DE3424776A1

DE3424776A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der tragfaehigkeit von pfaehlen

Info

Publication number: DE3424776A1
Application number: DE19843424776
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr.-Ing. Bauer; Günter Ing.(grad.) 8898 Schrobenhausen Henn; Paul Dipl.-Ing. Scheller; Manfred Dr.-Ing. Stocker
Original assignee: Karl Bauer Spezialtiefbau & Co Kg 8898 Schrobenhausen GmbH; Bauer Spezialtiefbau GmbH; KARL BAUER SPEZIALTIEFBAU GmbH and Co KG
Current assignee: Bauer Spezialtiefbau GmbH
Priority date: 1984-07-05
Filing date: 1984-07-05
Publication date: 1986-01-16
Also published as: CH671791A5; DE3424776C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Tragfähigkeit
von Pfählen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Ermitteln der Tragfähigkeit von in das Erdreich niedergebrachten Pfählen, wie z.B. Betonpfählen, bei welchem bzw.
welcher der Pfahl in zumindest einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt wird, der untere Abschnitt und der obere Abschnitt jeweils von bekannten, entgegengesetzten Kräften in Richtung der Pfahlachse nach unten bzw. oben beaufschlagt werden und die Verschiebungen der Pfahlabschnitte gemessen werden.
Reicht die Tragfähigkeit eines Bodens nicht für höhere Gebäude aus, so ist es üblich, in das Erdreich beispielsweise Betonpfähle zu gießen, welche die Tragfähigkeit des Fundamentes erhöhen. Da die Bodenmechanik des Untergrundes in der Regel nicht völlig bekannt ist, muß die Belastbarkeit der in den Boden niedergebrachten Pfähle häufig experimentell ermittelt werden.
Bei herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Belastbarkeit von Pfählen wird ein mit Injektionsankern oder Zugpfählen verankertes Widerlager geschaffen, an welchem eine z.B.
hydraulische Presse sich abstützt,um den Probepfahl in den Boden zu drücken. Beim Niederdrücken des Pfahles wird der Spitzendruck an der Pfahlsohle mittels einer eingebauten Meßzelle in Abhängigkeit von der Pfahlkopfverschiebung gemessen. Aus der Kraft der hydraulischen Presse und der gemessenen Gegenkraft an der Pfahlsohle ergibt sich unmittelbar die Mantelreibungskraft des Pfahlschaftes, da (abgesehen von der vernachlässigbaren Beschleunigung des Pfahles) die Kraft der hydraulischen Presse gleich der Summe aus der Mantelreibungskraft und der Gegenkraft an der Pfahlsohle ist.
Die bekannten Verfahren dieser Art liefern zwar gute Ergebnisse, weisen jedoch den Nachteil auf, daß zur Verankerung der hydraulischen Presse sehr aufwendige Brückenkonstruktionen erforderlich sind. Die als Widerlager für die Presse dienenden Brücken, Verankerungen oder Widerlagerpfähle sind sehr kostspielig und in ihrer Herstellung zeitaufwendig.
In der DE-OS 31 08 429 sind ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung beschrieben. Dort soll zwar auch die Notwendigkeit kostspieliger Widerlagerbrücken umgangen werden, doch haften jenem Verfahren noch wesentliche Nachteile an, welche seinen praktischen Einsatz nur auf wenige Sonderfälle begrenzen Es wird dort durch einen hohlen Schaft des Pfahles mittels hydraulischer Pressen ein Stempel am Pfahlfuß ausgedrückt, wobei als Widerlager eine Brückenkonstruktion dient, die über Zugstangen im Beton des Pfahlschaftes selbst verankert ist. Das Widerlager wird also dort im Pfahl selbst und nicht durch besondere Konstruktionen außerhalb des Pfahles gebildet.
Voraussetzung dafür, daß mit dem aus der DE-OS 31 08 492 bekannten Verfahren zuverlässige Meßergebnisse erzielt werden, ist, daß der Widerstand im Erdreich, der durch das Herausdrücken des Stempels geweckt wird, etwa gleich groß ist wie die Reibung am Pfahlschaft. Ist die Reibung am Pfahlschaft z.B. wesentlich kleiner als der Widerstand an der Pfahlsohle, so wird der Pfahl beim Herausdrücken des Stempels schlicht nach oben bewegt, ohne daß die Pfahlsohle mit den erforderlichen großen Kräften beaufschlagt werden kann. Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß es bei hoch belasteten Pfählen mit kleinem Durchmesser sehr schwierig ist, große Kräfte durch den Schacht im Pfahl zu übertragen, da der geringe Durchmesser des Pfahlschaftes nur eine entsprechend schmale Übertragungsstrebe gestattet. Auch ist bei der bekannten Übertragungsstrebe zum Einleiten der Druckkraft auf den Stempel nachteilig, daß die Strebe sich nach Ermittlung der Belastbarkeit nur mit viel Aufwand entfernen läßt. In der Regel aber sollen die zuvor einer Belastbarkeitsprobe unterworfenen Pfähle sodann auch tatsächlich zur Abstützung des Gebäudes Verwendung finden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Tragfähigkeit von in das Erdreich niedergebrachten Pfählen zu schaffen, welche es gestatten, daß der Pfahlspitzendruck und die Reibung am Pfahlschaft genau gemessen werden können, wobei die Messung für alle Pfahldurchmesser, alle möglichen Bodenarten und alle praktischen Pfahltiefen ermöglicht sein soll.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß die Unterteilung des Pfahles derart erfolgt, daß die Mantelreibung des oberen Pfahlabschnittes dem Betrage nach etwa gleich der Summe aus der Mantelreibung des unteren Pfahlabschnittes und dem Pfahlspitzendruck ist, und daß der Pfahlspitzendruck an der Pfahlsohle gemessen wird.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe die eingangs genannte Vorrichtung derart weitergebildet, daß zwischen dem oberen Pfahlabschnitt und dem unteren Pfahlabschnitt eine Presse und eine Kraftmeßzelle an der Pfahlsohle vorgesehen sind.
Wird die Presse derart zwischen dem unteren und dem oberen Pfahlabschnitt angeordnet, daß die Summe aus der Mantelreibung des oberen Pfahlabschnittes und dessen Gewicht dem Betrage nach etwa gleich der Summe aus der Mantelreibung des unteren Pfahlabschnittes und dem Pfahlspitzendruck ist, so läßt sich die Tragfähigkeit des Pfahles exakt bestimmen.
Der Fachmann wird entweder aufgrund seiner Erfahrung oder aufgrund einer besonderen Probebohrung eine hinreichende Vorstellung darüber haben, in welcher Position die Presse im Pfahlschaft anzuordnen ist, damit die vorstehend angegebene Bedingung für die Reibungskräfte und die Pfahlspitzenkraft erfüllt ist.
Bei besonders langen Pfählen oder bei schwierigen, wenig bekannten Bodenverhältnissen, kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß mehrere Pressen in verschiedenen Höhenlagen des Pfahles angeordnet sind, welche wahlweise betätigbar sind. In diesem Falle wird diejenige Presse aus der Mehrzahl von Pressen zur Bestimmung der Tragfähigkeit des Pfahles ausgewählt werden, bei der die genannte Bedingung hinsichtlich-der Reibungskräfte und der Pfahlspitzenkraft erfüllt ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Presse etwa über den gesamten Querschnitt des Pfahles erstreckt. Um die Relativverschiebung zwischen den unteren und oberen Pfahlabschnitten zu messen, ist vorzugsweise die Presse mit einem Wegaufnehmer versehen.
Weiterhin wird in bekannter Weise die Verschiebung des Pfahlkopfes gegenüber der Erdoberfläche z.B. durch Nivellement gemessen.
Aus dem Druck der Presse, der gemessenen Pfahlspitzenkraft, der Relativverschiebung zwischen den Pfahlabschnitten und der Verschiebung des Pfahlkopfes gegenüber der Erdoberfläche lassen sich sämtliche interessierenden Größen unmittelbar bestimmen.
Die Gesamt verschiebung des Pfahles ergibt sich aus der Differenz der Relativverschiebung zwischen den Pfahlabschnitten und der Verschiebung des Pfahlkopfes gegenüber der Erdoberfläche. Die Mantelreibungskraft des oberen Pfahlabschnittes ergibt sich unmittelbar aus der durch die Presse auf den oberen Abschnitt aufgebrachten Kraft, wobei das Eigengewicht des oberen Pfahlabschnittes zu berücksichtigen ist.
Weiterhin ergibt sich die Mantelreibungskraft des unteren Pfahlabschnittes aus der Differenz der von der Presse erzeugten Kraft und der Pfahlspitzenkraft.
Die Pfahlspitzenkraft sowie die Mantelreibungskräfte des oberen und des unteren Pfahlabschnittes ergeben sich somit einzeln als Funktion der Gesamtverschiebung des Pfahles.
Der erfindungsgemäß mit einer Presse versehene Pfahl kann nach Durchführung der Messung seiner Tragfähigkeit gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ohne weiteres für die weitere Verwendung vorbereitet werden, indem eine Leitung (durch den oberen Pfahlabschnitt) vorgesehen ist, durch welche nach der Ermittlung der Tragfähigkeit ein aushärtbarer Stoff (wie z.B. Beton) in die Hohlräume der Presse einführbar ist.
Als Kraftmeßzelle am Fuß des Pfahles ist vorzugsweise eine hydraulische oder elektrische Druckzelle vorgesehen.
Die Relativverschiebung zwischen den Pfahlabschnitten kann höchst einfach dadurch bestimmt werden, daß die Menge des in die Presse eingebrachten Druckmittels gemessen wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind Extensometerstangen zwischen den unteren und oberen Pfahlabschnitten zur Bestimmung von deren Relativverschiebung vorgesehen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung; Fig. 2 die gemessenen Kräfte als Funktion der Gesamtverschiebung des Pfahles; und Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch die Presse im Detail.
Gemäß Fig. 1 wird der Pfahl 30 in das die Schichtungen 1 und 2 aufweisende Erdreich eingebracht. Eine hydraulisch betätigbare Presse 3 wird während der Herstellung des Pfahles 30 eingebaut und trennt den unteren Pfahlabschnit 4 vom oberen Pfahlabschnitt 5. An der Pfahlsohle 6 wird eine Kraftmeßzelle 7 bekannter Bauart eingebaut.
Wird nun die Presse 3 betätigt, so entsteht das Kräftepaar 40, welches einerseits den oberen Pfahlabschnitt 5 nach oben und den unteren Pfahlabschnitt 4 nach unten drückt. Der Aufwärtsbewegung des oberen Pfahlabschnittes 5 wirkt die Mantelreibung 8 des oberen Pfahlabschnittes 5 sowie das Eigengewicht des oberen Pfahlabschnittes 5 entgegen, während der nach unten gerichteten Kraft die Mantelreibung 9 des unteren Pfahlabschnittes sowie die an der Pfahlsohle 6 entstehende Pfahlspitzenkraft 10 entgegenwirkt.
Wird nun die Pfahlspitzenkraft 10 mittels der Kraftmeßzelle 7 und die von der Presse 3 erzeugte Kraft 40 gemessen, so folgt unmittelbar aus der Differenz der Kräfte 10 und 40 die Mantelreibungskraft 9 des unteren Pfahlabschnittes 4 und zwar als Funktion der Verschiebung 11 des Pfahles 30. Die Verschiebung 11 des Pfahles 30 ergibt sich aus der Differenz der Verschiebung 12 zwischen den Pfahlabschnitten und der gemessenen Verschiebung 13 am Pfahlkopf 14 relativ zur Erdoberfläche 32.
Weiterhin ergibt sich die Mantelreibung 8 des oberen Pfahlabschnittes 5 unmittelbar aus der Kraft 40 der Presse 3, und zwar in Abhängigkeit der Verschiebung 13 des Pfahlkopfes 14 gegenüber der Erdoberfläche 32.
Es versteht sich, daß sämtliche vorstehend genannten Kräfte parallel oder antiparallel zur Richtung der Achse 34 des Pfahles verlaufen. In Fig. 2 sind die mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzielten Meßergebnisse schematisch aufgetragen. Die Gesamttragkraft 15 des Pfahles 30 setzt sich additiv zusammen aus den Mantelreibungskräften 8 und 9 der unteren und oberen Pfahlabschnitte 4 bzw. 5 sowie der Pfahlspitzenkraft 10.
In Fig. 3 ist die Presse 3 im einzelnen dargestellt. Sie besteht aus einem Kolben 16, der mittels einer Abdichtung 17 in einem mit einer hydraulischen Flüssigkeit füllbaren Zylindertopf 18 beweglich angeordnet ist. Seitlich ist der Freiraum zwischen dem Zylinder 18 und der Bohrlochwand 19 mit elastischem Material, wie z.B. Gummipackungen 20, ausgefüllt, so daß eine vollkommene Betontrennung zwischen den Pfahlabschnitten 4 und 5 gewährleistet ist.
Am unteren Abschnitt der Presse 3 ist ein kalottenförmiges Betonteil 21 anbetoniert, um ein sattes Anliegen der Presse 3 am Beton des unteren Pfahlabschnittes 4 sicherzustellen.
Die Zuleitung 22 für die Hydraulikflüssigkeit wird im Beton des oberen Pfahlabschnittes 5 hochgeführt.
Ein induktiver Wegaufnehmer 23 ist druckfest und druckdicht in die Presse 3 eingebaut und über eine Zuleitung mit dem Meßgerät 24 verbunden.
Der Druck an der Kraftmeßzelle 7 an der Pfahlsohle 6 wird an einem Manometer 25, das über eine Hydraulikleitung 26 mit der Kraftmeßzelle 7 verbunden ist, abgelesen.
Wenn die Presse 3 in einen Pfahl eingebaut wird, der nach dem Belastungsversuch an Ort und Stelle verbleiben soll, beispielsweise als Bauwerkspfahl, so kann der Pressenhohlraum nach der Belastung über die Leitung 22 mit einem aushärtenden Material verpreßt werden, wobei das in der Presse befindliche Druckmittel, beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit, aus dem Pressenhohlraum über eine Leitung 27 abgeführt wird.
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Claims

ANSPRÜCHE l. Verfahren zum Ermitteln der Tragfähigkeit von in das Erdreich niedergebrachten Pfählen, wie z.B.

-Betonpfählen, bei dem der Pfahl in zumindest einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt wird, der untere Abschnitt und der obere Abschnitt jeweils von bekannten, entgegengesetzten Kräften in Richtung der Pfahlachse nach unten bzw. oben beaufschlagt und die Verschiebungen der Pfahl-Abschnitte gemessen wer -den, dadurch g ek enn zeichn e t, daß die Unterteilung des Pfahles (30) derart erfolgt, daß die Summeaus der Mantelreibung (8) des oberen Pfahlabschnittes (5)und dessen Gewicht dem Betrage nach etwa gleich der Summe aus der Mantelreibung (9) des unteren Pfahlabschnittes (4) und dem Pfahlspitzendruck (10) ist, und daß der Pfahlspitzendruck (10) an der Pfahlsohle (6) gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Pfahlabschnitte (4,5) relativ zueinander und die Verschiebung des oberen Pfahlabschnittes (5) relativ zur Erdoberfläche (32) gemessen werden.
3. Vorrichtung zum Ermitteln der Tragfähigkeit von in das Erdreich niedergebrachten Pfählen, wie z.B. Betonpfählen, bei der zumindest ein oberer -und ein unterer -Pfahlabschnitt vorgesehen sind, sowie eine Krafterzeugungseinrichtung, welche die Pfahlabschnitte mit entgegengesetzten Kräften beaufschlagt, dadurch g eke nn zei chn et, daß zwischen dem oberen Pfahlabschnitt (5) und dem unteren Pfahlabschnitt (4) eine Presse (3) und daß eine Kraftmeßzelle (7) an der Pfahlsohle (6) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnest, daß die Presse (3) druckmittelbeaufschlagt ist und derart zwischen den oberen und den unteren Pfahlabschnitten (4,5) angeordnet ist, daß die Summe aus der Mantelreibung (8) des oberen Pfahlabschnittes (5) und dessen Gewicht dem Betrage nach etwa gleich der Summe aus der Mantelreibung (9) des unteren Pfahlabschnittes (4) und der Pfahlspitzenkraft (10) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch g ek en n zeichn et, daß sich die Presse (3) etwa über den gesamten Querschnitt des Pfahles (30) erstreckt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Presse (3) einen Wegaufnehmer (23) aufweist, wie z.B. einen induktiven Wegaufnehmer.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftzelle (7) eine z.B. hydraulische oder elektrische Druckzelle vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des in die Presse (3) eingebrachten Druckmittels bestimmbar ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch g ek en n zei ch n e t, daß Extensometerstangen zwischen den unteren und den oberen Pfahlabschnitten (4,5) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Presse (3) mit einer Leitung (22) versehen ist, durch welche nach der Ermittlung der Tragfähigkeit ein aushärtbarer Stoff in die Hohlräume der Presse (3) einführbar ist, und daß an die Presse (3) eine weitere Leitung (27) angeschlossen ist, durch welche die Hydraulikflüssigkeit aus der Presse (3) abführbar ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch g ek en n zei chn et, daß mehrere Pressen (3) in verschiedenen Höhenlagen des Pfahles angeordnet und wahlweise betätigbar sind.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch geken n zei c hn et, daß die Presse (3) eine Kolben (16)-Zylinder (18)-Anordnung aufweist, welche außenseitig bis zur Bohrlochwand (19) von elastischem Material, wie z.B. Gummipackungen (20) umgeben ist.