12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 319 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach Dipl.-Ing. Almuth Große GuD Geotechnik und Umweltgeologie GmbH, Leipzig, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Kurt-M. Borchert GuD Geotechnik und Dynamik Consult GmbH, Berlin, Deutschland Zusammenfassung Aufgrund unerwarteter Setzungen und nach Auswertung ergänzender Baugrundaufschlüsse war die Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit der EÜ Füllbach nicht mehr gegeben. Zur Wiederherstellung wurde eine Baugrundverbesserung im Bereich des Pfahlmantels und Pfahlfußes mittels Zementinjektion nach DIN EN 12715 und DIN SPEC 18187 geplant und ausgeführt. Bei Probebelastungen an Probepfählen konnte nach Ausführung der Injektionen eine Tragfähigkeitserhöhung von 70 % bis 100 % bei den Pfählen nachgewiesen werden. Durch die im Bereich der Pfahlgründung des Bauwerks ausgeführten Hebungsinjektionen konnten auch die eingetretenen Setzungen zurückgeführt werden. 1. Einleitung Im Jahr 2013 wurden unerwartete Zustandsveränderungen (Setzungen) an der EÜ Füllbach nach Hinterfüllung der Widerlager und der Dammschüttung festgestellt. Die Setzungen betrugen an den Widerlagerwänden zwischen 10 und 30 mm und am Ende der Flügelwände zwischen 30 und 80 mm sowie an den Pfeilern zwischen 9 und 13 mm. Ergänzende Baugrunduntersuchungen und Berechnungen ergaben, dass die noch aus den Ausbaulasten des Bauwerkes und den Verkehrslasten zu erwartenden Verformungen größer wären als für den Überbau und die Lager etc. verträglich. Nach diesen Berechnungen war ein Teil der Pfähle vor dem geplanten Einbau der Gleise für den Bahnbetrieb bereits an der Grenze der Gebrauchstauglichkeit. Für einige Pfähle konnte unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse aus den ergänzenden Baugrunduntersuchungen keine ausreichende Standsicherheit nachgewiesen werden. Die Aufgabenstellung für das von August 2016 bis Mai 2017 laufende Projekt war, eine Sanierungsmaßnahme zu planen und in der Bauausführung zu überwachen. Damit sollte die Standsicherheit der Gründung wiederhergestellt und die geforderte Gebrauchstauglichkeit wieder gewährleistet werden. Dies sollte primär durch eine Ertüchtigung des Baugrundes und ohne bauliche Eingriffe an dem Bauwerk selbst erfolgen. 2. Ausgangssituation 2.1 Baugrund- und Grundwasserverhältnisse Das Bauwerk liegt am Nordrand der süddeutschen Großscholle, die aus Gesteinen des Mesozoikums besteht. Der tiefere Untergrund wird von Tonstein, der Lehrbergschichten und von Sand-, Schluff- und Tonstein des Schilfsandstein gebildet. Bei den im Labor untersuchten Proben aus dem zersetzten und entfestigten Festgestein wurde ein geringes Wasseraufnahmevermögen festgestellt, woraus auf eine geringe Quellneigung zu schließen ist. Die oberflächennahen Schichten, werden durch Flusssand/ -kies mit hohen bindigen und teilweise organischen Anteilen sowie Auelehm mit weicher bis steifer, teils breiiger Konsistenz gebildet. Die ursprünglich als Felszersatz-/ Felsentfestigungszone bezeichnete Schicht wurde in einer nach Eintritt des Schadens im Jahr 2013 ausgeführten ergänzenden Baugrunduntersuchung in die Felszersatzzone und die Felsentfestigungszone unterteilt, dabei wurde die Schichtunterkante der entfestigten Zone tiefer erkundet als in dem der Planung zugrundeliegenden Baugrund- und Gründungsgutachten. Das sich daraus ergebende Baugrundmodell ist in Bild 1 dem der Planung zugrundeliegenden Modell (grüne Linien) gegenübergestellt. 320 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach Bild 1: Längsschnitt der Brücke und Baugrundmodelle Der angewitterte Fels besteht aus einer Wechsellagerung von Sand-, Ton- und Schluffstein. Da die bis dato ausgeführte Baugrunduntersuchung keine Angaben zum Trennflächengefüge im Festgestein, wie die Raumstellung, die Anzahl, die Öffnungsweiten und die Füllung der Trennflächen beinhalteten, erfolgten bei der im Jahr 2016 ergänzenden Baugrunduntersuchung geophysikalische Untersuchungen im Bohrloch, wie Kaliber- und Dichtemessungen und ein akustischer Bohrlochscan. Die für die Schichtung ermittelten Einfallwinkel sind überwiegend söhlig, liegen zwischen 0° und 10°. Die der Klüfte schwanken zwischen 20° und 90°. Den oberen Grundwasserleiter bildet die Schicht 2, Flusssand/ -kies. Der Grundwasserstand wurde bei der Baugrunderkundung in einer Tiefe von 3,0 m bis 3,6 m unter Gelände, das sind etwa 283,6 m NN und 284,6 m NN, angetroffen. Bei einer Kernbohrung wurde in der Felszersatzzone in 7,0 m Tiefe unter Gelände, bei etwa 280,2 m NN, ein zweiter Grundwasserleiter angetroffen. Das Grundwasser in diesem Grundwasserleiter war gespannt. Aus der Beobachtung einer in der Nähe gelegenen Messstelle war der höchste Grundwasserstand bei 287,4 m NN anzusetzen und damit in Höhe der Geländeoberkante. Die Untersuchung der Wasserprobe nach DIN 4030 ergab einen starken Betonangriff aufgrund des Sulfatgehaltes. Bild 2: Draufsicht Bauwerk, Quelle: IGL, Putz + Partner Außerdem wurden Pumpversuche im Festgestein durchgeführt. Diese ergaben Durchlässigkeiten zwischen 2 und 5 x 10 -5 m/ s. Die mit diesem WD-Test ermittelten Lugeonwerte liegen zwischen 17 LU und 480 LU. 2.2 Bauwerk Das Bauwerk wurde von Mitte 2007 bis Ende 2008 zur Anbindung der Stadt Coburg an das Verkehrsprojekt Deutsche Einheit Nr. 8 (VDE 8, Berlin - München) errichtet. Es überführt das Gleis der südlichen Verbindungskurve über den Füllbach, westlich der Gemeinde Niederfüllbach. Diese Anbindungsstrecke war zum Zeitpunkt der Sanierungsmaßnahme noch nicht im Betrieb. Die Gleise auf dem Bauwerk waren noch nicht verlegt. Das Bauwerk hat eine Länge von 110,2 m, der Überbau ist 7,17 m breit. Statisch handelt es sich um einen vorgespannten fünffeldrigen Durchlaufträger, mit massivem Plattenquerschnitt. Die Stützweite der beiden Endfelder beträgt 15 m, die der drei Mittelfelder 20 m, Bild 2. In den Achsen 10 bis 50 liegt der Überbau auf Elastomer- und in der Achse 60 auf einem Verformungsgleitlager. In der Achse 10 befindet sich die Längsfesthaltung. Aufgrund der oberflächennah anstehenden, nicht tragfähigen Böden wurde die Gründung der Brückenauflager über Bohrpfähle geplant und ausgeführt. Die Pfählen wurden 10: 1 geneigt an den Pfeilern und sowohl 8: 1 geneigt als auch lotrecht an den Widerlagern geplant und 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 321 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach hergestellt. Entsprechend der Planung wurden Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 90 cm und Pfahllängen zwischen 11,0 m und 13,5 m hergestellt. Die Einbindung der Pfähle sollte planmäßig in dem angewitterten Felshorizont erfolgen. Dabei war nach der statischen Bemessung eine Mindesteinbindung von 1,0 m vorgesehen. Die ergänzenden Baugrunduntersuchungen 2013 und 2016 ergaben jedoch, dass der Fels, in den die Pfähle einbinden, entfestigt ist. An einer Widerlager- und der benachbarten Pfeilerachse wurde unterhalb des Pfahlfußes eine in den entfestigten Fels eingelagerte Schicht aus bindig zersetztem Fels angetroffen, die ausgeprägte Lockergesteinseigenschaften aufwies. 3. Lösungsansätze für die Gründungssanierung 3.1 Düsenstrahlverfahren Bei den vorangegangenen Untersuchungen war als mögliche Sanierung vorgeschlagen worden, eine Baugrundverbesserung in den nicht bis gering tragfähigen Böden, Auelehm bzw. Flusssand/ -kies unterhalb der Pfahlkopfplatten mittels Düsenstrahlverfahren anzuwenden. Durch die Verbesserung dieser Schicht sollte die Zusammendrückbarkeit reduziert bzw. aufgehoben werden und somit der zusätzliche Lasteintrag durch negative Mantelreibung aus diesen Schichten zurückgesetzt werden. Prinzipiell ist die Anwendung des Düsenstrahlverfahrens in dem anstehenden Auelehm und dem Flusssand/ -kies möglich. Allerdings lagen zum Auelehm und Flusskies keine Untersuchungsergebnisse aus den bis dato ausgeführten Baugrunduntersuchungen zum organischen Anteil vor. Für den Flusssand/ -kies wurde in den Baugrund- und Gründungsgutachten ein Glühverlust von 4 % angegeben. Um letztendlich das erforderliche Düsenstrahlverfahren und die Herstellparameter festzulegen, wären sowohl ergänzende Baugrunduntersuchungen zum organischen Anteil dieser beiden Schichten als auch Probesäulen erforderlich geworden. Des Weiteren ergaben die Voruntersuchungen, dass die Herstellung der Düsenstrahlkörper unter den Pfahlkopfplatten ohne ein Durchbohren dieser Bauteile nur eingeschränkt möglich ist. Eine Randbedingung für die Planung war, dass in das bestehende Bauwerk in keiner Weise baulich eingegriffen wird. Die Bilder 3 und 4 zeigen die mögliche Anordnung der Düsenstrahlkörper in den Pfeilerachsen. Bild 2: Draufsicht Bauwerk, Quelle: IGL, Putz + Partner Bild 3: Draufsicht Pfeiler Bild 4: Schnitt Pfeiler Als eine weitere Möglichkeit der Baugrundverbesserung wurde die Erhöhung der äußeren Tragfähigkeit der Gründungspfähle durch die Herstellung von Düsenstrahlkörpern in der Verwitterungszone des Felses betrachtet. Um in dieser Schicht die Baugrundverbesserung mittels DSV-Körpern herzustellen, wäre ein Aufdüsen des entfestigten Felses erforderlich gewesen. Bei diesem Bodenhorizont handelt es sich jedoch um eine Wechsellagerung aus Sand-, Schluff- und Tonstein. Der Verwitterungsgrad wechselt zwischen zersetzt bis entfestigt, wobei auch 322 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach angewitterte Bereiche erkundet wurden. Zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens und der erreichbaren Durchmesser der Düsenstrahlkörper wären Probesäulen in dieser Schicht erforderlich. Aufgrund der großen Tiefenlage dieser Schicht > 10 m bei den Pfeilern bzw. > 17 m an den Widerlagern war ein Freilegen der Probesäulen zur Durchmesserbestimmung, der Untersuchung der erreichbaren Homogenität und der Druckfestigkeit nicht möglich. Hierfür wären Kernbohrungen in großem Umfang erforderlich gewesen, die von der Geländeoberkante hätten ausgeführt werden müssen. Da diese Baugrundverbesserung im unmittelbaren Lastabtragungsbereich der Pfähle ausgeführt worden wäre, hätte diese zwangsläufig zu Störungen im Lastabtrag geführt. Zur Minimierung des Einflusses hätten die Durchmesser der Düsenstrahlkörper so klein gewählt werden müssen, dass der Baugrund nur an einem Teil des Pfahlmantels bzw. Pfahlfußes gestört wird. Nach der ermittelten Auslastung der Pfähle wurde von maximal einem Viertel des Pfahlquerschnittes ausgegangen, in dem eine Störung tolerierbar gewesen wäre. 3.2 Injektion Als Alternative wurde eine mehrstufige Manschetteninjektion um den Pfahlmantel und unterhalb des Pfahlfußes zur Baugrundverbesserung untersucht. Bei der zu verbessernden Schicht handelte es sich um den entfestigten Fels. Die Injektion sollte überwiegend in den Klüften erfolgen, die teilweise oder vollständig mit Ton befüllt waren. Somit war davon auszugehen, dass der anstehende Baugrund nur z. T. mit der auf Zement basierenden Suspension penetriert wird und die Poren/ Klüfte gefüllt werden. Zur Abschätzung des vorliegenden möglichen Injektionsvolumens wurde der Anteil der Trennflächen, die injiziert werden können, basierend auf den Ergebnissen der bohrlochgeophysikalischen Messungen prozentual über die Tiefe ermittelt. Dabei wurde die Anzahl der Trennflächen je Meter mit einer Öffnungsweite von 5 mm angesetzt. Berücksichtigt wurden hierbei sowohl die offenen als auch die geschlossenen Klüfte, da nach der Bohrkernansprache die Füllung der Klüfte teils aus weichem bis steifem Ton bestand, der im Rahmen der Injektion ggf. verdrängt hätte werden können. Außerdem wurden die in der Geophysik detektierten Schwächezonen der Schichtung mit herangezogen. Im Bild 5 ist exemplarisch das sich daraus ergebenden Balkendiagramm für eine der vier Aufschlussbohrungen dargestellt. Bild 5: Trennflächenanteil der Bohrung BK 1/ 16 Insgesamt lag der Trennflächenanteil zwischen 0,5 % und 13,5 %, wobei der Anteil der offenen Trennflächen und der Schwächezonen in der Schichtung zwischen 0,5 % und 12,5 % liegt. Der Anteil der offenen Klüfte schwankt bei den Aufschlussbohrungen über die Tiefe stark. Es werden Bereiche detektiert, in denen keine offenen Klüfte bei der Geophysik erkundet worden sind. Der Anteil der Schwächezonen in der Schichtung hingegen ist relativ gleichmäßig über die untersuchte Tiefe. 3.3 Vergleich der beiden Varianten Für die Injektionen nach DIN EN 12715 lag keine eisenbahntechnische Zulassung vor. Es war ein CSM-Verfahren in Abstimmung mit dem Eisenbahnbundesamt und den beteiligten EBA-Prüfingenieuren erforderlich. Für die Ausführung der Düsenstrahlsäulen im entfestigten Fels gilt die vom DIBt vorliegende Zulassung nicht. Auch hier wäre eine ZiE bzw. das CSM-Verfahren notwendig gewesen. Bei der Betrachtung der Verfahrensrisiken wurde eingeschätzt, dass mit dem Injektionsverfahren im entfestigten Fels das Tragverhalten des Bauwerks geringer beeinflusst wird als durch das Düsenstrahlverfahren. Bei einer Ausführung des Düsenstrahlverfahrens war mit Verformungen am Bauwerk zu rechnen, die aufgrund der bereits festgestellten Setzungen bzw. Setzungsdifferenzen zwischen den Widerlagern und den Pfeilern weitestgehend auszuschließen waren. Die mögliche Erhöhung der Tragfähigkeit durch Injektionen ist durch Probebelastungen nachweisbar und durch Folgeinjektionen können Hebungen des Bauwerkes kontrolliert ausgelöst und damit Setzungen ausgeglichen werden. Der Vergleich der Vor- und Nachteile sowie Risiken und Kosten unter Einbeziehung der Umweltbelange (Einzugsbereich Biber) ergab als Vorzugsvariante die Baugrundverbesserung im Bereich des Pfahlmantels und des Pfahlfußes mittels Injektion nach DIN EN 12715 im Zusammenhang mit DIN SPEC 18187. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 323 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach 4. Probefelder 4.1 Übersicht Es wurden zwei Probefelder ausgeführt. Im Probefeld I erfolgte durch Probeinjektionen eine Verifizierung des ausgewählten Einpressstoffes bzw. Injektionsgutes bzw. der Injektionsparameter sowie die Ermittlung der möglichen Reichweite der Injektion. Basierend auf den Erkenntnissen aus den Probeinjektionen wurde das Injektionsregime festgelegt, dass in einem zweiten Probefeld, Probefeld II, an Probepfählen ausgeführt wurde. 4.2 Injizierbarkeit Im Januar 2017 wurden die Probeinjektionen im Probefeld I ausgeführt. Dabei erfolgte zur Variation der Anordnung und Art der Manschettenrohre sowie der Injektionsparameter eine weitere Unterteilung in vier Probefelder I-1 bis I-4. Der Abstand der Injektionsstufen wurde zwischen 0,5 m und 0,33 m variiert. Als Injektionsgut kam Blitzdämmer 750 der HeidelbergCement AG zum Einsatz. Die Abbruchkriterien für die Probeinjektionen waren zum einen ein maximaler Druck von 25 bar und zum anderen ein maximales Volumen, das auf Basis einer angenommenen Reichweite von 0,5 m und dem bei den geophysikalischen Untersuchung ermittelten Trennflächenanteil von 10 % bzw. 30 % festgelegt wurde. Das Abbruchkriterium war generell das Erreichen des vorgegebenen maximalen Volumens des eingebrachten Injektionsgutes. Ein Druckanstieg nach dem Aufspringen der Mantelmischung wurde bis zum Erreichen des maximalen Volumens nicht festgestellt. Damit wurde nachgewiesen, dass der entfestigte Fels injizierbar ist und die Baugrundverbesserung in der geplanten Form ausgeführt werden konnte. Des Weiteren erfolgte in einzelnen Injektionsbohrungen eine erste Nachinjektion, als Phase 2 bezeichnet, sowie eine zweite Nachinjektion, als Phase 3 bezeichnet. Bei diesen Nachinjektionen wurden die Pumpraten variiert. Bei den Nachinjektionen konnten zwar die vorgegebenen Mengen injiziert werden, es musste aber der Druck mit jeder Phase erhöht werden, um die vorgegebene Pumprate. zu erreichen. Daraus konnte auf eine mit jeder Injektionsphase voranschreitende Füllung der Kluftkörper geschlussfolgert werden. Zur Überprüfung des Injektionserfolges wurden Kernbohrungen im Bereich der Probefelder I ausgeführt. Ab einer Tiefe von 10 m unter Gelände wurden Kerne aus dem entfestigten injizierten Fels mittels Seilkernbohrung entnommen. Die entnommenen Kerne wurden in Kernkisten ausgelegt und bemustert. Anhand der Bohrungen konnte festgestellt werden, dass die geplante Reichweite von 0,5 m mit dem gewählten Injektionsgut und den Injektionsparametern erreichbar ist. Bei einem Stufenabstand von 33 cm und einer Nachinjektion war der Anteil der verfüllten Trennflächen am höchsten. Auf Basis der bei den Probefeldern I gewonnenen Ergebnisse wurden folgende Randbedingungen für die Injektion an den Probepfählen festgelegt: - Reichweite der Injektion 0,5 m (zur Anordnung der Manschettenrohre) - Manschettenrohr mit einem Stufenabstand von 33 cm - Eindringinjektion mindestens zwei Phasen - maximales Injektionsvolumen je Phase 30 l/ Stufe - Pumprate von ≤ 2,5 l/ min 4.3 Tragfähigkeit Zur Bestimmung der Tragfähigkeitserhöhung durch die Injektion waren noch vor den Probeinjektionen vier Probepfähle hergestellt worden. Diese wurden an den Widerlagern in Achse 10 und Achse 60 angeordnet, da dort bislang die größten Verformungen eingetreten waren. Die Maße der Probepfähle sowie der Baugrundrandbedingungen entsprachen den vorhandenen Bauwerkspfählen, so dass hierdurch die Bedingungen der späteren Nachrechnungen repräsentativ berücksichtigt wurden. Der Nachweis der Pfahltragfähigkeit erfolgte durch dynamische und eine statische Pfahlprobebelastung gemäß EA Pfähle. Um die durch die Injektionen erreichbare Tragfähigkeitserhöhung quantifizieren zu können, war es erforderlich, zunächst die Tragfähigkeit der Pfähle im unverbesserten Baugrund festzustellen. Deshalb wurde zuerst an allen vier Probepfählen eine dynamische Probebelastung ausgeführt und die erreichbare Traglast ermittelt. Kriterium hierfür war eine Verformung des jeweiligen Probepfahles von mindestens 3 mm. Nach der Ausführung der ersten beiden Phasen, die Phasen 1 und 2 der Eindringinjektion an den Pfählen B, C sowie D und einer Aushärtezeit der Injektion von ca. 14 Tagen wurde erneut an allen vier Probepfählen eine dynamische Probebelastung ausgeführt. Der Pfahl A, an dem keine Injektionen ausgeführt wurden, wurde als Referenzpfahl erneut belastet, um einschätzen zu können, inwieweit durch die vorangegangene Probebelastung und der damit verbundenen Verformungen eine Erhöhung der Tragfähigkeit eingetreten ist. Nach der letzten Injektionsphase (Phase 3), wurden alle vier Pfähle erneut probebelastet. Zur Erfassung des Tragverhaltens wurde je Test ein Pfahl-Boden-Modell mit dem erweiterten Verfahren der Systemidentifikation CAPWAP (CASE Pile Wave Analysis Program), Version 2014 von Pile Dynamics Inc., USA, erstellt. Mittels einer vollständigen Modellbildung auf Grundlage der eindimensionalen Wellentheorie und Annahmen für den Bodenwiderstand wurde dabei das dynamische Verhalten des Pfahls unter der Stoßeinleitung berechnet. Anschließend erfolgte die Untersuchung des Pfahl-Boden-Modells in Hinsicht auf sein Last-Verformungsverhalten unter statischer Belastung, wobei zeitabhängige Effekte („Kriechen“) prinzipiell nicht berücksichtigt wurden. Im Ergebnis liegt bi diesem Vorgehen u. 324 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach a. die statische Tragfähigkeit, aufgeteilt in Spitzendruck und in Mantelreibungsverteilung über die Tiefe, vor. Für die Kalibrierung der CAPWAP-Modelle der ausgeführten dynamischen Probebelastungen und zur genaueren Untersuchung des Verformungsverhaltens der Pfähle nach der Baugrundverbesserung wurde nach der dritten dynamischen Probebelastung eine statische Probebelastung am Pfahl B ausgeführt. Die Belastung erfolgte zentrisch und axial mittels Hydraulikzylinder. Bezüglich der Instrumentierung wurde das Kriterium „hohe Anforderungen“ gemäß EA-Pfähle (2. Auflage) zugrunde gelegt. Das heißt, es erfolgte eine separate Erfassung des Pfahlfußwiderstandes und der Längsverteilung der Pfahlmantelreibung. Hierfür wurden die Verschiebung des Pfahlkopfes, die aufgebrachte Belastung, die Pfahldehnung in verschiedenen, über die Pfahllänge verteilten Querschnitten, der Pfahlspitzendruck sowie die Zeit gemessen. Alle physikalischen Größen wurden redundant elektronisch und mechanisch ermittelt. Die CAPWAP-Modelle der ersten und zweiten dynamischen Probebelastung wurden auf der Grundlage der im selben Baufeld ausgeführten statischen Probebelastung neu kalibriert. Dabei wurde festgestellt, dass sich der Anteil der Mantelreibung in der injizierten Schicht deutlicher verbessert hat als der Spitzendruck. Pfahl A B C D UK Pfahl [m NN] 274,5 273,3 Gesamtwiderstand R c,m [kN] 2.950 3.260 3.948 3.793 Anteil Mantelreibung [kN] 2.234 2.661 3.235 3.097 Anteil Spitzendruck [kN] 691 598 713 696 Tabelle 1: Ergebnisse der ersten Probebelastung (ohne Injektion) Pfahl A B C D UK Pfahl [m NN] 274,5 273,3 Gesamtwiderstand R c,m [kN] 3.197 5.305 6.125 6.129 Erhöhung Gesamtwiderstand um 8,4 % 62,7 % 55,1 % 61,6 % Anteil Mantelreibung [kN] 2.390 4.605 5.261 5.285 Erhöhung Mantelreibung um 7 % 73,1 % 62,6 % 70,6 % Anteil Spitzendruck [kN] 808 700 863 845 Erhöhung Spitzendruck um 17 % 17 % 21 % 21,4 % Tabelle 2: Ergebnisse der zweiten Probebelastung (nach 2 Phasen) und Vergleich zur ersten Probebelastung Pfahl A B C D UK Pfahl [m NN] 274,5 273,3 Gesamtwiderstand R c,m [kN] 3.050 5.740 6.624 7.507 Erhöhung Gesamtwiderstand um 3,4 % 76,1 % 67,8 % 97,7 % Anteil Mantelreibung [kN] 2.230 4.983 5.676 6.312 Erhöhung Mantelreibung um 0 % 87,2 % 75,5 % 103,8 % Anteil Spitzendruck [kN] 820 757 948 1.195 Erhöhung Spitzendruck um 18,7 % 26,6 % 33 % 71,7 % Tabelle 3: Ergebnisse der dritten Probebelastung (nach 3 Phasen) und Vergleich zur ersten Probebelastung Im Weiteren wird nur noch auf die Ergebnisse der dynamischen Probebelastungen nach der Neukalibrierung eingegangen. Die Kalibrierung erfolgte dabei gemäß der EA Pfähle, Abschnitt 10.6. Die Vorgehensweise umfasste die Angleichung der aus den dynamischen Pfahlprobebelastungen mittels CAPWAP-Analyse errechneten Widerstand-Setzungs-Linien an die entsprechende mit der statischen Pfahlprobebelastung gewonnene, um die Kriechanteile reduzierte Kurve für Pfahl B. Hierfür waren die Modellparameter für die dynamischen Pfahlprobebelastungen durch mehrere Iterationsschritte anzupassen. Die auf diesem Wege ermittelten Parameter für Pfahl B wurden dann entsprechend auf die Modelle der Pfähle A, C und D übertragen. Bild 6: vergleichende Darstellung Widerstand-Setzungs-Linie aus den statischen und dynamischen Probebelastungen am Pfahl B Die Pfahlprobebelastung nach der Phase 1 und 2 der Eindringinjektion ergab eine deutliche Erhöhung des Gesamtwiderstandes bei den Pfählen B, C und D gegenüber den Ergebnissen der Probebelastungen vor den In- 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 325 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach jektionen. Die über die Mantelreibung abtragbare Kraft erhöhte sich um i. M. 70 %. Die Erhöhung des Spitzendrucks lag in der Größenordnung der beim Referenzpfahl festgestellten Erhöhung infolge nochmaliger Belastung. Diese Erhöhung ist auf die Vorbelastung aus der ersten Probebelastung zurückzuführen. Nach der Phase 3 der Eindringinjektion wurde eine dritte Probebelastung ausgeführt, wobei eine weitere Erhöhung festgestellt werden konnte. Bei den Pfählen B und C erhöhte sich die Tragfähigkeit aus der Mantelreibung um i. M. 80% und aus dem Spitzendruck um i. M. 30%. Bei Pfahl D wurde eine deutliche Erhöhung des abtragbaren Spitzendruckes um 70% und bei der Mantelreibung sogar um 100% festgestellt. Die Erhöhung der Tragfähigkeit beim Referenzpfahl war nur marginal gegenüber der zweiten Probebelastung und resultierte ausschließlich aus dem Spitzendruck, wobei dieser sich gegenüber der zweiten Probebelastung nur geringfügig vergrößert hatte. Da die bei der statischen Probebelastung nachgewiesene Belastbarkeit mit 7.000 kN größer war als die in den dynamischen Probebelastungen ermittelten Gesamtwiderstände, wurden für die Festlegung der charakteristischen Werte der Pfahltragfähigkeiten die Werte aus der dynamischen Probebelastung herangezogen. Die Ermittlung erfolgte auf Basis der Mittelbzw. Minimalwerte unter Berücksichtigung der Streuungsfaktoren nach EA Pfähle. Der bei dem Referenzpfahl, Pfahl A, jeweils ermittelte scheinbare „Zuwachs“ aus der nochmaligen Belastung wurde ermittelt und die sich aus dem beschriebenen Vorgehen ergebenden charakteristischen Werte entsprechend korrigiert. Für den Nachweis der Standsicherheit der sanierten Gründung wurden aus diesen Ergebnissen charakteristische Werte für die Pfahlmantelreibung in allen Schichten sowie charakteristische Werte für den Spitzendruck für den entfestigten Fels sowohl für eine Eindringinjektion mit zwei Phasen als auch für die Eindringinjektion mit drei Phasen angegeben, so dass für die einzelnen Bauwerkspfähle aufgrund der erforderlichen Tragfähigkeit festgelegt werden konnte, ob zwei oder drei Injektionsphasen erforderlich sind. q k Zuwachs q k korrigiert q k korrigiert nach Injektion Pfahl A korr. nach 2 Phasen nach 3 Phasen Schicht 3a q s, k vor Injektion [kN/ m²] 61 q s, k nach Injektion [kN/ m²] 106 74% 6% 68% 91 103 Schicht 3b q s, k vor Injektion [kN/ m²] 63 q s, k nach Injektion [kN/ m²] 288 359% 15% 344% 237 279 q b, k vor Injektion [kN/ m²] 869 q s, k nach Injektion [kN/ m²] 1100 27% 19% 8% 871 937 Tabelle 4: charakteristische Werte für die Mantelreibung und den Spitzendruck nach den Phasen 2 und 3 der Eindringinjektion, exemplarisch für die Schichten 3a und 3b Da die Setzungen aus der Schüttung der Anschlussdämme nach dem bis dato erfolgten Messungen nahezu abgeschlossen waren und weitere Setzungen, z. B. aus Grundwasserabsenkungen, soweit ausgeschlossen werden konnten, war die Berücksichtigung einer negativen Mantelreibung in den Schichten 1 und 2 für die Nachrechnung der Pfahlgründung nicht erforderlich. 5. Injektion an den Bauwerkspfählen Im Zeitraum März bis Mai 2017 wurden die Injektionen an den Bauwerkspfählen ausgeführt. Die Überwachung der bei den Arbeiten eintretenden Verformungen an den Auflagern des Bauwerkes erfolgte mittels Schlauchwaagensystem. Dies war beidseitig in Längsrichtung auf dem Bauwerk montiert und durch einen außerhalb liegenden Referenzpunkt angebunden. Die Daten wurden von der Baustelle auf einen Server übertragen und auf einer passwortgeschützten projektspezifischen Internetseite visualisiert. Die aktuellen Messwerte wurden im Grundriss des Bauwerkes dargestellt und in wählbaren Zeitintervallen aufgezeichnet (Bild 7). Bild 7: Verformung an einer Widerlagerachse während der Injektion 326 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Sanierung der Pfahlgründung bei der Eisenbahnüberführung (EÜ) Füllbach Um die Messwerte der Schlauchwaage temperaturunabhängig zu verifizieren und einen möglichen Ausfall des Schlauchwaagensystems kurzfristig überbrücken zu können, erfolgte parallel an dem Auflager, an dem Injektionsmaßnahmen ausgeführt wurden, und an den benachbarten Auflagern die Überwachung der Verformung mittels GeoLaser in Verbindung mit einem im Abstand von 15 m zum Bauwerk stationierten Rotationslaser. Zur Plausibilitätskontrolle erfolgte des Weiteren eine geodätische Messung mittels Präzisionsnivellement im wöchentlichen Turnus, bei der auch die Stabilität des Referenzpunktes des Schlauchwaagensystems überprüft wurde. In Abstimmung mit dem Bauherrn und dem Tragwerksplaner wurden Schwellen-, Eingreifsowie Alarmwerte für die einzelnen Achsen festgelegt. Da die Eingreifbzw. Alarmwerte in einigen Achsen erreicht worden sind, musste die Reihenfolge der Injektion mehrfach angepasst werden. In fünf der sechs Achsen konnten die erforderlichen zwei bzw. drei Injektionsphasen vollständig eingebracht werden, um die notwendige Tragfähigkeitserhöhung zu erreichen. In einer Achse wurden die Phasen 1 und 2 planmäßig injiziert. Aufgrund der dabei eingetretenen Hebungen musste das vorgesehene Injektionsregime modifiziert werden. Die geplante Phase 3 wurde lediglich in den Injektionsstufen oberhalb des Pfahlfußes, am Pfahlmantel, vollständig ausgeführt. Damit konnten zum Nachweis der vertikalen Tragfähigkeit der Pfähle in dieser Achse die Bemessungswerte für die Mantelreibung aus der Probebelastung nach Phase 3 und für den Nachweis des Spitzendruckes der Bemessungswert aus der Probebelastung nach Phase 2 angesetzt und die Tragfähigkeit nachgewiesen werden. 6. Fazit Die im Zuge der Injektionsarbeiten 2017 erzeugten Hebungen führten die in 2013 festgestellten relevanten Setzungen zurück. Die Differenzsetzungen zwischen den Widerlagern und den Brückenpfeilern wurden ebenfalls kontrolliert und erfolgreich ausgeglichen. Die Nachweise der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit konnten mit den aus den Probebelastungen abgeleiteten Bemessungswerten geführt werden. Bild 8: Belastungsfahrten auf dem Bauwerk (Quelle: DB Netz AG) Nach erfolgreich ausgeführten Belastungsversuchen (Bild 8) nahm die Neubaustrecke VDE 8 im Dezember 2017 den geplanten Betrieb auf.