DE19532931A1 - Verfahren zum Ausbilden von Fundamenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden von Fundamenten, bei dem Pfahlelemente durch Vibrieren in den Boden eingebaut werden.

Bei der Gründung von Bauwerken muß die zulässige Bodenpres­ sung den gegebenen geotechnischen Verhältnissen sowie den zuläs­ sigen Setzungen des Bauwerks angepaßt werden. In vielen Fällen ist nicht die Tragfähigkeit des Bodens sondern das Setzungsver­ halten ausschlaggebend für die Wahl der Gründungsmaßnahme. Bei günstigen Gründungsverhältnissen können die Bauwerkslasten über oberflächennahe Fundamente abgetragen werden. Wenn die zu erwar­ tenden Setzungen die zulässigen Werte überschreiten, muß entwe­ der der Boden verbessert werden oder muß die Bauwerkslast über Pfähle auf tiefer gelegene tragfähige Schichten übertragen wer­ den. Wenn ein locker gelagerter Boden nicht verbessert werden kann, muß das Bauwerk auf Pfählen gegründet werden.

Der Einbau von Pfahlelementen in den Boden kann durch Schlagrammen, Einpressen, Vibrieren, Bohren oder Spülen erfolgen. Da allgemein die Auffassung vorherrscht, daß vibrierte Pfahlelemente ein schlechteres Tragverhalten als gerammte Pfahl­ elemente aufweisen, was durch das Zurückfedern der Pfahlelemente erklärt wird, wenn die vibrierende Pfahlspitze auf eine feste Bodenschicht trifft, wurde die Vibriertechnik bisher kaum für den Einbau von Pfahlelementen sondern hauptsächlich für den Baugrubenverbau, beispielsweise den Einbau von Spundbohlen, verwendet, da dabei das Tragverhalten bei vertikaler Belastung nur eine untergeordnete Bedeutung hat.

Die Vibriertechnik hat jedoch Vorteile gegenüber dem Pfahl­ einbau durch Schlagrammen, die beispielsweise darin zu sehen sind, daß die Erregerfrequenz des Vibrators verändert und so den spezifischen geodynamischen und bauwerksdynamischen Erfordernis­ sen angepaßt werden kann, so daß der Einbau von Pfahlelementen durch Vibrieren in vielen Fällen bedeutend umweltschonender als durch Schlagrammen ist.

Wenn Pfahlelemente einvibriert werden, besteht zwar die Möglichkeit, die Pfahlelemente mittels Rammbär nachzuschlagen, um ein verbessertes Tragverhalten zu erreichen, dieses kombi­ nierte Pfahleinbauverfahren erfordert jedoch zwei unterschiedli­ che Einbaugeräte auf der Baustelle, was mit hohen Kosten verbun­ den ist.

Für eine optimale Gründung eines Bauwerkes ist es von be­ sonderer Bedeutung, die Tragfähigkeit jedes Einzelpfahlelementes so genau wie möglich berechnen oder messen zu können, da sich daraus die Anzahl der erforderlichen Pfahlelemente einer Tiefen­ gründung ergibt, wodurch die Kosten bestimmt werden. Es wurden aus diesem Grunde bereits verschiedene Prüfverfahren für Pfahl­ elemente entwickelt. In vielen Fällen werden in der Praxis sta­ tische Probebelastungen durchgeführt, die jedoch aufwendig und daher mit hohen Kosten verbunden sind. Als Alternative besteht die Möglichkeit der dynamischen Probebelastung mittels Rammbär oder Fallgewicht. In einfachster Form werden sogenannte Pfahl­ rammformeln angewendet, über die in Abhängigkeit vom Einsinken und Federn des Pfahlkopfes bei einer gegebenen Anzahl von Schlä­ gen eine annähernde Aussage über die Tragfähigkeit gemacht wer­ den kann. Die dynamische Pfahlprüfung erfolgt zunehmend elek­ tronisch mit Hilfe von Sensoren, die die am Pfahlkopf eingelei­ tete Schlagenergie und die Verschiebung des Pfahlelementes genau messen können. Um diese Messungen auszuwerten, sind jedoch um­ fassende dynamische Berechnungen notwendig, so daß das Trag- und Setzungsverhalten bei Stoßbelastungen nur annähernd bestimmt werden kann. Die dynamische Tragfähigkeit muß dann auf den sta­ tischen Wert empirisch übersetzt werden. Für vibrierte Pfahlele­ mente gibt es jedoch bisher noch keine zuverlässigen dynamischen Meß- und Berechnungsmethoden, was die Anwendung der Vibriertech­ nik bisher weiter begrenzt hat.

Pfahlfundamente werden in vielen Fällen verwendet, wenn bei einer Flachgründung die Totalsetzungen oder die Setzungsunter­ schiede zwischen Einzelfundamenten zu groß sind. Die Pfahlele­ mente haben dann in erster Linie eine setzungsreduzierende Funk­ tion, ihre Tragfähigkeit wird nicht voll ausgenützt. Es ist oft schwierig, ohne Probebelastungen der einzelnen Pfahlelemente das Zusammenwirken zwischen Flachgründung und der Pfahlgruppe zu ermitteln. Bei herkömmlichen Pfahlfundamenten, bei denen die Bruchlast der Pfahlelemente oft in Bereich von 500 bis 2000 kN liegt, ist es praktisch und ökonomisch nicht vertretbar, die Tragfähigkeit jedes einzelnen Pfahlelementes durch Probebela­ stungen zu überprüfen. Wegen der dadurch unvermeidbaren Unsi­ cherheit bezüglich des Tragverhaltens der einzelnen Pfahlelemen­ te wird bei der Dimensionierung ein Sicherheitsfaktor angewen­ det, der in der Größenordnung von 2 bis 3 liegt. Dadurch erhöhen sich allerdings die Kosten für das Fundament, da die Pfahlkapa­ zität nicht effektiv ausgenutzt wird. Der Sicherheitsfaktor wird bei vibrierten Pfahlelementen oft noch höher als bei gerammten oder gebohrten Pfahlelementen angesetzt, da die Unsicherheit größer ist.

Durch die verbesserten geotechnischen Untersuchungs- und Berechnungsmethoden ist es allerdings möglich, das Setzungsver­ halten von Fundamenten zuverlässiger zu ermitteln. Wenn es nun möglich wäre, das Last-Setzungsverhalten jedes einzelnen Pfahl­ elementes durch Probebelastungen zu überprüfen, dann könnte deren Kapazität in der Setzungsberechnung voll ausgenutzt wer­ den. Dieses Verfahren der Bildung von Fundamenten mit setzungs­ reduzierenden Pfahlelementen würde dazu führen, daß an Stelle von langen Einzelpfählen mit hoher Tragfähigkeit schlankere Pfahlelemente verwendet werden können. Die Tragfähigkeit dieser setzungsreduzierenden Pfahlelemente kann dann voll d. h. mit einem Sicherheitsfaktor gleich 1 ausgenutzt werden, wodurch die Kosten des Fundamentes erheblich herabgesetzt werden könnten. Dieses Verfahren der Verwendung von setzungsreduzierenden Pfahl­ elementen wird zwar in der geotechnischen Literatur häufig vor­ geschlagen, kann jedoch in der Praxis nicht voll ausgenutzt werden, da es aus den oben angegebenen Gründen praktisch und ökonomisch nicht vertretbar ist, die Tragfähigkeit jedes einzel­ nen Pfahlelementes durch Probebelastung zu überprüfen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zum Ausbilden von Fundamenten der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem es möglich ist, direkt an der Baustelle die Anzahl und/oder die Einbautiefe der Pfahlelemente an die durch die vorgesehene Traglast gegebenen Erfordernisse anzupassen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll dabei besonders kostengünstig sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Einbauen der Pfahlelemente durch Vibrieren bei gleichzeiti­ gem vertikalen Vorspannen durch Anlegen einer Kraft an die Pfahlelemente erfolgt, deren Wert größer ist, als es der später vorgesehene Traglast entspricht, das Vibrieren beendet wird, wenn eine vorgegebene niedrige Eindringgeschwindigkeit erreicht ist, anschließend die Pfahlelemente statisch mit einer vertika­ len Kraft belastet werden, die ausgehend von einem gegebenen Anfangswert wenigstens bis auf den Wert gesteigert wird, der der später vorgesehenen Traglast entspricht, und dabei die Kraft- Setzungs-Kurve aufgenommen wird, und bei einer anhand der Kraft- Setzungs-Kurve ermittelten zu großen Setzung die Pfahlelemente tiefer einvibriert werden oder weitere Pfahlelemente in der Nähe einvibriert werden.

Bevorzugte Ausbildungen und Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 12.

Um Setzungen zu verringern, ist es insbesondere vorteil­ haft, Betonpfahlelemente mit einer hohen Mantelreibung zu ver­ wenden, da diese bereits bei geringen Verschiebungen d. h. bei Setzungen von 5 bis 10 mm mobilisiert wird.

Derartige Betonpfahlelemente sind Gegenstand der Patent­ ansprüche 13-18.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein Funda­ ment mit im Boden dynamisch vorgespannten setzungsreduzierenden Pfahlelementen gebildet. Dadurch können setzungsempfindliche Böden durch den Einbau von schlanken, im Boden vorgespannten Pfahlelementen in ein homogenes setzungsarmes Gründungsmaterial verwandelt werden, wodurch weiterhin das Fundament schlanker und damit kostengünstiger dimensioniert werden kann.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausbilden von Fundamenten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig. 2A bis 2D schematische Ansichten verschiedener Formen von Betonpfahlelementen zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden von Fun­ damenten werden relativ schlanke kurze Pfahlelemente mittels eines Vibrators in den Boden eingebaut. Während des Vibrierens eines Pfahlelementes wird beispielsweise über ein Zugseil eine vertikale Kraft auf das Pfahlelement übertragen. Die vertikale Gesamtkraft am Pfahlkopf setzt sich dann aus der durch den Vi­ brator erzeugten dynamischen Kraft und der durch das Zugseil aufgebrachten statische Kraft zusammen. Die Summe beider Kräfte hat einen Wert, der größer, vorzugsweise um 50% größer ist, als es der in der Dimensionierung vorgesehenen Traglast entspricht. Das Pfahlelement kann beim Vibrieren auf das 5-fache der Trag­ last vorbelastet werden. Dabei werden der im Boden auftretende Widerstand gegen das Pfahlelement sowie die Eindringgeschwindig­ keit mittels elektronischer Meßeinrichtungen kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. Diese Meßwerte geben ein Bild über die Festigkeit des Untergrundes. Die Eindringgeschwindigkeit liegt bei lockeren Böden zwischen etwa 10 und 100 mm/s. In trag­ fähigen Schichten ist sie wesentlich kleiner. Dort liegt sie in der Größenordnung von 1 mm/s.

Die vertikale Kraft am Pfahlelement während des Vibrierens wird über Sensoren kontrolliert, die diese Kraft kontinuierlich anzeigen. Da die Eindringgeschwindigkeit ein Maß für den Boden­ widerstand ist, kann zusammen mit dieser Information das Trag­ verhalten und damit die erforderliche Tiefe des Pfahlelementes direkt an der Baustelle bestimmt werden. Die zulässige maximale Eindringgeschwindigkeit hängt dabei von den örtlichen geotechni­ schen Verhältnissen ab und kann auf der Baustelle durch die obigen Messungen ermittelt werden.

Nach dem Erreichen der Solltiefe d. h. einer Tiefe, bei der die Eindringgeschwindigkeit einen gegebenen niedrigen Wert er­ reicht hat der vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mm/s liegt, wird die Vibration beendet und wird das Pfahlelement nochmals ohne Vibration statisch belastet, d. h. gegen den Boden vorgespannt. Der Wert der Eindringgeschwindigkeit, bei dem das Vibrieren beendet wird, kann auch in Abhängigkeit von den Bodenverhältnis­ sen bestimmt werden. Dabei wird eine vertikale Kraft angelegt, die von einem gegebenen Ausgangswert bis zu einem Wert gestei­ gert wird, der wenigstens der später vorgesehenen Traglast ent­ spricht. Die dabei auftretende Setzung, d. h. die Kraft-Setzungs- Kurve wird durch ein Präzisionsmeßgerät aufgezeichnet. Anhand der erhaltenen Kraft-Setzungs-Kurve wird ermittelt, ob die Set­ zung des Pfahlelementes zu groß ist. Wenn das der Fall ist, wird das Pfahlelement tiefer einvibriert oder wird wenigstens ein zu­ sätzliches Pfahlelement in der Nähe eingebaut. Da diese Informa­ tion über das Setzungsverhalten direkt auf der Baustelle zugäng­ lich ist, können noch während der Gründungsmaßnahme die Anzahl und die rage der setzungsreduzierenden Pfahlelemente sowie die vertikale beim Vibrieren anliegende Kraft den Erfordernissen der vorgesehenen Traglast angepaßt werden. Dadurch ergibt sich eine technisch und ökonomisch optimale Gründung, die besonders bei schwierigen oder unterschiedlichen Bodenverhältnissen vorteil­ haft ist.

Um die Tragfähigkeit der in den Boden einvibrierten Pfahl­ elemente zu erhöhen, können besonders geformte Pfahlelemente verwendet werden, die eine hohe Mantelreibung aufweisen und sich für das Vibrieren eignen. Da ein Dreieck das größte Verhältnis von Umfang zu Fläche hat, ist es vorteilhaft, Pfahlelemente mit einem dreieckigen Querschnitt zu verwenden.

In Fig. 1 sind die Bauteile einer Vorrichtung zum Ausbilden von Fundamenten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darge­ stellt. Ein Vibrator 1, der an einem Mäkler 3 geführt ist, ist am oberen Ende eines Pfahlelementes 2 mit diesem kraftschlüssig verbunden. Über ein Zugseil 4, das am Vibrator 1 angreift und über beispielsweise eine hydraulische Einrichtung gespannt wer­ den kann, wird während und nach dem Vibrieren eine vertikale Kraft an das Pfahlelement 2 gelegt, um dieses vertikal vorzu­ spannen. Dabei spielen die dynamischen Eigenschaften, insbeson­ dere die Federkonstante des Zugseils 4 eine wichtige Rolle. Die Federkonstante soll nämlich den geotechnischen Verhältnissen und den Vibratoreigenschaften angepaßt sein, um einen optimalen Pfahleinbau zu erzielen. Das kann durch eine entsprechende Wahl des Seildurchmessers und der Anzahl der Seilzüge erfolgen.

Die an dem vibrierenden Pfahlelement liegende Kraft wird über eine Kraftmeßeinrichtung 5 gemessen. Die Eindringgeschwin­ digkeit des Pfahlelementes 2 wird durch einen Verschiebungsgeber 6 fortlaufend gemessen. Dieser kann beispielsweise an einer Umlenkrolle angebracht sein, über die das Zugseil 4 geführt ist.

Zur statischen Tragfähigkeitsmessung ist am Pfahlelement ein hochpräziser Setzungsgeber 7 angebracht. Über einen Bezugs­ punkt 8 auf der Bodenoberfläche, dessen Position genau bestimmt ist, wird bei der statischen Belastung die vertikale Verschie­ bung des Setzungsgebers 7 am Pfahlelement 2, d. h. die Kraft-Set­ zung-Kurve bestimmt. Die gemessene Vorspannkraft sowie die ver­ tikale Verschiebung werden mittels elektronischer Datenerfassung und einer Anzeigevorrichtung 9 dem Maschinenführer angezeigt. Alle Meßwerte werden über ein elektronisches Datenerfassungs­ system aufgezeichnet und gespeichert. Die Meßdaten können auch telemetrisch von der Baustelle zur einer Rechenzentrale über eine entsprechende Sendeanlage übertragen werden.

Durch die Wahl einer dreieckigen Querschnittsform ergibt sich ein Pfahlelement mit maximaler Mantelreibung, was insbeson­ dere beim Einbau durch Vibrieren von großem Vorteil ist. Um die Wirksamkeit der vertikalen Vorspannung der Pfahlelemente im Boden zu erhöhen, können pyramiden- oder kegelstumpfförmige Pfahlelemente aus Beton verwendet werden, wie sie in Fig. 2A bis 2D dargestellt sind.

Wie es in Fig. 2A dargestellt ist, können die Pfahlelemente 10 aus Spannbeton bestehen und mittels Bewehrung 11 axial vor­ gespannt sein. Eine Kopfplatte 12 überträgt die vom Vibrator auf das Pfahlelement übergeleiteten Spannungen. Eine Fußplatte 13 dient einerseits zur Vorspannung in Verbindung mit der Kopfplat­ te 12, schützt aber andererseits auch die konisch zulaufende Spitze.

Um die Pyramiden- oder Kegelstumpfform des Pfahlelementes auch bei größeren Gründungstiefen beibehalten zu können, kann das pyramidenförmige oder kegelförmige Pfahlelement durch einen prismatischen oder zylindrischen Teil 14 verlängert sein, wie es in Fig. 2B dargestellt ist.

In Reibungsböden kann es weiterhin vorteilhaft sein, beim Vibrieren gleichzeitig Zementmörtel oder Beton in den Boden zu verpressen, um dadurch die Mantelreibung zusätzlich zu erhöhen. Zu diesem Zweck kann gemäß Fig. 2B ein Injektionsrohr 15 axial durch das Pfahlelement führen und am unteren Ende des Pfahlele­ mentes in einer Injektionsöffnung 16 münden.

In Kohäsionsböden wie beispielsweise Ton und Schluff ent­ steht bei Einvibrieren eines Pfahlelementes ein Porenwasserüber­ druck. Der Abbau dieses Porenwasserüberdrucks, der die Festig­ keit des Bodens vermindert, kann durch ein Pfahlelement 17, das in Fig. 2C dargestellt ist, erreicht werden, das aus wasser­ durchlässigem Beton besteht. In Kohäsionsböden mit geringerer Durchlässigkeit und großer Mächtigkeit kann es weiterhin vor­ teilhaft sein, den Ausgleich des Porenwasserüberdrucks durch ein Dränrohr 19 zu erreichen, das gemäß Fig. 2D axial durch ein Pfahlelement 18 aus wasserdurchlässigem Beton verläuft. Das kann durch Anlegen eines Unterdrucks im wasserdurchlässigen Pfahl­ element geschehen. Diese Dränierung ist vor allem in schluffigen Böden vorteilhaft.

Claims (18)

1. Verfahren zum Ausbilden von Fundamenten, bei dem Pfahl­ elemente durch Vibrieren in den Boden eingebaut werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Einbauen der Pfahlelemente durch Vibrieren bei gleichzeitigem vertikaler Vorspannen durch Anlegen einer Kraft an die Pfahlelemente erfolgt, deren Wert größer ist, als es der später vorgesehenen Traglast entspricht,
• b) das Vibrieren beendet wird, wenn eine vorgegebene nied­ rige Eindringgeschwindigkeit erreicht ist,
• c) anschließend die Pfahlelemente statisch mit einer ver­ tikalen Kraft belastet werden, die ausgehend von einem gegebenen Anfangswert wenigstens bis auf den Wert gesteigert wird, der der später vorgesehenen Traglast entspricht, und dabei die Kraft- Setzungs-Kurve aufgenommen wird und
• d) bei einer anhand der Kraft-Setzungs-Kurve ermittelten zu großen Setzung die Pfahlelemente tiefer einvibriert werden oder wenigstens ein weiteres Pfahlelement in der Nähe einvibriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Vorspannkraft um wenigstens 50% größer ist, als es der später vorgesehene Traglast entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der vorgegebene Wert der Eindringgeschwindigkeit zwi­ schen etwa 0,1 und etwa 1,0 mm/s liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vertikale Kraft, die beim Vibrieren an die Pfahlelemente gelegt wird, fortlaufend gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Kraft, die beim Vibrieren an die Pfahlelemente gelegt wird, durch Ändern der Seilfestigkeit eines diese Kraft anlegenden Zugseils dem dynamischen Bodenwi­ derstand angepaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Pfahlelementes eine Dreiecksform hat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß pyramidenförmige Betonpfahlelemente mit nach unten gerichteter Pyramidenspitze einvibriert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramidenförmigen Betonpfahlelemente am unteren Ende durch einen prismatischen Teil verlängert sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Betonpfahlelemente durch eine Armierung zwischen einer Kopf- und einer Fußplatte axial vorgespannt sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Betonpfahlelementen axial ein Injek­ tionsrohr verläuft.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonpfahlelemente aus wasserdurchlässigem Beton bestehen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Betonpfahlelementen aus wasserdurchlässigem Beton ein axial verlaufendes Dränrohr vorgesehen ist.

13. Betonpfahlelement zur Verwendung bei dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es pyramidenförmig mit nach unten gerichteter Pyramidenspitze ist.

14. Betonpfahlelement nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am unteren Ende ein prismatischer Verlängerungs­ teil vorgesehen ist.

15. Betonpfahlelement nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es über eine Armierung zwischen einer Kopf- und eine Fußplatte axial vorgespannt ist.

16. Betonpfahlelement nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es mit einem axial verlaufenden Injektionsrohr zum Einpressen von Zementmörtel oder Beton versehen ist, das am Fußende mündet.

17. Betonpfahlelement nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es aus wasserdurchlässigem Beton besteht.

18. Betonpfahlelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es ein axial verlaufendes Dränrohr aufweist, das am Fuß des Pfahlelementes mündet.