Baugrundverbesserung mit steifen Säulen und pfahlähnlichen

Moormann, Buhmann
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Baugrundverbesserung
mit steifen Säulen und pfahlähnlichen
Traggliedern - Anforderungen,
Bemessung und Anwendungsgrenzen
von „Rigid Inclusions“
Ch. Moormann, P. Buhmann
Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart
1 Motivation
Bei Baugrundverhältnissen, die eine den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit oder Standsicherheit entsprechende Flachgründung nicht ermöglichen,
kommen für die Gründung von Ingenieurbauwerken und Infrastrukturmaßnahmen neben Pfahlgründungen bzw. Kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP)
häufig Baugrundverbesserungsmaßnahmen als eine technisch und ökonomisch
vorteilhafte Gründungskonzeption zur Anwendung (Abb. 1). Während „klassische“ Baugrundverbesserungen auf eine Veränderung der Eigenschaften des anstehenden Baugrundes im Sinne eines flächig verbesserten, gleichmäßigen Tragverhaltens abzielen, ist für Tiefgründungen der Lastabtrag über Einzelelemente
in tiefer liegende, tragfähige Baugrundschichten charakteristisch. Die Anforderungen an das Bemessungs- und Nachweiskonzept unterscheiden sich nachhaltig.
Abb. 1:
Gründungskonzepte nach Handbuch Eurocode 7, Band 1, und Baugrundverbesserung mit pfahlartigen Tragelementen und Entkopplung
durch lastverteilende Tragschicht
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Neben diesen „klassischen“ Baugrundverbesserungsverfahren kommen zunehmend rasterförmig angeordnete „steife“ Säulen bzw. „pfahlartige“ Tragglieder
unterschiedlicher Ausbildung und Ausführung zum Einsatz, mit denen die Einwirkungen - je nach Steifigkeit von Säule und Untergrund - eher punktuell in die
tieferen und meist tragfähigeren Schichten abgetragen werden, ohne jedoch die
mittragende Wirkung des zwischen den Säulen anstehenden Bodens aufzugeben.
Eine Unterscheidung in die Kategorien „Baugrundverbesserung“ und „Tiefgründung“ ist in diesem Fall häufig nicht eindeutig möglich. Dies gilt insbesondere,
wenn Elemente mit im Vergleich zu dem umgebenden Boden deutlich höherer
Steifigkeit zum Einsatz kommen, beispielsweise Rüttelortbetonsäulen, Verdrängungsbetonsäulen, vermörtelte Rüttelstopfsäulen, CMC-Säulen o.ä. (Abb. 2).
Abb. 2:
„steife“ Säulen bzw. „pfahlartige“ Tragglieder zur Baugrundverbesserung: Verfahrensbeispiele
Für derartige pfahlartige Tragglieder, die zu einer punktförmigen Stützung für
die zu gründende Struktur führen, bestehen keine allgemein anerkannte Bemessungs- und Nachweisverfahren, so dass häufig projektspezifische Betrachtungen
für den Einzelfall erforderlich werden.
Im Rahmen der Überarbeitung des Eurocode 7 wird derzeit auf europäischer
Ebene die Definition und der Umgang mit solchen „rigid inclusions“ diskutiert,
wobei der vorliegende Entwurf als wesentliches Unterscheidungskriterium zwischen Baugrundverbesserung und Pfahlgründung die Anordnung einer lastverteilenden, granularen oder auch bindemittelstabilisierten bindigen Tragschicht
oberhalb der Säulenköpfe vorsieht.
Im Rahmen des Beitrags werden aufbauend auf numerischen Simulationen von
Fallbeispielen das Tragverhalten solcher Systeme untersucht und Anforderungen
an den Entwurf und die Bemessung definiert. Zudem werden Hinweise zur Risikobeurteilung und zu Anwendungsgrenzen solcher Baugrundverbesserungen mit
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„pfahlartigen Tragelementen“ gegeben sowie ein Vorschlag zur Klassifizierung
vorgestellt. Dabei werden auch Parallelen hinsichtlich des Entwurfs und der Bemessung von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP) und Baugrundverbesserungen mittels „rigid inclusions“ diskutiert.
2 Bestehende Regelwerke
2.1 Nationale und internationale Regelungen
In der aktuellen Fassung des Eurocode 7 bzw. des Normenhandbuchs EC 7, Band
1 (Deutschland), werden in Abschnitt 5.5 Baugrundverbesserungen nur sehr
knapp und allgemein handelt, ohne dass die sehr unterschiedlichen Formen und
Anwendungsgebiete solcher Verfahren thematisiert oder explizit berücksichtigt
werden. Eurocode 7, Teil 1, enthält in seiner derzeitigen Fassung auch keine
Vorgaben zur Bemessung von Baugrundverbesserungen, sondern unterscheidet
lediglich die konventionellen Gründungsformen einer Flachgründung, einer
Pfahlgründung und einer Kombinierten Pfahl-Plattengründung (KPP). Insoweit
obliegt es dem Ingenieur, in Abhängigkeit von den projektspezifischen Randbedingungen zu entscheiden, ob die Bemessung einer Baugrundverbesserung mit
„steifen“ Säulen bzw. pfahlartigen Tragelementen
 als Flachgründung unter Ansatz von durch die Baugrundverbesserung erhöhten Bodenkennwerten,
 als Pfahlgründung unter der Annahme, dass 100 % der Einwirkungen auf die
als annährend „starr“ angenommenen Säulen entfallen, oder
 als KPP unter Berücksichtigung der kombinierten Tragwirkung von Säulen
und umgebenden Boden
 oder aber als ein anderweitiges Ersatzmodell
erfolgt (Abb. 1), eine Entscheidung, die letztlich die Kenntnis des tatsächlichen
Tragverhaltens der Baugrundverbesserung bedingt.
Im Rahmen der vorbereitenden Abstimmungen zur Erarbeitung der nächsten Generation der Eurocodes, deren Herausgabe für 2020 geplant ist, hat die Evolution
Group 14 „Ground Improvement“ des TC250/SC7 Vorschläge für die zukünftige
Regelung von Bodenverbesserungen im Rahmen des Eurocode 7 erarbeitet. Im
Hinblick auf die Thematik einer Baugrundverbesserung mit Säulen bzw. pfahlartigen Tragelementen enthalten diese Vorschläge die Definition von „rigid inclusions“ als diskrete, im Baugrund hergestellte Elemente mit definierten geometrischen und mechanischen Eigenschaften, die, quantifiziert durch eine einaxiale
Druckfestigkeit, deutlich steifer als der umgebende Baugrund und von dem zu
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gründenden Bauwerk „entkoppelt“ sind (Abb. 3). Die zur „Entkoppelung“ eingesetzte lastverteilende Tragschicht („load transfer platform“) kann aus einer Tragschicht gut verdichteten granularen Materials (´ungebunden´), aus bindemittelstabilisiertem (bindigen) Material (´gebunden´) oder einer bewehrten Tragschicht
(´bewehrt´) bestehen. Analog dem in Deutschland für eine Kombinierte PfahlPlattengründung (KPP) in (AK 2.1 „Pfähle“ 2001) definierten Vorgehen wird
von der Evolution Group 14 ein rechnerischer Nachweis der Lastaufteilung in
Säulen und Boden sowie der Nachweis der inneren Tragfähigkeit der Säulen
(STR) gefordert, während ein Nachweis der äußeren Tragfähigkeit (ULS) der
Säulen (GEO) nicht erforderlich ist.
Abb. 3:
Baugrundverbesserung mittels Säulen bzw. pfahlartigen Traggliedern,
durch eine „lastverteilende Tragschicht“ vom Bauwerk „entkoppelt“
Der Arbeitskreis 2.8 „Stabilisierungssäulen“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) erarbeitet Empfehlungen für Stabilisierungssäulen, die als Trocken- und Nassmörtelsäulen, hydraulisch gebundene Stopfsäulen sowie Bodenmischsäulen ausgeführt werden können. Die noch nicht veröffentlichten Empfehlungen, die über frühere Ansätze für sehr schlanke CSV-Säulen (AK 2.8 „Stabilisierungssäulen“ 2010) weit hinausgehen werden, sollen Aspekte der Planung, der
Bemessung und der Nachweisführung für die vorgenannten hydraulisch gebundenen, unbewehrten Säulen mit relativ kleinen Durchmessern enthalten (Neidhart
2014). Das für eine Baugrundverbesserung mittels Stabilisierungssäulen (STS)
entwickelte Nachweiskonzept sieht im Entwurf in einem ersten Schritt eine Fallprüfung nach dem Kriterium vor, ob der Nachweis der äußeren Tragfähigkeit
(ULS) der Gründung als Flachgründung unter (rechnerischer) Vernachlässigung
der Säulen nach EC 7 geführt werden kann.
Ist die Gründung auch unter Vernachlässigung der Säulen standsicher kann ein
weiterer Nachweis der äußeren Tragfähigkeit der Säulen entfallen, jedoch ist der
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Nachweis der inneren Tragfähigkeit der Säulen zu führen. Ist die Gründung unter
Vernachlässigung der Säulen nicht ausreichend standsicher, ist der Grenzzustand
der Tragfähigkeit differenzierter zu untersuchen und zwar entweder als Flachgründung auf einem Baugrund mit infolge der „weichen“ Säulen erhöhten bodenmechanischen Kennwerten oder aber bei „steifen/starren“ Säulen als Pfahlgründung mit dem Nachweis des vollständigen Lastabtrags über die Mantelreibung und den Spitzendruck der Säulen.
Die Fallunterscheidung „weiche“ oder „steife/starre“ Säule erfolgt in Abhängigkeit des zu berechnenden Steifigkeitsverhältnisses zwischen dem Bettungsmodul
der Säulen ks,StS und dem Bettungsmodul des dazwischen anstehenden Bodens ks.
Je nach Steifigkeitsverhältnis wird für ks,StS/ks ≤ 50 ein gemeinsamer Lastabtrag
von „weichen“ duktilen Säulen und Boden („schwimmende Gründung“) oder für
ks,StS/ks > 50 ein einer Pfahlgründung entsprechendes Tragverhalten der „starren“
Säulen vorausgesetzt und ein entsprechendes Nachweisschema vorgegeben.
Wehr & Sondermann (2012) bezeichnen gestützt auf Ansätze von Priebe (1995)
und Kirsch (2004) ein Steifigkeitsverhältnis von ks,StS/ks = 40 bis 50 zwischen
den Bettungsmoduli von Säule und Boden als obere rechnerisch anzusetzende
Grenze für Baugrundverbesserungsverfahren. Die in dem Regelwerk EBGEO
(AK 5.2 der DGGT 2010) für die Bemessung von bewehrten Erdkörpern auf
punkt- oder linienförmigen Traggliedern enthaltenen Ansätze, die von einer Stützung des bewehrten Erdkörpers durch steife, punktförmige Tragglieder ausgeht,
setzt hierfür ein Steifigkeitsverhältnis von ks,StS/ks > 75 voraus.
Die unterschiedlichen Annahmen zum Steifigkeitsverhältnis zeigen, dass eine
eindeutige Fallunterscheidung über das Steifigkeitsverhältnis nicht möglich ist,
sondern die Übergänge im Tragverhalten fließend sind. Zu berücksichtigen ist
ferner, dass das als Unterscheidungskriterium für das Nachweiskonzept genutzte
Steifigkeitsverhältnis bereits vorlaufend eine zutreffende rechnerische Untersuchung des Tragverhaltens der Baugrundverbesserung und damit eine entsprechende realitätsnahe Modellbildung voraussetzt.
Empfehlungen zur Bemessung und zum Nachweis von Baugrundverbesserungen
mit Säulen und pfahlartigen Tragelementen sind auch aus Skandinavien und
Frankreich bekannt. Die französische Richtlinie „ASIRI  Amélioration des sols
par les inclusions rigides“ (IREX 2012) ist die wohl derzeit umfassendste Empfehlung für die Bemessung von Baugrundverbesserungen mit „rigid inclusions“.
2.2 Regelungen für Schienenwege
Für die Gründung von Schienenwegen auf nicht ausreichend tragfähigem Untergrund, für die häufig säulenförmige Baugrundverbesserungen zur Ausführung
kommen, bestehen nationale Regelungen; in Deutschland unterscheidet das bestehenden bahnspezifischen Regelwerk für Fahrweggründungen der Deutschen
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Bahn AG, hier die Ril 836, zunächst grundsätzlich zwischen „Untergrundverbesserungsmaßnahmen“ (Modul 4202) und „Tiefgründungen“ (Modul 4203)
(Abb. 4).
Abb. 4:
Regelungen für Fahrwege der Deutschen Bahn auf pfahlartigen Tragelementen: „Verpfählungen“ und „Tiefgründungen“
Dabei sind Untergrundverbesserungen als Maßnahmen definiert, „die ein verbessertes gleichmäßiges Tragverhalten des Bodens im gesamten Ausbreitungsbereich einer Oberflächenbelastung zum Ziel haben“. Gründungssysteme, bei
denen die Einwirkungen „überwiegend“ über Einzelelemente mit und ohne Mitwirkung des umgebenden Bodens in den tieferen Untergrund abgetragen werden,
gelten indes als Tiefgründungen im Sinne des Moduls 4203, bei denen der
Nachweis der Krafteinleitung in die Einzelelemente nachzuweisen ist. Dabei ist
die Einbindung der Säulen in tragfähige Bodenschichten bzw. die Ausbildung als
„schwimmende Gründung“ das maßgebende Unterscheidungskriterium: Nach
Modul 4202 werden „Verpfählungen“ als Untergrundverbesserung verstanden,
soweit „der anstehende Untergrund durch Einbringen engstehender Pfähle oder
Säulen, in der Regel als schwimmende Gründung, in seinem Scherverhalten
anisotrop verbessert wird“. Werden durch die Pfähle oder Säulen hingegen
„planmäßig oder herstellungsbedingt Lasten in tragfähige Bodenschichten eingetragen, ist eine Tiefgründung nach den Regelungen des Moduls 4203 auszubilden“. Eine konkrete Entscheidungshilfe für die Klassifizierung fehlt indes.
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Nach Ril 836 sind für „Verpfählungen“ zugelassene oder geregelte Elemente zu
verwenden, wobei neben biegesteifen Pfahlelementen bei begrenzten Horizontallasten auch Stabilisierungssäulen zum Einsatz kommen können.
Auch für den Fall, dass die Säulen in diesem Sinne als Untergrundverbesserung
betrachten werden können, ist durch einen entsprechenden Nachweis der inneren
Tragfähigkeit nachzuweisen, dass die in den Säulen gegebenenfalls auftretenden
Querbeanspruchungen aufgenommen werden können.
Für Baugrundverbesserungen unter Ingenieurbauwerken der Deutschen Bahn
bestehen keine anerkannten bahnspezifischen Regelwerke, so dass in diesem Fall
stets Untersuchungen und Zulassungen im Einzelfall erforderlich werden.
3 Verfahren und Risiken der
Bauausführung
Für Baugrundverbesserungen mit pfahlartigen Tragelementen werden im Regelfall unbewehrte Elemente mit entsprechender axialer Steifigkeit wie Betonrüttelbzw. Rüttelortbetonsäulen, Verdrängungsbetonsäulen, CMC-Säulen o.ä. eingeTab. 1:
Vorschlag zur Klassifizierung und Abgrenzung der Risikoeinstufung
von klassischen Baugrundverbesserungsverfahren und pfahlähnlichen
Tragelementen zur Baugrundverbesserung (basierend auf Wehr &
Sondermann 2012)
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setzt, deren Ausführung nach bauaufsichtlichen Zulassungen oder unter Bezug
auf EN 12699 erfolgt; im Einzelfall können aber auch Fertigteilrammpfähle aus
Beton, Mikropfähle oder andere Pfahlsysteme eingesetzt werden.
Wehr & Sondermann (2012) entwickelten einen Ansatz zur Klassifizierung und
Abgrenzung der Risikoeinstufung von klassischen Baugrundverbesserungsverfahren und pfahlähnlichen Tragelementen zur Baugrundverbesserung, dessen
wesentlicher konzeptioneller Ansatz in Tabelle 1 zusammengefasst wird.
Danach ist insbesondere bei unbewehrten Säulen mit kleinem Durchmesser (D ≤
30 cm) und im Verhältnis zum umgebenden Boden hoher axialer Steifigkeit, also
Systemen der Kategorie C, besondere Sorgfalt hinsichtlich der Berechnung und
Bemessung geboten, da eine Fehleinschätzung der inneren Beanspruchung der
Säulen unter vertikalen und horizontalen Einwirkungen aus Bauwerkslasten und/
oder Bodenverschiebungen zu einem Versagen der Säulen und einem damit verbundenen Verlust der Gesamtstandsicherheit der Gründung führen kann. In diesem Zusammenhang ist für die Säulen auch die Sicherheit gegen Knicken zu untersuchen. Darüber hinaus ist bei der Bauausführung besonders darauf zu achten,
dass die Säulen durch Bodenhebungen, Erdarbeiten oder Baustellenverkehr nicht
unbeabsichtigt auf Querkraft oder Zug beansprucht werden und infolge dessen
abscheren oder reißen.
Die Einteilung der Säulen gemäß dieser Klassifizierung ist im Einzelfall indes
nicht eindeutig, da beispielsweise Vollverdrängungssäulen auch mit Durchmessern > 30 cm hergestellt werden können, insbesondere aber auch da die Baugrundverhältnisse und damit das Steifigkeitsverhältnis zwischen Säulen und Boden und die hieraus resultierende Lastaufteilung in dem Bewertungsschema keine
unmittelbare Berücksichtigung finden.
4 Tragverhalten von “rigid inclusions”
Das Tragverhalten von Baugrundverbesserungsverfahren mit „steifen“ Säulen
bzw. pfahlähnlichen Tragelementen ist von den Wechselwirkungen zwischen
dem direkt über Sohlspannungen in den Boden eingetragenen Lastanteil und den
durch diesen verursachten Setzungen sowie den auf die Säulen entfallenden
Lastanteil und dem hieraus resultierenden Widerstandssetzungsverhalten der
Säulen abhängig, das wiederum durch die mögliche Einbindung der Säulen in
tragfähigere, steifere Schichten beeinflusst wird.
Die das Tragverhalten einer solchen Baugrundverbesserung mit „rigid inclusions“ und lastverteilender Tragschicht prägenden Wechselwirkungen ähneln dabei
den das Tragverhalten einer Kombinierten Pfahl-Plattengründung (KPP) prägenden Interaktionseinflüssen zwischen Platte und Pfählen (Katzenbach & Moormann 2001; Nguyen & et al. 2014). So beeinflusst der direkt über Bodenpressung
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abgetragene Lastanteil das Spannungsniveau im Boden und damit die mobilisierbare Mantelreibung der Säulen.
Anders als bei einer KPP, bei der die Pfähle in aller Regel mit der meist steifen
Bodenplatte kraftschlüssig verbunden sind und bei der die Entkopplung der
Pfahlköpfe von der Bodenplatte der Ausnahmefall ist (Moormann et al. 2010;
Tradigo et al. 2015), wird das Tragverhalten von Baugrundverbesserungen mit
entkoppelten, pfahlartigen Tragelementen - zusätzlich zu den die KPP prägenden
Wechselwirkungen - durch die aus der lastverteilenden Tragschicht resultierenden Interaktionen geprägt: Diese zwischen dem Bauwerk und den Säulenköpfen
angeordnete, lastverteilende nachgiebige Schicht beeinflusst maßgeblich die
Lastaufteilung zwischen Säulen und Boden (Abb. 5) und damit das Gesamttragverhalten, wobei die dabei in der Tragschicht mobilisierte Gewölbewirkung und
die Lastkonzentration auf den Säulen (siehe Abb. 3) insbesondere von der Mächtigkeit der Tragschicht sowie von der Steifigkeit und der Scherfestigkeit des
Tragschichtmaterials abhängig ist (Briançon & Simon 2012; Eskişar et al. 2012;
Yun-min et al. 2008). Das Trag- und Verformungsverhalten der lastverteilenden
Schicht ist ferner für die Mobilisierung von negativer Mantelreibung im oberen
Bereich der Säulen verantwortlich (Abb. 5), wodurch es in den Säulen bis zur
neutralen Ebene zunächst zu einer Zunahme der inneren Normalkraftbeanspruchung kommt und der Lastabtrag in den Baugrund über (positive) Mantelreibung
und Spitzendruck erst im unteren Abschnitt der Säulen erfolgt. Die Säulen sind
dabei bezüglich ihrer äußeren Tragfähigkeit (Widerstand) in der Regel deutlich
höher ausgenutzt als bei einer konventionellen Pfahlgründung.
Abb. 5:
Tragverhalten von Baugrundverbesserungsverfahren mit pfahlähnlichen Tragelementen
Obgleich steife Säulen im Regelfall im Verdrängungsverfahren eingebracht werden, wird die herstellungsbedingte Veränderung des Spannungszustandes und der
Lagerungsdichte des zwischen den Säulen verbleibenden Bodens häufig nicht
berücksichtigt, da sowohl bei analytischen Berechnungsverfahren wie auch insbesondere bei der numerischen Simulation des Tragverhaltens einfache, aner-
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kannte Ansätze zur Berücksichtigung der herstellungsbedingten Auswirkungen
nicht zur Verfügung stehen.
In der Literatur finden sich zudem vergleichsweise wenige Fallbeispiele, in denen die Herstellungsauswirkungen und das Tragverhalten für Baugrundverbesserungen mit pfahlartigen Tragelementen experimentell unter realen Randbedingungen untersucht wurden. Suleiman et al. (2016) haben jüngst einen Feldversuch zur Untersuchung der Installationseffekte von CMC-Säulen (Controlled
Modulus Column) veröffentlicht, bei dem mit einem intensiven Messprogramm
die Spannungsänderungen und Verformungen in einem sehr weichen sandigen
Schluff (cu = 6 kN/m², Es = 2,1 MN/m²) im Umfeld einer freistehenden CMCSäule sowohl während der Säulenherstellung als auch infolge der Belastung der
(Einzel-)Säule aufgezeichnet wurde. Danach konnte nur eine geringe bleibende
Erhöhung der horizontalen Spannungen um h = 8 kN/m² gemessen werden, die
Reichweite der herstellungsbedingten Auswirkungen im Boden war auf einen
Radius von etwa 2 bis 3D von der Oberfläche Säulenschaft begrenzt.
5 Variantenstudie
Im Rahmen einer Konzeptstudie wurde das Tragverhalten von unterschiedlich
konzipierten Baugrundverbesserungen unter einem in einem Stahlbeton-Trog
geführten zweigleisigen Schienenweg, also einem Ingenieurbauwerk, untersucht.
Für die Baugrundsituation wird eine dem süddeutschen Raum entnommene Situation zu Grunde gelegt, die durch ein Zweischichtsystem mit bindigen Deckschichten weicher und steifer Konsistenz über einer als Halbfestgestein ausgebildeten steiferen Schicht geprägt ist (Abb. 6). In der nachfolgend dokumentierten
Betrachtung wird die Steifigkeit des Halbfestgesteins als ´tragfähige Schicht´ um
den Faktor 8 höher angesetzt als die Steifigkeit der bindigen Deckschichten
(Es1/Es2 = 1/8).
Untersucht werden neben einer klassischen Flachgründung eine Baugrundverbesserung mittels im Rüttelstopfverfahren (RSV) hergestellten Schottersäulen
(D = 70 cm), die in einem dreiecksförmigen Raster von e = 1,7 m angeordnet
sind, und eine Baugrundverbesserung mittels Stabilisierungs- bzw. Betonsäulen
(STS) (D = 32 cm), die ebenfalls in einem dreiecksförmigen Raster mit e = 1,7 m
angeordnet werden. Für beide Baugrundverbesserungsformen wird jeweils die
Variante einer „schwimmenden Gründung“ untersucht, bei der die Fußebene der
Säulen 1,0 m über der Oberfläche des steiferen Halbfestgesteins endet, als auch
eine Variante, bei der die Säulen 2,5 m in das Halbfestgestein einbinden. In allen
vorgenannten Varianten werden die RSV- bzw. STS-Säulen mittels einer 0,5 m
mächtigen granularen Tragschicht von der Bodenplatte des Trogbauwerks entkoppelt. Im Sinne einer Grenzbetrachtung wird zusätzlich noch eine Variante
untersucht, bei der die in das Halbfestgestein einbindenden STS-Säulen ohne
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a) Grundriss
b) Schnitt
Abb. 6:
Baugrundverbesserung mittels Säulen bzw. pfahlartigen Traggliedern
und Entkoppelung vom Bauwerk durch Tragschicht
lastverteilende Tragschicht direkt an die Bodenplatte des Trogs angeschlossen
werden.
Die Berechnungen wurden mit einem dreidimensionalen Finite-Element Modell
(PLAXIS 3D) unter Ansatz eines spannungsabhängigen elastoplastischen Stoffgesetzes (´Hardening Soil small strain´) durchgeführt.
Tabelle 2 fasst die Berechnungsergebnisse zusammen. Danach bleibt sowohl bei
dem Einsatz der RSV-Säulen als auch bei den deutlich steiferen Betonsäulen
(STS) der Charakter einer Baugrundverbesserung erhalten. Während bei Rüttelstopfsäulen der über die Säulen abgetragene Lastanteil bei 44 % bis 46 % liegt,
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Tab. 2:
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Rechnerische Ergebnisse der Variantenstudie
Setzung [cm]
Lastverteilung
Säulen / Boden [%]
mobilisierte mittlere
Säulenkraft [kN]
a) Flachgründung
4,7 cm
100 % / 0 %
-
b) RSV-Säulen ohne Einbindung + Tragschicht
2,6 cm
44 % / 56 %
68 kN
c) RSV-Säulen mit 2,5 m Einbindung + Tragschicht
2,4 cm
46 % / 54 %
72 kN
d) STS-Säulen ohne Einbindung + Tragschicht
1,7 cm
34 % / 66 %
56 kN
e) ST1S-Säulen mit 2,5 m Einbindung + Tragschicht
1,2 cm
36 % / 64 %
59 kN
f) STS-Säulen mit 2,5 m Einbindung, ohne Tragschicht
0,5 cm
81 % / 19 %
88 kN
ist dieser bei dem Einsatz von im Querschnitt deutlich kleineren, aber steiferen
Stabilisierungssäulen mit 34 % bis 36 % kleiner, so dass trotz der steiferen Säulen auch hier der größere Lastanteil von 64 % bis 66 % direkt über die Bodenspannungen abgetragen wird; der Anteil der mittragenden Wirkung des anstehenden Bodens ist also bei der Anwendung der Betonsäulen höher als bei der
Rüttelstopfverdichtung. Durch die Einbindung der Säulen in das unterlagernde
Halbfestgestein ergibt sich für beide Varianten (RSV, STS) bei den gewählten
Steifigkeitsverhältnissen keine wesentliche Beeinflussung hinsichtlich Lastverteilung und Säulenkraft.
Werden die in das Halbfestgestein einbindenden Betonsäulen ohne lastverteilende Tragschicht an die Sohle des Trogbauwerks angeschlossen, wird die mittragende Wirkung der Bodenplatte deutlich reduziert, bei dieser Variante werden bis
zu rund 81 % der Einwirkungen von den Betonsäulen aufgenommen. Dies zeigt
die maßgebliche Bedeutung einer lastverteilenden Tragschicht für die Lastaufteilung in solchen Baugrundverbesserungen mit „rigid inclusions“ und insbesondere für die Aktivierung des Lastabtrags über Bodenspannungen.
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Abb. 7:
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Rechnerische Bettungsmodulverteilung für Bodenplatte bei Einsatz
von STS-Säulen (ohne Einbindung) mit lastverteilender Tragschicht
Die Spannungsverteilung unter der Bodenplatte ist abhängig von der Mächtigkeit
und den bodenmechanischen Eigenschaften der Tragschicht, insbesondere deren
Steifigkeit, aber auch Scherfestigkeit. Dabei kommt es bei den hier gewählten
Randbedingungen bei den STS-Säulen (Abb. 7) als auch - in abgeschwächter
Form - bei den RSV-Säulen zu einer gewissen Spannungskonzentration unter
der Bodenplatte im Bereich über den Säulenköpfen, wobei die Auswirkungen auf
die Stahlbetonbemessung der Bodenplatte im Vergleich zu dem Ansatz eines
mittleren Bettungsmoduls gering sind.
Abb. 8:
Vertikalspannungen im Baugrund und im Bereich der Säulen an
Unterkante der lastverteilenden Schottertragschicht (ohne Einbindung)
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Abb. 8 verdeutlicht die Zusammenhänge durch Visualisierung der Vertikalspannungen im Baugrund und im Bereich der Säulen an der Unterkante der granularen Tragschicht. Die Lastkonzentration im Bereich des Kopfes einer Säule hängt
zum einen von der Tragwirkung der lastverteilenden Schicht und zum anderen
von dem Zusammenwirken der Steifigkeiten der am Lastabtrag beteiligten Bauwerks- und Gründungselemente sowie des Baugrunds ab. Bei den vorliegenden
Bedingungen kommt es zu sowohl für die relativ steifen pfahlartigen Betonsäulen, als auch für relativ weiche Säulen einer Rüttelstopfverdichtung zu SpanTab. 3:
Numerische Ermittlung der innere Beanspruchung der Säulen unter
horizontalen Einwirkungen aus dem Trog
innere Schnittgrößen
aus Horizontallast
in x-Richtung
innere Schnittgrößen
aus Horizontallast
in y-Richtung
resultierende
Schnittkraft
max Mx,k = 1,1 kNm
Mk = 3,5 kNm
a) Momentenbeanspruchung
max My,k = 3,3 kNm
b) zugehörige Normalkraft
zugNk
= 56 kN
zugNk
= 56 kN
c) Querkraftbeanspruchung
max Vx,k = 7,9 kN
max Vy,k = 5,2 kN
Vk = 9,5 kN
Moormann, Buhmann
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nungskonzentrationen oberhalb der Säulenköpfe. Grundsätzlich ist daher im Einzelfall zu prüfen, inwieweit bei einer durch eine Tragschicht entkoppelten Tragwerksstruktur Spannungskonzentrationen über den Säulen bzw. pfahlartigen Tragelementen bei der konstruktiven Bemessung der Bodenplatte zu berücksichtigen
sind.
Der Nachweis der äußeren Tragfähigkeit (ULS) kann bei der gewählten Konfiguration problemlos unter Vernachlässigung der Säulen erbracht werden, so dass
die Betrachtung eines Grenzzustandes unter Beteiligung der Säulen entfallen
kann.
Nachzuweisen ist jedoch die innere Tragfähigkeit der Betonsäulen (ULS), wobei
neben der axialen Belastung aus dem Trogbauwerk auch alle planmäßigen Horizontaleinwirkungen zu berücksichtigen sind, bei einem Schienenweg also üblicherweise Einwirkungen aus Anfahren und Bremsen in Längsrichtung sowie Seitenstoß und Fliehkraft in Querrichtung des Trogbauwerks. Auf Grund der komplexen Wechselwirkungen von an den Seitenwänden mobilisierten Erddrücken
und über die Bodenplatte mittels Reibung in die verdichtete granulare Tragschicht eingetragenen Horizontalkräften kann der auf die Säulen entfallende
Lastanteil nur numerisch ermittelt werden (Tab. 3). Der Nachweis der inneren
Beanspruchung der Betonsäulen kann dann für einen überdrückten unbewehrten
Betonquerschnitt unter Berücksichtigung der maßgebenden Einwirkungskombinationen erfolgen.
6 Resümee
Die vorgestellten Überlegungen und numerischen Variantenuntersuchungen zeigen die komplexen Wechselwirkungen, die das Tragverhalten von Baugrundverbesserungen mit pfahlartigen Tragelementen prägen und die Parallelen zu einer
Kombinierten Pfahl-Plattengründung (KPP) zeigen, so dass im Hinblick auf
Baugrundverbesserungen mit pfahlartigen Tragelementen unter axialer Beanspruchung im Zuge der Überarbeitung des Eurocode 7 grundsätzlich auf die entsprechenden Regelungen im Abschnitt 7 „Pfahlgründungen“ verwiesen werden
kann.
Werden die Säulen bzw. pfahlartigen Tragelemente von dem Bauwerk durch eine
lastverteilende Tragschicht entkoppelt, sind zusätzlich der hierdurch bedingte
maßgebliche Einfluss auf die Lastverteilung zwischen Säulen und Boden sowie
die initiierte negative Mantelreibung im oberen Bereich der Säulen zu berücksichtigen – zwei Wechselwirkungen, die in dieser Form bei Kombinierten PfahlPlattengründungen nicht auftreten.
Die vergleichenden Untersuchungen zu duktilen Schottersäulen und steiferen
Stabilisierungssäulen zeigt, dass nicht allein das Steifigkeitsverhältnis zwischen
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Säulen und Boden das Tragverhalten der Baugrundverbesserung beeinflusst und
dass nicht per se steifere, aber im Querschnitt dünner Säulen eine risikoreiche
Anwendung darstellen.
Die zuverlässige Beurteilung des Tragverhaltens einer Baugrundverbesserung
mittels pfahlartigen Tragelementen erfordert die Kenntnis des Tragverhaltens
und der Wechselwirkungen und damit eine entsprechend qualifizierte rechnerische Modellbildung des Gesamtsystems; hierfür eignen sich im besonderen Maße
numerische Simulationsmodelle.
Unter den für die hier dokumentierte Variantenstudie gewählten Systembedingungen ist die entkoppelnde Tragschicht ein maßgebendes Unterscheidungskriterium gegenüber einer konventionellen Pfahlgründung (siehe Vergleich Variante
e) und f) in Tab. 2). Allerdings ist dieses Kriterium für sich kein hinreichendes
Charakteristikum, da weitere Einflüsse, wie die Steifigkeiten der Bodenschichten
im Bereich der Säuleneinbindung das Tragverhalten ebenfalls maßgeblich prägen
können.
Vereinfachte Bemessungsansätze zur Abschätzung der Interaktionseinflüsse, wie
in Abb. 9 skizziert, dürften daher auch zukünftig Vorbemessungen vorbehalten
bleiben.
Abb. 9:
Ersatzmodell für vereinfachte Abbildung des Tragverhaltens einer
Baugrundverbesserung mit pfahlartigen Tragelementen und lastverteilender Tragschicht
Moormann, Buhmann
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Wichtig für alle Baugrundverbesserungen mit „steifen“ Säulen ist der Nachweis
der inneren Tragfähigkeit der Säulen unter Berücksichtigung der vertikalen und
horizontalen Einwirkungen aus Bauwerkslasten und gegebenenfalls vorhandenen
Bodenverschiebungen. Bei der Ermittlung der Querkraftbeanspruchung der Säulen ist im Regelfall die Gruppenwirkung zu berücksichtigen.
Untersuchungen von Bohn (2015) zeigen, dass herstellungsbedingte Imperfektionen und Lotabweichungen der Säulen < 3 % im Regelfall zu keinen bemessungsrelevanten Zusatzbeanspruchungen führen. Besondere Sorgfalt ist indes
geboten, um unplanmäßige (Querkraft-)Beanspruchungen der im Regelfall unbewehrten Säulen während der Herstellung zu vermeiden.
7 Literatur
Arbeitskreis 2.1 „Pfähle“ der DGGT (Hrsg.) (2001)
Richtlinie für den Entwurf, die Bemessung und den Bau von Kombinierten
Pfahl-Plattengründungen (KPP) („KPP-Richtlinie“). 2001, in: „Kombinierte
Pfahl-Plattengründungen“, Hanisch, J., Katzenbach, R., König, G. (Eds.),
Ernst & Sohn, Berlin, 2002.
Arbeitskreis 2.8 „Stabilisierungssäulen“ der DGGT (Hrsg.) (2001)
Merkblatt für die Herstellung, Bemessung und Qualitätssicherung von Stabilisierungssäulen zur Untergrundverbesserung - Teil I: CSV-Verfahren.
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