DE2544022B2

DE2544022B2 - Fertigpfahl mit einer Ummantelung aus Bitumen

Info

Publication number: DE2544022B2
Application number: DE2544022A
Authority: DE
Inventors: Koichi Tikio Nagai; Tokio Yokohama Nakagawa
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1974-10-04
Filing date: 1975-10-02
Publication date: 1980-10-16
Also published as: NL7511739A; DK147891C; JPS5141211A; HK21278A; GB1487452A; NO146576B; NL164346B; DE2544022A1; DK441375A; AU8536775A; DK147891B; FR2286920B1; NO146576C; JPS5321202B2; NL164346C; NO753311L; DE2544022C3; CA1022758A; MY8000265A; FR2286920A1

Description

wobei

d = Schichtdicke der äußeren Schicht (1) (cm),
E = Elastizitätsmodul der äußeren Schicht (kg/cm²), N = Wert der Kennzahl gemäß dem Standard-Eindripg-Test eines Pfahles in den Boden.

2. Fertigpfahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitumenschicht (2) eine Schicht aus einem ein Bitumen, einen Füllstoff und/oder ein Polymer enthaltenden Gemisch ist

3. Fertigpfahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Zusammensetzung der Bitumenschicht (2), daß in einer grafischen Darstellung, bei der auf der Abszisse der Erweichungspunkt in der Celsius-Temperatur-Skala im linearen Maßstab und auf der Ordinate die Penetration durch den Wert 0,1 mm bei 25⁰C in logarithmischem Maßstab aufgetragen ist, Erweichungspunkt und Penetration der Bitumenschicht (2) innerhalb eines Polygons liegen, dessen Ecken durch folgende Punkte mit den Abszissenwerten χ und den Ordinatenwerten y gegeben sind:

A (X= 55; y=240),

B (x= 33; .y=240), "

C (x= 53; y= 10),

D (x=65; y= 10),

E (x=80; y= 30).

vorzugsweise / (*=40; y- 80),
H (x= 52; y=100),
L (x= 63; y= 40),
K (x=54; y= 20),
/ (X=48; y= 20). v-,

4. Fertigpfahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitumenschicht (2) eine Dicke zwischen 0,3 mm und 1,0 mm aufweist.

Die Erfindung betrifft einen Fertigpfahl mit einer Ummantelung aus Bitumen, die außenseitig von einer äußeren Schicht abgedeckt ist. ~>^r>

Die allgemein übliche Ummantelung aus Bitumen — vgl. z. B. FR-PS 21 67 533 und GB-PS 9 00 665 - dient dazu, die negative Reibung, die durch sich setzende Bodenschichten bewirkt wird, zu vermeiden oder doch merklich zu reduzieren. In den beiden genannten ω) Vorveröffentlichungen wird darauf abgestellt, daß die Bitumenschicht eine Mindeststärke von 3 mm aufweist. Dies kann zu Schwierigkeiten führen. Einmal nimmt der apparative Aufwand für den Ummantelungsvorgang mit zunehmender Schichtdicke zu. Auch die nachteiligen <>^Γ> Folgen einer Erweichung der Ummantelung bei höheren Außentemperaturen werden mit zunehmender Dicke der Ummantelung größer. Umgekehrt gilt, daß bei tiefen Außentemperaturen die Gefahr des Bildens von Rissen usw. in der Ummantelung und von Absplittern ganzer Teile derselben gegeben ist Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Fertigpfähle besteht darin, daß die Bitumenummantelung aufgrund der während des Eintreibens auf sie einwirkenden Kräfte deformiert und ggf. vom Pfahl gelöst wird.

Zwar offenbart die CH-PS 1 95 585 einen Fertigpfahl der einleitend beschriebenen Art, wobei die äußere, eine Schutzumhüllung darstellende Schicht aus Leinen oder dgl. besteht Letzteres hat insbesondere die Funktion, die Bitumenummantelung in ihrer Lage zu halten. Angaben bezüglich der Dicke der Bitumenummantelung und der vorbeschriebenen sich daraus ggf. ergebenden Probleme sind der CH-PS nicht zu entnehmen.

Beim weiterhin bekannten Dywidag Schleuderbetonrammpfahl ist die eine Dicke von 4—5 mm aufweisende Bitumenummantelung außenseitig durch einen Blechmantel abgedeckt, der die Ummantelung während des Eintreibens schützen soll, so daß der Pfahl auch nach der Rammung einen völlig unversehrten und fest anhaftenden Bitumenmantel aufweist. Die Herstellung dieses Fertigpfahles irt kompliziert und aufwendig, da das Bitumen in den Zwischenraum zwischen Pfahl und den in eine entsprechende Position zu bringenden Ei.enblechmantel eingegossen wird. Die Herstellung des Eisenblechmantels selbst bedingt auch erhebliche Kosten. Die verhältnismäßig dicke Bitumenummantelung dient lediglich als Korrosionsschutz. Das Problem der negativen Reibung wird im Zusammenhang mit dem Dywidag Schleuderbetonrammpfahl nicht erörtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fertigpfahl der einleitend beschriebenen Art so auszugestalten, daß die vorstehend erläuterten Nachteile bekannter Pfähle vermieden werden. Insbesondere wird angestrebt, die Herstellung des Fertigpfahls zu vereinfachen und die Aufwendungen für Ummantelung und äußere Schicht zu verringern, ohne daß der angestrebte Effekt, nämlich Verhinderung oder erhebliche Reduzierung der negativen Reibung und Vermeidung von Beschädigungen der Bitumenummantelung während des Eintreibens eine Verringerung erfährt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Bitumenschicht eine Dicke von Maximal 3 mm aufweist und die äußere Schicht aus einem Polyolefin besteht und folgender Beziehung entspricht:

dxE> 35 N,

wobei

d = Schichtdicke der äußeren Schicht 1 (cm),
E = Elastizitätsmodul der äußeren Schicht (kg/cm²),
N = Wert der Kennzahl gemäß dem Standard-Eindring-Test eines Pfahles in den Boden.

Das Aufbringen einer Bitumenschicht von nicht mehr 3 mm kann auf einfache Weise und unter Anwendung unkomplizierter Mittel durchgeführt werden. Andererseits reicht diese Schichtdicke voll und ganz aus, um die unerwünschte negative Reibung zu vermeiden. Die äußere Schicht aus einem Polyolefin gewährleistet einmal eine lange Lagerzeit auch bei sehr hohen Außentemperaturen. Der Pfahl kann darüber hinaus ohne Schwierigkeiten und mit einem hohen Maß von Genauigkeit eingetrieben werden, ohne daß die Bitumenschicht irgendwelche Beschädigungen erfährt, die die ihr zugedachte Wirkung beeinträchtigen könnten. Die vorgenannte Beziehung bezüglich der äußeren Schicht trägt auch der Tatsache Rechnung, daß

diese selbst eine ausreichende Dicke aufweisen muß, um den während des Eintreibens auf das vordere Ende des Pfahles wirkenden Bodendruck zur Vermeidung von Ausbeulungen zu widerstehen. Diese Widerstandskraft wird bestimmt durch die Dicke der äußeren Schicht und deren Elastizitätsmodul Die bedeutendste der auf das vordere Ende der äußeren Schicht während des Eintreibens wirkenden Kräfte ist eine Kraft, welche in vertikaler Richtung wirkt Sie ist abhängig von der Härte des Bodens. Diese wird durch die Kennzahl N ausgedrückt Zwar wirken zusätzlich zu diesen vertikalen Kräften noch andere Kräfte, beispielsweise die Reibungskraft des Bodens und der Gleitwiderstand des Klebemittels der bindenden Schicht Diese beiden Kräfte jedoch wirken in entgegengesetzten Richtungen und heben sich daher praktisch gegenseitig auf. Wenn die äußere Schicht durch den vertikalen Bodendruck nach außen gedrückt wird, wirkt diesem der horizontale Bodendruck entgegen. Schließlich wirken einerseits die Adhäsion des Klebemittel.·· der bindenden Schicht auf die äußere Schicht, andererseits die Umfangsspannung der äußeren Schicht selbst in ähnlicher Weise. Diese Kräfte wirken im Sinne eines Verhinderns des Ausbeulens.

Die äußere Schicht verhindert auch das Eindringen von Kies oder anderen festen, körnigen Bestandteilen des Bodens in die Pfahlummantelung, die einer Reduzierung der negativen Reibung engegenwirken könnte. Auch die Einwirkung von in Umfangsrichtung wirksamen Reibungskräften auf die Bitumenschicht wird durch die äußere Schicht vermieden, deren Beschaffenheit außerdem so gewählt ist, daß ein Abschälen, Abbrechen oder dgl. von Teilen derselben während des Eintreibens vermieden werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Fig. 1 zeigt einen zweifach ummantelten Fertigpfahl im Querschnitt, wobei mit 1 die äußere Schicht, mit 2 die Bitumenummantelung und mit 3 der eigentliche Pfahl bezeichnet sind.

Fig.2 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen Erweichungpunkt und der Penetration des Bitumens, wobei auf der Abszisse der Erweichungspunkt ("C) im linearen Maßstab auf der Ordinate die Penetration im logarithmischem Maßstab aufgetragen ist.

Fig.3 zeigt in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit zwischen der Tiefe und der vertikalen Verteilung der durch die negative Reibung verursachten Axialkräfte, wobei die Kurve feinem Pfahl entspricht, der mit Bitumen gemäß der Erfindung ummantelt ist, während die Kurve (b) einem Pfahl entspricht, der in konventioneller Weise mit Bitumen ummantelt ist und die Kurve feinem nicht ummantelten Pfahl entspricht.

F i g. 4 irt eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Dicke und dem Elastizitätsmodul der äußeren Schicht und den Wert Λ/zeigt.

Der Ausdruck »Penetration« bezieht sich auf einen Wert von 0,1 mm Eindringtiefe einer Nadel in das Bitumen gemessen gemäß ASTM D5.

Der Wert N stellt die Härte des Bodens dar, welche nach dem Standard-Test-Verfahren des Eindringens eines Pfahles in den Boden gemäß JIS A 1219 bestimmt wird.

Bei den Ausfiihrungsformen, auf die sich die Zeichnungen beziehen, besteht das verwendete Bitumen aus Asphaltbitumen. Falls e< forderlich, kann auch jede andere Art bituminöser Substanz. beisDielsweise ein Gemisch aus Bitumen mit einem Füllstoff und einem Polymer, oder ein Gemisch aus Bitumen mit einem Füllstoff oder einem Polymer verwendet werden. Das Polymer kann beispielsweise ein Gummipolymer sein, das mit dem Bitumen zusammengemischt ist beispielsweise Butadien-Polymer. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen liegt die Dicke der Bitumenschiclit zwischen 03 und 1,0 im Die Bitumeiuchicht kann auf den eigentlichen Pfahl durch Anwendung einer einfachen Methode aufgebracht werden. So kann beispielsweise ein Beton- oder Stahlpfahl in horizontaler Stellung gedreht werden, wobei eine Bitumen-Ausflußöffnung, die über dem Pfahl angeordnet ist in einer solchen Richtung bewegt wird, daß eine Schicht aus Bitumen auf den Pfahl aufgebracht wird.

Eine Beschichtung aus einem Polyolefin kann im Extrusionsverfahren nach bekannten Methoden auf den Pfahl aufgebracht werden. Das Polyolefin kann auch in Form eines Bandes extrudiert und um den rotierenden Pfahl gewickelt werden, um so die Beschichtung zu bilden.

Beispiel 1

Es wurden Versuche durchgeführt, um den Umfang zu bestimmen, indem die negative Reibungskraft bei einem zweifach ummantelten Pfahl herabgesetzt ist, der unter Verwendung des Bitumens gemäß der Erfindung hergestellt ist Die bei den Versuchen verwendeten Pfähle waren Stahlrohrpfähle von 609,6 mm Durchmesser, 9,6 mm Dicke und 12 m Länge. Einige dieser Pfähle wurden ohne jede Behandlung verwendet während andere mit einer von zwei verschiedenen Bitumenarten in einer Dicke von 0,5 mm beschichtet waren und auf die Oberfläche der Bitumenschicht eine äußere Schicht aus Polyäthylen von 1,8 mm Dicke aufgebracht war. Eine der beiden verschiedenen Bitumenarten oder Bitumen

(a) war von der erfindungsgemäßen Art und das andere Bitumen oder Bitumen (b) war von konventioneller Art. Das Bitumen (a) hatte einen Erweichungspunkt von 55° C und eine Penetration von 60, während das Bitumen

(b) einen Erweichungspunkt von 80⁰C und eine Penetration von 60 besaß. Um den Anteil der negativen Reibungskraft zu bestimmen, welche auf die mit einer der beiden verschiedenen Bitumenarten beschichteten Pfähle einwirkte, wurde die vertikale Verteilung der axialen Kräfte, die durch die negative Reibungskraft hervorgerufen waren, gemessen. Dazu wurden die beschichteten Pfähle von 12 m Länge im Feld zusammengeschweißt und dann bis zu einer Tiefe von 60 m in einen Boden eingetrieben, der aus einer eingefüllten Sandschicht bestand, welche eine ringförmige Einsenkung von etwa 200 bis 300 mm aufwies. Die in vertikaler Richtung wirkende Axialkraft wurde unter Verwendung eines Dehnungsmeßgerätes gemessen, das an jedem Pfahl angeordnet wurde. F i g. 3 zeigt die vertikale Verteilung der Axialkraft gemessen nach 350 Tagen. Wie in F i g. 3 gezeigt betragen die negativen Reibungskräfte, die auf den unbehandelten Pfahl (c) und den mit Bitumen (b) beschichteten Pfahl einwirken, jeweils etwa 50Ot= 500OkN bzw. 20Ot = 200OkN, während auf den mit Bitumen (a) beschichteten Pfahl nur die sehr kleine negative Reibungskraft von weniger als 10 t einwirkte. Berechne· in Einheiten der Reibungskraft in Umfangsrichtung sind diese negaiiven Reibungskräfte jeweils geringer als etwa 0,1 t/m² = 1 kN/m² im Fall des mit Bitumen (a) beschichteten Pfahls b/w. etwa 2 l/m² = 20 kN/m² im Fall des mit Bitumen (b) beschichteten Pfahles und

5 t/m* = 50 kN/m2 im Fall des Pfahles (c).

Aus dem vorangegangenen kann man ersehen, daß der erfindungsgemäße Pfahl aufgrund der Tatsache, daß die äußere Oberfläche des Pfahles mit einer Beschichtung aus einem synthetischen Harz oder dgl. versehen ι ist, eine bedeutende praktische Verwendbarkeit aufweist, indem sogar in der heißen Sommerzeit eine lange Lagerzeit des Pfahles möglich ist, indem der Pfahl ohne Schwierigkeiten transportiert werden kann, indem der Pfahl in einer Fabrik hergestellt werden kann und auf ι ο diese Weise eine Massenproduktion möglich ist, indem der Pfahl leicht und mit einem hohen Grad von Genauigkeit eingetrieben werden kann und indem ihm mit Leichtigkeit der nötige seitliche Widerstand zugeteilt werden kann. Insbesondere wenn die Zusammensetzung des Bitumens so gewählt ist, daß sein Erweichungspunkt und seine Penetration innerhalb eines Polygons liegen, daß durch die Ecken /, /, K, L und H in F i g. 2 definiert ist, hat der Pfahl einen hohen wirtschaftlichen Wert, indem er sehr gut zur Lagerung und zum Transport nach der Herstellung geeignet ist.

Wenn jedoch der zweifache ummantelte Pfahl in den Boden eingetrieben wird, ist ein Teil der äußeren Randschicht in Abhängigkeit von den Bedingungen des Bodens am vorderen Ende einem Umknickvorgang unterworfen, der auf den auf das vordere Ende wirkenden vertikalen Bodendruck zurückzuführen ist. Dieses Umknicken wird auf die gesamte Umhüllung übertragen, was zur Folge hat, daß die äußere Schicht in Längsrichtung des Pfahles beschädigt wird. Es ist als Gegenmaßnahme vorgeschlagen worden, am vorderen Ende der äußeren Schicht eine Manschette oder Krempe vorzusehen. Dies hat aber den Nachteil, daß die Herstellung und das Anbringen einer spezieil ausgebildeten Manschette oder Krempe komplizierte Arbeit a erfordert.

Aus diesem Grunde ist es wichtig, daß die äußere Schicht selbst eine ausreichende Dicke besitzt, um dem auf das vordere Ende des Pfahles wirkenden Bodendruck zu widerstehen, während der Pfahl eingetrieben ·*ο wird, und daß auf diese Weise das Umknicken vermieden wird.

Im Hinblick auf die Materialdicke ist diese Widerstandskraft bestimmt durch die Dicke der äußeren Schicht und den Elastizitätsmodul bzw. Young'schen Modul der äußeren Schicht selbst

Andererseits ist die bedeutendste der auf das vordere Ende der äußeren Schicht während des Eintreibens wirkenden Kräfte eine Kraft, welche in vertikaler Richtung wirkt und diese Kraft ist abhängig von der Härte eines Bodens. Diese Härte des Bodens wird repräsentiert durch den Wert einer Kennzahl N, welche durch einen Standard-Boden-Eindring-Test erhalten wird. Es gibt zwar zusätzlich zu der vertikalen Kraft noch andere wirkende Kräfte, beispielsweise die Reibungskraft des Bodens und der Gleitwiderstand des Klebemittels der bindenden Schicht, aber diese beiden Kräfte wirken in entgegengesetzten Richtungen und heben sich daher praktisch gegenseitig auf. Wenn weiterhin die äußere Schicht durch den vertikalen Bodendruck nach außen gedruckt wird, wirkt diesem der horizontale Bodendruck entgegen. Schließlich wirken einerseits die Adhäsion des Klebemittels der bindenden Schicht auf die äußere Schicht und andererseits die Umf angsspannung der äußeren Schicht selbst in ähnlicher Weise. Diese Kräfte wirken in vorteilhafter Weise gegen das Umknicken.

Im Hinblick auf die oben erwähnten verschiedenen auf das vordere Ende der äußeren Schicht wirkenden Kräfte wurden die Beziehungen zwischen der geforderten Dicke der äußeren Schicht unter bestimmten Bodenbedingungen (Werte von N) und Elastizitäts-Modulen untersucht, und es wurden Eintreibtests durchgeführt, bei denen Pfähle in wirklicher Größe verwendet wurden und damit die im folgenden dargestellten Ergebnisse erhalten wurden.

Mit anderen Worten, es wurde gefunden, daß das Abschälen, Abbrechen oder dgl. der Beschichtung eines Pfahles während des Eintreibens vermieden werden kann durch eine bestimmte Auswahl der Zusammensetzung der äußeren Schicht, welche im Hinblick auf den Elastizitätsmodul folgende Beziehung erfüllt:

dxE> 35 N
wobei

d = Schichtdicke der äußeren Schicht (cm),
E = Elastizitätsmodul der äußeren Schicht (kg/cm²),
N = Wert des Standard-Eindring-Tests eines Pfahls in den Boden.

Die oben angegebene Beziehung wird grafisch dargestellt in F i g. 4 mit dem Wert von /VaIs Parameter.

Fig.4 zeigt, daß bei Verwendung einer äußeren Schicht, deren Dicke und Elastizitätsmodul in der oberen Region rechts der Linien der /V= 10, N= 20 und N= 30 liegen, daß Umknicken der äußeren Schicht während des Eintreibeverfahrens vermieden werden kann, wenn entsprechende Bodenbedingungen vorliegen. Die sich an die Linie N= 30 anschließende Region ist schraffiert dargestellt.

Beispiel 2

Ein Stahlrohrpfahl von 609,6 mm Durchmesser, 9,5 mm Wanddicke und 12 m Länge wurde mit einer Schicht aus Bitumen ummantelt, welche eine Dicke von 0,5 mm hatte, mit einer Penetration von 45 (25° C) und einem Erweichungspunkt von 55° C und dann wurde Polyäthylenharz mit einem Elastizitätsmodul von 7500 kg/cm* = 75 kN/cm* (25° C) als umhüllende äußere Schicht von 2,5 mm Dicke aufgebracht Der so hergestellte Pfahl wurde mit einem Dieselhammer bis zu einer Tiefe von 24 m in den Boden eingetrieben, wobei folgende Bodenbedingungen herrschten:

Bodenbedingungen	Natur der Bodenschicht	Wert von N
Tiefe (m)	mittelfeiner Sand mit Kies	7-15
0 -11	Schlamm	2- 3
11 -15	grober Sand mit Kies	15-30
15 -16,5	mittelfeiner Sand mit Kies	5-25
16,5-18	Schlamm	1
18 -24	toniger Schlamm	1-25
Oberhalb 24

Gleich nach dem Abschluß des Eintreibens des Pfahles in den Boden wurde der Pfahl mit Hilfe eines Vibrohammers herausgezogen. Es ergaben sich keiner-

lei Spuren einer Beschädigung, beispielsweise eines Abblätterns der äußeren Schicht.

Beispiel 3

Ein Stahlrohrpfahl, ähnlich wie in Beispiel 1, wurde mit einer Schicht aus Bitumen ummantelt, welcher eine Dicke von 0,5 mm, eine Penetration von 75 (25° C) und einen Erweichungspunkt von 7O⁰C aufwies und der Pfahl wurde dann mit einer Beschichtung aus Polyäthylenharz mit einer Dicke von 1 mm und einem Elastizitätsmodul von 6000 kg/cm² a 60 kN/cm² versehen. Der so hergestellte Pfahl wurde mit einem Dieselhammer bis zu einer Tiefe von 12 m in den Boden eingetrieben bei den gleichen Bodenbedingungen wie in Beispiel 2 und wurde sofort nach dem Eintreiben mit einem Vibrohammer wieder herausgezogen. Es waren keine Spuren einer Beschädigung der äußeren umhüllenden Schicht durch Abblättern festzustellen.

Beispiel 4

Ein Stahlrohrpfahl, ähnlich dem gemäß Beispiel 1, wurde mit einer Schicht aus Asphalt ummantelt, welcher eine Dicke von 0,5 mm, eine Penetration von 55 (25"C) und einen Erweichungspunkt von 6CI⁰C aufwies und der Pfahl wurde dann mit einer Beschichtung aus Polypropylenharz versehen, welcher eine Dicke von 1,2 mm und einen Elastizitätsmodul von 12 000 kg/ cm² = 120 kN/cm² besaß. Der so hergestellte Pfahl wurde mit einem Dieselhammer bis; zu einer Tiefe von 24 m in den Boden eingetrieben, bei den gleichen Bodenbedingungen wie in Beispiel 2 und wurde . ofort wieder mittels eines Vibrohammers; herausgezogen. Es waren keine Spuren einer Beschädigung der äußeren umhüllenden Schicht, beispielsweise durch Abblättern, festzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fertigpfahl mit einer Ummantelung aus Bitumen, die außenseitig von einer äußeren Schicht abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitumenschicht (2) eine Dicke von maximal 3 mm aufweist und die äußere Schicht (1) aus einem Polyolefin besteht und folgender Beziehung entspricht: