetragen, Ein Probepfahl
von 1,35 m Durchmesser, der eine 8 m hohe Mantelinjektion besaß, trug bei 15 mm
zulässiger Setzung 550 t (Kurve IV). Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
spitzeninjizierter, sonst gleicher Pfahl (Kurve V) trug bei 15 mm Setzung 925 t.
Ein zweiter spitzeninjizierter Pfahl mit 20 m hoher Mantelinjektion (Kurve VI) trug
bei 15 mm Setzung sogar 1250 t und konnte ohne Brucherscheinungen des Bodens mit
2002 t belastet werden, was eine ganz ungewöhnlich hohe Probebelastung darstellt.
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In weiterer Ausbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann beim
Injizieren unter Druck durch Öffnen und Schließen des Verschlußorgans in der Auslaßleitung
der Mörtel während der Injektion fließend gehalten und der Boden unterhalb des Pfahles
stoßweise be- und entlastet werden. Hierdurch wird nicht nur der Mörtel fließfähig
gehalten, sondern auch eine erhöhte Verdichtung des Bodens unterhalb des Pfahles
hervorgerufen.
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Die besonderen Merkmale des Fertigpfahles zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
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In den F i g. 3 bis 5 ist die Durchführung des Verfahrens an einem
Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt F i g. 3 einen Längsschnitt durch einen
im Boden eingesetzten Bohrpfahl nach der Mantelinjektion, jedoch vor der Spitzeninjektion,
F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie A -A in der F i g. 3 und
F
i g. 5 einen Schnitt nach der Linie B-B in der F i g. 3.
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Der in üblicher Weise eingebrachte Fertigbetonpfahl l ist in der Erde
durch eine an sich bekannte Mantelinjektion 2 an das umgebende Erdreich angeschlossen
worden. Oberhalb der Erde ragt der Pfahl über die Wasseroberfläche hinaus. Der Pfahl
besitzt an seinem unteren Ende einen Fuß 3, der beispielsweise einbetoniert ist.
An der Unterseite des Fußes 3 ist beim Betonieren die Verteilerkammer 4 ausgespart
worden. In die Verteilerkammer münden eine Einpreßleitung 5 und eine Auslaßleitung
6. In die Einlaßleitung 5 wird mittels einer Injektionspumpe 7 Zementmörtel unter
Kontrolle durch ein Manometer hineingedrückt. Die Auslaßleitung 6 ist am oberen
Ende mit einem Schieber als Verschlußorgan $ versehen.
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Wie aus F i g. 4 ersichtlich, hat die Verteilerkammer sternförmige
Gestalt oder, mit anderen Worten, sind die segmentförmigen Bodenteile 9 eben und
durch strahlenförmige Ausnehmungen 10 unterbrochen, die in einen zentrischen
Hohlraum 11 einmünden. Die gesamte sternförmige Verteilerkammer ist, wie aus F i
g. 3 ersichtlich, dachförmig ausgeb-ffdet. Die Verteilerkammer ist nach unten durch
eine stählerne Fußplatte 12 abgeschlossen, deren Unteransicht in F i g. 5 dargestellt
ist. Diese Fußplatte ist durch Stahlwinkel 13 an dem Pfahl 1 befestigt.
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Die in F i g. 4 dargestellte Sternform der Verteilerkammer ist nur
ein Ausführungsbeispiel. Es sind auch andere Gestaltungen, wie z. B. Spiralen, möglich;
im letzteren Fall sind beispielsweise die Einpreßleitung am Anfang und die Auslaßleitung
am Ende der Spirale angeschlossen.
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Wenn der Fertigpfahl in der aus F i g. 3 ersichtlichen Weise eingesetzt
und die Mantelinjektion genügend erhärtet ist, erfolgt die Spitzeninjektion. Vermittels
der Injektionspumpe 7 läßt man Zementmörtel mit möglichst geringem Wasser-Zement-Faktor
von beispielsweise 0,4 durch die Einpreßleitung 5 in die Verteilerkammer einfließen,
wobei das Verschlußorgan 8 geöffnet ist. Während dieses Vorganges sinkt der Zementmörtel
infolge seiner größeren Schwere auf den Boden der strahlenförmigen Ausnehmungen
10, während das Wasser zum Scheitel des zentrischen Hohlraums 11 steigt und über
die Auslaßleitung 6 an der Oberfläche austritt. Das Verschlußorgan 8 wird
so lange offen gelassen, bis aus der Auslaßleitung Zementmörtel der gleichen Konsistenz
austritt, wie die Injektionspumpe einfließen läßt. Wenn dieser Punkt erreicht ist,
wird der Schieber geschlossen. Hierdurch wird erreicht, daß sich beim Abbinden des
Zements keine Wassersäcke unterhalb des Pfahles bilden können, die unerwünschte
Setzungen ergeben würden.
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Dann wird mittels der Injektionspumpe Druck gegeben. Dadurch wird
die Fußplatte 12 auf dem gesamten Fußquerschnitt heruntergedrückt, so daß sich der
Injektionsdruck tatsächlich über die ganze Fußfläche verteilt. Dadurch wird die
Fußplatte abgerissen, und unterhalb des Pfahles bildet der Injektionsmörtel eine
Art Elefantenfuß. Nur durch diese Verteilung des Injektionsdruckes auf die gesamte
Fußfläche des Pfahles läßt sich durch die Multiplikation von Druck und Fläche eine
ausreichend große Vorbelastungskraft erzielen.
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Es ist zweckmäßig, beim Injizieren durch Öffnen und Schließen des
Verschlußorgans 8 an der Auslaßleiteng 6 den Mörtel während der Injektion fließend
zu halten und den Boden unterhalb des Pfahles dadurch stoßweise zu be- und entlasten.
Hierdurch wird die gewünschte Wirkung noch verbessert.
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Es kann in gewissen Fällen zweckmäßig sein, in der stählernen Fußplatte
12 zwischen den Ausnehmungen 10 der sternförmigen Verteilerkammer Löcher anzubringen,
die beim Einsetzen des Pfahles durch dessen Betonbodenfläche zwischen den Ausnehmungen
verschlossen sind. Sobald die Fußplatte jedoch beim Injizieren nach unten abgedrückt
wird, kann der Mörtel durch die Löcher in den Boden unterhalb der Fußplatte eindringen.
Hierdurch kann, falls der Boden grobkörnig genug ist, noch eine Vermörtelung des
Bodens unterhalb des Pfahles erreicht werden.
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Jede Injektion stellt gleichzeitig eine Probebelastung dar. Hat sich
z. B. der Pfahl unter 800 t Injektionsbelastung am Fuß nicht oder nur unwesentlich
gehoben, was während jeder Injektion leicht zu messen ist, so beträgt die Mantelreibung
auch mindestens 800 t. Die Arbeitslast von 800 t wird also mit mindestens zweifacher
Sicherheit getragen. Diese einfache Prüfungsmöglichkeit ist bei keiner anderen Pfahlart
zuverlässig gegeben.