See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/244974160 Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle Article in Bautechnik · July 2007 DOI: 10.1002/bate.200710038 CITATIONS READS 4 91 2 authors, including: Patrick Becker Kempfert + Partner Geotechnik 27 PUBLICATIONS 20 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Patrick Becker on 14 August 2014. The user has requested enhancement of the downloaded file. All in-text references underlined in blue are added to the original document and are linked to publications on ResearchGate, letting you access and read them immediately. Fachthemen DOI: 10.1002/bate.200710038 Hans-Georg Kempfert Patrick Becker Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle Es werden die Grundlagen der empirischen Ableitung von axialen Pfahlwiderständen und ausgewählte Ergebnisse vorgestellt, die in die vom Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ der DGGT bearbeitete neue Empfehlung EA-Pfähle eingeflossen sind. Die durchgeführten Untersuchungen liefern empirisch weitgehend abgesicherte Spannen von Erfahrungswerten für den Pfahlspitzenwiderstand und die Pfahlmantelreibung in Abhängigkeit der Baugrundverhältnisse für die derzeit überwiegend in der Baupraxis zur Ausführung kommenden Pfahlsysteme. Die vergleichende statistische Auswertung von Probebelastungen ermöglicht eine einheitliche Beurteilung des Tragverhaltens der verschiedenen Pfahlsysteme und somit eine sichere und je nach Untersuchungsaufwand auch wirtschaftliche Ableitung der Pfahltragfähigkeiten. Background and results of derivation of axial pile resistances based on empirical values for „EA-Pfähle“. The basics of the derivation of axial pile capacity based on empirical values and selected results are presented, which are already integrated in the national German recommendations for piles „EA-Pfähle“. The study provides to a large extent a secured range of empirical values for the base resistance and the skin friction for different pile systems as a function of the soil strength. Based on comparative statistical analysis of pile load tests of different pile systems, it becomes possible to derive a consistent analysis of bearing behaviour of pile systems, which provides a safe and an economical pile bearing capacity depending on the expense of preliminary soil investigations. 1 Einleitung und Aufgabenstellung Für die Ermittlung von Pfahlwiderständen dürfen in Deutschland nach DIN 1054 erdstatische Verfahren i. d. R. nicht verwendet werden, da keine Verfahren vorliegen, die das mechanische Modell und die Herstellungseinflüsse der verschiedenen Pfahlarten zutreffend abbilden. Dem gegenüber ist das Pfahltragverhalten auf der Grundlage von Pfahlprobebelastungen auf dem Baufeld oder von vergleichbaren Probebelastungen festzulegen. Wenn keine Pfahlprobebelastungen durchgeführt werden und keine Erfahrungswerte aus unmittelbar vergleichbaren Pfahlprobebelastungen vorliegen, darf der charakteristische axiale Pfahlwiderstand des Einzelpfahls nach DIN 1054:2005-01 aus allgemeinen Erfahrungswerten bestimmt werden. Ähnliche Festlegungen finden sich in DIN EN 1997-1:2005-10 (Eurocode EC 7-1), wobei in der derzeit in Bearbeitung befindlichen Ergänzungsnorm DIN 1054:2007 und dem nationalen Anhang zum Eurocode EC 7-1 die Regelungen aus DIN 1054:2005-01 für die Anwendung in Deutschland im Wesentlichen bestätigt werden. Allerdings finden sich in den vorhandenen Pfahlnormen DIN 4026, DIN 4014, DIN 4128 bzw. die neuere DIN 1054:2005-01 Erfahrungswerte für den Pfahlwiderstand in nur sehr eingeschränkter Weise und nur für wenige Pfahlarten. Dies wurde am Fachgebiet Geotechnik der Universität Kassel zum Anlass genommen, Datenbanken mit Ergebnissen von axialen Pfahlprobebelastungen an unterschiedlichen Pfahlsystemen zu erstellen und diese vergleichend statistisch auszuwerten. Ziel war dabei, für die vom Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ der DGGT bearbeitete neue Empfehlung EA-Pfähle [1] für möglichst viele Pfahlarten vergleichende Spannen der Erfahrungswerte für Pfahlspitzenwiderstand und Mantelreibung empirisch abgesichert angeben zu können. Damit sollte ein maßgeblicher Beitrag für eine sichere und wirtschaftliche Beurteilung der Tragfähigkeit von derzeit überwiegend in der Baupraxis zur Ausführung kommenden Pfahlsystemen erreicht werden. Die EA-Pfähle [1] liegt inzwischen als 1. Auflage (2007) vor. Darin finden sich im Abschnitt 5.4 zahlreiche Tabellen mit axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für verschiedene Pfahlsysteme. In diesem Beitrag werden die verwendeten Auswertestrategien und Grundlagen zur Erarbeitung der Tabellenwerte der EA-Pfähle [1] erläutert und weitere Detailergebnisse mitgeteilt, die dem Anwender auch Hinweise über Streuungen und damit Risiken bei der Anwendung der Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten geben sollen. Die von den Verfassern für den Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ (DGGT) abschließend durchgeführten empirischen Auswertungen von statischen und teilweise auch dynamischen Pfahlprobebelastungen basieren u. a. auch auf vorlaufenden und betreuten Arbeiten von [2], [3], [4] und [5]. Die durchgeführten Untersuchungen liefern Spannen von Erfahrungswerten für den Pfahlspitzenwiderstand qb und die Pfahlmantelreibung qs in Abhängigkeit der Baugrundverhältnisse in Form des Spitzenwiderstandes der Drucksonde qc für die Festigkeiten nichtbindiger Böden und der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k bei bindigen Böden für folgende Pfahlsysteme: – Fertigrammpfähle – Ortbetonrammpfähle © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Bautechnik 84 (2007), Heft 7 441 H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle – Schraubpfähle – verpresste Verdrängungs- und Mikropfähle – Bohrpfähle Für die Bohrpfähle in Lockergestein wurde im Gegensatz zu den anderen Pfahlsystemen keine nochmalige umfangreiche empirische Untersuchung durchgeführt, sondern in Anlehnung an [6] bzw. DIN 4014:1990-03 unter Berücksichtigung der Auswerteerfahrungen mit den anderen Systemen Modifikationen vorgenommen. Zu den Angaben von Bohrpfählen in Fels s. a. [7]. Die Auswertung und Ableitung der Pfahlwiderstände von Frankipfählen enthält [8]. 2 Empirische Grundlagen und Auswertestrategien 2.1 Verwendete statistische Methoden Die verwendeten deskriptiven und analytischen statistischen Methoden zur Ableitung der Pfahltragfähigkeiten aus Erfahrungswerten werden an dieser Stelle nur skizziert, siehe hierzu u. a. [9]. Neben der deskriptiven Datenanalyse zur Strukturierung und Beschreibung des Datenmaterials unter Verwendung von Histogrammen und dem statistischen Merkmal der Standardabweichung finden die analytischen Verfahren der Korrelations- und Regressionsanalyse Anwendung. Im Rahmen der Korrelationsanalyse werden die Zusammenhänge in Form von Streudiagrammen dargestellt und mit dem Korrelationskoeffizienten qualitativ bewertet. Zusätzlich werden Vergleiche zwischen den Korrelationen verschiedener Merkmale durchgeführt. Aus dem qualitativen Zusammenhang der Korrelationsanalyse wird ein Regressionsmodell formuliert und anhand des vorliegenden Datenmaterials validiert. Die Regressionsanalyse spezifiziert bekanntlich dadurch den funktionalen Zusammenhang zwischen einer abhängigen und einer oder mehrerer unabhängigen Variablen und ermöglicht infolge iterativer Optimierung des Regressionsmodells die empirische Repräsentation großer Datenmengen und somit auch die Interpolation fehlender bzw. Prognose zukünftiger Werte. tischen aber auch dynamischen Probebelastungen erstellt, siehe Tabelle 2. Zur Ableitung der Pfahltragfähigkeiten wurden ausschließlich Probebelastungsergebnisse verwendet, die über hinreichende Baugrundaufschlüsse verfügen und somit eine zuverlässige Korrelation zwischen der Baugrundfestigkeit und den Pfahlwiderständen ermöglichen. Die aus den Projektunterlagen entnommenen Daten für die Pfahlsysteme enthalten für jede Probebelastung folgende Angaben: – allgemeine Daten (Bauvorhaben und Ort, Datum der Herstellung und der Probebelastung) – Pfahldaten (Baustoff, geometrische Abmessungen, Einbindelänge) – Daten zur Pfahlherstellung (je nach Pfahlsystem, z. B. Rammenergie) – Baugrund (Drucksondierung, Bohrprofil, Grundwasserverhältnisse) – Probebelastungsergebnisse (Widerstand-Setzungs-Linie, dynamisch ermittelte Pfahlwiderstände) 2.3 Aufbereitung der Probebelastungsergebnisse Der größte Teil der vorliegenden statischen Probebelastungen wurde nicht bis zum Grenzzustand der Tragfähigkeit geführt, sondern oberhalb der Gebrauchslast abgebrochen. Um die einzelnen Probebelastungen miteinander vergleichen zu können, ist es notwendig, eine Grenzsetzung s1 = sg festzulegen, die den Messwert des Pfahlwiderstandes im Grenzzustand der Tragfähigkeit mit R1,m = R1,m(sg) begrenzt. Als Grenzsetzung sg wird für die untersuchten Tabelle 2. Übersicht zu den verwendeten Probebelastungen verschiedener Pfahlsysteme Table 2. Overview of pile load tests of the different pile systems Pfahlsysteme 2.2 Pfahlsysteme und Datengrundlage Als Datengrundlage wurden für die verschiedenen Pfahlsysteme umfangreiche Datenbanken aus überwiegend sta- Fertigrammpfähle Variable arithmetisches Mittel Standardabweichung Ortbetonrammpfähle xi, yi x = s = 1 ◊ n n  xi Schraubpfähle i =1 1 ◊ n -1 n  (x i = x) 442 Bautechnik 84 (2007), Heft 7 2 i =1 n Korrelationskoeffizient  (x i - x) ◊ (y i - y) r = Stahlbeton und Spannbeton 121 Stahlträgerprofil (h £ 0,50 m und h/bF £ 1,5) 55 doppeltes Stahlträgerprofil 9 offenes Stahlrohr und Hohlkasten (Db £ 0,80 m) 13 geschlossenes Stahlrohr (Db £ 0,80 m) Tabelle 1. Statistische Merkmale Table 1. Statistical parameters i =1 (n - 1) ◊ s x ◊ s y Verpresste Verdrängungspfähle Verpresste Mikropfähle1) 1) Anzahl Simplexpfahl 4 70 Frankipfahl 300 Atlaspfahl 124 Fundexpfahl 52 Verpressmörtelpfahl 22 Rüttelinjektionspfahl 7 Verbundpfahl 9 Es lagen wesentlich mehr Ergebnisse vor, allerdings i. d. R. mit unvollständigen Baugrundunterlagen; bei der Auswertung wurde sich auch mit an Verpressankern orientiert. H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle Pfahlarten das inzwischen weitgehend akzeptierte Kriterium sg = 0,1 · D bzw. sg = 0,1 · Deq (1) verwendet, wobei D den je nach Pfahlsystem maßgebenden Durchmesser bezeichnet und bei nichtrunden Systemen in einen äquivalenten Ersatzdurchmesser Deq umgerechnet werden muss. Nach Festlegung der Grenzsetzung lässt sich die zugehörige Widerstand-Setzungs-Linie (WSL) mit Hilfe des Hyperbelverfahrens näherungsweise extrapolieren und somit die Tragfähigkeit R1,m abschätzen. Zur statistischen Analyse der Probebelastungsergebnisse und der Ableitung der Erfahrungswerte für Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung sind Kenntnisse über das vorliegende Aufteilungsverhältnis des Gesamtwiderstandes in den Spitzenwiderstandsanteil und den Mantelreibungsanteil notwendig. Hiermit werden die setzungsabhängigen Pfahlwiderstände der WSL für die statistische Analyse in die setzungsabhängigen Spitzenwiderstandsund Mantelreibungsanteile aufgeteilt und auf qualitative und funktionale Zusammenhänge mit den Bodeneigenschaften untersucht. Dieses Aufteilungsverhältnis kann je nach Pfahlsystem in Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens und dem Pfahlmaterial und innerhalb eines Pfahlsystems je nach den geometrischen Abmessungen der Pfähle und der Bodenart erheblich variieren. Folgende Methoden eignen sich für die Bestimmung des Aufteilungsverhältnisses: – messtechnisch überwachte Feld- oder Modellversuche – Vergleich zwischen Druck- und Zugbelastungsversuchen – dynamische Pfahltests mit Modellbildung – empirische Methoden (Hyperbelverfahren mit einer oder zwei Regressionsgeraden) Da in der Regel für die untersuchten Pfahlsysteme nicht alle Methoden zur Bestimmung des Aufteilungsverhältnisses zur Verfügung stehen oder geeignet sind, siehe auch [2], werden die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Pfahlsysteme zu einem weiteren Festlegungskriterium des Aufteilungsverhältnisses. Hierbei kommt der ingenieurmäßigen Erfahrung zum Tragverhalten der Pfahlsysteme unter Berücksichtigung der jeweiligen Herstellungsverfahren, Pfahlgeometrien und Pfahlmaterialien eine besondere Bedeutung zu. 2.4 Vorgehensweise zur Ableitung der Pfahlwiderstände Der Pfahlwiderstand R eines Pfahles setzt sich im Allgemeinen nach Gl. (2) aus der Pfahlmantelreibung Rs und dem Pfahlfußwiderstand Rb zusammen und wird in Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses der Tragfähigkeitsanteile berücksichtigt: n R = R b + Rs = qb ◊ A b +  ( q s, i ◊ A s, i ) i =1 mit Ab As,i qb qs,i Nennwert der Pfahlfußfläche Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i Pfahlspitzenwiderstand Pfahlmantelreibung in der Schicht i (2) Aufbauend auf den qualitativen Zusammenhängen zwischen Baugrundverhältnissen und Pfahlspitzenwiderstand bzw. Pfahlmantelreibung der Korrelationsanalyse wurde in Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses des jeweiligen Pfahlsystems das Regressionsmodell gebildet. In der Regressionsanalyse wurde der funktionale Zusammenhang zwischen Pfahltragfähigkeitsanteilen und Baugrundverhältnissen iterativ optimiert, bis die Differenz zwischen gemessenem und berechntetem Pfahlwiderstand zu Null wird: DR1 = mit DR1 R1,m R1,cal R1,m - R1,cal ∫ 0 R1,m (3) Differenz zwischen Messwert und Berechnungsergebnis der Gesamttragfähigkeit im Grenzzustand GZ 1 der Tragfähigkeit Messwert der Gesamttragfähigkeit aus Probebelastung Berechnungsergebnis der Gesamttragfähigkeit nach Gl. (2) 2.5 Konstruktion der Widerstand-Setzungs-Linie Zur Konstruktion der Widerstand-Setzungs-Linie wurden setzungsabhängige Erfahrungswerte für Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung abgeleitet. In Abhängigkeit der Herstellungsverfahren der Pfahlsysteme unterscheiden sich die Setzungskriterien, siehe hierzu [2], [6] und [10]. In der statistischen Auswertung wurden zunächst die Erfahrungswerte für den Grenzzustand der Tragfähigkeit ermittelt und anschließend in weiteren Auswertungsschritten die Erfahrungswerte für die setzungsabhängigen Widerstände zur Konstruktion der WiderstandSetzungs-Linie und somit zur Beschreibung des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit, siehe [1]. 3 Spannen der abgeleiteten Erfahrungswerte und Anwendungsrisiken Gemäß DIN 1054 und DIN 4020 streuen Bodenkenngrößen auf Grund entstehungsbedingter geologischer Randbedingungen erheblich. Dies gilt auch in besonderem Maße für das Pfahltragverhalten und die Pfahlwiderstände der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit, weil zu den baugrundbedingten Streuungen noch erhebliche herstellungsbedingte Einflüsse hinzukommen können. Da Erfahrungswerte für den Pfahlwiderstand in nur sehr eingeschränkter Weise und nur für wenige Pfahlarten vorliegen, wurden die Streuungen des Pfahltragverhaltens bei der statistischen Analyse durch eine Spanne des Fraktilbereiches berücksichtigt, wie in Bild 1 für den Grenzzustand der Tragfähigkeit dargestellt ist. In der vorliegenden Untersuchung wurden von den Verfassern Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für das 10 %-, 20 %- und 50 %-Fraktil abgeleitet. Für die Anwendung der Erfahrungswerte des 10 %-Fraktils bedeutet dies, dass in 90 % der Fälle die mit den Erfahrungswerten ermittelte Tragfähigkeit auf der sicheren Seite liegt bzw. die vorhandene Tragfähigkeit nicht überschreitet. Dem gegenüber werden bei der Festlegung von charakteristischen Bodenkenngrößen bekanntlich i. d. R. „vorsichtige Mittelwerte“ im Bereich des 50 %-Fraktils gewählt. Bautechnik 84 (2007), Heft 7 443 H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle bei s/D = s/Deq = 0,035 und den Bruchzustand der Mantelreibung berücksichtigt, welches hier für die Auswertung zu ssg = 0,5 · Rs1 £ 1,0 cm Bild 1. Verteilung und Fraktilbereich der erzielten Ergebnisse für Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten im Vergleich zu Probebelastungsergebnissen Fig. 1. Range of empirical values of pile resistances Auf Grund der hier dargestellten Vorgehensweise werden nach EA-Pfähle [1] die Begriffe unterer und oberer Wert für die 10 %- und 50 %-Fraktile verwendet. Der angegebene Fraktilbereich, der in Bild 1 grafisch dargestellt ist, kann je nach Probebelastungen und lokalen Randbedingungen kleiner oder auch größer ausfallen und bietet zunächst nur eine Orientierung. Die Anwendung der unteren Erfahrungswerte (Kleinstwerte) sollte nach EA-Pfähle [1] der Regelfall sein und setzt voraus, dass eine Baugrunduntersuchung in Anlehnung an DIN 4020 vorliegt. Sollten die endgültigen Baugrunduntersuchungen noch nicht zur Verfügung stehen, können die unteren Erfahrungswerte auch für Vorentwürfe Anwendung finden. Über die unteren Werte hinausgehende Pfahlwiderstände, abgestuft in Richtung der oberen Werte der Tabellen, sind nur nach ausdrücklicher Bestätigung eines Sachverständigen für Geotechnik zu verwenden. Zusätzlich sind die örtlichen Begebenheiten und Erfahrungen, sowie der spezifische Anwendungsfall im Einzelnen zu berücksichtigen. Weitere Anwendungshinweise finden sich in [1]. 4 Ableitung der Pfahltragfähigkeit von Fertigrammpfählen 4.1 Allgemeines Am Beispiel der Fertigrammpfähle wird die Ableitung der Pfahltragfähigkeiten auf empirischer Grundlage dargestellt. Hierbei werden zunächst Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton berücksichtigt. Die Anwendungsgrundlagen der Erfahrungswerte sind [1] zu entnehmen, darüber hinaus sind dort auch Anwendungsbeispiele zu den Erfahrungswerten von axialen Pfahlwiderständen auf empirischer Grundlage angegeben. Die Ergebnisse der statistischen Auswertung von Stahlprofilen – wie z. B. Stahlträgerprofile, offene Stahlrohre und Hohlkästen, geschlossene Stahlrohre – sind ebenfalls in [1] enthalten und wurden analog bestimmt, wie hier beispielhaft für Betonfertigrammpfähle dargestellt, siehe hierzu auch Abschn. 4.4. 4.2 Tragverhalten und Aufteilung der Gesamttragfähigkeit von Fertigrammpfählen In [2] wird ein Auswerteverfahren für Fertigrammpfähle vorgeschlagen, das zur Konstruktion der Widerstand-Setzungs-Linie einen setzungsabhängigen Spitzenwiderstand 444 Bautechnik 84 (2007), Heft 7 (4) modifiziert wurde. Auf der Grundlage von messtechnisch ausgestatteten statischen Pfahlversuchen, dynamischen Probebelastungen und Vergleichen zwischen Druck- und Zugbelastungsversuchen wird das auf Modellversuchen basierende Aufteilungsverhältnis nach [2] modifiziert und ein neuer Ansatz für die Festlegung der Tragfähigkeitsanteile verwendet, siehe Bild 2. Darüber hinaus ist für den Fertigrammpfahl zwischen dem Bruchzustand der Pfahlmantelreibung Rs(g) bei s = sg = ssg und einem ergänzend eingeführten und hier verwendeten Zustand der Mobilisierung der Bruchmantelreibung Rs(g*) bei s = ssg* zu unterscheiden. In Bild 2 ist in Abhängigkeit der Pfahlgeometrie das Aufteilungsverhältnis für den Mantelreibungsanteil als hier gewählten modifizierten Ansatz gekennzeichnet. Durch die Berücksichtigung eines setzungsabhängigen Mantelreibungsverlaufs ergibt sich für Fertigrammpfähle die Widerstand-Setzungslinie nach Bild 3. Die charakteristische Gesamttragfähigkeit für Fertigrammpfähle ergibt sich demnach aus R k (s ) = R b , k (s ) + R s , k (s ) n = hb ◊ q b, k ◊ A b + hs ◊  (qs, k,i ◊ A s,i ) (5) i =1 mit hb Anpassungsfaktor des Spitzenwiderstandes, hier hb = 1,0 hs Anpassungsfaktor der Pfahlmantelreibung, hier hs = 1,0 Hierbei sind folgende setzungsabhängige Widerstände zu berücksichtigen Rb,k(s = 0,035 · Deq) Rb,k(sg = 0,10 · Deq) Rs,k (s = ssg*) Rs,k (sg = ssg) mit ssg* = 0,5 · Rs,k (s = ssg*) £ 1,0 cm nach Gl. (4) Damit wurde gegenüber gebohrten Pfahlsystemen hier zusätzlich die Annahme getroffen, dass die Pfahlmantelreibung nach einer ersten Mobilisierungsgröße bei ssg* im Gebrauchszustand mit Annäherung an den Bruch bei ssg weiter ansteigt, was zu homogeneren statistischen Ergebnissen bei der Auswertung geführt hat. 4.3 Beispiele zur statistischen Analyse der Probebelastungsergebnisse Bild 4 enthält beispielhaft die aus dem Aufteilungsverhältnis resultierenden Pfahlspitzenwiderstände in Abhängigkeit des Spitzenwiderstandes der Drucksonde für nichtbindige Böden im Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1. Die qualitativen Zusammenhänge der beiden Merkmale aus der Korrelationsanalyse liefern die Grundlage für die Regressionsanalyse. H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle Die verwendeten Regressionsfunktionen zwischen den Pfahlwiderständen und den maßgebenden Baugrundverhältnissen weisen sowohl für den Pfahlspitzenwiderstand als auch für die nicht dargestellte Pfahlmantelreibung einen bilinearen Verlauf auf. Hierdurch wird zum einen der Verdichtungseffekt, der bei weniger tragfähigen Böden stärker auftritt als bei Böden mit größeren Tragfähigkeiten, und zum anderen die in dem Bereich hoher Baugrundfestigkeit vorliegende abnehmende Anzahl der untersuchten Probebelastungen berücksichtigt. a) Für die Ermittlung der Pfahlmantelreibung ist der aus dem Aufteilungsverhältnis resultierende Pfahlmantelwiderstand auf alle Bodenschichten zu beziehen. Auf diese Weise werden in der Auswertung der Probebelastungen auch geringtragfähige Bodenschichten berücksichtigt, die für die praktische Anwendung der Erfahrungswerte zu vernachlässigen sind. Die Ergebnisse für die in die EA-Pfähle [1] eingeführten unteren und oberen Erfahrungswerte im Grenzzustand der Tragfähigkeit sind in Bild 5 und die statistischen Merk- b) Bild 2. Aufteilungsverhältnis für Fertigrammpfähle a) bei Mobilisierung des Bruchzustandes der Mantelreibung; b) im Bruchzustand des Pfahls Fig. 2. Proportion of total pile capcity for driven precast piles a) at mobilisation of the skin friction up to failure state; b) at failure state of the pile system Bild 3. Idealisierte Widerstand-Setzungs-Linie für Fertigrammpfähle nach Gl. (5) Fig. 3. Idealized load-settlement-curve for driven precast piles according to eq. (5) Bild 4. Korrelationen zwischen dem Sondierwiderstand qc und dem Pfahlspitzenwiderstand qb1 aus den Pfahlprobebelastungen (gerammte Betonfertigpfähle) Fig. 4. Correlation between mean cone resistance qc and pile base resistance qb1 from the load tests (driven precast piles) Bautechnik 84 (2007), Heft 7 445 H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle a) b) c) d) Bild 5. a) Streudiagramm und b) Histogramm für die unteren Erfahrungswerte von Fertigrammpfählen in nichtbindigen Böden im GZ 1; c) und d) für die oberen Erfahrungswerte Fig. 5. a) Scatter plot and b) histogramm of the lower empirical values of driven precast piles in noncohesive soils in ULS; c) and d) upper empirical values male für das 10 %-, 20 %- und 50 %-Fraktil in Tabelle 3 dargestellt. Für die vorliegenden Probebelastungsergebnisse werden Abweichungen zwischen Messwerten und Berechnungsergebnissen der Gesamttragfähigkeit erzielt, die in einem Bereich von DR1 = 0,29 bis –2,38 % liegen. Der Korrelationskoeffizient beschreibt für den vorliegenden Datensatz mit r = 0,54 eine mittlere Korrelation. Die aus den dargestellten Auswertungen in [1] eingeflossenen Spannen der Erfahrungswerte und zusätzlich das 20 %-Fraktil für Fertigrammpfähle sind für den Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1 in den Tabellen 4 bis 7 beispielhaft angegeben. Für die zur Konstruktion der Widerstand-Setzungs-Linie erforderlichen setzungsabhängigen Widerstände und die Anwendungsgrundlagen der Erfahrungswerte wird auf EA-Pfähle [1] verwiesen. Tabelle 3. Statistische Merkmale für Betonfertigrammpfähle Table 3. Statistical parameters for driven precast piles DR1 [%] s [%] Diese Art der vergleichenden statistischen Auswertung von Probebelastungen an verschiedenen Pfahlsystemen stellt gegenüber den bisherigen Angaben nach Auffassung der Verfasser einen Fortschritt dar, da bei den verschiedenen Pfahlsystemen jeweils ein vergleichbares statistisches Niveau zugrunde gelegt wurde. Dem gegenüber sind die Tragfähigkeitsangaben der DIN 4014 für Bohrpfähle nach [6] in der Nähe der 10 %-Fraktile einzuordnen, das sog. S-Verfahren [16], das tendenziell informativ in DIN Tabelle 4. Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in nichtbindigen Böden für den Grenzzustand der Tragfähigkeit Table 4. Empirical values of characteristic base resistances qb1,k for driven precast piles in noncohesive soils in ULS Pfahlspitzenwiderstand qb1,k in kN/m2 s/Deq = 0,1 r [–] bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5 15 25 untere Erfahrungswerte (10 %-Fraktil) 0,29 22,1 0,54 10 %-Fraktil 4200 7600 8750 20 %-Fraktil –0,18 24,5 0,54 20 %-Fraktil 4500 8300 9500 obere Erfahrungswerte (50 %-Fraktil) –2,38 30,0 0,54 50 %-Fraktil 6000 10200 11500 446 Bautechnik 84 (2007), Heft 7 H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle 1054:2005-01 für Betonfertigrammpfähle eingegangen ist, orientiert sich eher an den Mittelwerten (50 %-Fraktile). 4.4 Berichtigung zu [1] Tabelle 5.5 In [1], Tabelle 5.5, finden sich Anpassungsfaktoren hb für den Spitzenwiderstand von Stahlträgerprofilpfählen. Dabei ist der Anwendungsbereich zunächst auf h/bF £ 1,5 zu begrenzen. 5 Ableitung des Pfahlspitzenwiderstandes in Geschiebemergel Auf Grund der Vielzahl an Probebelastungsergebnissen können für bestimmte Pfahlsysteme Erfahrungswerte für Tabelle 5. Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in nichtbindigen Böden für den Grenzzustand der Tragfähigkeit Table 5. Empirical values of characteristic skin friction qs1,k for driven precast piles in noncohesive soils in ULS Pfahlmantelreibung qs1,k in kN/m2 ssg = sg = 0,1 · Deq bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5 15 25 10 %-Fraktil 40 95 125 20 %-Fraktil 45 105 140 50 %-Fraktil 60 125 160 Tabelle 6. Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in bindigen Böden für den Grenzzustand der Tragfähigkeit Table 6. Empirical values of characteristic base resistances qb1,k for driven precast piles in cohesive soils in ULS Pfahlspitzenwiderstand qb1,k in kN/m2 s/Deq = 0,1 Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 100 150 250 10 %-Fraktil 600 850 1150 20 %-Fraktil 650 950 1250 50 %-Fraktil 750 1100 1500 den Pfahlspitzenwiderstand im norddeutschen Geschiebemergel angegeben werden. Die Auswertung erfolgt in gleicher Weise wie oben beschrieben, wobei für die Pfahlmantelreibung die Erfahrungswerte für bindige Böden angesetzt werden. Bild 6 enthält für Simplexpfähle, Atlaspfähle und Fundexpfähle beispielhaft die Erfahrungswerte für den Spitzenwiderstand qb,1 in Geschiebemergel für die verschiedenen Fraktilwerte, siehe auch Tabelle 8. 6 Vergleichende Bewertung der ermittelten Pfahltragfähigkeiten Im Folgenden sind einige Kriterien aus den empirischen Untersuchungen vergleichend bewertet. Zur Verdeutlichung werden in Bild 7 die zusammengefassten Ergebnisse der ausgewerteten Probebelastungen (R1,m) und die aus den statistischen Untersuchungen abgeleiteten Erfahrungswerte (R1,cal) der verschiedenen Pfahlsysteme gegenübergestellt. Vergleicht man die Spitzenwiderstände der einzelnen Pfahlsysteme in Bild 8a untereinander, so lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Art der Pfahlherstellung und der Systeme sowie deren Tragfähigkeiten erkennen. Rammpfähle haben im Allgemeinen einen größeren Spitzenwiderstand, da infolge des Einrammens in den Baugrund eine Verdrängung und Verdichtung des Bodens unterhalb der Pfahlspitze erfolgt. In nichtbindigen Böden Tabelle 8. Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k für den Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1 in Geschiebemergel Table 8. Empirical values of characteristic base resistances qb1,k in boulder clay in ULS Pfahlspitzenwiderstand qb1,k in kN/m2 s/Deq = 0,1 Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 100 150 250 Simplexpfahl 3400–3700 5400–5700 6600–7000 Atlaspfahl 1500–2700 2250–3500 3000–4250 Fundexpfahl 2600–4000 4200–5500 5300–6500 Tabelle 7. Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in bindigen Böden für den Grenzzustand der Tragfähigkeit Table 7. Empirical values of characteristic skin friction qs1,k for driven precast piles in cohesive soils in ULS Pfahlmantelreibung qs1,k in kN/m2 ssg = sg = 0,1 · Deq Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 60 150 250 10 %-Fraktil 20 40 55 20 %-Fraktil 25 50 65 50 %-Fraktil 35 60 80 Bild 6. Pfahlspitzenwiderstand in Geschiebemergel Fig. 6. Pile base resistance in boulder clay Bautechnik 84 (2007), Heft 7 447 H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle können für Fertigrammpfähle und Simplexpfähle infolge des vergleichbaren Herstellungsverfahrens beider Pfahlsysteme einheitliche Erfahrungswerte angegeben werden. a) Dem gegenüber weisen die Rammpfähle im Unterschied zu anderen Pfahlsystemen eine geringere Bruchmantelreibung auf, siehe Bilder 8b und 9. b) Bild 7. a) Vergleich der Gesamttragfähigkeiten (Symbole = Mittelwerte) und b) mittlere Aufteilungsverhältnisse der verschiedenen Pfahlsysteme aus den untersuchten Pfahlprobebelastungen Fig. 7. a) Comparison of the total load capacities (symbols = average values) and b) the mean proportion of the base and shaft resistances for the different pile systems a) b) Bild 8. Obere und untere Erfahrungswerte für a) Pfahlspitzenwiderstand und b) Bruchmantelreibung in nichtbindigen Böden Fig. 8. Upper and lower empirical values of different piles in noncohesive soils for a) base resistance and b) skin friction a) b) Bild 9. Untere Erfahrungswerte der Bruchmantelreibung in a) nichtbindigen Böden und b) bindigen Böden Fig. 9. Lower empirical values of skin friction for different piles in a) noncohesive soils and b) cohesive soils 448 Bautechnik 84 (2007), Heft 7 H.-G. Kempfert/P. Becker · Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle Der Verdrängungs- und Verdichtungseffekt des Herstellungsverfahrens von Fundexpfählen, die durch eine drehende und drückende Bewegung abgeteuft werden, führt im Vergleich zu den gerammten Simplexpfählen zu etwas geringeren Erfahrungswerten des Pfahlspitzenwiderstandes. Beide Pfahlsysteme verfügen über eine Pfahlspitze mit Überstand, die nach dem Abteufen als verlorene Spitze im Boden verbleibt. Der Überstand der Pfahlspitze verursacht beim Herstellungsvorgang eine anfängliche Auflockerung des Baugrunds im Pfahlschaftbereich und führt zu einer Reduzierung der Pfahlmantelreibung. Der Schneidkopf des Atlaspfahls wird als Schraubpfahl analog zu dem Fundexpfahl mit einer drehenden und drückenden Bewegung in den Boden eingebracht. Durch die schraubenförmige Ausbildung des Pfahlschaftes können höhere Erfahrungswerte der Mantelreibung erzielt werden. Bohrpfähle und Teilverdrängungsbohrpfähle weisen auf Grund des Bohrvorgangs und der damit verbundenen Entspannung des Bodens im Pfahlfußbereich im Unterschied zu den übrigen Pfahlsystemen einen geringeren Pfahlspitzenwiderstand auf. Die vollständigen Angaben der Tabellen für alle ausgewerteten Systeme finden sich in [1]. 7 Zusammenfassung und Danksagung Die durchgeführten Untersuchungen liefern empirisch weitgehend abgesicherte Spannen von Erfahrungswerten für den Pfahlspitzenwiderstand und die Pfahlmantelreibung in Abhängigkeit der Baugrundverhältnisse für die derzeit in der Baupraxis überwiegend zur Ausführung kommenden Pfahlsysteme. Die vergleichende statistische Auswertung von Probebelastungen ermöglicht eine einheitliche Beurteilung des Tragverhaltens der verschiedenen Pfahlsysteme und somit eine sichere und je nach Aufwand für die geotechnischen Voruntersuchungen auch wirtschaftliche Ableitung der Pfahltragfähigkeiten. Dabei wird allerdings die Unsicherheit größer, je stärker die Herstellungseinflüsse auf die Tragfähigkeit sind, z. B. verpresste Mikropfähle. Die vorliegenden Ergebnisse und die beschriebenen Grundlagen der empirischen Ableitung von axialen Pfahlwiderständen sind in die vom Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ der DGGT bearbeiteten neuen Empfehlung EA-Pfähle eingeflossen. Auf die in Abschn. 4.4 aufgeführte Berichtigung zu [1], Tabelle 5.5 wird nochmals hingewiesen. Für bestimmte Pfahlsysteme werden Erfahrungswerte für den Pfahlspitzenwiderstand in Geschiebemergel angegeben. Darüber hinaus werden in [8] die Grundlagen der Auswertung an klassischen Ortbetonrammpfählen System Franki dargelegt, deren Tragfähigkeitsangaben sich ebenfalls in der EA-Pfähle finden. Die Verfasser bedanken sich bei allen Firmen und Institutionen, die Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen für die Auswertung zur Verfügung gestellt haben. Dies waren besonders Franki Grundbau GmbH & Co KG, Hamburg Port Authority, Centrum Pfähle GmbH, Grundbauingenieure Steinfeld und Partner GbR und BSU-Prüfstelle für Baustatik, Hamburg. Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, dass die in EA-Pfähle aufgeführten Bedingungen für die Anwendung der Spannen der Erfahrungswerte der Pfahltragfähigkeiten sorgfältig eingehalten werden sollten und re- gionale Erfahrungen mit zu berücksichtigen sind. Dazu empfiehlt sich i. d. R. immer die Einschaltung eines Sachverständigen für Geotechnik, was auch die DIN 1054 sinngemäß fordert. Literatur [1] EA-Pfähle: Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT), Arbeitskreis 2.1. Berlin: Ernst & Sohn, 2007. [2] Witzel, M.: Zur Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von vorgefertigten Verdrängungspfählen in bindigen und nichtbindigen Böden. Universität Kassel, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 15, 2004. [3] Melchin, G.: Auswertung von Pfahlprobebelastungen an Frankipfählen und Ableitung von Erfahrungswerten der Pfahlwiderstände. Universität Kassel, Institut für Geotechnik und Geohydraulik, Diplomarbeit, 2005. [4] Käding, F.: Statistische Auswertung der Tragfähigkeiten unterschiedlicher Pfahlsysteme und vergleichende Analyse in einem Gesamtkonzept zum Tragverhalten von Pfahlsystemen. Universität Kassel, Institut für Geotechnik und Geohydraulik, Diplomarbeit, 2005. [5] Werner, S.: Statistische Auswertung zum Tragverhalten von Pfahlsystemen und numerische Sensibilitätsanalyse zum Tragverhalten im Pfahlnahbereich. Universität Kassel, Institut für Geotechnik und Geohydraulik, Diplomarbeit, 2006. [6] Elborg, E.-A.: Verbesserung der Vorhersagbarkeit des LastSetzungsverhaltens von Bohrpfählen auf empirischer Grundlage. Technische Hochschule Darmstadt, D 17, 1993. [7] Moormann, C.: Pfahlverhalten in festen und veränderlich festen Gesteinen. Universität Kassel, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 18 (2005), S. 257–280. [8] Kempfert, H.-G., Brieke, W., Becker, P.: Axiale Pfahlwiderstände von Frankipfählen aus Erfahrungswerten. Bautechnik (in Vorbereitung). [9] Hartung, J., Elpelt, B., Klösener, K.-H.: Statistik, Lehr- und Handbuch der angewandten Statistik. 13. Auflage. München: Oldenbourg, 2002. [10] Bruns, T.: Untersuchung des Tragverhaltens von Ortbetonschraubpfählen. Universität Hannover, Mitteilungen des Instituts für Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau (IGBE), Heft 48, 1998. [11] Ebener, H.: Über die Tragfähigkeit von Stahlbetonpfählen. Hamburg, 1960. Forschungsbericht. Forschungsprojekt III B1-4115 Nr. 36 im Auftrag des Bundesministeriums für Wohnungswesen, Städtebau und Raumordnung. [12] Petermann, H., Lackner, E., Schenck, W.: Tragfähigkeit von Pfählen – Großversuche und ihre Auswertung. Berichte aus der Bauforschung, Heft 49, Berlin, 1967. [13] De Beer, E., De Jonghe, A., Carpentier, R., Hever, M., Scholtes, P.: H Steel Piles in dense sand. Proceedings of the 10th ICSMFE, Stockholm (1981), pp. 693–698. [14] Kempfert, H.-G., Becker, P.: Universität Kassel, Institut für Geotechnik und Geohydraulik: Ableitung von Spitzenwiderstand und Mantelreibung vertikal belasteter Spundwände und Großrohrpfähle für die Anwendung im Hafenbereich. Kassel, 2005. Forschungsbericht – unveröffentlicht. [15] Centrum Pfähle GmbH: Probebelastung – Vergleich zwischen statischer und dynamischer. Hamburg. Firmenprospekt. [16] Schröder, E.: S-Verfahren: Zur Abschätzung der äußeren Tragfähigkeit (Grenzlast) von gerammten Betonfertigpfählen in nichtbindigen Böden. Hamburg, 1996 – unveröffentlicht. Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Hans-Georg Kempfert, Dipl.-Ing. Patrick Becker, Universität Kassel, Institut für Geotechnik und Geohydraulik, Fachgebiet Geotechnik, Mönchebergstraße 7, 34125 Kassel Bautechnik 84 (2007), Heft 7 View publication stats 449