12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 339 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Joachim Meier Implenia Spezialtiefbau GmbH, Technical Competence Center -Verfahrenstechnik, Mannheim Christoph Borchert und Stefan Otten Borchert-Ingenieure GmbH & Co KG, Essen Sebastian Böhm Implenia Spezialtiefbau GmbH, Gst. Frankfurt am Main Zusammenfassung Im Zuge der Gesamtinstandsetzung der Mülheimer Brücke in Köln wird die Neugründung der Vorlandbrücken mit Mikropfählen vom Durchmesser 300 mm realisiert, die in sehr engem Raster angeordnet sind. Nach EA Pfähle ergeben sich bei diesen Abständen unwirtschaftliche und übermäßig konservative Abminderungsfaktoren für die Gruppenwirkung. Die tatsächliche Tragfähigkeit der geplanten Pfahlgruppen wurde daher vor Ort in aufwändigen Probebelastungen bestimmt. Dazu war unter anderem die technisch anspruchsvolle, synchrone Beaufschlagung von 5 Pfählen, sowie Einzelpfahlprüfungen unter Wechselbelastung erforderlich. Auch an die Messwerterfassung wurden besondere Anforderungen gestellt. Um den Normalkraftverlauf im Stahltragglied über der Tiefe abzubilden, wurden die Probepfähle mit insgesamt 545 Stück miniaturisierten Schwingsaitenaufnehmern bestückt, die während der Probebelastungen kontinuierlich elektronisch aufgezeichnet wurden. Die Bodenparameter konnten aufgrund dieser Ergebnisse so optimiert werden, dass namhafte Einsparungen möglich wurden. Die Umsetzung des Gründungskonzeptes in seiner Gesamtheit wurde durch die günstigeren Ansatzwerte erst ermöglicht. 1. Projektübersicht 1.1 Bauwerk Die Mülheimer Brücke, die nördlichste der 6 Kölner Rheinbrücken, wurde nach ihrer Zerstörung im 2. Weltkrieg von 1949-1951 unter Leitung von Wilhelm Riphahn, Fritz Leonhardt und Walter Pelikan als „echte Hängebrücke“ mit einer orthotropen Platte als Fahrbahnträger wieder aufgebaut. Dadurch konnte das Gewicht im Vergleich zur Vorkriegsbrücke von 14.800 auf 5780 Tonnen reduziert werden. Ursprünglich nahm der Brückenträger nur die Richtungsfahrbahnen und Gehwege auf. Von 1976 bis 1977 erfolgte der Umbau zur Integration einer zweigleisigen Stadtbahnlinie zwischen den Fahrbahnen. Die Grundinstandsetzung, in deren Verlauf die hier besprochenen Probebelastungen erforderlich wurden, erfolgt unter Verkehr, wobei die Richtungsfahrbahnen zeitweise wechselseitig gesperrt werden. An beiden Ufern schließen Vorlandbrücken an die eigentliche Strombrücke an. Diese werden mit veränderter Geometrie und Lagerung neu gebaut. Dazu sind neue Pfeiler unter dem alten Überbau herzustellen. Auf Ihnen wird der neue Überbau errichtet, die alten Pfeiler werden abgebrochen. Die Gründung der neuen Pfeiler muss also unter beschränkter Höhe von ca. 4,20 m erfolgen, was die Herstellung von Großbohrpfählen unmöglich macht. Wegen der großen Lasten, die auch als Schwell- und Wechsellasten auftreten, sah der Entwurf Mikropfähle als doppelt korrosionsgeschützte Einstabverpresspfähle mit einem Bohrdurchmesser von 300 mm vor, die zum Teil geneigt auszuführen sind. 340 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Die Ausführungsplanung liegt bei der Arbeitsgemeinschaft Planung Mülheimer Brücke, bestehend aus Leonhardt, Andrä und Partner (LAP), Stuttgart und Arcadis Germany, Essen. Als geotechnischer Sachverständiger fungiert das Ingenieurbüro Borchert-Ingenieure aus Essen. Die Werkplanung, unter anderem der Belastungseinrichtung, erfolgte im technischen Büro der Implenia Spezialtiefbau GmbH. Die Abteilungen Verfahrenstechnik und Messtechnik des Technical Competence Center in der Implenia Spezialtiefbau GmbH planten und begleiteten die Versuche von der Entwicklung und Montage des Schwingsaitenaufnehmersystems über die Bohrtechnik bis zur Versuchsdurchführung. Unterstützt wurden Sie dabei vom Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart (IGS, vormals FMPA) und der Geo-Team Ingenieurgesellschaft mbH, Dortmund. Die Herstellung der Mikropfähle und Durchführung der Probebelastungen wurde von der Geschäftsstelle Rhein Ruhr der Implenia Spezialtiefbau GmbH durchgeführt, die auch mit allen Gründungsarbeiten im Zuge der Grundinstandsetzung beauftragt ist. Generalunternehmer für die Gesamtmaßnahme ist die Implenia Construction GmbH, NL Düsseldorf. 1.2 Baugrund Die quartären Kiese und Sande der Rheinterrasse werden hier unterlagert von tertiärer Braunkohle, die in faserig-blättriger Struktur vorliegt. Eine Durchörterung des tertiären Grundwasserstauers musste vermieden werden. Die Mikropfähle sind daher in der Einbindetiefe beschränkt. Über den quartären Kiesen und Sanden befinden sich anthropogene Auffüllungen, denen keine bemessungsrelevanten Bettungsziffern und Widerstände zugewiesen werden können. Sie haben eine Mächtigkeit gemäß Ausschreibung von rund 4 m. In situ wurde jedoch eine um mehrere Meter schwankende Oberkante der tragfähigen Kiese und Sande festgestellt. Das lässt sich einerseits durch Bachbetten oder Gräben erklären, die im Laufe der Zeit anthropogen verfüllt wurden, andererseits muss berücksichtigt werden, dass die kontinuierliche Bohrgutförderung per Schnecke keine höhenscharfe Aufschlussmethode darstellt. In der Folge wurden zusätzliche Aufschlussbohrungen in den Probefeldern hergestellt, die in die Auswertung eingingen. 1.3 Folgerungen für Entwurf und Bemessung Bedingt durch die beschränkte wirksame Einbindelänge können die Lasten nur dann mittels Mikropfählen eingeleitet werden, wenn die Pfahlachsabstände auf 90 cm reduziert werden. Das bringt neue Probleme hinsichtlich der Pfahlgruppenwirkung, aber auch der Bohrtoleranz mit sich. Berücksichtigt man die Abminderungsfaktoren für Pfahlgruppenwirkung gemäß EA-Pfähle, so ergibt sich für den hier erforderlichen Achsabstand von 0,9 m ein Faktor von weniger als 0,8. Mit Blick auf die Bohrtoleranz ist zu sagen, dass zwei benachbarte Pfähle mit Entwurfslänge, die gegenläufig, aber innerhalb der Toleranz abweichen, sich zwangsläufig treffen. Abb. 1 Auswirkungen von Toleranzen in engständigen Pfahlgruppen Streicht man von der Einbindelänge in den tragfähigen Baugrund die Längen weg, für die der Mindestabstand nicht eingehalten ist, kommen unterschiedliche, jedoch für die Bemessung der Gründung gleichermaßen unbrauchbare, wirksame Längen heraus: - Bei Ansatz der Toleranzen gemäß DIN SPEC 18539 bleiben dann von den 16 Metern Bohrlänge nur noch ca. 30 cm für die Lastabtragung übrig. - Bei Ansatz der Toleranzen gemäß DIN EN 14199 ergibt sich für vertikale Pfähle eine wirksame Lasteinleitungslänge von ca. 8,5 m, bei schwach geneigten Pfählen wären es noch 2,2 m und bei stark geneigten Pfählen blieben nur ca. 20 cm. Dem wurde begegnet, indem die Ansatzpunkttoleranz durch Verwendung betonierter Bohrschablonen von 7,5 cm auf 3 cm verringert wurde. Weiter wurden die Vorschubgeschwindigkeit und der Andruck reduziert und zusätzliche Inklinometermessungen des Bohrlochverlaufs mit Extrapolation auf Endteufe vorgenommen. Die Ergebnisse wurden jeweils am nächsten Vormittag dem Auftraggeber zur Bewertung und ggf. Einplanung zusätzlicher Pfähle übergeben. Am wirksamsten ist natürlich eine Verkürzung der Pfahllängen, die jedoch nur über einen günstigeren Mantelreibungsansatz zu erreichen ist. Um eine Beeinflussung bereits verpresster Pfähle durch das Injektionsgut der Nachbarpfähle zu vermeiden, wurde eine bestimmte Herstellreihenfolge festgelegt, wonach eine Wartezeit von mindestens 6 Stunden einzuhalten ist, wenn benachbarte Pfähle einen Abstand von 1,5 m oder weniger aufweisen. Diese Maßnahmen erwiesen sich 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 341 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen während der Herstellung der Probepfähle und der bisher hergestellten Bauwerkspfähle als wirksam. Es kam bislang nicht zu abweichungsbedingten Umplanungen. 2. Bohrtechnik Wie oben erwähnt, steht für die Herstellung von 16 - 18 m langen, doppelt korrosionsgeschützten Einstabverpresspfählen nur eine lichte Arbeitshöhe von rund 4,20 m zur Verfügung. Diese wurde nur erreicht, indem ein Voraushub bis Unterkante der späteren Fundamente eingeplant wurde. Insbesondere unter dem Gleistrog der Rheinbahn auf der rechten Rheinseite waren zunächst stellenweise nur 2,5 m lichte Höhe vorhanden. Abb. 2 Lichte Arbeitshöhe unter dem Gleistrog Da man, allein für die Kopplung vorverpresster, doppelt korrosionsgeschützter Stahltragglieder eine Länge von mindestens 0,8 m benötigt, muss der Einbau mit einem separaten Hebegerät erfolgen. Die Lafette stört dabei zumeist, weshalb ein seitlich aus der Bohrachse verschieblicher Bohrschlitten gewählt wurde. Um Bohrrohre mit einer Einzellänge von 1,5 m auflegen zu können, braucht man ein kurz bauendes Bohrsystem auf einer Lafette mit -relativ zur Lafettenlänge - möglichst langem Vorschubweg. Um eine 300 mm-Bohrung bis 20 m tief in reibungsbegabte Kiese und Sande zu bringen, muss das Bohrgerät hohe Drehmomente bereitstellen. Gleichzeitig aber muss es in einer engen Baugrube stehen und beinahe ohne Rangiermöglichkeit, alle Bohransatzpunkte erreichen können. Gewählt wurde hier ein Bohrgerät vom Typ Hütte HBR 506 mit Doppelkopfbohrantrieb, drehend-drehend. Als Innengestänge kamen Bohrschnecken zum Einsatz, die gegenläufig zur Verrohrung rotierten. Es wurde mit vorauseilender Verrohrung und Luftunterstützung gebohrt, um den Baugrund möglichst wenig zu stören. Das Gerät verfügt über eine hohe hydraulische Leistung bei kompakten Abmessungen und über eine besonders flexible Kinematik. Abb. 3 Gewähltes Bohrgerät Obwohl die Probepfähle neben dem Überbau lagen und somit der Einsatz eines größeren Bohrgerätes möglich gewesen wäre, wurde genau das Bohrgerät und Bohrsystem eingesetzt, das auch für die Herstellung der späteren Bauwerkspfähle vorgesehen ist. Gerät und Bohrstrang wurden vor Auslieferung an die Baustelle gründlich getestet und zwei Probebohrungen á 20 m hergestellt. Weit verbreitet bei der Herstellung sogenannter „300er Mikropfähle“ ist die Verwendung von Bohrrohren mit 300 mm Durchmesser. Der Überschnitt der Ringbohrkrone kommt aber noch hinzu. In der Folge wird dann mit einem wahren Bohrdurchmesser von über 300 mm gearbeitet, wodurch eigentlich nach der Norm für Großbohrpfähle gearbeitet werden müsste. Streng genommen, gelten dann auch engere Toleranzgrenzen, die mit Kleinbohrtechnik jedoch kaum einzuhalten sind. Um konsequent innerhalb der DIN EN 14199 zu bleiben, wurden eigens für dieses Projekt Außenrohre mit 293 mm Außendurchmesser und einem Schneiddurchmesser der Ringbohrkrone von genau 300 mm angefertigt. Der Einbau und das Verpressen der Stahltragglieder, die für das Erreichen des geplanten Lastniveaus für die Probepfähle mit vergrößertem Durchmesser eingesetzt wurden, erfolgte gemäß EA-Pfähle und der bauaufsichtlichen Zulassung „Z-34-12-207, BBV-Verpresspfahl“. In der Aufschüttung war eine reduzierte Mantelreibung gewünscht, hier wurde nicht aktiv verpresst, sondern nur drucklos verfüllt. 3. Versuchsprogramm für die Probebelastungen Die Fundamentierung einer Rheinbrücke hat sehr vielfältige und komplexe Lastkombinationen abzutragen, die nicht alle mittels Pfahlprobebelastungen überprüft werden können. Daher wurden für die Versuche mit Schwell- und Wechsellast die Maxima verschiedener Einwirkungskombinationen in jeweils einem Versuch zusammengefasst. 342 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen 3.1 Prüfungen am Einzelpfahl An Einzelpfählen wurden sowohl reine Zugversuche, als auch Versuche unter Wechselbelastung durchgeführt. Die Zugversuche dienten zur Bestimmung der tatsächlichen Mantelreibung. Langjährige Erfahrungen der ausführenden Firma im Kölner Baugrund legten nahe, dass höhere Mantelreibungen aktivierbar sind, als vorab aus Baugrunderkundungen abgeleitet. Zudem gab es zwei Baugrundgutachten mit unterschiedlichen Angaben für die Mantelreibung. Neben der Erfordernis, eine der beiden Angaben zu bestätigen, lag hier auch eine Chance, die erforderlichen Pfahllängen zu verkürzen. Die Wechsellastversuche dienten hauptsächlich dazu, auf die diesbezügliche Abminderung gemäß EA-Pfähle zu verzichten, worin ebenfalls ein erhebliches Einsparpotential lag. Weiterhin enthielten die Bodengutachten keine Federsteifigkeiten für den Bettungsansatz. Die nachstehenden Tabellen geben einen Überblick über die Versuche. Reiner Zug, Lastabtrag über Ortbetonfundamente Anzahl Prüflast 3 2516 kN (85% der Streckgrenze), rechtsrh. 3 2516 kN (85% der Streckgrenze), linksrh. Tabelle 1 Wechsellast, Lastabtrag über Ortbetonfundamente (Zug) und Reaktionspfähle (Druck) Anzahl Prüflasten 3 710 kN Zug / 1115 kN Druck (linksrhein.) Tabelle 2 Das nachstehende Belastungsschema wurde den Versuchen zugrunde gelegt. Ein kontinuierlicher Nulldurchgang der Prüfkraft mit simultaner Verschiebungsmessung ist jedoch technisch nicht möglich. Abweichend wurde gemeinsam mit dem Auftraggeber und den angeschlossenen Instituten festgelegt, dass die Umsteuerung von Zug auf Druck und umgekehrt so schnell wie möglich erfolgen sollte und nur an den Belastungsendpunkten Verschiebungsbeobachtungen mit entsprechenden Wartezeiten stattfinden sollten. Die Anzahl der Lastwechsel wurde gegenüber untenstehendem Diagramm auf bis zu 26 erhöht, die Laststufen angepasst und der Druckbelastungsast nach den schnellen Lastwechseln entfiel. Abb. 4 Belastungsschema für Wechselbelastung Unten ist die Belastungsapparatur für Wechselbelastung im Schnitt wiedergegeben. Der Versuchsaufbau für reinen Zug ist sehr ähnlich. Es entfallen die Reaktionspfähle, die unteren Böcke aus 2x HEB 1000 und die untere Hohlkolbenpresse. Die Prüftraverse wird direkt auf die Ortbetonfundamente aufgelegt und die Abnahme der Verschiebungen erfolgt relativ zu einer oberhalb gelegten Messtraverse. Die Fundamente der Messtraversen sind in beiden Fällen außerhalb der Bruchfigur angeordnet. Abb. 5 Belastungsapparatur für Wechselbelastung 3.2 Prüfungen an 3er-Pfahlgruppen Die Pfahlgruppenprüfungen dienten dazu, einen günstigeren Abminderungsfaktor für Pfahlgruppenwirkung ansetzen zu können, als nach EA-Pfähle vorgegeben. Zusätzlich zur Last-Verschiebungsmessung am Pfahlkopf musste hier auch der Normalkraftverlauf über die Pfahllänge bestimmt werden. Reiner Zug, Lastabtrag über Ortbetonfundamente Anzahl Prüflast 3 á 3 1348 kN je Pfahl (rechtsrheinisch) 3 á 3 710 kN je Pfahl (linksrheinisch) Tabelle 3 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 343 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen 3.3 Prüfungen an 5er-Pfahlgruppen Reiner Zug, Lastabtrag über Ortbetonfundamente Anzahl Prüflast 3 á 5 1348 kN je Pfahl (rechtsrheinisch) 3 á 5 710 kN je Pfahl (linksrheinisch) Tabelle 4 Abb. 6 Belastungsapparatur für 5er- Gruppenprüfung 3.4 Messeinrichtung Last-Verschiebung Die Kopfverschiebungen relativ zur Messtraverse wurden für jeden Gewindestab separat mit Feinmessuhren erfasst. Abb. 7 Feinmessuhr 1/ 100 mm Zusätzlich erfolgte ein Kontroll-Nivellement der Fundamente von Prüf- und Messtraverse mit einem Digitalnivellier. Abb. 8 Digitalnivellier Leica DNA 3 Auf der Belastungsseite wurden die Drücke an jeder Presse und die Messwerte der Kraftmessdosen protokolliert und gegenseitig plausibilisiert. In die Auswertung gingen die genaueren Werte der Kraftmessdosen ein. Abb. 9 Elektrische Kraftmessdose Die Messeinrichtungen wurden lokal gegen Niederschlag geschützt. Eine vollständige Einhausung war nicht erforderlich, jedoch wurden die Außentemperaturen stündlich protokolliert. Weiterhin wurde die elastische Durchbiegung der hoch ausgelasteten Prüftraverse überwacht (Zollstockmessung). Abb. 10 Überwachung der Durchbiegung der Prüftraverse 344 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen 3.5 Messeinrichtung Längskraftverlauf im Stahl Bei Probebelastungen an Bohrpfählen wird der Längskraftverlauf mit großen Schwingsaitenaufnehmern bestimmt, die „schwimmend“ im Pfahlbeton liegen. Das wäre hier nicht möglich und auch nicht zielführend. Bei den hier besprochenen Mikropfählen war der Längskraftverlauf im Gewindestab gefragt. Das einzusetzende Messsystem darf natürlich die Lastweiterleitung vom Stab in den Baugrund möglichst wenig stören. Für solche Messungen stehen Dehnungsmesstreifen zur Verfügung, die jedoch stark temperaturabhängig sind. Zudem müssen die Leitungswiderstände vor und nach dem Einbau im unbelasteten Zustand noch dieselben sein. Ein beschädigtes Kabel kann also nicht mehr gekürzt, verlängert oder anderweitig repariert werden. Auch Korrosion durch eingedrungenes Zement-Eluat verändert die Messwerte in nicht nach vollziehbarer Weise. Berücksichtigt man nun, dass das Leitungspaket beim drehenden Ziehen des Bohrrohrs und gleichzeitigem Verpressen mit Zementsuspension hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt wird, so wird schnell klar, dass Dehnungsmessstreifen nur bedingt geeignet sind. Inzwischen gibt es am Markt auch miniaturisierte Schwingsaitenaufnehmer, die voll gekapselt sind und mit einer Zupfspule, also ohne bewegliche Teile, angeregt werden. Hier spielen die Leitungswiderstände eine untergeordnete Rolle und eine Scheuerstelle im Kabelpaket kann, sofern sie sich über GOK befindet, unproblematisch repariert werden. Abb. 11 Abmessungen der eingesetzten Schwingsaitenaufnehmer Schwingsaitenaufnehmer messen eine dimensionslose Dehnung, die in der Einheit Microstrain (με) angegeben wird. 1 με entspricht 10-3 mm je 1 m aktiver Sensorlänge (active gauge length). Unsere Sensoren haben eine aktive Sensorlänge von 47,5 mm. Daher entspricht 1 με hier 10-3 mm/ m x 47,5 x 10-3 m = 47,5 x 10-6 mm. Damit ergeben sich für die Genauigkeit folgende Absolutwerte: - Auflösung (Sensitivity) : 1,0 με = 47,5 x 10 -6 mm, - Genauigkeit (Accuracy) : +/ - 0,5% FS = +/ - 0,5 / 100 x 3000 x 47,5 x 10 -6 mm = +/ - 0,7 x 10 -3 mm, dabei bedeutet FS: „Full Scale“ = Messbereich, in unserem Fall 3500 - 500 = 3000 με, - Stabilität (Stability) : 0,1 % FS / Jahr = 0,14 x 10 -3 mm/ Jahr . Der Temperaturausdehnungskoeffizient beträgt12x10 -6 und kann hier unberücksichtigt bleiben, zumal die Temperaturschwankungen unter GOK während der Dauer der Probebelastung sehr gering sind. Die Verteilung der Sensoren über die Stablänge wurde gemäß den Vorgaben des geotechnischen Sachverständigen folgendermaßen vorgenommen: - Sensorabstand 2 m, - Abstand vom unteren Ende und von den Enden eines Homogenbereichs 0,5 m, - Oberster Sensor 3 m unter GOK. Damit ergab sich folgende Verteilung für einen 18 m langen Stab, wobei die Sensorlage in „Meter von unten“ [m v.u.] und Meter unter GOK [m v. GOK] angegeben ist. Die Schichtgrenze zwischen Auffüllung und tragfähigem Baugrund verlief hier bei 8 m unter GOK. Tabelle 5 Verteilung der Schwingsaitenaufnehmer Standardpfahl Die Anordnung erfolgte immer wechselseitig links / rechts am Stab, um Einflüsse aus einer eventuellen Krümmung oder Exzentrizität zu eliminieren. Beim Einsatz derart feiner Messtechnik in einer von großen Kräften und Drehmomenten, sowie Zemensuspension unter Druck geprägten Umgebung kann es immer zu Ausfällen kommen. Daher wurden zwei Stäbe jeder Pfahlgruppe als sogenannte „Referenzpfähle“ ausgebildet und mit der doppelten Anzahl an Sensoren unter GOK bestückt. Wie aus der nachfolgenden Tabelle zu ersehen, wurden dieselben Höhenstufen bestückt, jedoch immer zwei Sensoren je Höhenstufe. Hinzu kamen zwei Sensoren über Erdgleiche, die die Spannung infolge der aufgebrachten Prüflast abbildeten und so eine Kalibrierung der Messwerte unter GOK ermöglichten. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 345 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Tabelle 6 Verteilung Schwingsaitenaufnehmer Referenzpfahl Das nachfolgende Schema zeigt die Anordnung der Referenzpfähle innerhalb der Gruppe. Abb. 12 Anordnung der Referenzpfähle (gelb gefüllt) in der Gruppe Erwartungsgemäß kam es infolge der Beanspruchungen beim Einbau gelegentlich zu Ausfällen, die aber von der eingeplanten Redundanz gut abgedeckt wurden. Ein wichtiger Punkt ist die Befestigung der Sensoren am Stahltragglied. Bei der Überwachung von Bewehrung in Stahlbetonteilen, wo diese Technologie sehr häufig eingesetzt wird, werden die Aufnehmer mit einem Punktschweißgerät am jeweiligen Bewehrungsstab befestigt. Das ist jedoch für Spannstähle, wegen der möglichen Kerbwirkung der Schweißstellen, nicht zulässig. Ein Stahltragglied in einem Mikropfahl fällt -zumindest während einer Probebelastungin die Kategorie Spannstahl, weil es sich um einen Stahl der Güte SAS 670/ 800 handelt, der bis zu 85% seiner Streckgrenze auf Zug beansprucht wird. Für die Befestigung kommt also nur Klebetechnik in Betracht. Zwar gibt es Klebstoffe, mit denen man Dehnungsmessstreifen auf Stahl aufbringen kann, hier ist aber Edelstahl mit Spannstahl schubfest zu verkleben. Weiterhin muss die Verklebung basenresistent und säurefrei sein, um den Spannstahl nicht anzugreifen. Außerdem darf der Kleber einerseits nicht spröde sein, da er sonst abplatzen würde, wenn der Stahl sich unter ihm dehnt, muss aber gleichzeitig ein geringes Kriechmaß aufweisen. Vorab wurden mehrere Produkte in aufwändigen Versuchen auf diese Eigenschaften hin getestet und schließlich ein Produkt gewählt, dass sich nun auch in situ bewährt hat. Abb. 13 Prüfung der Verklebung auf Kriechmaß und Linearität Die Montage der Schwingsaitenaufnehmer an die Stahltragglieder erfolgte durch Personal der Implenia Messtechnik im Werk des Stablieferanten bbv-Systems unter sauberen, klimatisierten Bedingungen nach einem hoch auflösenden Qualitätssicherungsystem. Abb. 14 Dokumentation der umfangreichen Qualitätskontrollen Alle Sensoren wurden vor der Verklebung unter Belastung geprüft. Um einen möglichst weiten Anzeigebereich zu bekommen, wurden die nahe am Pfahlkopf zu montierenden Sensoren in definiert vorgespanntem Zustand verklebt. Für die Befestigung der Messkabel wurde auf bewährte Systeme aus der Ankertechnik zurückgegriffen. 346 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Abb. 15 Eingangskontrolle und Vorspannen Das Transportrisiko für die einbaufertig instrumentierten Stäbe wird dabei von der Qualitätssteigerung durch die günstige Fertigungsumgebung weit überwogen. Abb. 16 Fertigung unter sauberen und klimatisierten Bedingungen Problematischer als der Transport in waagerechter Lage ist das Aufrichten in die Senkrechte und der anschließende Einbau in das Bohrrohr. Durch die Biegung des einseitig angehängten Stabes werden die Sensoren ausgelenkt. Dabei besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sie über ihren Messbereich hinaus gedehnt oder gestaucht werden. Um dieses Problem rechnerisch erfassen zu können, wurde zunächst die Durchbiegung bei baustellenüblichem Anschlag gemessen, wie auf dem Bild unten zu sehen. Abb. 17 Ermittlung der Durchbiegung unter Arbeitsbedingungen Sie betrug ca. 25 cm in Ruhe. Infolge normaler Kranbewegungen geriet der Stab jedoch in Schwingungen bis über 35 cm. Bei 25 cm Durchbiegung ergab sich eine Dehnung des unten liegenden Sensors um den halben Messbereich. Obwohl dies rechnerisch in Ordnung scheint, wurden angesichts der Folgen eines eventuellen Totalausfalls die nachstehenden Maßnahmen ergriffen: - Anheben und Aufrichten mit zwei Kränen, - Spezielles Anschlagmittel für den oberen Kran, sodass der Stab sich nicht um seine Längsachse drehen konnte, - Ausrichtung des Stabes vor dem Anheben, so dass die Sensoren „links und rechts“ am Stab sind und nicht „oben und unten“. Dadurch liegen die Sensoren möglichst in der Nähe der Dehnungs-Null-Linie. Diese Maßnahmen waren wirksam. Zu gelegentlichen Sensorausfällen kam es jeweils erst nach dem Verpressen und drehenden Ziehen des Bohrrohrs. 4. Versuchsdurchführung 4.1 3er- und 5er-Gruppen unter Zugbelastung Alle Pfähle einer Gruppe wurden, anhand der Anzeige der elektrischen Kraftmessdosen, simultan mit gleicher Last beaufschlagt. In den folgenden Tabellen sind die Laststufen für die 3er-Gruppen aufgeführt. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 347 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Laststufen rechtsrheinisch Wartezeiten Vorlast (50 kN) 0 min 337 kN 15 min 506 kN 15 min 674 kN 30 min Entlastung 843 kN 15 min 1011 kN 15 min 1180 kN 30 min 1348 kN 60 min Tabelle 7 Laststufen linksrheinisch Wartezeiten Vorlast (50 kN) 0 min 178 kN 15 min 266 kN 15 min 355 kN 30 min Entlastung 444 kN 15 min 533 kN 15 min 621 kN 15 min 710 kN 60 min Tabelle 8 Die 5er-Pfahlgruppen wurden identisch, jedoch bei den höher belasteten, rechtsrheinischen Pfählen mit einer Wartezeit von 90 min auf der obersten Laststufe geprüft, wie nachstehenden Tabellen zu entnehmen. Laststufen rechtsrheinisch Wartezeiten Vorlast (50 kN) 0 min 337 kN 15 min 506 kN 15 min 674 kN 30 min Entlastung 843 kN 15 min 1011 kN 15 min 1180 kN 30 min 1348 kN 90 min Tabelle 9 Bei einer Gruppe wurde die Haltezeit auf Prüflast während der Durchführung von 90 auf 70 Minuten verkürzt. Laststufen linksrheinisch Wartezeiten Vorlast (50 kN) 0 min 178 kN 15 min 266 kN 15 min 355 kN 30 min Entlastung 444 kN 15 min 533 kN 15 min 621 kN 15 min 710 kN 60 min Tabelle 10 4.2 Einzelpfahl unter Wechselbelastung Zwei der 3 mit Wechsellast beaufschlagten Pfähle wurden nach folgendem Schema geprüft: Laststufe Wartezeiten Vorlast (0 kN) 0 min Druckvorbelastung 300 kN in 3 Laststufen 2 bis 15 min Erstbelastung auf Zug bis 710 kN in 8 Laststufen 15 min Erstbelastung auf Druck bis 1115 kN in 8 Laststufen 15 min Schnelle Wechselbelastung (16x) zwischen 710 kN (Zug) und 1115 kN (Druck) 4 min Zug-Dauerbelastung auf 710 kN 120 min Schnelle Wechselbelastung (10x) zwischen 710 kN (Zug) und 1115 kN (Druck), Ablesung nach 1., 5. und 10. Lastwechsel 4 min Tabelle 11 Beim dritten Pfahl endete der Versuch nach einer verlängerten Zug-Dauerbelastung, die erneute Wechselbelastung entfiel. 348 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Laststufe Wartezeiten Vorlast (0 kN) 0 min Druckvorbelastung 300 kN in 3 Laststufen 2 bis 15 min Erstbelastung auf Zug bis 710 kN in 8 Laststufen 15 min Erstbelastung auf Druck bis 1115 kN in 8 Laststufen 15 min Schnelle Wechselbelastung (15x) zwischen 710 kN (Zug) und 1115 kN (Druck) 4 min Zug-Dauerbelastung auf 710 kN 300 min Tabelle 12 4.3 Einzelpfahl unter Zugbelastung Zwei der drei reinen Zugversuche am Einzelpfahl wurden nach folgendem Schema durchgeführt: Laststufe Ablesezeiten in min Vorlast 50 kN 0 0,25 x PP = 630 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15 0,375 x PP = 944 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15 0,5 x PP = 1.258 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 Entlastung 0,625 x PP = 1.572 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 0,75 x PP = 1.888 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 0,875 x PP = 2.202 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 Entlastung PP = 2.516 kN 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 60 Tabelle 13 Beim dritten Pfahl wurde die Last auf den oberen beiden Stufen bis 60 bzw. 75 min gehalten. Die Abbruchkriterien der Probebelastung wurden gemäß EA-Pfähle, 2. Auflage wie folgt festgelegt: - Kriechmaß ks > 2,0 mm - Erreichen der Prüflast Gemäß den Empfehlungen für statische axiale Pfahlprobebelastungen des AK 2.1 der DGGT (2012) erfolgte das Anfahren der nächsten Laststufe erst, als die Verschiebungen auf 0,1 mm in einem Zeitraum von 5 min abgeklungen waren. Andernfalls wurde die Beobachtungszeit verlängert. Verkürzte Beobachtungszeiten wurden im Einzelfall mit dem geotechnischen Sachverständigen vor Ort abgestimmt und vom Auftraggeber angeordnet. 5. Versuchsergebnisse 5.1 Einzelpfähle unter reinem Zug Von 6 Probepfählen haben 5 die Maximallast eingeleitet, ohne das Grenzkriechmaß zu überschreiten. Der sechste hatte infolge einer abweichenden Oberkante der tragfähigen Schicht eine zu kurze Einbindelänge (5 m) und wurde bei einer Last von 2150 kN (Soll: 2516 kN) kontinuierlich gezogen. Unten das Last-Verschiebungs-Diagramm. Abb. 18 Kraft-Weg- Diagramm bei Versagen unter Zug Dieser Versuch ging mit den Werten der vorherigen, noch unauffälligen Laststufe 1887 kN in die Auswertung ein. Die Kriechmaße unter Prüflast lagen bei den anderen Pfählen im Bereich 0,67 mm bis 1,60 mm Nachfolgend exemplarisch ein Last-Verschiebungs-Diagramm: 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 349 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Abb. 19 Bestandene Einzelpfahlprüfung unter Zug Extrahiert man die Entwicklung der Kriechmaße über der Last, sieht man einen Effekt, der in den Kölner Kiesen und Sanden häufiger zu beobachten ist: Abb. 20 Kriechmaß über Last, hier: „Verkeilen“ im Kies Anker, Nägel oder Pfähle, die auf niedrigeren Laststufen einen ungünstigen Prüfverlauf zeigen, „fangen“ sich nach einer gewissen Kriechstrecke wieder und „verkeilen“ sich regelrecht bis zur Traglast des Stahlzuggliedes. (Nebenbemerkung: Tritt dieser Verlauf, insbesondere bei vorgespannt rückverankerten Baugrubenwänden, örtlich gehäuft auf, muss über Zusatzmaßnahmen nachgedacht werden, da bei lokaler Überbelastung die Gefahr von multiplem, sprödem Versagen besteht -der gefürchtete „Reißverschlusseffekt“.) 5.2 Einzelpfähle unter Wechsellast Auch unter Wechselbelastung bis zu 26 Zyklen wurden die Grenzkriechmaße in den Einzelbelastungen nicht überschritten. Mit zunehmender Anzahl der Lastspiele zeigte sich zumeist eine kontinuierliche Zunahme der Verschiebungen mit leichter Tendenz zur Beruhigung auf der Druckseite. Unten das Last-Verschiebungs-Diagramm, die Kriechmaß-Entwicklung über Last und die Verschiebungen über der Anzahl der Lastwechsel. Abb. 21 Last-Verschiebungs-Diagramm unter Wechsellast Abb. 22 Kriechmaßentwicklung über der Last unter Wechsellast 350 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Abb. 23 Verschiebungen über Anzahl der Lastwechsel Ein Pfahl zeigte ein anderes Verhalten, wie in nachstehender Abbildung zu erkennen. Abb. 24 Asymmetrischer Verschiebungsverlauf Dieser Pfahl war in Zugrichtung geradezu „blockiert“, hatte aber in Druckrichtung eine stärkere Zunahme der Verschiebungen. Der oben angesprochene Trend zur Verfestigung ist hier ebenfalls deutlicher. 5.3 Pfahlgruppen unter Zugbelastung Während bei den 3er-Pfahlgruppen die Kriechmaße durchweg gering waren (linksrheinisch 0,16 - 0,33 mm ; rechtsrheinisch 0,17 - 0,91 mm), kam es bei einer der rechtsrheinischen 5er-Pfahlgruppen auf Prüflast zum Abbruch wegen starker Kriechmaßüberschreitung ohne verfestigende Tendenz. Im Folgenden exemplarisch die Last-Verschiebungskurve und die Kriechmaßentwicklung des Mittelpfahls dieser Gruppe. Abb. 25 Kriechmaßüberschreitung bei einer 5er-Gruppe Abb. 26 Kriechmaßüberschreitung im Diagramm ks über F 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 351 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Stellt man die Kurven aller Pfähle dieser Gruppe in einem Diagramm dar, so sind sie fast deckungsgleich. Auch in situ war deutlich anhand von Rissscharen in der Arbeitsebene zu erkennen, dass die Gruppe als Ganzes versagt hat, inklusive des aktivierten Bodenkörpers. Eine weitere der anderen beiden rechtsrheinischen 5er-Gruppen zeigte eine leichte Kriechmaßüberschreitung auf Prüflast, wiederum monolithisch unter Ausbildung einer Bruchfuge im Boden außerhalb der Gruppe. Die dritte 5er-Gruppe erfüllte das Kriechmaßkriterium mit moderaten Kriechmaßen um 1,0 mm. Bei den linksrheinisch geprüften 5er- Pfahlgruppen wurde die Prüflast jeweils bei geringen bis sehr geringen Kriechmaßen von 0,17-0,46 mm eingeleitet. Die Auswertung der Schwingsaitenaufnehmer ergab eine Aufteilung der Prüflast zwischen verpresster Einbindelänge und drucklos aufgefülltem Schaftbereich von i. M. 54 zu 46, oder 383 kN in der Einbindelänge und 327 kN im drucklos verfüllten Bereich bei einer Schwankungsbreite von +/ - 21% vom Mittelwert. 6. Auswertung im Hinblick auf Ansatzwerte 6.1 Gesamtpfahlwiderstände Gemäß EA-Pfähle und EC7 kann die Auswertung von Pfahlprobebelastungen in Form der Ableitung eines Gesamtpfahlwiderstands erfolgen. Unter Ansatz der Teilsicherheitsbeiwerte für den Gesamtpfahlwiderstand γt und γ s,t sowie den von der Anzahl der Probepfähle abhängigen Streuungsfaktoren ξ1 und ξ2 wurden folgende Pfahlwiderstände abgeleitet, die sowohl linksals auch rechtsrheinisch nachgewiesen werden konnten: Gesamtpfahlwiderstand Druck: F c,d =1.906 kN, Gesamtpfahlwiderstand Zug: F t,d =1.823 kN. Weiterhin wurde die Bedingung der Mindesteinbindelänge von 7 m in die anstehenden Kiessande der Niederterrasse des Rheins definiert, die erreicht werden muss, um die vorstehenden Gesamtpfahlwiderstände ansetzen zu können. Grundsätzlich diente die Durchführung der Probebelastungen der Einzelpfähle nicht der Ermittlung des Grenzwerts R t des Herauszieh-Widerstands der Mikropfähle, sondern vornehmlich der Ermittlung der in den Kiessanden der Niederterrasse des Rheins ansetzbaren, charakteristischen Pfahlmantelreibung. Trotzdem erfolgte die Ableitung der Gesamtpfahlwiderstände als Referenzwert und als Wert zur Prüfung der Plausibilität der sich aus der abgeleiteten, charakteristischen Pfahlmantelreibung in den Kiessanden ergebenden Pfahlwiderstände der Bauwerkspfähle. 6.2 Charakteristische Pfahlmantelreibung Ein Hauptmotiv der Durchführung der Pfahlprobebelastungen wurde durch die Ermittlung der charakteristischen Pfahlmantelreibung in den anstehenden Kiessanden der Niederterrasse des Rheins gebildet. Zur stichhaltigen Ableitung dieser Mantelreibung war dabei die Zuordnung eines definierten Anteils des im Versuch ermittelten Gesamtpfahlwiderstands auf die Bodenschicht der Kiessande notwendig. Die mittels Schwingsaitenaufnehmern an den Probepfählen der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen indirekt ermittelten, ortsaufgelösten Spannungsbzw. Kraftanteile indizierten die Aufnahme von etwa der Hälfte der je Probepfahl eingebrachten Prüflast sowohl in den planmäßig verpressten Pfahlschaftabschnitten in den Kiessanden als auch in den „drucklos“ verfüllten Pfahlschaftabschnitten. Die erwartete Ableitung der Aufnahme eines bedeutsam größeren Kraftanteils in den verpressten Pfahlschaftabschnitten der anstehenden Kiessande der Niederterrasse des Rheins war somit durch die mittels Schwingsaitenaufnehmern erhaltenen Daten nicht möglich. Die differenzierte Aktivierung der Pfahlmantelreibung in den Schichten „planmäßig verpresst“ und „drucklos verfüllt“ wurde für die mit Schwingsaitenaufnehmern ausgestatteten Probepfähle der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen nicht erzeugt, da das angelegte Prüflastniveau zu weit vom Herausziehwiderstand der Pfahlgruppen entfernt war. Die Prüflast wurde hier aus Gründen der ökonomischen Verhältnismäßigkeit (vornehmlich zur Begrenzung des Aufwands zur Gestellung der Lasteinleitungseinrichtung) auf das zukünftige Gebrauchslastniveau der entsprechenden Bauwerkspfähle begrenzt. Für die Ableitung der charakteristischen Pfahlmantelreibung in den Kiessanden der Niederterrasse des Rheins musste der Lastanteil abgeschätzt werden, der in dieser Schicht aufgenommen wurde. Dabei erfolgte die Zuordnung von 80 % der erreichten Prüflast auf diese Schicht. Die Ableitung der charakteristischen Pfahlmantelreibung ergab sich dann für die Prüfpfähle mit 7 m Einbindelänge, deren Herausziehwiderstand im Versuch nicht erreicht wurde, zu: q s,k = 2.516 ∙ 0,8 / (π ∙ 0,3 ∙ 7) = 305 kN/ m² Die Plausibilitätsprüfung dieses Ansatzes erfolgte durch Auswertung des Prüfergebnisses eines Prüfpfahls, dessen Einbindelänge in die Kiessande lediglich 5 m betrug und dessen Herausziehwiderstand im Versuch erreicht wurde. Die Ableitung der charakteristischen Pfahlmantelreibung ergab sich für den Prüfpfahl mit 5 m Einbindelänge zu: q s,k = 1.887 ∙ 0,8 / (π ∙ 0,3 ∙ 7) = 321 kN/ m². Zusammenfassend wurden folgende, charakteristische Pfahlmantelreibungswerte zur Bemessung der Bauwerkspfähle freigegeben: linksrheinisch q s,k = 310 kN/ m², rechtsrheinisch q s,k = 290 kN/ m². Dabei erfolgte der konservativere Ansatz der Mantelreibung rechtsrheinisch aufgrund des Erfordernisses, die Steifigkeit des Gesamtsystems Pfahl-Baugrund ausreichend groß und ausreichend homogen ansetzen zu können (siehe die Ausführungen der nachstehenden Kapitel). 352 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Insgesamt sind die aus den Probebelastungen abgeleiteten, charakteristischen Pfahlmantelreibungen als konservativ zu beurteilen. Die maßgebenden Probebelastungen wurden als Zugbelastungen durchgeführt. Gemäß EA-Pfähle ist dies auch zur Untersuchung planmäßig auf Druck belasteter Bauwerkspfähle zulässig, da der Ansatz der so ermittelten Mantelreibung gegenüber einer Druckprobebelastung auf der sicheren Seite liegt. Im vorliegenden Fall wird die maßgebende Belastung der Bauwerkspfähle durch Druck gebildet. Weiterhin wurde der Bruchzustand für die Einzelpfähle mit Einbindelängen in die Kiessande der Niederterrasse des Rheins von 7 m und 10 m im Versuch nicht erreicht. Trotzdem wurde lediglich die erreichte Prüflast zur Ableitung der charakteristischen Mantelreibungswerte in Ansatz gebracht. 6.3 Federsteifigkeiten Zur Ableitung des anzusetzenden Betrags der Federsteifigkeit sowie der zu erwartenden Bandbreite der Federsteifigkeiten wurden lediglich die Ergebnisse der Probebelastungen der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen herangezogen, da diese das System der Tiefgründung im geplanten Bauwerkszustand im Wesentlichen abbilden. Die Ermittlung der Federsteifigkeiten wurde wie folgt durchgeführt: 1. Ansatz der erreichten Prüflast je Einzelpfahl der 3er-Reihen und der 5er-Gruppen. 2. Ansatz der jeweils zugehörigen Verschiebung (Hebung) am Pfahlkopf. 3. Reduzierung des Betrags der Verschiebung am Pfahlkopf um die rechnerisch ermittelte Längung des Schaftabschnitts der freien Stahllänge (hier: „drucklos“ verfüllter Bereich). 4. Der Ansatz der freien Stahllänge erfolgte jeweils mit der Differenz der Pfahllänge unter GOK abzüglich der Primärverpressstrecke. Dabei wurde modellhaft von einer im Gegensatz zu den primärverpressten Schaftabschnitten ungehinderten Dehnung des Stahlglieds in den „drucklos“ verfüllten Schaftabschnitten ausgegangen. Da sich das Stahlglied in den „drucklos“ verfüllten Schaftabschnitten nicht tatsächlich ungehindert dehnen konnte, wurde in konservativer Abschätzung der Stahlüberstand über GOK vernachlässigt, um die Reduzierung der Verschiebung des Primärverpresskörpers nicht zu groß vorzunehmen. Gemäß vorstehend beschriebenem Vorgehen ergaben sich für jeden einzelnen Probepfahl der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen Beträge der Federsteifigkeit auf Zug. Hierbei zeigten sich sowohl linksals auch rechtsrheinisch je zwei Ausreißer mit deutlich größerer, rechnerischer Federsteifigkeit gegenüber allen übrigen Probepfählen (insgesamt 43 Einzelpfähle). Diese wurden zur Bildung der arithmetischen Mittelwerte ausgeklammert. Folgende Bandbreiten und Mittelwerte der Federsteifigkeit bei Zugbelastung wurden ermittelt: - linksrheinisch - Minimalwert: E Z,min = 103 MN/ m, - Maximalwert: E Z,max = 146 MN/ m, - Mittelwert: E Z,mit = 125 MN/ m, - rechtsrheinisch - Minimalwert: E Z,min = 49 MN/ m, - Maximalwert: E Z,max = 87 MN/ m, - Mittelwert: E Z,mit = 64 MN/ m. Für die bestehenden Ansätze der statischen Berechnungen war eine Mindestfedersteifigkeit von E Z,mit ≥ 100 MN/ m erforderlich. Dies wurde für die linksrheinische Seite aus den Ergebnissen der Probebelastungen nachgewiesen. Rechtsrheinisch wurde die Mindestfedersteifigkeit hingegen unterschritten. Um trotzdem die Verformungen des Gründungssystems auf den erforderlich kleinen Betrag zu begrenzen wurde die rechnerisch anzusetzende Federsteifigkeit durch die Definition folgender Bedingungen für die rechtsrheinische Seite vergrößert: 1. Die charakteristische Pfahlmantelreibung in den anstehenden Kiessanden der Niederterrasse des Rheins wurde deutlich konservativ mit q s,k = 290 kN/ m² freigegeben (siehe Kapitel 7.5). 2. Es wurde eine lastniveauunabhängige, konstruktiv bedingte Mindesteinbindelänge aller Pfähle in die anstehenden Kiessande der Niederterrasse des Rheins von ≥ 7 m vorgeschrieben. Die Verformungsbegrenzung des, gemäß den Ergebnissen der Probebelastungen, rechnerisch etwas zu weichen Gründungssystems wurde somit über eine Begrenzung der Tragfähigkeitsausnutzung vorgenommen. Die Federsteifigkeit bei Druckbelastung wurde in übereinstimmender Erfahrung der Projektbeteiligten mit, gegenüber der Federsteifigkeit bei Zugbelastung, 10- 15 % größerem Betrag angenommen. 6.4 Abminderungsfaktoren infolge von Gruppenwirkung und infolge von Lastwechselbeanspruchung Die Belastung der Probepfähle der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen erfolgte kraftgesteuert. Folglich indizieren die Hebungen bei Maximallast ein unterschiedliches Tragverhalten der jeweiligen Einzelpfähle. Die Gesamtbandbreite der gemessenen, maximalen Pfahlhebungen lag linksrheinisch zwischen 10 mm und 13 mm und rechtsrheinisch zwischen 27 mm und 38 mm. Eine eindeutige, regelmäßige Tendenz der Maximalhebung für die Mittelpfähle der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen ließ sich nicht ableiten. Zusammenfassend zeigen insbesondere die Versuchsergebnisse linksrheinisch keine bedeutsame Tragfähigkeitsminderung der Probepfähle durch Gruppenwirkung. Dies deckt sich mit der Erfahrung, dass in den gut durchlässigen Kiessanden der Niederterrasse des Rheins von einer seitlichen Ausbreitung des Verpressmörtels ausgegangen werden kann, so dass sich eine partielle Ver- 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 353 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen wachsung der Verpresskörper benachbarter Pfähle der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen ausbildet. Dies gilt insbesondere für die hier vorliegenden, lichten Pfahlabstände von 60 cm. Es findet ein Übergang des Tragverhaltens zu einer tiefgezogenen Flachgründung statt. Der mittlere Verhältniswert der minimalen und der maximalen Pfahlkopfhebungen bei Erreichen der Prüflast innerhalb einer Gruppe wurde sowohl linksals auch rechtsrheinisch zu 0,89 ermittelt. Die Festlegung der Abminderungsfaktoren infolge der Gruppenwirkung beim minimalen Pfahlachsabstand von 90 cm erfolgte zu: linksrheinisch G R = 0,85, rechtsrheinisch G R = 0,80. Damit wurde erneut der rechnerisch zu weichen Federsteifigkeit rechtsrheinisch durch konservativen Ansatz Sorge getragen. Eine Differenzierung der Tragfähigkeitsminderung nach der Pfahlposition innerhalb einer Gruppe (Randpfahl, Eckpfahl, Mittelpfahl) wurde durch die Ergebnisse der Probebelastungen nicht indiziert. Aufgrund relevanter Lastkombinationen im Bauwerkszustand erfolgte linksrheinisch die Beprobung von drei Einzelpfählen mit jeweils zwei Reaktionspfählen unter Wechselbelastung. Bezüglich der Entwicklung der Verschiebungen der Probepfähle mit zunehmender Lastwechselzahl wurden folgende Ergebnisse erzielt: 1. Bezüglich der Setzungen infolge Druckbelastung zeigten alle drei Pfähle eine Zunahme des absoluten Setzungsbetrags mit steigender Lastwechselzahl. Innerhalb der untersuchten Lastwechselzahlen zeigte sich eine Reduzierung der Zunahme des Setzungsbetrages mit steigender Lastwechselzahl. Es ließ sich ein schwach degressiver Verlauf für alle drei Pfähle ableiten. 2. Bezüglich der Hebungen infolge Zugbelastung zeigten alle drei Pfähle ein jeweils unterschiedliches Verhalten. Ein Pfahl zeigte nahezu keine Zunahme des absoluten Hebungsbetrags. Es ließ sich ein in etwa konstanter Verlauf ableiten. Ein Pfahl zeigte eine Zunahme des absoluten Hebungsbetrags. Es ließ sich ein in etwa linearer Verlauf ableiten. Ein Pfahl zeigte eine Zunahme des absoluten Hebungsbetrags. Es ließ sich ein schwach progressiver Verlauf ableiten. 3. Auf einen Pfahl wurde nach dem Durchfahren von 15 Lastwechselzyklen eine Dauerzugbelastung von 710 kN aufgebracht und mehrstündig gehalten. Für diese Haltezeit zeigte sich ein sehr geringes Kriechmaß von k s (2‘/ 300‘) = 0,11 mm. Die erzielten Versuchsergebnisse bestätigen die Ausführungen der DIN EN 1997-1: 2009, 7.6.3.1 (9)P, dass insbesondere bei der Beurteilung des Widerstands bei Zug die nachteilige Wirkung zyklischer und wiederholter Belastung auf den Herausziehwiderstand berücksichtigt werden muss. Aus den Versuchsergebnissen war abzuleiten, dass die Entwicklung des Widerstands bei Druck unter Wechselbelastung in den anstehenden Kiessanden der Niederterrasse des Rheins als unkritisch zu betrachten ist. In konservativer Abschätzung wurde trotzdem empfohlen, für den Widerstand bei Druck einen Abminderungsfaktor infolge Zug-Druck-Wechselbelastung von 0,8 anzusetzen. Es wurde weiterhin empfohlen, für den Widerstand bei Zug ebenfalls einen Abminderungsfaktor infolge Zug-Druck-Wechselbelastung von 0,8 anzusetzen. Dabei ist lastniveauunabhängig eine konstruktiv bedingte Mindesteinbindelänge aller wechselbelasteten Pfähle in die anstehenden Kiessande der Niederterrasse des Rheins von ≥ 7 m vorgeschrieben worden. Den Ausführungen gemäß DIN EN 1997-1: 2009, 7.5.1, dass vorsichtige Bemessungswerte für die Materialeigenschaften angesetzt werden sollen, wenn Probebelastungen nicht praktikabel sind, weil die Modellierung der Lastwechsel schwierig ist (z.B. zyklische Belastung), wurde wie folgt Sorge getragen: 1. Im vorliegenden Fall wurde ein insgesamt sehr umfangreiches Probebelastungsprogramm, sowohl ohne als auch mit Lastwechseln, durchgeführt. 2. Alle Bemessungsgrößen zur statischen Pfahltragfähigkeit wurden konservativ ermittelt bzw. abgeleitet. Dies bedeutet im Einzelnen: - - Die Ableitung der Gesamtpfahlwiderstände erfolgte unter Ansatz des Streuungsfaktors ξ1 = 1,2. Dies entspricht einer Probepfahlanzahl von 3. Im vorliegenden Fall wurden jedoch rechtsrheinisch in vergleichbarem Baugrund ebenfalls Einzelpfahlbelastungen anhand von drei weiteren Probepfählen vorgenommen, die ein im Wesentlichen analoges Ergebnis zu den linksrheinisch beprobten Pfählen lieferten. Trotzdem wurden diese Pfähle gesondert betrachtet und der Probepfahlanzahl an dieser Stelle nicht zugerechnet. - - Die Ermittlung der charakteristischen Pfahlmantelreibung in den anstehen Kiessanden der Niederterrasse des Rheins erfolgte durch Zugprobebelastungen. Allein dies stellt bereits einen konservativen Ansatz dar, da bei Zugbelastung eine geringere Pfahlmantelreibung aktiviert wird als dies bei Druckbelastung der Fall ist. - - In Ermangelung stichhaltig auswertbarer Ergebnisse bezüglich der den verpressten Pfahlschaftschichten in den Kiessanden der Niederterrasse des Rheins zuzuordnenden Gesamtpfahlwiderstandsanteilen, erfolgte die Zuordnung von 1/ 5 der Gesamtlast auf die Schichten oberhalb der verpressten Einbindelänge. In Anbetracht der erfahrungsgemäß deutlich geringeren Steifigkeit der anstehenden Hochflutsedimente und Anschüttungen im Vergleich zu den Kiessanden der Niederterrasse des Rheins ist auch diese Zuordnung konservativ. 354 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen 3. Der Abminderungsfaktor infolge Gruppenwirkung wurde zu GR = 0,85 empfohlen, obwohl sowohl die Unterzeichner als auch die Versuchsdurchführenden aus den Versuchsergebnissen ableiteten, dass keine bedeutsamen Unterschiede im Verschiebungsverhalten der Gruppenpfähle festgestellt wurden, die insbesondere für den jeweiligen Mittelpfahl einer Pfahlgruppe, geminderte Tragfähigkeit indiziert hätten. 4. In den anstehenden Kiessanden der Niederterrasse des Rheins findet eine seitliche Ausbreitung des Verpressmörtels statt, so dass sich eine partielle Verwachsung der Verpresskörper benachbarter Pfähle der Pfahlreihen und der Pfahlgruppen ausbildet. Dies gilt insbesondere für die hier vorliegenden, lichten Pfahlabstände von 60 cm. Resultierend stellt sich ein Tragverhalten ein, bei dem die engstehenden Bauwerkspfähle in gewissem Maße wie eine tiefgezogene Flachgründung reagieren. Dabei sind Flachgründungskörper bei Wechselbeanspruchung grundsätzlich weniger anfällig für Bauwerk-Boden-Wechselwirkungen, als Pfahlgründungen. 5. Die kritischen Bauwerkspfähle weisen folgende Belastungen auf: - kritischer Bauwerkspfahl 1: F d,Druck =-1.221 kN F d,Zug = 997 kN - kritischer Bauwerkspfahl 2: F d,Druck =-1.561 kN F d,Zug = 643 kN Der Betrag der Druckbelastung ist jeweils größer als der Betrag der Zugbelastung. Daraus resultiert, dass die Ermittlung der erforderlichen Länge der kritischen Bauwerkspfähle maßgebend durch den erforderlichen Druckwiderstand erfolgt, der wie obenstehend ausgeführt, ebenfalls konservativ mit dem Abminderungsfaktor für Wechselbeanspruchung zu beaufschlagen ist. 6. Die Ergebnisse der durchgeführten Wechselprobebelastungen zeigten keine besondere Empfindlichkeit des anstehenden Baugrunds gegenüber dem Versagen infolge Wechselbelastung der Pfähle (hier geprüft als Einzelpfähle). 7. Weiterhin wurde empfohlen, den Ausführungen des Normenhandbuchs EC 7-1, 7.5.1 A (3e) zu folgen und die Lageveränderung kritischer, zyklisch beanspruchter Bauwerkspfähle regelmäßig zu überwachen. 7. Bewertung der Ergebnisse hinsichtlich der Bemessung Zusammenfassend kann aus den erzielten Versuchsergebnissen abgeleitet werden, dass die anstehenden Kiessande der Niederterrasse des Rheins eine gute Eignung aufweisen, um den Abtrag des hier anfallenden, hohen Lastniveaus bei nur kleiner verfügbarer Grundfläche und der geringen lichten Arbeitshöhe über die geplanten, verpressten Mikropfähle zu leisten. Die Steifigkeit des Gesamtsystems Pfahl-Baugrund ist ausreichend groß und vergleichsweise homogen. Alle abgeleiteten Bemessungsansätze zur statischen Tragfähigkeit der verpressten Mikropfähle wurden konservativ angesetzt. Daraus resultiert eine weitere Sicherheitsreserve der Gesamtgründung. Eine bedeutsame Minderung der Tragfähigkeit infolge Gruppenwirkung wurde nicht festgestellt. Die Ergebnisse der Wechselbelastungen zeigten eine sehr gute Robustheit des Druckwiderstands und keine überkritische Empfindlichkeit des Zugwiderstands der beprobten Einzelpfähle infolge von Wechselbelastung. Insbesondere infolge der sich hier positiv auswirkenden Gruppenwirkung der späteren Bauwerkspfähle durch seitliche Ausbreitung des Verpressmörtels, so dass sich eine partielle Verwachsung der Verpresskörper benachbarter Pfähle ausbildet, wurde die ausreichende Tragfähigkeit der geplanten Gründung bei Wechselbelastung festgestellt. 8. Zusammenfassung und Ausblick Ein Vergleich zwischen der zur Vorbemessung der Pfahlgründung angesetzten, charakteristischen Pfahl-mantelreibung in den anstehenden Kiessanden der Niederterrasse des Rheins und der aus den Probebelastungen abgeleiteten, charakteristischen Pfahlmantelreibung verdeutlicht den Nutzen der durchgeführten Probebelastungen im vorliegenden Fall. Gemäß den projektspezifischen Baugrundgutachten waren charakteristische Pfahlmantelreibungswerte von 220- 250 kN/ m² anzusetzen. Diese Angabe deckt sich in ihrer Größenordnung mit der Spanne der Erfahrungswerte, wie sie in der EA-Pfähle für verpresste Mikropfähle angegeben ist, die in eine nichtbindige Schicht einbinden in der mittlere Drucksonden-widerstände von 15-20 MN/ m² (entspricht N10,DPH ≈ 15-20) erreicht werden. Durch die durchgeführten Probebelas-tungen konnte hingegen eine charakteristische Mantelreibung von 290-310 kN/ m² nachgewiesen werden. Dies bedeutet eine Erhöhung der ansetzbaren Mantelreibung von etwa 25 %. Eine Zusammenfassung dieses Ergebnisses gibt die nachstehende Tabelle. Pfahlmantelreibung [kN/ m²] min max gemäß Vorbemessung 220 250 aus den Ergebnissen der Probebelastungen 290 310 Erhöhung 32 % 25 % Tabelle 14 Vergleich der Mantelreibungswerte ohne / mit PPB Nur aufgrund der vorstehend beschriebenen Erhöhung der ansetzbaren Mantelreibung in der tragenden Schicht der Kiessande kann das geplante Gründungskonzept der Mülheimer Brücke im Spannungsfeld aus großen 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 355 Rheinbrücke auf Mikropfählen - Aufwändige Probebelastungen an engständigen Pfahlgruppen Bauwerkslasten, begrenzter Pfahlabsetztiefe, kleiner verfügbarer Grundfläche und stark beschränkter freier Arbeitshöher unter Herstellung verpresster Mikropfähle realisiert werden. Zusammenfassend bieten Pfahlprobebelastungen ein wertvolles Instrument, insbesondere dann, wenn anspruchsvolle Randbedingungen einer Gründungs-situation dazu führen, dass die sehr konservativ angesetzten Erfahrungswerte der Fachliteratur den Nachweis der Gründungsstandsicherheit unmöglich machen würden. Das tatsächlich abrufbare Leistungs-potential des anstehenden Baugrunds wird bei lediglichem Ansatz der konservativen Erfahrungswerte zum Teil deutlich unterschätzt. Im vorliegenden Fall konnte dieses Leistungspotential voll ausgenutzt werden, wobei zu betonen bleibt, dass dies nicht auf Kosten eines reduzierten Sicherheits-niveaus, sondern unter immer noch konservativer Auswertung der Probebelastungsergebnisse erfolgte. Für die Zukunft bleibt zu empfehlen, dass die Pfahlprobebelastung, insbesondere auf der Bauherren-seite und in frühen Planungsphasen, als wertvolles, bautechnisches Mittel zur Erzielung optimierter Planungsergebnisse betrachtet wird.