Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Vollverdrängungspfählen in Sand

Anlass:

Das Verhalten des Baugrunds während des Rammvorgangs von Pfählen ist derzeit Gegenstand verschiedener nationaler und internationaler Forschungsvorhaben. Die Herausforderung bei der mechanischen Beschreibung der dynamischen Wechselwirkung zwischen Pfahl und Baugrund liegt in der Vielzahl der sehr unterschiedlichen und komplexen Faktoren. Nach HARTUNG (1994) lassen sich die Faktoren, die das Tragverhalten beeinflussen, in vier Kategorien einteilen: Boden, Pfahl, Herstellung und Belastung.Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens ist, ausgehend von herstellungsbedingten tragfähig-keitsmindernden bzw. -erhöhenden Faktoren die Untersuchung des Tragverhaltens von Voll-verdrängungspfählen in einer Pfahlgruppe in Sand. Diesbezüglich werden derzeit am  Institut für Geotechnik Modellversuche durchgeführt, um das grundsätzliche Verhalten zu untersuchen und grundsätzliche Zusammenhänge besser beschreiben und verstehen zu können. Ziel ist es, den Herstellvorgang zu simulieren und die Ergebnisse aus den Modellversuchen nachzuvollziehen.

 

Versuchsaufbau:

In Anlehnung an die von HARTUNG (1994) und WIENHOLZ (1998) durchgeführten Versuche an Vollverdrängungspfählen in Sand sollen in einem ersten Schritt Grundsatzversuche im Maßstab 1:100 durchgeführt werden. Während bei den genannten Versuchen das Tragverhalten des Einzelpfahls untersucht wurde, soll hier eine Pfahlgruppe von insgesamt 9 Pfählen (Abbildung 1) untersucht werden. Die Modellpfähle aus Stahl haben eine Länge von 30 cm und eine Kantenlänge von 1 cm. Die Pfähle werden in einem Rasterabstand von 5 cm von Innen nach Außen eingerammt. Der Versuchskasten ist ein Würfel mit einer Kantenlänge von 50 cm. An der Unterkante des Versuchskastens befindet sich ein Auslass, um den Sand nach jeder Versuchsreihe austauschen zu können. Die Voruntersuchungen zur Reproduzierbarkeit des Sandeinbaus sind noch nicht abgeschlossen, wobei das Einrieseln von Sand mit anschließender Verdichtung mittels Außenrüttler bei anderen Vorhaben das Mittel der Wahl war. Die Pfähle werden mit konstanter Schlagenergie eingeschlagen. Das Größtkorn des trockenen Modellsandes beträgt 2 mm.

 

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Abb.1: Anordnung der Versuchspfähle, Abmessungen in cm.

 

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Abb.2: Schlagmechanismus (Netter PKL 125/4)

 

 

 

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Abb.3: Rammvorrichtung, Abmessungen in cm.

Versuchsdurchführung und Messtechnik:

Zunächst wird der Mittelpfahl eingeschlagen und im Anschluss die Tragfähigkeit mittels statischer Pfahlprobebelastung bestimmt. Anschließend werden die acht weiteren Pfähle gemäß der in Abbildung 1 dargestellten Reihenfolge eingebracht. Während des Rammens ist der Pfahl am Pfahlkopf sowie auf Höhe der Sandoberfläche horizontal gehalten, um die Vertikalität zu gewährleisten. Die Schlagenergie beträgt 4,2 Nm. Der Schlagmechanismus ist automatisiert. Mittels Druckluft wird in einer Druckkammer eine an einer Feder montierte Masse angehoben und die Feder gestaucht.
Der Mechanismus wird durch das Öffnen des Überdruckventils bei rund 4 bar ausgelöst.
Das System ist in Abbildung 2 dargestellt. Zur Bestimmung der Tragfähigkeit werden
statische Pfahlprobebelastungen durchgeführt, insbesondere am Mittelpfahl unmittelbar nach dessen Einbringung und zum wiederholten Mal nach Herstellung der gesamten Pfahlgruppe. Die Pfahlprobebelastung wird mittels hydraulischer Presse mit manueller Lastkonstanthaltung ausgeführt. Die Verschiebung wird mit einer Genauigkeit von 1/100 mm manuell aufgenommen. Erste Versuche zeigen, dass
die Grenztragfähigkeit bei einer Verschiebung von 1 mm (d/10) und einer Kraft von ca.
250 N erreicht ist.

 

Ausblick:

Auf dem Weg zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen Rammvorgang und dem Verhalten des Baugrunds sind zahlreiche weitere Details zu klären. Aufbauend auf den beschriebenen Grundsatzversuchen soll in Abhängigkeit der Ergebnisse die messtechnische Ausrüstung der Pfähle optimiert werden. Hierzu zählen die Erfassung von Dehnung und Beschleunigung entlang des Pfahlschafts wie auch die Messung von Bodenver-schiebungen und Änderung der Spannungen im Bodengefüge.
Eine reproduzierbare und somit statistisch belastbare Angabe zur Veränderung des Korngefüges und einer damit verbundenen Verdichtungswirkung ist langfristiges Ziel des Forschungs-vorhabens. Weiteres Tool auf
diesem Weg ist die numerische Nachbildung
der experimentell bestimmten Größen, wobei Synergien mit aktuell laufenden Forschungs-vorhaben des IGS auf dem Gebiet der
Material-Point-Method (MPM) genutzt werden sollen.


Bearbeiter: Stephan Ries